Khả năng hấp phụ chất màu congo red trong môi trường nước của bùn đỏ hoạt hóa

Nghiên cứu chung và nghiên cứu khoa học cơ bản

KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU CONGO RED TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
CỦA BÙN ĐỎ HOẠT HÓA
ThS. Nguyễn Ngọc Tuyền*, PGS.TS Bùi Trung**
ABSTRACT

Red mud is a by-product of bauxite processing via the Bayer process. This study evaluates
adsorption capacity of congo red (CR) in aqueous solution by an activated red mud material.
Experimental results show that the CR removal capacity of activated red mud (ARM) sample that
was prepared by heating a raw red mud material with carbon at 900oC for 4 h was much higher
than the capacity of raw red mud . The CR adsorption into ARM was good at pH below 5 and it
took 30 min to obttain equilibrium. The adsorption data was analyzed using the Langmuir and the
Freundlich isotherm models and it was found that the Langmuir isotherm model represented the
measured sorption data well. The calculated CR absorption capacity of ARM was 112,4 mg/g. This
study result indicates that ARM can be employed as absorbent for removal of CR also other azo
dyes from industrial waste water.
Keywords: Red mud . CR adsorption. adsorption capacity. azo dyes
TÓM TẮT

Quá trình chế biến quặng bauxit theo phương pháp Bayer sinh ra chất thải gọi là bùn đỏ. Sau
khi hoạt hóa bằng cách nung bùn đỏ thô với carbon ở 900oC trong 4 giờ, bùn đỏ hoạt hoá (BĐHH)
đuợc khảo sát khả năng hấp phụ chất màu congo red (CR) tan trong nước. Kết quả cho thấy khả
năng hấp phụ của BĐHH cao hơn nhiều so với bùn đỏ thô. Sự hấp phụ tốt ở pH nhỏ hơn 5, cân
bằng đạt được sau 30 phút. Phân tích theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich
cho thấy sự hấp phụ CR trên BĐHH tuân theo mô hình Langmuir, dung lượng hấp phụ là 112,4
mg/g. Kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng BĐHH để hấp phụ CR cũng như các chất nhuộm
azo khác từ nước thải công nghiệp.
Từ khoá: Bùn đỏ, khả năng hấp phụ, sự hấp phụ CR. chất nhuộm azo
1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Bùn đỏ là chất thải có độ kiềm cao, mịn,
khó đóng rắn, chứa rất nhiều tạp chất nên dễ
phát tán gây ô nhiễm môi trường. Việc nghiên
cứu sử dụng bùn đỏ vào các lĩnh vực phù hợp là
cần thiết nhằm hạn chế sự tác động tiêu cực
đến môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế - xã
hội cho ngành khai thác và chế biến quặng
bauxit đầy tiềm năng ở nước ta.
Cho đến nay, bùn đỏ đã được nghiên cứu
ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như
làm đất canh tác nông nghiệp, bột màu, phụ gia
trong xi măng, …Với thành phần chủ yếu là các
oxid sắt, nhôm, silic, titan,…nhưng ở dạng bền,
kém hoạt động, bùn đỏ cẩn được hoạt hóa. Một
trong các phương pháp hoạt hóa đó là nung bùn
đỏ với carbon ở nhiệt độ cao.

2. NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất, vật liệu
- Bùn đỏ thô (BĐT) được tạo ra bằng cách
xử lý bã thải của của nhà máy hóa chất Tân
Bình với dung dịch HCl 5% và nước cất rồi sấy
khô ở 105oC.
- Bùn đỏ hoạt hóa (BĐHH) thu được qua
qui trình hoạt hóa nhiệt BĐT với carbon ở
900oC. Qui trình hoạt hóa và các đặc tính lý hóa
của vật liệu này đã được trình bày chi tiết trong
một báo cáo gần đây [8].
- Chất màu congo red (CR) tinh khiết, có
công thức như sau: C32H22N6O6S2Na2
(M = 696,67 g/mol)

Với mục đích tận thu chất thải để xử lý
môi trường, chúng tôi tiến hành khảo sát khả
năng hấp phụ của bùn đỏ hoạt hóa đối với chất
màu congo red trong môi trường nước.
* Trường Cao đẳng Nông nghiệp Nam Bộ
** Viện Công nghệ Hóa học, Tp. Hồ Chí Minh

Tập san Khoa học & Giáo dục, số 2

34

Nghiên cứu khoa học chuyên ngành

Hệ thiết bị phản ứng bao gồm một bình
cầu 1lít đặt trong một bể điều nhiệt. Dung
dịch được khuấy đều nhờ thiết bị khuấy từ.
Tiến hành: cho 200mL dung dịch CR có nồng
độ xác định vào bình cầu. Dùng các dung
dịch HCl 5% và NaOH 5% để hiệu chỉnh pH
của dung dịch về giá trị cần thiết. Cho một
lượng xác định BĐHH vào dung dịch, đặt vào
bể điều nhiệt và khuấy đều suốt thời gian
phản ứng với tốc độ khoảng 100 vòng/phút.
Dung dịch được rút ra ở các thời điểm khác
nhau tùy thuộc vào yêu cầu khảo sát rồi lọc
bỏ phần rắn bằng giấy lọc. Dung dịch qua lọc
được điều chỉnh về pH 5 bằng dung dịch đệm
rồi xác định nồng độ CR theo phương pháp
trắc quang trên máy DR–2000.
Dung lượng hấp phụ của vật liệu được
tính theo công thức sau:
qt = (Co – Ct)/m
Với: qt (mg/g) là dung lượng hấp phụ của
vật liệu tại thời điểm t
Co và Ct (ppm) lần lượt là nồng độ của
hợp chất màu trong dung dịch ban đầu và tại
thời điểm t. Nồng độ của hợp chất màu được
xác định bằng phương pháp phân tích trắc
quang.
m (g/L) là lượng vật liệu dùng trong 1
lít dung dịch.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Khả năng hấp phụ CR của BĐHH so
với BĐT:
Thực nghiệm hấp phụ CR trên các mẫu
BĐT và BĐHH ở điều kiện CoCR= 300ppm;
mvật liệu= 1,0g/L; pHo = 5,0; T = 30±1oC;
t
= 60 phút, đã ghi nhận dung lượng hấp phụ
(qt) của BĐHH là 97,29 mg/g, của BĐT là
68,22mg/g. Kết quả này cho thấy bằng
phương pháp hoạt hóa nhiệt bùn đỏ với
carbon đã cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ
CR của vật liệu.
Sự hấp phụ CR trên các mẫu bùn đỏ
theo khuynh hướng tương tác tĩnh điện giữa
Tập san Khoa học & Giáo dục, số 2

anion C32H22N6(SO3)22- và các tâm mang điện
tích dương trên bề mặt vật liệu. Tuy nhiên,
pHPZC của BĐT (có giá trị là 7,0) và BĐHH
(pHPZC =6,9) gần như nhau nên sự thay đổi qt
của chúng như trên có thể được giải thích
theo sự thay đổi của hàm lượng các hoạt chất
(Fe2O3, FeO, Al2O3) và tạp chất trong vật liệu.
Ngoài ra, BĐT có nước ẩm, nước cấu
trúc trong vật liệu còn nhiều và sự hiện diện
của ion OH- tự do đã liên kết với các tâm hấp
phụ của vật liệu [3]. Khi hoạt hóa bùn đỏ ở
nhiệt độ cao đã làm giảm lượng nước trong
vật liệu, vì thế, khả năng hấp phụ tăng.
3.2. Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến khả
năng hấp phụ CR
3.2.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch CR
ban đầu:
pH dung dịch CR ban đầu (gọi là pHo)
được khảo sát trong khoảng pHo = 3 – 9 (độ
tan của CR trong nước ở pH = 2 rất thấp [3]).
(Điều kiện: m BĐHH = 1,0 g/L;
CoCR =
o
300 ppm; T = 30±1 C)
Hình 1 cho thấy qt giảm khi pHo tăng.
Độ tăng, giảm qt khác nhau trong từng
khoảng pHo.
350

Dung lượng hấp thu
(mg/g)

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Đầu tiên khảo sát khả năng hấp phụ CR
của BĐT và BĐHH.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp
phụ CR của vật liệu, bao gồm: pH dung dịch,
thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của CR,
được khảo sát. Từ các điều kiện phù hợp, áp
dụng các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir và Freundlich để đánh giá khuynh
hướng hấp phụ CR trên BĐHH.

300
250
200
150
100
50
0
0

20

40

60

80

100

120

Thời gian tiếp xúc (phút)
pH = 3,0
pH = 6,0

pH = 4,0
pH = 7,0

pH = 5,0
pH = 9,0

Hình 1. Sự thay đổi dung lượng hấp phụ CR
của BĐHH theo thời gian, tại pHo khác nhau
Nhiều nghiên cứu trước đã ghi nhận, pH
của dung dịch CR ban đầu tác động đến sự
hình thành các tâm mang điện tích bề mặt vật
liệu hấp phụ [3],[6]. pHPZC của BĐHH là 6,9,
nên điện tích bề mặt của nó thay đổi theo pHo
như sau:
+ Khi pHo < 6,9: M-OH(s) + H+(aq) →
M-OH2+(s)
+ Khi pHo > 6,9: M-OH(s) + OH-(aq) →
M-O-(s) + H2O (M = Fe, Al, ...)
Trong nước phân tử CR phân ly thành các
ion:
C32H22N6(SO3)2Na2 → C32H22N6(SO3)22- +
2Na+
35

Các anion C32H22N6(SO3)22- có khuynh
hướng tạo liên kết tĩnh điện với các tâm bề
mặt tích điện dương của BĐHH (khi pHo <
6,9)
Do cấu trúc của anion C32H22N6(SO3)22cồng kềnh, gây cản trở không gian nên để quá
trình hấp phụ xảy ra tốt thì mật độ điện tích
dương trên bề mặt vật liệu phải đủ lớn. Vì thế,
qt khá cao ở khoảng pHo = 3 - 4, nhưng tương
đối thấp ở khoảng pHo 5 đến 7. Khi pHo > 7,
bề mặt BĐHH tích điện âm, không thuận lợi
cho sự hấp phụ anion.

D u n g lư ợ n g h ấ p th u (m g /g )

3.2.2.Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và
nồng độ CR ban đầu:
Theo hình 2a, 2b, hiệu suất và qt tăng
theo thời gian tiếp xúc. Quá trình hấp phụ
diễn ra nhanh ở khoảng thời gian đầu, sau đó
chậm lại và đạt cân bằng sau khoảng 30 phút
cho tất cả các nồng độ CR đã khảo sát.

H iệ u su ấ t h ấ p th u (% )

Nghiên cứu khoa học chuyên ngành
70
60
50
40
30
20
10
0
50

100

300

500

N ồ n g đ ộ C R b a n đ ầ u (m g /L )
1 5 p hú t

3 0 p hú t

6 0 p hú t

Hình2b. Sự thay đổi hiệu suất hấp phụ theo
thời gian và nồng độ dung dịch CR ban đầu.
Kết quả phân tích phổ UV-Vis (hình 3)
cho thấy chỉ có sự giảm cường độ các đỉnh
phổ đặc trưng của CR với hình dạng phổ đồ
không thay đổi, nghĩa là không có sự phá hủy
cấu trúc của phân tử CR mà chỉ xảy ra quá
trình hấp phụ khi CR tiếp xúc với BĐHH.

120
100
80
60
40
20
0
0

20
40
60
80
100 120
T h ờ i g ia n tiế p x ú c (p h ú t)

5 0 m g C R /l

1 0 0 m g C R /l

3 0 0 m g C R /l

5 0 0 m g C R /l

Hình 2a. Sự thay đổi dung lượng hấp phụ
CR theo thời gian và nồng độ dung dịch CR
ban đầu.
Khi tăng nồng độ CR, qt có khuynh
hướng tăng, trong khi hiệu suất lại giảm (hình
2b). Kết quả từ một số nghiên cứu trước đây
cũng đã ghi nhận sự thay đổi trái chiều giữa
dung lượng và hiệu suất hấp phụ CR trên các
loại vật liệu khác nhau khi thay đổi nồng độ
CR [1], [9], [10]. Theo Vipasiri Vimonses
[10], đó là do sự giới hạn các tâm hấp phụ
trên bề mặt vật liệu. Khi nồng độ CR cao, hầu
hết các tâm mang điện tích trên bề mặt vật
liệu đều bị chiếm giữ bởi các phân tử CR,
nhưng lượng phân tử CR còn trong dung dịch
nhiều. Hệ quả là qt cao và hiệu suất thấp.
Ngược lại, với nồng độ CR thấp, gần như
toàn bộ các phân tử CR bị bắt giữ nên hiệu
suất hấp phụ cao, trong khi số tâm còn trống
lớn nên qt thấp.

Tập san Khoa học & Giáo dục, số 2

Hình 3. Phổ UV-Vis của CR trước và sau khi
hấp phụ trên BĐHH tại các thời điểm
khác nhau
3.3. Mô hình hấp thu đẳng nhiệt CR trên
BĐHH
Để dự đoán sự tương tác giữa các phân
tử CR với bề mặt vật liệu hấp phụ, ước tính
dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu, hai
mô hình hấp phụ đẳng nhiệt thông dụng
Freundlich và Langmuir được sử dụng.
- Mô hình Freundlich đặc trưng cho quá
trình hấp phụ không lý tưởng của các hệ dị
thể và hấp phụ thuận nghịch [11].
qe = KF.Ce1/n
hay logqe = logKF + (1/n).logCe

36

Nghiên cứu khoa học chuyên ngành

Với: qe (mg/g) là dung lượng hấp phụ
CR của vật liệu tại thời điểm cân bằng, được
tính theo công thức: qe = [V.(Co - Ce)]/m
-Mô hình hấp thu đẳng nhiệt Langmuir
mô tả một quá trình hấp phụ đơn lớp của vật
liệu hấp phụ có cấu trúc đồng nhất, có thể ước
lượng dung lượng hấp phụ tối đa của vật liệu.
[3]
qe = KL.qm.Ce/(1 + KL.Ce)

Từ hình 4 nhận thấy, hệ số tương quan
của phương trình đường thẳng theo mô hình
Langmuir (R2 = 0,9975) cao hơn so với hệ số
này của mô hình Freundlich (R2 = 0,8686).
Nghĩa là quá trình hấp phụ đẳng nhiệt CR trên
BĐHH tương thích với mô hình Langmuir
hơn là Freundlich. Điều này cho biết các cấu
tử CR đã được hấp phụ bởi các tâm hoạt tính
đồng nhất trên bề mặt BĐHH và quá trình này
là hấp phụ đơn lớp.

Hay Ce/qe = 1/(qm.KL) + Ce.(1/qm)
4 ,0

2 ,0
2 ,0

3 ,5

1 ,9
1 ,9

2 ,5

lo g q
e

Ce/qe (g /L )

3 ,0
2 ,0
1 ,5
y = 0 ,0 0 8 9 x + 0 ,2 6 1 1
R 2 = 0 ,9 9 7 5

1 ,0
0 ,5

y = 0 ,3 1 2 4 x + 1 ,2 5 5 6
R 2 = 0 ,8 6 8 6

1 ,5

0 ,0
0

100

200

C

(a)

1 ,8
1 ,7
1 ,7
1 ,6
1 ,6

T h ự c n g h iệm

e

300

400

1 ,1

500

1 ,5

1 ,9

lo g C

(m g /L )
M ô h ìn h L a n g m u ir

(b)

T h ự c n g h iệm

2 ,3

2 ,7

e

M ô h ìn h F reu n d rich

Hình 4. Sự hấp phụ đẳng nhiệt CR theo các mô hình Langmuir (a) và Freundlich (b). (Điều kiện
m BĐHH = 1,0 g/L; CoCR= 50 – 500 ppm; pHo = 5,0; T = 30±1oC; t = 60 phút)
Đặc tính đồng nhất của các tâm hoạt
động bề mặt của vật liệu còn được chứng
minh thông qua hệ số cân bằng (KD, L/g). Hệ
số này được tính theo công thức sau:
KD = Cs/Cw
Với : Cs (mg/g) và CW (mg/L) lần lượt là
lượng cấu tử bị hấp phụ trong vật liệu và
nồng độ trong dung dịch tại thời điểm cân
bằng. [9]
Bảng1. Kết quả xác định nồng độ CR còn lại
trong dung dịch sau 45 phút hấp phụ trên
BĐHH và tính ra KD
Hàm
lượng
vật liệu
(g/L)
0,3
0,5
1,0
2,0

CoCR
(ppm)

CwCR
(ppm)

CSCR
(mg/g)

KD
(L/g)

300
300
300
300

6,95
4,07
2,07
1,05

976,83
591,86
297,93
149,48

140,55
145,42
143,93
142,36

Tập san Khoa học & Giáo dục, số 2

Nhận thấy hệ số KD của quá trình hấp phụ
thay đổi không nhiều ở các hàm lượng BĐHH
khác nhau. Điều này thể hiện độ đồng nhất
của các tâm hoạt động trên bề mặt BĐHH
tương đối cao, phù hợp với mô hình hấp thu
đẳng nhiệt Langmuir.
Như vậy, dung lượng hấp phụ CR cực
đại của BĐHH ở điều kiện khảo sát là 112,4
mg/g. Một số nghiên cứu trước đây cũng ghi
nhận quá trình hấp phụ CR trên các loại vật
liệu khác nhau cũng tuân theo mô hình
Langmuir. Theo tham khảo, dung lượng hấp
phụ CR của các vật liệu dao động từ vài mg/g
đến hàng trăm mg/g tùy thuộc vào vật liệu,
chẳng hạn: dung lượng hấp phụ cực đại CR
của bùn đỏ hoạt hóa bằng axit HCl là 7,08
mg/g [9], của bùn đỏ nguyên khai là 4,05
mg/g [7], cacbon từ rơm rạ là 403,7 mg/g [2],
bentonit là 158 mg/g [5].
4. KẾT LUẬN

Bùn đỏ hoạt hóa có khả năng hấp phụ
hợp chất màu congo red trong môi trường
nước, dung lượng hấp phụ CR cực đại của
BĐHH ở điều kiện khảo sát (m BĐHH = 1,0
37

Nghiên cứu khoa học chuyên ngành

g/L; CoCR = 50 – 500 ppm; pHo = 5,0; T =
30±1oC; t = 60 phút) là 112,4 mg/g, cao hơn
nhiều so với bùn đỏ thường. Khả năng hấp
phụ chủ yếu là do sự tương tác tĩnh điện giữa
anion của hợp chất màu với các tâm mang
điện tích dương trên bề mặt vật liệu. Quá
trình hấp phụ tuân theo mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt Langmuir.
Kết quả nghiên cứu trên đây có thể làm
cơ sở để ứng dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp
phụ các hợp chất màu azo có cấu trúc tương
tự như congo red trong nước thải công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Chenglong Xia et. al.(2011), “Adsorption
properties of congo red from aqueous
solution on modified hectorite: Kinetic
and
thermodynamic
studies”,
Desalination, Vol. 265, pp.81–87.
[2].Kannan N. et al. (2002), “Adsorption of
congo red on various activated carbons
a comparative study”, Water, Air, Soil
Pollution, 138, pp. 289–305.
[3].Li
Wang,
Aiqin
Wang
(2007),
“Adsorption characteristics of Congo
Red onto the chitosan/ montmorillonite
nanocomposite”, Journal of Hazardous
Materials, Vol. 147, p. 979–985.

[7]. Namasivayam C. et. al. (1997), “Removal
of congo red from wastewater by
adsorption onto waste red mud”,
Chemosphere, Vol. 34 ( 2), pp. 401-417.
[8].Nguyễn Ngọc Tuyền, Bùi Trung, 2011,
Chế tạo và khảo sát hoạt tính xúc tác
cho phản ứng Fenton phân hủy phẩm
màu anion của vật liệu từ bùn đỏ Việt
Nam, Tập san khoa học Trường Cao
đẳng Nông nghiệp Nam bộ, trang 12-15.
[9].Tor A.,Cengeloglu Y.,. (2006), “Removal
of congo red fromaqueous solution by
dsorption onto acid activated red mud”,
Journal Hazardous Materials, B138, pp.
409–415.
[10].Vipasiri Vimonses, Shaomin Lei, Bo Jin,
Chris W.K. Chow, Chris Saint (2009),
“Adsorption of congo red by three
Australian kaolins”, Applied Clay
Science, Vol. 43, pp. 465–472.
[11].Wang
S.,
Zhu
Z.H.(2006),
“Characterisation and environmental
application of an Australian natural
zeolite for basic dye removal from
aqueous solution”, Journal of Hazardous
Materials, B136, pp. 946–952.

[4].Lorenc-Grabowska E. et al. (2007),
“Adsorption characteristics of Congo
Red
on
coal-based
mesoporous
activated carbon”, Dyes Pigments, 74,
p.34- 40.
[5].Mahmut Ozacar, Emrah Bulut, I. Ayhan
Sengil (2008), “ Equilibrium and kinetic
data and process design for adsorption
of Congo Red onto bentonite”, Journal
of Hazardous Materials, Vol. 154 , pp.
613–622.
[6].Mall I.D.et.al. (2006), „Characterization
and utilization of mesoporous fertilizer
plant waste carbon for adsorptive
removal of dyes from aqueous solution“.
Colloids Surface, A 278 (1–3), pp.175–
187.
Tập san Khoa học & Giáo dục, số 2

38