ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------
VŨ DUY HÙNG
BIẾN TÍNH SÉT DI LINH DÙNG CHO PHẢN ỨNG
PHÂN HỦY MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ Ô NHIỄM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------
VŨ DUY HÙNG
BIẾN TÍNH SÉT DI LINH DÙNG CHO PHẢN ỨNG
PHÂN HỦY MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ Ô NHIỄM
Chuyên ngành : Hóa Dầu
Mã số: 60 44 0115
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Bình
Hà Nội – 2013
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn
Thanh Bình, người đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn em trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn
Hóa Dầu và Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
đã tận tình giảng dạy và dìu dắt em trong suốt những năm qua
cũng như quá trình nghiên cứu, đặc biệt là trong quá trình làm thí
nghiệm.
Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, các anh chị
và các bạn phòng Hóa Dầu đã luôn quan tâm, giúp đỡ, động viên
em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013
Vũ Duy Hùng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1. Giới thiệu về Bentonit............................................................................................. 1
1.1.1. Sự hình thành bentonit trong tự nhiên ............................................................. 1
1.1.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của montmorillonit .................................... 1
1.1.3. Tính chất hóa lý của bentonit ............................................................................. 4
1.1.3.1. Tính chất vật lý của bentonit .......................................................................... 4
1.1.3.2. Khả năng hấp phụ của bentonit ..................................................................... 5
1.1.4. Bentonit ở Việt Nam............................................................................................ 6
1.1.5. Ứng dụng của bentonit ..................................................................................... 7
1.1.6. Phƣơng pháp biến tính Bentonit. ...................................................................... 7
1.2. Phƣơng pháp hấp phụ ........................................................................................... 8
1.2.1. Lý thuyết về phƣơng pháp hấp phụ .................................................................. 8
1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ ................................................ 11
1.2.3. Một số đại lƣợng đánh giá hấp phụ ................................................................. 13
1.3. Quá trình quang xúc tác ..................................................................................... 14
1.3.1. Xúc tác quang dị thể [11] .................................................................................. 14
1.3.2. Hệ xúc tác Fenton dị thể ................................................................................... 19
CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....... 20
2.1. THỰC NGHIỆM .................................................................................................. 20
2.1.1. Hóa chất và thiết bị sử dụng............................................................................. 20
2.1.2. Xử lý sét thô thành bentonit – Na (Bent – Na) .............................................. 20
2.1.3. Quá trình hấp phụ các ion kim loại (Fe3+, Zn2+, Cu2+). ................................ 21
2.1.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ................................................... 21
2.1.3.2. Ảnh hƣởng của pH tới quá trình hấp phụ ion kim loại. ............................ 22
2.1.3.3. Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của bentonit – Na vào nồng độ cân
bằng của Fe (III), Cu(II) và Zn(II) ............................................................................. 22
2.1.4. Các xúc tác BentH – FexOy , BentH – Cu2/xO, BentH – ZnO đƣợc điều
chế ở điều kiện tối ƣu hấp phụ kim loại. .................................................................... 22
2.1.5. Hoạt tính quang hóa trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. ........ 22
2.1.6. Xây dựng đƣờng chuẩn cho Metyelen blue (MB) .......................................... 23
2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu.............................................................................. 24
2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ............................................................................. 24
2.2.2. Phƣơng pháp UV – VIS .................................................................................... 25
2.2.3. Phƣơng pháp phổ của các tia X có năng lƣợng phân tán (EDS hay EDX) . 26
2.2.4. Phương pháp xác định phổ phản xạ khuếch tán Uv – Vis (UV-Vis DRS) ......... 27
2.2.5. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử F – AAS .............................................. 28
CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 31
3.1. Các đặc trƣng vật lý của các mẫu xúc tác: ......................................................... 31
3.1.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X – XRD .................................................................. 31
3.1.2. Kết quả phổ của các tia X có năng lƣợng phân tán - EDS ............................ 33
3.1.3. Kết quả phổ phản xạ khuếch tán UV – Vis (UV-Vis DRS) ............................ 36
3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ........................................................... 36
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của pH ................................................................................ 38
3.4. Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của bentonit – Na vào nồng độ cân bằng
của Fe (III), Cu(II) và Zn(II) ....................................................................................... 39
3.4.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của ion Fe3+ ......................................................... 40
3.4.2. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của ion Zn2+ ......................................................... 42
3.4.3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của ion Cu2+ ........................................................ 44
3.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác oxi hóa chất hữu cơ gây ô nhiễm Metylen
blue của các BentH – Cu2/xO, BentH – FexOy, BentH – ZnO. .................................. 46
3.5.1. Khả năng quang xúc tác của BentH – Cu2/xO ................................................ 46
3.5.2. Khả năng quang xúc tác của BentH - FexOy ................................................... 47
3.5.3. Khả năng quang xúc tác của BentH – ZnO .................................................... 49
3.6. So sánh hiệu suất quang hóa của BentH –Cu2/xO , BentH –FexOy, BentH –
ZnO ............................................................................................................................. 50
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 53
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 57
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.2 – Cấu trúc không gian mạng lưới cấu trúc của montmorillonit. ........................ 3
Hình 1.3 – Cơ chế hấp phụ ............................................................................................... 9
Hình 1.4 – Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir. ............................ 14
Hình 1.5 – Phổ năng lượng của các chất bán dẫn........................................................... 15
Hình 1.6 – Sơ đồ cơ chế tác dụng quang xúc tác phân huỷ các hợp chất hữu cơ ........... 15
Hình 1.7 – Mô tả hệ quang xúc tác dị thể. ....................................................................... 17
Hình 1.8 – Quá trình quang xúc tác của hệ Fenton ......................................................... 19
Hình 2.3– Phổ UV – VIS của metylen blue. ..................................................................... 23
Hình 2.4– Đường chuẩn thể hiện sự phụ thuộc của Abs vào nồng độ của metylen
blue. .................................................................................................................................. 24
Hình 2.1 – Sơ đồ nhiễu xạ của tia X. ............................................................................... 24
Hình 2.2 – Nguyên lý của phép phân tích EDS ................................................................ 26
Hình 3.1 – Phổ XRD của bent – Na ................................................................................. 31
Hình 3.2– Phổ XRD của bentH – Cu2/xO ......................................................................... 31
Hình 3.3– Phổ XRD của bentH – FexOy .......................................................................... 32
Hình 3.4– Phổ XRD của bentH – ZnO. ............................................................................ 32
Hình 3.5 – Phổ EDS của Bent – Na. ................................................................................ 33
Hình 3.6– Phổ EDS của BentH – Cu2/xO ......................................................................... 34
Hình 3.7– Phổ EDS của BentH – FexOy .......................................................................... 34
Hình 3.8– Phổ EDS của BentH – ZnO ............................................................................. 35
Hình 3.9– Phổ UV rắn của Bent – Na, BentH – FexOy, BentH – CuO, BentH – ZnO..... 36
Hình 3.10– Mối quan hệ giữa qt của các ion kim loại Cu2+, Zn2+, Fe3+ vào thời
gian. .................................................................................................................................. 37
Hình 3.11– Ảnh hưởng của pH tới quá trình hấp phụ các ion Cu, Fe, Zn của Bent –
Na. .................................................................................................................................... 39
Hình 3.12– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng
của Fe3+. ........................................................................................................................... 41
Hình 3.13– Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của ion Fe3+. .......................... 41
Hình 3.14– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng
của Zn2+. ........................................................................................................................... 42
Hình 3.15 – Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Zn2+. ............................... 43
Hình 3.16– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng
của Cu2+. .......................................................................................................................... 45
Hình 3.17– Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Cu2+. ................................ 45
Hình 3.18 – Mối quan hệ giữa nồng độ của MB vào thời gian đối với BentH –
Cu2/xO . ............................................................................................................................. 47
Hình 3.19– Mối quan hệ giữa nồng độ của MB vào thời gian đối với BentH – FexOy. .. 48
Hình 3.11– Mối quan hệ giữa nồng độ của MB vào thời gian đối với BentH – ZnO. ..... 50
Hình 3.21– Hiệu suất xử lý metylen blue của các xúc tác khác nhau. ............................. 51
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 – Bảng phân loại các loại sét [9] ..........................................................................4
Bảng 1.2: Đặc trưng thành phần hóa học của bentonit Di Linh [13] ..................................6
Bảng 3.1 – Kết quả phân tích nguyên tố của các mẫu Bent – Na, BentH – Cu2/xO,
BentH – FexOy, BentH - ZnO bằng phương pháp phổ EDS ...............................................35
Bảng 3.2 – Ảnh hưởng của thời gian đến cân cân bằng hấp phụ của các ion Cu2+,
Fe3+, Zn2+. ...........................................................................................................................37
Bảng 3.3 – Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ các ion Cu2+, Fe3+, Zn2+. .............38
Bảng 3.4– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của
ion Fe3+ ...............................................................................................................................40
Bảng 3.5 - Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của
ion Zn2+ ...............................................................................................................................43
Bảng 3.6– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của
ion Cu2+ ...............................................................................................................................44
Bảng 3.7– Kết quả xử lý metylen blue bằng BentH – Cu2/xO với các điều kiện khác
nhau.....................................................................................................................................46
Bảng 3.8– Kết quả xử lý metylen blue bằng BentH – FexOy với các điều kiện khác
nhau.....................................................................................................................................48
Bảng 3.9– Kết quả xử lý metylen blue bằng BentH – ZnO với các điều kiện khác
nhau.....................................................................................................................................49
MỞ ĐẦU
Ngày nay, ô nhiễm môi trường là một vấn đề thời sự mang tính toàn cầu.
Chúng để lại hậu quả nghiêm trọng cho môi trường như làm mất mỹ quan, ô nhiễm
không khí, có tác động xấu đến sức khỏe con người thậm chí còn là tác nhân gây
nên ung thư hay các biến đổi gen. Do có ảnh hưởng trực tiếp và lâu dài của chúng
đến sức khỏe con người nên việc xử lý ô nhiễm đang nhận được sự quan tâm ngày
càng lớn. Để giảm thiểu ô nhiễm đã có nhiều biện pháp công nghệ được đưa ra. Có
thể sử dụng các biện pháp truyền thống như: hấp phụ, thẩm thấu ngược, lọc qua
máy siêu lọc...
Đối với những nguồn nước bị ô nhiễm do các ion kim loại nặng gây ra thì
phương pháp hấp phụ tỏ ra hiệu quả trong quá trình xử lý nước thải này do phương
pháp này dễ áp dụng vào thực tế, chi phí cũng không quá đắt và có khả năng tái sử
dụng lại chất hấp phụ. Phương pháp này càng hiệu quả nếu vật liệu sử dụng để hấp
phụ có diện tích bề mặt và số tâm hấp phụ lớn như than hoạt tính, sét,… Theo
phương pháp này chúng ta dễ dàng thu hồi lại những kim loại này để phục vụ cho
những nhu cầu khác như làm xúc tác thứ cấp, tạo ra vật liệu mới từ những quá trình
này.
Tuy nhiên, các phương pháp hấp phụ không làm cho các hợp chất hữu cơ bị
phá hủy, mà chỉ chuyển chúng từ trạng thái này sang trạng thái khác hay chỉ là xử lý
tạm thời, vì vậy chúng vẫn gây nên ô nhiễm môi trường. Sử dụng quá trình oxi hóa
tăng cường (Advanced Oxidation Processes: AOPs) nhằm phân hủy hoàn toàn các
chất hữu cơ ô nhiễm là một giải pháp được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần
đây và đó cũng là xu hướng phát triển của khoa học xúc tác nói chung và xúc tác
môi trường nói riêng. AOPs có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh
học gây ô nhiễm một cách nhanh chóng. Trong số các AOPs, xúc tác quang dị thể
thường được sử dụng là TiO2, ZnO, CuO, FexOy,… làm chất xúc tác quang. Bên
cạnh đó quá trình xúc tác này còn có thể được thúc đẩy bằng cách cho thêm H2O2,
đây cũng được coi là hệ Fenton dị thể.
Và với mục tiêu như vậy, đề tài “Biến tính sét Di Linh dùng cho phản ứng
phân hủy một số dung môi hữu cơ ô nhiễm” được tiến hành để hướng tới việc sử
dụng nguồn xúc tác thứ cấp kể trên.
Mục tiêu của đề tài:
-
Hấp phụ được các ion kim loại Zn, Cu, Fe.
-
Xứ lý metylen blue bằng các xúc tác đã điều chế được theo phương pháp
quang hóa.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
-
Xử lý nước ion kim loại và dung dịch metylen blue.
-
Phạm vi trong phòng thí nghiệm tại khoa Hóa – Trường ĐH KHTN.
Ý nghĩa của đề tài:
-
Nghiên cứu quá trình động học của phương pháp hấp phụ.
-
Nghiên cứu cơ sở của quá trình xúc tác quang hóa và có sử dụng hệ
Fenton.
Ý nghĩa khoa học thực tiễn:
-
Có thể áp dụng cho các nhà máy sản xuất giảm việc gây ô nhiễm bởi các
ion kim loại và sau đó tiếp tục sử chúng để làm nguồn xúc tác thứ cấp để
xử lý các chất thải hữu cơ
Luận văn thạc sĩ khoa học
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1.
Giới thiệu về Bentonit
1.1.1. Sự hình thành bentonit trong tự nhiên
Khoáng sét là một loại khoáng tự nhiên chứa chủ yếu các loại khoáng sét,
còn lại là các khoáng vật khác như: goethit Fe(OH)3, gibbsit Al(OH)3, thạch anh có
tên chung là khoáng phi sét. Ngoài ra còn có một số chất hữu cơ như xenlulozo,
lignin,.... Khoáng sét nói chung được tạo ra do sự phong hóa hóa học của các loại đá
chứa silicate dưới tác động của nước và khí cacbonic. Một số loại sét lại được hình
thành do các hoạt động thủy nhiệt (phong hóa vật lý) hoặc do rễ cây lan dần trên
mặt đất (phong hóa sinh học).
Montmorillonit (MMT) thành phần chính của khoáng sét bentonit có trong
các loại đất và các trầm tích chứa sét, một phần được tạo thành do tro bụi núi lửa bị
phong hóa [2].
1.1.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của montmorillonit [9]
Bentonit là loại sét tự nhiên có thành phần chính là khoáng montmorillonit
và thêm một số khoáng khác như saponit, nontronit, beidellit. Ngoài ra người ta còn
phát hiện thấy trong bentonit có một số khoáng sét như kaolinit, chlorit, mica và các
khoáng phi sét như: canxit, pyrit, magnetit, biolit,... các muối kiềm và các chất hữu
cơ. Bentonit còn gọi theo tên khoáng chính của nó là montmorillonit. Khi phân tích
thành phần hóa học của montmorillonit ngoài các nguyên tố Si, Al người ta còn
phát hiện sự có mặt của các nguyên tố Fe, Mg, Ti, Na, K,…
Trong đó hàm lượng H2O, n = 1 – 4.
Tỉ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1 – 2 đến 1 – 4.
Thành phần hóa học của montmorillonit ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất và
khả năng sử dụng của chúng. Xác định chính xác thành phần hóa học của bentonit
là hết sức cần thiết nhằm định hướng biến tính cho các mục đích sử dụng hiệu quả
nhất.
Khoáng sét chứa hàm lượng cao montmorillonit được gọi là bentonit. Đôi
khi nói bentonit người ta cũng hiểu là nói về montmorillonit.
Vũ Duy Hùng CHK22
1
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 1.1 – Cấu trúc tinh thể của montmorillonit
Montmorillonit(bentonit) là aluminosilicat lớp tự nhiên có cấu trúc 2:1, dạng
điocta. Cấu trúc tinh thể của montmorillonit gồm hai phần mạng tứ diện liên kết với
một phần mạng bát diện ở giữa.
Khi các nguyên tử nhôm ở phân lớp bát diện được thay thế bằng các nguyên
tử magie, như vậy trên bề mặt monmorillonit sẽ xuất hiện các điện tích âm, các điện
tích âm này được đền bù bởi các cation có khả năng trao đổi như Na+, K+, Mg2+,
Ca2+. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ. Mỗi lớp cấu trúc
được phát triển liên tục trong không gian theo hai hướng trục a và b (2 chiều). Các
lớp cấu trúc của montmorillonit có chiều dày là 9,6 Å. Nếu kể cả lớp cation trao đổi
và nước hấp phụ thì chiều dày của lớp hấp phụ khoảng 15Å.
Trong mạng lưới cấu trúc của monmorillonit thường xảy ra sự thay thế đồng
hình của các cation. Ở phân mạng bát diện chủ yếu là sự thay thế của cation Al3+
bởi cation Mg2+. Ở phân mạng tứ diện, một phần không lớn cation Si4+ bị thay thế
bởi cation Al3+ hoặc Fe3+. Al có thể thay thế Si trong phân mạng tứ diện lớn nhất là
10%. Sự thay thế này dẫn tới sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới, điện tích
đó được bù trừ bởi các cation nằm ở khoảng không gian giữa hai lớp, đó là các
cation Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+,… chúng bị hydrat hóa bởi các phân tử nước ở
khoảng giữa hai lớp cấu trúc.
Vũ Duy Hùng CHK22
2
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 1.2 – Cấu trúc không gian mạng lưới cấu trúc của montmorillonit.
Người ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới của montmorillonit
xuất hiện chủ yếu ở mạng lưới bát diện do sự thay thế đồng hình của ion Al3+ bằng
ion Mg2+ ứng với tỷ lệ Mg : Al ̴ 1:(4-5). Điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế
của ion Si4+ bởi ion Al3+ ứng với tỉ lệ Al : Si ̴ 1:(15 -30). Vì vậy, điện tích âm của
mạng phân bố sâu trong lớp cấu trúc nên năng lượng liên kết của các cation trao đổi
nằm ở giữa các lớp cấu trúc của mạng thấp. Các cation có thể chuyển động tự do
giữa các mặt phẳng điện tích âm và có thể trao đổi với các cation khác, tạo ra khả
năng biến tính montmorillonit bằng cách trao đổi ion. Lượng cation trao đổi của
montmorillonit dao động trong khoảng 0,7 đến 1,2 mg- đlg/g. Các phân tử nước dễ
dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa
chúng theo trục c. Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được
gọi là khoảng cách cơ bản có thể thay đổi từ 10 Å trong montmorillonit dehydrat
hóa hoàn toàn đến xấp xỉ 20 Å tùy thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng
không gian giữa hai lớp. Khoảng cách này có thể tăng lên đến ̴ 30Å khi thay thế các
cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome,
các polymer vô cơ, các phân tử hữu cơ,…
Phân lớp tứ diện silic kết hợp với phân lớp bát diện nhôm theo các kiểu khác
nhau ta được các sét khác nhau. Thí dụ, một phân lớp tứ diện kết hợp với một phân
lớp bát diện ta có sét Cao Lanh cấu trúc 1:1. Mẫu hai phân lớp tứ diện kết hợp với
một phân lớp bát diện nhôm trong đó lớp bát diện nhôm bị kẹp ở giữa, ta có sét 2:1.
Đây là loại sét quan trọng nhất vì chúng có tính trương nở thuận nghịch. Dưới đây
giới thiệu các sét có cấu trúc 2:1.
Vũ Duy Hùng CHK22
3
Luận văn thạc sĩ khoa học
Bảng 1.1 – Bảng phân loại các loại sét [9]
Nhóm khoáng
(x: điện tích
Phân nhóm
Phân nhóm Điocta
Phân nhóm Triocta
Pyrophyllite và
Pyrophyllite
Talc
Talc
[Al2](Si4)O10(OH)2
[Mg3](Si4)O10(OH)2
Smectite
Montmorillonit
Hectorite
lớp)
(0.25 Me2+ > Me3+. Đối với các cation cùng hóa trị thì bán
kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi ion càng lớn: Na+ > K+ > Mg2+ >
Fe2+ >Al3+.
Giá trị CEC phản ánh hai tính chất cơ bản của bentonit là diện tích bề mặt và
lượng điện tích âm trong mạng lưới tinh thể. Bề mặt tinh thể bao gồm bề mặt trong
và bề mặt ngoài:
Dung lượng trao đổi ở bề mặt ngoài phản ánh kích thước tinh thể, phụ thuộc
vào sự gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì dung
lượng trao đổi càng lớn.
Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trong
mạng lưới, khả năng hấp phụ của bentonit và sự phụ thuộc vào số lượng
các cation bù trừ ở trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thì dung
lượng trao đổi càng lớn.
1.1.3.2.
Khả năng hấp phụ của bentonit
Bentonit có khả năng hấp phụ rất lớn. Khả năng hấp phụ của bentonit được
quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc xốp. Quá trình hấp phụ xảy ra trên cả bề
Vũ Duy Hùng CHK22
5
Luận văn thạc sĩ khoa học
mặt trong lẫn bề mặt ngoài của bentonit. Đó là sự tương tác của các chất bị hấp phụ
với các tâm hoạt tính trên bề mặt bentonit.
-
Bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của các phiến sét cách nhau
một khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc lớp của sét. Như trên đã cho
thấy khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao đổi,
và phụ thuộc vào mức độ hydrat hóa của các lớp sét.
-
Bề mặt ngoài được xác định bởi bề mặt của các mao quản thứ cấp
được tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonit. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt
càng lớn và kích thước mao quản chuyển tiếp càng nhỏ.
CEC của bentonit lớn hơn dung lượng trao đổi anion, do đó hấp phụ chủ yếu
là các cation trong môi trường kiềm.
1.1.4. Bentonit ở Việt Nam
Hiện nay, nguồn bentonit của nước ta khá phong phú, có thể cho khai thác
với trữ lượng 20.000 – 24.000 tấn/năm. Bentonit phân bố ở Cổ Định (Thanh Hoá),
Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nha Mé (Bình Thuận) và Bà Rịa – Vũng Tàu, Di Linh
(Lâm Đồng). Tuy nhiên, bentonit hiện mới chỉ được Công ty dịch vụ dầu khí khai
thác với quy mô lớn phục vụ cho công nghệ khoan.
Trữ lượng bentonit của Việt Nam đã xác định và dự báo khoảng 95 triệu tấn.
Mỏ bentonit ở Di Linh (Huyện Di Linh - Lâm Đồng) chứa một lượng lớn
montmorillonit, thành phần của nó được đặc trưng bằng bảng 1.2 dưới đây.
Bảng 1.2: Đặc trưng thành phần hóa học của bentonit Di Linh [13]
Thành phần
Hàm lƣợng
hóa học
(%)
SiO2
53,99
Al2O3
20,50
Fe2O3
7,72
MgO
3,28
CaO
2,35
Na2O
0.6
Thành phần khác
11,56
Vũ Duy Hùng CHK22
6
Luận văn thạc sĩ khoa học
Vì vậy, chúng ta hoàn toàn có thể kỳ vọng vào nguồn bentonit có đầy đủ các
tính chất để đáp ứng được nhu cầu trong nước, hạn chế việc nhập khẩu và còn nâng
cao trữ lượng để xuất khẩu ra thị trường bên ngoài.
1.1.5. Ứng dụng của bentonit [10]
Bentonit đã được biết đến và sử dụng từ lâu với những tính chất đa dạng của
nó. Bentonit được sử dụng trong các lĩnh vực chính sau:
-
Làm vật liệu tẩy, lọc trong nhiều ngành công nghiệp hóa học như: lọc dầu,
hóa dầu, dược phẩm, thực phẩm, dệt nhuộm, chất tẩy rửa, …
-
Chất kết dính, khuôn đúc trong công nghiệp luyện kim
-
Khử chất thải phóng xạ, xử lý kim loại nặng độc hại trong nước và xử lý
nước thải ở các vùng công nghiệp, chống ô nhiễm môi trường
-
Phụ gia trong các ngành công nghiệp cao su, giấy, thuốc trừ sâu, phân bón
sinh hóa, sơn, gốm sứ, làm dung dịch khoan sâu
-
Làm chất xúc tác; chất mang xúc tác trong các phản ứng tổng hợp và oxy hoá
hoàn toàn các chất hữu cơ.
-
Trong lĩnh vực xử lý chất thải, chất thải phóng xạ. Bentonit được bổ sung
những ion Al3+ , Fe3+ , Mg2+ , Ca2+ ,… để tăng hoạt tính, được dùng để xử lý
kiềm, axit, nước thải. Nó là chất lọc có hiệu quả đối với nước thải có nhiều
chất không tan, chất lơ lửng và chất trôi nổi. Các loại nước thải sau đây có
thể bằng bentonit cho hiệu quả tốt: các chất dầu hòa tan và dầu dạng nhũ
tương; các chất phân tán dạng phức chất hữu cơ (nước thải do giặt giũ, đãi
quặng); nước thải công nghiệp từ công nghiệp chế biến thực phẩm, chăn nuôi
gia súc, gia cầm.
1.1.6. Phƣơng pháp biến tính Bentonit. [9]
Bentonit được biến tính theo nhiều phương pháp khác nhau như: biến tính
axit, biến tính kiềm, biến tính thành sét hữu cơ,...
Khoáng sét tự nhiên chứa nhiều tạp chất như canxit, đolomit, một số oxit sắt,
TiO2,.... Biến tính sét kiềm nghĩa là hoạt hóa sét bằng dung dịch kiềm nhắm hòa tan
một số yếu tố có tính lưỡng tính như nhôm tạo nên các Aluminat tự do. Mặc dù hoạt
Vũ Duy Hùng CHK22
7
Luận văn thạc sĩ khoa học
hóa sét bằng kiềm không thể loại bỏ hết các oxit sắt, TiO2, canxit, đôlomit, song
hoạt hóa sét bằng kiềm là phương pháp được sử dụng hiện nay. Thông thường trước
khi biến tính sét, thường là cao lanh hay bentonit, người ta loại bỏ các khoáng vật
khác như canxi, đôlômit, bằng axit hay hoạt hóa ở nhiệt độ 600 – 650oC, sau đó
người ta chuyển các dạng hoạt động thu được ở trên trong môi trường kiềm NaOH
và điều chỉnh tỉ lệ SiO2/Al2O3 theo ý muốn và thêm chất tạo cấu trúc như, các muối
amoni bậc 4 về dạng nhôm silicat tinh thể hay các zeolit X, Y, A,… có cấu trúc và
kích thước lỗ xác định làm vật liệu xúc tác hay làm vật liệu hấp phụ.
Đây là một trong những xu hướng tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên tại
chỗ để chế tạo vật liệu xúc tác, hấp phụ,… cho công nghiệp lọc hóa dầu, xử lý môi
trường và các ngành công nghiệp khác.
1.2.
Phƣơng pháp hấp phụ [10]
Phương pháp hấp phụ là một phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tan trong
nước, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật xử lý nước thải nhờ có các ưu điểm:
-
Có khả năng làm sạch nước ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ về chất lượng.
-
Quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp.
-
Vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, có khả năng tái sử dụng nhiều lần nên
chi phí xử lý thấp nhưng hiệu quả xử lý cao.
1.2.1. Lý thuyết về phƣơng pháp hấp phụ
Hấp phụ là quá trình ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, và nhiều
lĩnh vực khác; từ việc tách các chất khí có hàm lượng thấp, khử màu, khử mùi các
dung dịch đến hấp phụ các chất độc hại trong nước và khí thải.
Quá trình hấp phụ là một hiện tượng bề mặt, thu hút chất bị hấp phụ lên bề
mặt chất hấp phụ, làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ. Quá trình giải hấp là
quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ.
Vật liệu ở trạng thái vật hấp phụ được gọi là chất hấp phụ. Chất mà ở trên
vật hấp phụ (trước khi nó bị hấp phụ) được gọi là chất có khả năng bị hấp phụ.
Vũ Duy Hùng CHK22
8
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 1.3 – Cơ chế hấp phụ
Hay các định nghĩa trên có thể được hiểu như sau:
Hấp phụ là sự tích luỹ chất trên bề mặt phân cách pha. Đây là phương pháp
tách chất trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặc khí được hấp phụ lên bề mặt rắn
của chất hấp phụ.
Chất hấp phụ là chất có bề mặt tại đó xảy ra quá trình hấp phụ. Là những
chất có diện tích bề mặt lớn, các phân tử trên bề mặt tạo ra các trung tâm
hoạt động bề mặt có khả năng hút các chất bị hấp phụ. Các chất hấp phụ
thường dùng như silicagen, than hoạt tính, các loại khoáng sét, các hydroxit
kim loại, các sản phẩm phụ như bùn hoạt tính, xỉ, tro… có giá thành rẻ, dễ
kiếm.
Chất bị hấp phụ là chất được tập trung lên bề mặt chất hấp phụ, thường ở
pha lỏng hoặc khí
Một câu hỏi quan trọng là: “có bao nhiêu chất bị hấp phụ ở bề mặt phân
cách?”. Điều này được mô tả bởi một hàm hấp phụ Γ = f(P,T), và được xác định
bằng thực nghiệm. Nó cho thấy lượng mol chất hấp phụ trong một đơn vị diện tích
bề mặt, nhìn chung, thì hàm này phụ thuộc vào nhiệt độ. Đồ thị biểu diễn sự phụ
thuộc của Γ vào P ở một nhiệt độ xác định được gọi là hấp phụ đẳng nhiệt. Để hiểu
hơn về chất hấp phụ và dự đoán được lượng chất phụ người ta đưa ra phương trình
hấp phụ đẳng nhiệt. Các phương trình này phụ thuộc vào lý thuyết được sử dụng.
Phân loại hấp phụ
Vũ Duy Hùng CHK22
9
- Xem thêm -