Xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng của quá trình khai thác và chế biến quặng phóng xạ là một vấn đề rất quan trọng. Hiện nay người ta đã sử dụng một số phương pháp để xử lý chúng như phương pháp kết tủa, phương pháp màng, phương pháp trao đổi ion,... Tuy vậy những phương pháp này thường có giá thành cao. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ các khoáng tự nhiên có khả năng hấp phụ cao các chất phóng xạ và các kim loại nặng có trong nước thải của quá trình khai thác và chế biến quặng phóng xạ với chi phí thấp là một hướng đi ưu tiên trong lĩnh vực chế tạo vật liệu để xử lý môi trường.
Tại Việt Nam, các khoáng tự nhiên có khả năng ứng dụng để xử lý môi trường như bentonit, zeolit, apatit, laterit... rất phong phú và đa dạng, trong đó phải kể đến là khoáng bentonit. Tuy vậy, do sự trương nở mạnh và khả năng tạo ra huyền phù bền của bentonit nên việc tách bentonit ra khỏi pha nước thường rất khó khăn. Để khắc phục khó khăn này có thể sử dụng bentonite ở dạng viên. Trong bài này giới thiệu các kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ trên nền quặng bentonit vùng Bình Thuận và khả năng hấp phụ của vật liệu với các nguyên tố phóng xạ urani, thori và một số kim loại nặng.
- Các loại máy nghiền bi công suất 5kg/mẻ và 100 kg/mẻ;
- Máy tuyển thuỷ xyclon của hãng Mozley (Anh);
- Máy ly tâm Hettich EBA 8 của hãng Prolabo (Pháp);
- Máy khuấy từ gia nhiệt VEIA của hãng Cole Parmer (Anh);
- Máy đo pH (Mỹ);
- Lò nung Nabertherm (Anh);
- Máy tạo hạt.
2.2. Phương pháp thực nghiệm
2.2.1 Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ trên nền quặng bentonit
Quặng bentonit được đánh tơi, chà xát và ngâm cho trương. Sau đó tiến hành tuyển thủy xyclone trên máy máy tuyển thuỷ xyclon với các điều kiện: nồng độ pha rắn R=10%; áp lực cấp liệu P=2,5 at. Sản phẩm sau tuyển thủy xyclon được lọc, sấy khô và nghiền nhỏ đến kích thước ≤300µm.
Các chất phụ trợ như kaolin, bột cưa, đá ong được nghiền tới kích thước phù hợp. Phối liệu bentonit thu được sau quá trình tuyển thủy xyclon với các chất phụ trợ theo tỷ lệ % về khối lượng như sau: bentonit (70%), đá ong (20%), các chất phụ trợ khác (10%). Hỗn hợp này được trộn đều trong máy phối liệu có dung tích 5kg/mẻ và tốc độ quay tối đa 200 vòng/phút. Sau khi phối liệu xong, hỗn hợp được chuyển qua công đoạn tạo hạt để thu nhận hạt có kích thước từ 1-2 mm. Hạt được nung ở nhiệt độ từ 500-5500C trong khoảng thời gian 2 giờ.
2.2.2 Phương pháp xác định dung lượng hấp phụ của các ion U, Th, Fe và Mn trên vật liệu
Chuẩn bị dung dịch urani, thori và dung dịch Fe, Mn với nồng độ nhất định. Để điều chỉnh độ pH của dung dịch đã sử dụng dung dịch đệm axetat natri để điều chỉnh pH trong khoảng 2,5-5,5 và sử dụng NaOH để điều chỉnh độ pH trong khoảng 5,5-8,0. Lấy 500 ml các dung dịch này cho vào các cốc 1 lít, cho vào đó 10g bentonit, đặt lên máy lắc với tốc độ 140 vòng/phút. Sau khi hấp phụ bão hòa, lấy 60 ml dung dịch ra lọc và tiến hành xác định nồng độ các ion trong dịch lọc. Nồng độ của các kim loại nặng được xác định trên thiết bị ICP hoặc bằng phương pháp đo quang, độ pH dung dịch được xác định bằng máy đo pH. Trước lúc tiến hành mỗi thí nghiệm, vật liệu hấp phụ có nền bentonit được điều chỉnh đến độ pH tương tự như độ pH làm việc của dung dịch đệm.
Lượng ion kim loại được hấp phụ bởi vật liệu hấp phụ (mg/g) được xác định từ sự chênh lệch nồng độ trước và sau hấp phụ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức sau:
A = [(Co – C).V]/m
Trong đó: A là dung lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ (mg/g); Co là nồng độ ion kim loại trong dung dịch đầu (mg/l); C là nồng độ ion kim loại khi cân bằng được thiết lập (mg/l); m là khối lượng vật liệu hấp phụ dùng để hấp phụ (g); V là thể tích dung dịch kim loại (l).
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ
Kết quả nghiên cứu ở phần 2.2 đã đưa ra được quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ trên nền quặng bentonit tự nhiên vùng Bình Thuận. Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu hấp phụ trên nền quặng bentonit được trình bày ở hình 1.
Sản phẩm vật liệu hấp phụ chế tạo được và kết quả xác định các đặc điểm của vật liệu hấp phụ được trình bày ở bảng 1 dưới đây:
Bảng 1.Các đặc điểm của vật liệu hấp phụ
Hình 1. Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu hấp phụ có nền quặng bentonit tự nhiên
3.2 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ
Để xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ, chúng tôi tiến hành thí nghiệm xác định sự phụ thuộc vào thời gian của lượng kim loại U, Th, Fe và Mn hấp phụ với dung dịch các kim loại có nồng độ trong dải 0,1-4,0 g/l. Kết quả cho thấy trong 3 giờ hấp phụ đầu tiên, thời gian hấp phụ tăng thì lượng kim loại được hấp phụ trên vật liệu hấp phụ cũng tăng lên và đạt 95-99% tại thời điểm 3 giờ. Sau 3 giờ, nếu cứ tiếp tục tăng thời gian hấp phụ thì lượng kim loại được hấp phụ trên vật liệu hấp phụ vẫn không tăng, nghĩa là đã đạt cân bằng hấp phụ. Do vậy thời gian cân bằng hấp phụ đối với các ions U, Th, Fe và Mn là 3 giờ.
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH lên quá trình hấp phụ
Ảnh hưởng của pH trên hấp phụ của các ion U, Th, Fe và Mn trên vật liệu hấp phụ đã được nghiên cứu trong dải pH 2-6. Các thí nghiệm được thực hiện trên máy lắc với lượng vật liệu hấp phụ m= 0,2 g/100 ml, Co(U, Th, Fe, Mn)= 100 mg/l, tốc độ lắc 200 vòng phút trong 240 phút ở nhiệt độ phòng (250C). Kết quả được thể hiện trên hình 2.
Kết quả cho thấy khi độ pH giảm thì dung lượng hấp phụ cũng giảm, cụ thể trong khoảng pH 2-3 hiệu suất hấp phụ tăng chậm. Với pH từ 3-4, hiệu suất hấp phụ tăng nhanh hơn. Đặc biệt, từ dải pH4 đến pH5-5,5 thì khả năng hấp phụ của các ion U, Th, Fe, Mn trên vật liệu hấp phụ tăng lên rõ rệt. Điểm cực đại của hiệu suất hấp phụ tại pH5,5 đạt xấp xỉ 100%. Khi pH>5,5 hiệu suất hấp phụ có xu hướng giảm.
Như vậy, độ pH ảnh hưởng khác nhau đến sự hấp phụ của từng ion nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng. Trong khoảng pH<3,5 thì hấp phụ tăng theo thứ tự sau:
Hình 2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ của U, Th, Fe và Mn trên vật liệu hấp phụ
3.4. Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ của ion U, Th, Fe và Mn trên vật liệu hấp phụ
Các đường đẳng nhiệt hấp phụ của U, Th, Fe và Mn trên vật liệu hấp phụ được trình bày ở bảng 2 và hình 3.
Bảng 2. Các số liệu thực nghiệm xác định dung lượng hấp phụ của các ion U, Th, Fe và Mn
Hình 3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của U, Th, Fe và Mn trên vật liệu hấp phụ
Qua kết quả thực nghiệm hấp phụ các ion U, Th, Fe và Mn trên vật liệu hấp phụ chế tạo được cho thấy vật liệu này có khả năng trao đổi ion với các kim loại nặng.
Từ kết quả nghiên cứu, chúng tôi tính toán dung lượng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với các ion U, Th, Fe và Mn tương ứng là: 25,3 mg/g; 12,5 mg/g ; 27,8 mg/g và 31,1mg/g.
3.5. Kết quả xử lý mẫu nước thải phóng xạ chứa U, Th và các kim loại nặng
Nước thải của quá trình chế biến quặng urani quy mô thử nghiệm được sử dụng làm đối tượng thử nghiệm. Lượng nước thải để xử lý 1000 ml với lượng vật liệu hấp phụ sử dụng là 0,3g/100 ml, thời gian tiếp xúc là 3 giờ. Kết quả xử lý nước thải của quá trình chế biến quặng urani được chỉ ra ở bảng 4.
Bảng 4. Kết quả xử lý nước thải của quá trình chế biến quặng urani
KẾT LUẬN
1. Đã đưa ra quy trình chế tạo được vật liệu hấp phụ có gốc quặng bentonit tự nhiên vùng Bình Thuận để xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng. Vật liệu hấp phụ chế tạo được ở dạng viên với kích thước 1-2 mm, diện tích bề mặt 350 m2/g, dung lượng trao đổi cation 105 mldg/100g và bền trong môi trường axit.
2. Đã tiến hành nghiên cứu quá trình hấp phụ ion các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng nặng U, Th, Fe và Mn có nồng độ trong dải 0,1-4,0 g/l trên vật liệu hấp phụ. Dung lượng hấp phụ của các ion U, Th, Fe và Mn tương ứng là 25,3 mg/g; 12,5 mg/g ; 27,8 mg/g và 31,1 mg/g.
3. Các nghiên cứu xử lý chất thải phóng xạ của quá trình chế biến thử nghiệm quặng urani cho thấy vật liệu hấp phụ chế tạo được có thể được ứng dụng trong thực tế để xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng. Nước thải sau khi được xử lý bằng vật liệu hấp phụ chế tạo được đáp ứng các tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT và có thể thải ra ngoài hệ thống thải chung./.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1) International Atomic Energy Agency. Combined methods for liquid radioactive waste treatment - Final report of a co-ordinated research project 1997–2001. IAEA, VIENNA, 2003; IAEA-TECDOC-1336; ISBN 92–0–100903–8.
2) Syed Hakimi Sakuma, Nik Marzukee, Mohd Khairuddin. Comnined treatment of aqueous radioactive waste containing uranium, thorium and radium radionuclides by chemical precipitation and laterite soil sorbent. IAEA, VIENNA, 2003; IAEA-TECDOC-1336; ISBN92–0–100903–8.
3) International Atomic Energy Agency. Use of local mineral in the treatment of radioactive waste. Vienna, 1972.
Nguyễn Thúy Lan1, Đinh Văn Tôn1
Thân Văn Liên2
1Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim, Bộ Công Thương
2Viện Công nghệ Xạ hiếm, Bộ Khoa học và Công nghệ
Nguồn: Kỷ yếu Hội nghị tổng kết Đề án phát tiển Ngành Công nghiệp môi trường Việt Nam giai đoạn 2011-2015. Hà Nội, tháng 4/2016.
