Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý nước thải chứa phóng xạ ở Việt Nam
TS. Nguyễn Thúy Lan, KS. Đinh Văn Tôn và nkk - VIMLUKI
Mở đầu
Hiện nay trong ngành khai thác và chế biến khoáng sản ở nước ta, vấn đề ô nhiễm do phóng xạ mới chỉ được nghiên cứu trong khai thác và chế biến quặng titan - zircon. Nhiều hoạt động khai thác chế biến khoáng sản khác như đồng, graphit, photphat, than… và sắp tới là đất hiếm và uran trong nước có khả năng hình thành các nguồn chất thải chứa phóng xạ (như Th, U, Ra). Do vậy, nhu cầu xử lý và quản lý các loại chất thải phóng xạ, đi kèm với các kim loại nặng và hóa chất độc hại khác ngày càng trở nên cấp thiết.
Để xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng, một số phương pháp xử lý thường được áp dụng bao gồm: trao đổi ion/hấp phụ, kết tủa, bay hơi, thẩm thấu ngược, siêu lọc, vi lọc, keo tụ, tách chiết bằng dung môi, v.v Trong số đó, công nghệ hấp phụ/trao đổi ion đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Ngoài sử dụng nhựa trao đổi ion, một số nghiên cứu gần đây ở cả trong nước và trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu loại vật liệu và nâng cao hiệu suất trao đổi ion của các vật liệu có nguồn gốc từ vật liệu khoáng tự nhiên. Các hợp chất khoáng tự nhiên như bentonit, kaolin, illinit, zeolit, laterit và apatit… đều có tính hấp phụ, do vậy chúng thường được lựa chọn làm vật liệu hấp phụ/trao đổi ion. Trong số đó, khoáng bentonit và zeolit tự nhiên được sử dụng khá rộng rãi. Gần đây khoáng laterit và apatit tự nhiên cũng đã có một số nước trên thế giới nghiên cứu, áp dụng và cũng cho kết quả khả quan trong xử lý chất phóng xạ. Đối với từng loại khoáng tự nhiên, tùy cấu trúc của chúng mà khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng sẽ khác nhau.
Nước ta có nguồn nguyên liệu khoáng bentonite, apatit, laterit và zeolit tương đối dồi dào. Việc lựa chọn các khoáng phù hợp làm chất hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng sẽ góp phần vào việc sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, góp phần và sự nghiệp phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường ngành khai thác và chế biến khoáng sản của đất nước.
Nghiên cứu lựa chọn vật liệu khoáng tự nhiên có khả năng hấp phụ chất phóng xạ
Bốn loại khoáng tự nhiên gồm apatit, laterit, zeolit và bentonit đã được nghiên cứu để đánh giá khả năng hấp các nguyên tố phóng xạ như Th, U, Ra và các kim loại nặng khác có trong chất thải lỏng từ quá trình khai thác chế biến quặng phóng xạ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các khoáng tự nhiên như này đều có khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ U, Th và một số kim loại nặng. Dung lượng hấp phụ của các khoáng tự nhiên này đối với U nằm trong khoảng 0,01 - 0,05 mg U/g khoáng tự nhiên và 0,004-0,35 mg Th/g khoáng tự nhiên. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy khoáng bentonit tự nhiên có khả năng hấp phụ các chất phóng xạ và kim loại nặng tốt nhất trong số 4 loại khoáng được nghiên cứu. Do vậy đã được lựa chọn khoáng bentonit làm vật liệu nền để triển khai các nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao khả năng hấp phụ chất phóng xạ của vật liệu.
Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ có gốc khoáng bentonit
Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ có nền là khoáng bentonit được tóm tắt như sau:
- Trước hết quặng bentonit được tinh chế bằng phương pháp tuyển xyclone thủy lực và nâng hàm lượng montmorillonit trong vật liệu khoáng bentonit lên trên 50%.
- Tiếp đến, tiến hành nghiên cứu hoạt hóa vật liệu khoáng bằng các phương pháp khác nhau như hoạt hóa bằng nhiệt, hoạt hóa bằng tác nhân axit vô cơ (lựa chọn H2SO4) để làm tăng bề mặt riêng của bentonit với điều kiện hoạt hoạt hóa như sau: nồng độ axit: 15%, tỷ lệ axit/vật liệu: 1/4; thời gian hoạt hóa: 2 h.
- Sản phẩm hoạt hóa thu nhận được có bề mặt riêng >350 m2/g. Dung lượng hấp phụ U và Th của sản phẩm bentonit hoạt hóa có thể đạt tới 25- 45 mg/g. Do sự trương nở mạnh và khả năng tạo ra huyền phù bền của bentonit nên việc tách bentonit ra khỏi dung dịch thường rất khó khăn. Để khắc phục khó khăn này, đề tài đã nghiên cứu chế tạo bentonit ở dạng viên dễ lọc và có độ bền trong dung dịch pH dao động từ 5-9 (Bảng 1).
Hiện nay trong ngành khai thác và chế biến khoáng sản ở nước ta, vấn đề ô nhiễm do phóng xạ mới chỉ được nghiên cứu trong khai thác và chế biến quặng titan - zircon. Nhiều hoạt động khai thác chế biến khoáng sản khác như đồng, graphit, photphat, than… và sắp tới là đất hiếm và uran trong nước có khả năng hình thành các nguồn chất thải chứa phóng xạ (như Th, U, Ra). Do vậy, nhu cầu xử lý và quản lý các loại chất thải phóng xạ, đi kèm với các kim loại nặng và hóa chất độc hại khác ngày càng trở nên cấp thiết.
Để xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng, một số phương pháp xử lý thường được áp dụng bao gồm: trao đổi ion/hấp phụ, kết tủa, bay hơi, thẩm thấu ngược, siêu lọc, vi lọc, keo tụ, tách chiết bằng dung môi, v.v Trong số đó, công nghệ hấp phụ/trao đổi ion đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Ngoài sử dụng nhựa trao đổi ion, một số nghiên cứu gần đây ở cả trong nước và trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu loại vật liệu và nâng cao hiệu suất trao đổi ion của các vật liệu có nguồn gốc từ vật liệu khoáng tự nhiên. Các hợp chất khoáng tự nhiên như bentonit, kaolin, illinit, zeolit, laterit và apatit… đều có tính hấp phụ, do vậy chúng thường được lựa chọn làm vật liệu hấp phụ/trao đổi ion. Trong số đó, khoáng bentonit và zeolit tự nhiên được sử dụng khá rộng rãi. Gần đây khoáng laterit và apatit tự nhiên cũng đã có một số nước trên thế giới nghiên cứu, áp dụng và cũng cho kết quả khả quan trong xử lý chất phóng xạ. Đối với từng loại khoáng tự nhiên, tùy cấu trúc của chúng mà khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng sẽ khác nhau.
Nước ta có nguồn nguyên liệu khoáng bentonite, apatit, laterit và zeolit tương đối dồi dào. Việc lựa chọn các khoáng phù hợp làm chất hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng sẽ góp phần vào việc sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, góp phần và sự nghiệp phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường ngành khai thác và chế biến khoáng sản của đất nước.
Nghiên cứu lựa chọn vật liệu khoáng tự nhiên có khả năng hấp phụ chất phóng xạ
Bốn loại khoáng tự nhiên gồm apatit, laterit, zeolit và bentonit đã được nghiên cứu để đánh giá khả năng hấp các nguyên tố phóng xạ như Th, U, Ra và các kim loại nặng khác có trong chất thải lỏng từ quá trình khai thác chế biến quặng phóng xạ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các khoáng tự nhiên như này đều có khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ U, Th và một số kim loại nặng. Dung lượng hấp phụ của các khoáng tự nhiên này đối với U nằm trong khoảng 0,01 - 0,05 mg U/g khoáng tự nhiên và 0,004-0,35 mg Th/g khoáng tự nhiên. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy khoáng bentonit tự nhiên có khả năng hấp phụ các chất phóng xạ và kim loại nặng tốt nhất trong số 4 loại khoáng được nghiên cứu. Do vậy đã được lựa chọn khoáng bentonit làm vật liệu nền để triển khai các nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao khả năng hấp phụ chất phóng xạ của vật liệu.
Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ có gốc khoáng bentonit
Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ có nền là khoáng bentonit được tóm tắt như sau:
- Trước hết quặng bentonit được tinh chế bằng phương pháp tuyển xyclone thủy lực và nâng hàm lượng montmorillonit trong vật liệu khoáng bentonit lên trên 50%.
- Tiếp đến, tiến hành nghiên cứu hoạt hóa vật liệu khoáng bằng các phương pháp khác nhau như hoạt hóa bằng nhiệt, hoạt hóa bằng tác nhân axit vô cơ (lựa chọn H2SO4) để làm tăng bề mặt riêng của bentonit với điều kiện hoạt hoạt hóa như sau: nồng độ axit: 15%, tỷ lệ axit/vật liệu: 1/4; thời gian hoạt hóa: 2 h.
- Sản phẩm hoạt hóa thu nhận được có bề mặt riêng >350 m2/g. Dung lượng hấp phụ U và Th của sản phẩm bentonit hoạt hóa có thể đạt tới 25- 45 mg/g. Do sự trương nở mạnh và khả năng tạo ra huyền phù bền của bentonit nên việc tách bentonit ra khỏi dung dịch thường rất khó khăn. Để khắc phục khó khăn này, đề tài đã nghiên cứu chế tạo bentonit ở dạng viên dễ lọc và có độ bền trong dung dịch pH dao động từ 5-9 (Bảng 1).
TS. Nguyễn Thúy Lan, KS. Đinh Văn Tôn và nkk - VIMLUKI
Danh mục tin tức
Tin mới nhất
