Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Biến tính sét Di Linh dùng cho phản ứng phân hủy một số dung môi hữu cơ ô nhiễm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Biến tính sét Di Linh dùng cho phản ứng phân hủy một số dung môi hữu cơ ô nhiễm" tiến hành nhằm 2 mục tiêu: Hấp phụ được các ion kim loại Zn, Cu, Fe; xử lý metylen blue bằng các xúc tác đã điều chế được theo phương pháp quang hóa. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Biến tính sét Di Linh dùng cho phản ứng phân hủy một số dung môi hữu cơ ô nhiễm

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 Phân nhóm (x: điện tích Phân nhóm Điocta Phân nhóm Triocta lớp) Pyrophyllite và Pyrophyllite Talc Talc [Al2](Si4)O10(OH)2 [Mg3](Si4)O10(OH)2 Smectite Montmorillonit Hectorite (0.25
Luận văn thạc sĩ khoa học solvat hóa của các cation làm cho thể tích các lớp tăng lên. Thể tích bentonit tăng khoảng 10 – 15 lần so với thể tích ban đầu khi nó đã bão hòa nước. Khả năng hydrat hóa của các cation càng mạnh, lượng nước hấp phụ vào giữa các lớp càng nhiều, tính trương nở càng lớn.  Khả năng trao đổi ion: Khả năng trao đổi ion là đặc trưng cơ bản của bentonit, có hai nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi ion của bentonit: - Sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ hoặc Fe3+ trong mạng tứ diện, thay thế Al3+ trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc tinh thể. Dung lượng trao đổi ion của bentonit được quyết định bởi số lượng điện tích âm trên lớp bề mặt. - Khả năng trao đổi ion của bentonit phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi, các cation hóa trị nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cation hóa trị lớn, theo thứ tự Me+ > 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