Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu biến tính bentonit tự nhiên, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý NH4 và PO43 trong môi trường nước

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BENTONIT TỰ NHIÊN,
ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ NH4+ VÀ PO43TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

TRƢƠNG QUỐC ANH

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BENTONIT TỰ NHIÊN,
ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ NH4+ VÀ PO43TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC


TRƢƠNG QUỐC ANH

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. MAI VĂN TIẾN

HÀ NỘI, NĂM 2019


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hƣớng dẫn chính: TS. Mai Văn Tiến – Giảng viên khoa Môi
trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội.
Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Thu Huyền – Giảng viên khoa
Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội.
Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Huy Tùng – Giảng viên
trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Ngày 17 tháng 01 năm 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bài luận văn này là thành quả của bản thân tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu đề tài vừa qua.
Những kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày trong luận văn này là trung thực do
tôi và các cộng sự thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Mai Văn Tiến - Giảng viên
khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội.
Các kết quả nêu trong luận văn chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào
của các nhóm nghiên cứu khác.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo cáo này.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trƣơng Quốc Anh

i


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn tới
TS. Mai Văn Tiến, Giảng viên khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi
trƣờng Hà Nội – ngƣời đã hƣớng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi thực hiện thành công luận
văn thạc sỹ này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo khoa Môi trƣờng cùng các thầy
cô phòng Phân tích khoa Môi trƣờng - trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà
Nội đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian thực hiện luận văn này.
Xin cảm ơn phòng phân tích Viện Vật lý Trƣờng Đại học Khoa Học Tự nhiên,
phòng phân tích khoa Hóa Đại học Sƣ phạm Hà Nội, Viện vật liệu đã giúp đỡ tôi về
thiết bị máy móc sử dụng.
Xin cảm ơn các bạn học viên, sinh viên cùng thực hiện đề tài đã chia sẻ các khó
khăn cùng tôi hoàn thành những phần việc của đề tài nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời thân và bạn bè
luôn mong muốn tôi hoàn thành tốt bài luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn dù đã rất cố gắng nhƣng không thể tránh khỏi
những thiết sót, vì vậy em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý Hội đồng,
quý thầy cô và các bạn để luận văn của em đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội ngày 03 tháng 12 năm 2018
Học viên

Trƣơng Quốc Anh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................................ii
MỤC LỤC.........................................................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................................ v
DANH MỤC HÌNH .........................................................................................................................vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................viii
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của luận văn ............................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 2
3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu về bentonit và bentonit biến tính ............................................................... 4
1.1.1 Thành phần khoáng và thành phần hóa học của bentonit......................................... 4
1.1.2. Cấu trúc montmorillonit .......................................................................................... 4
1.1.3. Vật liệu bentonit biến tính ....................................................................................... 6
1.2. Tính chất của bentonit ................................................................................................ 9
1.3. Bentonit tự nhiên ở Việt Nam .................................................................................. 11
1.4. Hấp phụ và trao đổi ion của vật liệu. ........................................................................ 12
1.4.1. Hấp phụ.................................................................................................................. 12
1.4.2. Đặc điểm, phân loại và tính chất một số vật liệu hấp phụ ..................................... 19
1.4.3. Trao đổi ion ........................................................................................................... 21
1.5. Ứng dụng vật liệu Bentonit ...................................................................................... 24
1.6. Hiện tƣợng ô nhiễm amoni, phốt phát và các phƣơng pháp xử lý ........................... 25
1.6.1. Ô nhiễm amoni, phốt phát ..................................................................................... 25
1.6.2. Các phƣơng pháp xử lý amoni............................................................................... 27
1.6.3. Các phƣơng pháp xử lý phốt phát. ........................................................................ 28
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................29
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 29
2.2. Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ............................................. 29
2.2.1. Hóa chất sử dụng: .................................................................................................. 29
2.2.2. Thiết bị, dụng cụ: ................................................................................................... 29
2.3. Tổng hợp và biến tính vật liệu hấp phụ từ Bentonit tự nhiên ................................... 30
2.3.1. Tinh chế Bentonit Cổ Định.................................................................................... 30
2.3.2. Biến tính tổng hợp vật liệu Fe-bentonit ................................................................. 30
2.3.3. Biến tính tổng hợp vật liệu MnFe-bentonit ........................................................... 31
2.4. Khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện phản ứng đến quá trình tổng hợp và biến
tính vật liệu bentonit ........................................................................................................ 32
2.4.1. Ảnh hƣởng của thời gian siêu âm tới quá trình tinh chế vật liệu bentonit ............ 32
2.4.2. Ảnh hƣởng tốc độ ly tâm ....................................................................................... 32
2.4.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ OH-/Fe3+ tới tính chất của vật liệu Fe-bentonit ................... 32
2.4.4. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất của vật liệu MnFe-bentonit ............ 32
2.5. Các phƣơng pháp phân tích đặc trƣng cấu trúc tính chất của vật liệu ........................ 33
2.5.1. Phƣơng pháp phân tích Phổ hồng ngoại IR ........................................................... 33
2.5.2. Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phƣơng pháp đo BET) .................... 33
2.5.3. X-Ray..................................................................................................................... 35
2.5.4. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ..................................................................... 36

iii


2.6. Khảo sát đánh giá khả năng hấp phụ NH4+ và PO43- trong nƣớc của vật liệu MMT,
Fe-bentonit và MnFe-bentonit ......................................................................................... 38
2.6.1. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu. .................................................................. 38
2.6.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian ......................................................................... 38
2.6.3. Khảo sát ảnh hƣởng của pH .................................................................................. 39
2.6.4. Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu ............................................... 39
2.7. Mô hình động học hấp phụ ....................................................................................... 40
2.7.1. Đánh giá ảnh hƣởng của lƣu lƣợng tốc độ dòng chảy ........................................... 41
2.7.2. Đánh giá ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ ............................ 41
2.8. Phân tích xác định nồng độ amoni trong nƣớc bằng phƣơng pháp trắc quang (
4500 NH3 –F, SMWW, 1999) ......................................................................................... 42
2.9. Phân tích xác định PO43- trong nƣớc trong nƣớc bằng phƣơng pháp trắc quang
(theo TCVN 6202 – 2008). .............................................................................................. 42
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................................43
3.1. Kết quả nghiên cứu tinh chế tổng hợp vật liệu bentonit (MMT) ............................. 43
3.1.1. Ảnh hƣởng của thời gian siêu âm tới quá trình tinh chế tổng hợp MMT ............. 43
3.1.2. Ảnh hƣởng của tốc độ ly tâm tới quá trình tinh chế tổng hợp MMT .................... 44
3.2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ OH-/Fe3+ tới quá trình biến tính và tính chất của vật liệu Febentonit ............................................................................................................................ 44
3.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất của vật liệu MnFe-bentonit ............... 46
3.4. Phân tích đặc trƣng cấu trúc tính chất của vật liệu ................................................... 47
3.4.1. Kết quả phân tích đặc trƣng nhóm chức bằng phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR ....... 47
3.4.2. Kết quả phân tích tia X (X-Ray) của vật liệu ........................................................ 50
3.4.3. Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ........................................ 51
3.4.4. Kết quả phân tích xác định diện tích bề mặt riêng ( phƣơng pháp đo BET).............. 53
3.5. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu, ứng dụng để xử lý NH4+ và PO43- trong
nƣớc ................................................................................................................................. 56
3.5.1. Xác định điểm đẳng điện của MMT, Fe-bentint và MnFe-bentonit ..................... 56
3.5.2. Ảnh hƣởng của thời gian tới khả năng hấp phụ .................................................... 57
3.5.3. Kết quả ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ của vật liệu .......................... 59
3.5.4. Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu ............................................... 62
3.6. Khảo sát mô hình hấp phụ động ............................................................................... 64
3.6.1. Kết quả ảnh hƣởng của tốc độ dòng chảy tới hiệu qủa xử lý của cột.................... 64
3.6.2. Kết quả ảnh hƣởng của nồng độ đầu vào tới hiệu qủa xử lý của cột .................... 66
3.7. Đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu .................................................................... 67
3.8. Kết quả thử nghiệm hiệu quả xử lý NH4+ và PO43- đối với mẫu nƣớc thải sinh hoạt
thực tế .............................................................................................................................. 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................70
1. Kết luận........................................................................................................................ 70
2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................................71
PHỤ LỤC........................................................................................................................................... 2

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Ký hiệu tên các mẫu Fe-bentonit tổng hợp ở điều kiện thƣờng .................................... 32
Bảng 2.2. Ảnh hƣởng tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất của vật liệu MnFe-Bentonit .......................... 33
Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của vật liệu ............................... 39
Bảng 2.4. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả xử lý của vật liệu ......................................... 39
Bảng 2.5. Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại............................................................................. 40
Bảng 3.1. Khối lƣợng vật liệu thu đƣợc đối với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau .. 43
Bảng 3.2. Khối lƣợng vật liệu MMT thu đƣợc ứng với các tốc độ ly tâm khác nhau .................. 44
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của tỉ lệ OH-/Fe3+ tới quá trình biến và tính chất của vật liệu FeBentonit............................................................................................................................................... 45
Bảng 3.5. So sánh thành phần hóa học chính của mẫu quặng bentonit Cổ Định (BENT-CĐ),
mẫu vật liệu MMT và vật liệu FeB, MnFeB.................................................................................... 52
Bảng 3.6. Kết quả phân tích xác định bề mặt riêng và phân bố kích thƣớc lỗ xốp theo BET
của vật liệu MMT và vật liệu biến tính Fe-bentonit ........................................................................ 55
Bảng 3.7. Giá trị pH của dung dịch hấp thụ tại các khoảng pH khác nhau .................................... 56
Bảng 3.8. Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ NH4+ của vật liệu .............................. 57
Bảng 3.9. Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ PO43- của vật liệu .............................. 59
Bảng 3.10. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ NH4+ của Fe-bentonit .............................. 60
Bảng 3.11. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ NH4+ của Fe-bentonit .............................. 61
Bảng 3.12. Kết quả khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu Fe –Bentonit đối với ion
NH4+ .................................................................................................................................................... 62
Bảng 3.13. Kết quả khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu MnFe –bentonit đối với
ion PO43-.............................................................................................................................................. 63
Bảng 3.14: Kết quả phân tích nồng độ NH4+và PO43- trong mẫu nƣớc thải sinh hoạt .................. 69
Bảng 3.10: Kết quả thử nghiệm xử lý NH4+ và PO43- đối với môi trƣờng thực tế ........................ 69

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit .....................................................5
Hình 1.2. Cấu trúc lớp 2 :1 của MMT .............................................................................5
Hình 1.3. Trạng thái phân li của bentonit trong dung dịch .............................................9
Hình 1.4. Đồ thị xác định hệ số b và Qmax .....................................................................16
Hình 1.5. Đƣờng hấp phụ Langmuir và sự phụ thuộc Cf/q vào Cf ................................18
Hình 1.6. Hiện tƣợng ao hồ thủy vực bị ô nhiễm phú dƣỡng........................................26
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình biến tính tổng hợp vật liệu Fe –bentonit ..............................30
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình biến tính tổng hợp vật liệu MnFe –bentonit ........................31
Hình 2.3. Các dạng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ .............................................................35
Hình 2.4. Đồ thị xác định hệ số b và Qmax .....................................................................40
Hình 2.5. Mô hình cột hấp phụ động .............................................................................41
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tỉ lệ OH-/Fe3+biến tính đến dung lƣợng hấp
phụ NH4+ của vật liệu Fe-Bentonit ................................................................................46
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tỉ lệ Mn2+/Fe3+ đến dung lƣợng hấp phụ
PO43- của vật liệu MnFe-Bentonit .................................................................................47
Hình 3.3. Kết quả phân tích IR của vật liêu bentonit tinh chế (MMT) .........................48
Hình 3.4. Kết quả phân tích IR của vật liêu biến tính Fe- bentonit ...............................48
Hình 3.5. Kết quả phân tích IR của vật liêu biến tính MnFe- bentonit .........................49
Hình 3.6. Kết quả phân tích X-Ray của vật liệu tinh chế MMT ...................................50
Hình 3.7. Kết quả phân tích X-Ray của vật liệu biến tính 0,8Fe-bentonit ....................50
Hình 3.8. Kết quả phân tích X-Ray của vật liệu biến tính MnFe-bentonit ...................50
Hình 3.9. Kết quả phân tích EDX mẫu quặng bentonit .................................................51
Hình 3.10. Kết quả phân tích EDX của vật liệu tinh chế MMT ....................................51
Hình 3.11. Kết quả phân tích EDX của vật liệu biến tính Fe-bentonit .........................52
Hình 3.12. Kết quả phân tích EDX của vật liệu biến tính MnFe-bentonit ....................52

vi


Hình 3.13. Đồ thị xác định diện tích bề mặt theo BET của vật liệu MMT ...................53
Hình 3.14. Đồ thị xác định diện tích bề mặt theo BET của vật liệu Fe-bentonit ..........53
Hình 3.15. Đồ thị xác định diện tích bề mặt theo BET của vật liệu MnFe-bentonit.....54
Hình 3.16. Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp của vật liệu MMTntonit theo BJH ..............54
Hình 3.17. Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp của vật liệu biến tính Fe-bentonit theo BJH54
Hình 3.18. Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp của vật liệu biến tính MnFe-bentonit theo
BJH ................................................................................................................................55
Hình 3.19. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của MMT, Fe-Bentint và MnFe-Bentonit 57
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ NH4+ của Febentonit ..........................................................................................................................60
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ PO43- của
MnFe-bentonit ...............................................................................................................61
Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại của
vật liệu Fe-bentonit đối với NH4+ ..................................................................................63
Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại của
vật liệu MnFe-bentonit đối với PO43- ............................................................................64
Hình 3.24. Đồ thị xác định nồng độ NH4+ thoát ra sau quá trình hấp phụ tại tốc độ lƣu
lƣợng Q=1ml/phút; Q=2ml/phút ...................................................................................65
Hình 3.25. Đồ thị xác định nồng độ PO43- thoát ra sau quá trình hấp phụ tại tốc độ lƣu
lƣợng Q=1ml/phút; Q=2ml/phút ...................................................................................66
Hình 3.26: Đồ thị xác định nồng độ NH4+ và PO43- thoát ra sau quá trình hấp phụ tại
nồng độ ban đầu là Co = 50ppm và Co = 100ppm .........................................................67
Hình 3.27. Đồ thị thể hiện kết quả thử nghiệm tái sử dụng lại vật liệu Fe-bentonit
và MnFe-bentonit ..........................................................................................................68

vii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Abs

Độ hấp thụ quang

BET

Brunauer-Emmett-Teller

BTNMT

Bộ tài nguyên môi trƣờng

CEC

Dung lƣợng trao đổi cation (cation exchange capacity)

d001

Khoảng cách cơ bản

DVB

Divinylbenzen

EDX

Tán xạ năng lƣợng tia X (Enegry Dispersive X-ray)

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

IR

Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

MMT

Montmorillonite

NONT

Nontronite

UV-Vis

Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến(Ultra Violet-Visible)

X-Ray

Nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction)

viii


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận văn
Hiện nay, môi trƣờng đang là vấn đề cấp bách mang tính toàn cầu. Sự phát triển
mạnh mẽ của kinh tế, khoa học, kĩ thuật vào những năm cuối thế kỷ XX đã gây ra
những tác động tiêu cực đến môi trƣờng sống của con ngƣời. Việt Nam có rất nhiều
thủy vực, đặc biệt là các ao hồ khép kín chƣa đƣợc quan tâm đúng mức, dẫn đến nhiều
ao hồ phát sinh ô nhiễm, dần suy thoái mất dần giá trị sử dụng. Hiện nay có rất nhiều
hồ trên địa bàn cả nƣớc và một số vùng nuôi cá tra, cá ba sa ở một số Huyện của Tỉnh
Đồng Tháp, An Giang, Bến Tre,…đã bị tình trạng ô nhiễm dinh dƣỡng (phú dƣỡng),
dẫn đến ảnh hƣởng nghiêm trọng đến hệ sinh vật thuỷ sinh và cuộc sống của cƣ dân
sống xung quanh.
Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng nƣớc của các ao, hồ là vấn đề bức xúc hiện nay
trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới, ô nhiễm dinh dƣỡng gây nên bởi một số vi khuẩn
lam(cyanobacteria), tảo lam độc (chẳng hạn Microcystis), tảo xanh (blue-green
algae)... Sự ô nhiễm dinh dƣỡng dẫn đến suy giảm hệ sinh thái nƣớc, giảm chất lƣợng
nƣớc, ảnh hƣởng đến cảnh quan và cộng đồng dân cƣ.
Khi ao, hồ có lƣợng dƣ chất dinh dƣỡng (thƣờng là hợp chất của nitơ và
phốtpho) thì một số loại thực vật phù du (phytoplankton) hấp thu dƣỡng chất phát triển
mạnh (nở hoa) làm tăng độ đục của nƣớc, ngăn cản ánh sáng chiếu vào để các sinh vật
khác quang hợp. Khi chúng quang hợp tiêu thụ một lƣợng lớn oxi hoà tan, dẫn đến sự
thiếu hụt oxi hoà tan trong nƣớc. Một số loại vi khuẩn lam, tảo lam độc khi chết sẽ
sinh ra các chất có độc tính mạnh gây ảnh hƣởng đến động thực vật thuỷ sinh cũng
nhƣ sức khoẻ con ngƣời khi tiếp xúc với chúng. Biểu hiện dễ thấy của các hồ nƣớc ô
nhiễm dinh dƣỡng là sự nở hoa tảo (tạo váng, cụm,…), độ đục tăng, giảm độ pH, có
thể dẫn đến cá chết hàng loạt (ví dụ nhƣ tại các hồ trên địa bàn Hà Nội gần đây).
Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng
nguyên nhân chủ yếu ảnh hƣởng đến sự ô nhiễm dinh dƣỡng là do các hợp chất của
nitơ và phốtpho hoà tan. Lƣợng chất dinh dƣỡng này do hoạt động của con ngƣời gây
ra nhƣ nƣớc thải hộ gia đình; phân bón nông nghiệp; hợp chất tẩy rửa chứa phốtpho,
nitơ; xói mòn đất do nạn chặt phá rừng,… Để giải quyết vấn đề ô nhiễm dinh dƣỡng,
1


các nhà khoa học đã sử dụng nhiều phƣơng pháp nhƣ: phƣơng pháp vật lý, phƣơng
pháp sinh học, phƣơng pháp hoá học,…Trong đó phƣơng pháp hấp phụ là phƣơng
pháp đơn giản, dễ áp dụng và cho hiệu quả tốt. Nhiều chất hấp phụ xử lý amoni và
phốt phát đƣợc các nhà khoa học quan tâm nhƣ khoáng dolomit, vật liệu nano oxit sắt
từ, bentonit, than hoạt tính, sét hữu cơ… [1].
Bentonit tự nhiên với thành phần chủ yếu là sét smectit với cấu trúc lớp 2:1, có
cấu trúc mao quản, bề mặt riêng, dung lƣợng trao đổi ion lớn, độ bền cơ học và hóa
học cao... nên nó đƣợc sử dụng làm chất hấp phụ, chất trao đổi ion, chất mang, xúc tác
trong các phản ứng hóa học… Nƣớc ta có nguồn tài nguyên bentonit tự nhiên rất
phong phú đƣợc phát hiện ở nhiều nơi với trữ lƣợng lớn nhƣ: Cổ Định - Thanh Hóa,
Di Linh - Lâm Đồng, Tuy Phong - Bình Thuận…Tuy nhiên, bentonit ở nƣớc ta mới
đƣợc khai thác trong phạm vi nhỏ và chủ yếu đƣợc sử dụng làm vật liệu gốm, vật liệu
xây dựng, vật liệu trong xử lý môi trƣờng… Do hàm lƣợng smectit trong Bentonit ở
nƣớc ta tƣơng đối thấp nên không thể sử dụng trực tiếp làm vật liệu hấp phụ mà cần
phải làm giàu và biến tính cấu trúc, bề mặt vật liệu. Mặc dù Bentonit và các sản phẩm
biến tính từ nó đã đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới, nhƣng ở Việt Nam
việc nghiên cứu biến tính Bentonit một cách có hệ thống và ứng dụng hiệu quả của các
loại vật liệu này trong hấp phụ còn rất hạn chế.
Xuất phát từ các lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu biến tính
Bentonit tự nhiên, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý NH4+ và PO43- trong môi
trường nước” để làm luận văn tốt nghiệp.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng đƣợc quy trình làm giàu và biến tính bentonit tự nhiên, ứng dụng
làm vật liệu hấp phụ;
- Thử nghiệm và đánh giá đƣợc khả năng hấp phụ của bentonit biến tính đối với
NH4+ và PO43- trong nƣớc.
3. Nội dung nghiên cứu
- Thu thập, tổng quan tài liệu liên quan về tổng hợp, biến tính và ứng dụng của
Bentonit trong xử lý môi trƣờng;
- Xác định các thông số đặc trƣng cơ bản của khoáng bentonit tự nhiên (thành
phần hóa học, cấu trúc và tỷ lệ các nguyên tố trong khoáng sét…);
2


- Nghiên cứu, xác định và lựa chọn điều kiện tổng hợp và biến tính bentonit tự
nhiên tối ƣu để thu đƣợc vật liệu có khả năng hấp phụ xử lý NH4+ và PO43- tốt nhất;
- Phân tích đặc trƣng, cấu trúc tính chất của vật liệu Bentonit biến tính đƣợc
(thành phần hoá học, cấu trúc cơ bản, diện tích bề mặt riêng, tính chất trao đổi ion và
tính chất hấp thụ...);
- Thử nghiệm khả năng hấp phụ xử lý NH4+ và PO43- trên vật liệu bentonit biến
tính đƣợc trong phòng thí nghiệm.
- Thu thập, thống kê xử lý số liệu báo cáo hoàn thiện luận văn.

3


CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Giới thiệu về bentonit và bentonit biến tính
1.1.1 Thành phần khoáng và thành phần hóa học của bentonit
Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit. Thành phần chính
của bentonit là montmorillonit (MMT), ngoài ra còn có một số khoáng chất khác nhƣ
quartz, cristobalit, feldespar, biotit, kaolinit, illit, pyroxen, zircon, calcit,... Đôi khi
ngƣời ta còn gọi khoáng bentonit là montmorillonit. Công thức đơn giản nhất của
montmorillonit (Al2O3.4SiO2.nH2O) ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức lý
tƣởng của montomrillonit là Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành
phần hoá học của montmorillonit luôn khác với thành phần biểu diễn theo lý thuyết do
có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại nhƣ Al3+, Fe2+, Mg2+,… với Si trong
tứ diện và Al trong bát diện [1].
Khoáng sét xuất hiện trong tự nhiên với sự biến thiên trong thành phần phụ
thuộc trên nhóm của họ và nguồn gốc của chúng. Công thức phân tử chung của MMT
đƣợc biết thông thƣờng là (M+x.nH2O)(Al2-yMgx)Si410(OH)2, trong đó M+ là cation trao
đổi giữa lớp (M+ = Na+, K+, Mg2+ hay Ca2+), trong điều kiện lý tƣởng, x = 0,33 [2].
Nhƣ vậy thành phần hoá học của montmorillonit với thành phần chủ yếu là các
nguyên tố Si và Al, còn có các nguyên tố nhƣ Mg, Fe, Na, Ca,…Ngoài ra trong
khoáng có thêm một số nguyên tố vi lƣợng khác nhƣ: Ti, Tl,... Trong đó tỷ lệ của
Al2O3 : SiO2 dao động từ 1 : 2 đến 1 : 4.
1.1.2. Cấu trúc montmorillonit
Cấu trúc tinh thể MMT đƣợc chỉ ra trong Hình 1.1, mạng tinh thể của
montmorillonit gồm có lớp hai chiều trong đó lớp Al2O3 (hoặc MgO) bát diện ở trung
tâm giữa hai lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi của lớp tứ
diện cũng thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên
tử oxy định vị ở bốn góc của tứ diện. Nguyên tử Al (hoặc Mg) trong lớp bát diện thì
phối trí với 6 nguyên tử oxy hoặc nhóm hyđroxyl (OH) định vị ở 6 góc của bát diện
đều. Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một đơn vị cơ sở của
nanoclay. Bề dày của tiểu cầu có kích thƣớc khoảng 1 nm (10 Å) và chiều dài của tiểu
cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm. Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét sắp
xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thƣờng đƣợc
4


gọi là khoảng cách “Van de Waals”, là khoảng không gian giữa hai lớp sét [3]. Sự hình
thành nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong
lớp tứ diện đƣợc thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị
3 trong lớp bát diện thì đƣợc thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị 2 nhƣ Fe
và Mg. Sự thiếu hụt điện tích dƣơng trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu
cầu sét mang điện tích âm. Điện tích âm này đƣợc cân bằng bởi các ion kim loại kiềm
và kiềm thổ (chẳng hạn nhƣ ion Na+ , K+ , Mg2+ hay Ca2+,…) chiếm giữ khoảng không
gian giữa các lớp này.

Hình 1.1. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit
Trong Hình 1.1 cho thấy sự thay thế đồng hình của một số ion Al, Fe,
Mg,…trong tứ diện và bát diện, cũng nhƣ khoảng cách của lớp sét. Khoảng cách của
một lớp MMT đã chỉ ra trong Hình 1.3 là 9,6 Å [4], còn khoảng cách của d001 của sét
khô (làm khô ở 70oC) là 12,6 Å [5].

Hình 1.2. Cấu trúc lớp 2 :1 của MMT

5


Bentonit phổ biến nhất, thƣờng gặp nhiều nơi trên thế giới là bentonit chứa sét
lớp 2:1 montmorillonit (MMT) đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.2. Thành phần hóa học của
đơn vị cấu trúc cơ bản của một dạng MMT đƣợc biểu diễn bởi công thức:
(Na,Ca)0,8(Si7,8Al0,2)IV(Al3,4Mg0,6)VIO20(OH)4. Độ dày của lớp cấu trúc 3 mạng (2 tứ
diện và 1 bát diện) khoảng 9,4 Å, khoảng cách d001 từ mặt đáy tứ diện lớp 2:1 này đến
mặt đáy tứ diện của lớp 2:1 khác khoảng 15 Å. Nghĩa là khoảng cách (khoảng trống)
giữa 2 lớp 2:1 là d = 1,5 – 9,4 = 5,6 Å-6 Å. Do sự thay thế đồng hình giữa các ion Al3+
cho Si4+ trong mạng tứ diện và Mg2+ cho Al3+ trong mạng bát diện mà bề mặt của hai
lớp sét mang điện tích âm. Điện tích này đƣợc bù trừ bởi các cation trao đổi ở trạng
thái hydrat hóa nằm ở trong không gian giữa hai lớp 2:1. Theo tài liệu [6], tỉ lệ Al:Si
trong mạng tứ diện MMT xấp xỉ bằng 1 : (15 ÷ 30), và tỉ số Mg : Al trong mạng bát
diện 1:(4÷5). Do đó, dung lƣợng trao đổi cation (CEC : cation exchange capacity) của
MMT khoảng 70 – 120 mđl/100g. Từ tỉ số Al : Si và Mg : Al có thể nhận thấy rằng,
các điện tích âm của MMT tập trung chủ yếu ở mạng bát diện, nghĩa là đa số điện tích
âm nằm xa bề mặt ngoài của lớp cấu trúc so với các tâm điện tích âm xuất hiện ở các
tâm tứ diện, do đó lực liên kết của các cation hydrat với khung mạng MMT không lớn,
nên chúng tƣơng đối linh động (nghĩa là dễ dàng trao đổi ion với các cation khác, hoặc
dễ dàng tách xa bề mặt làm cho d001 rộng ra hơn).
Một loại bentonit khác, ít nhôm, giàu sắt (iron-rich) của loại sét lớp 2:1 thƣờng
gặp là nontronit. Nontronit (NONT) có cấu trúc hình học nhƣ MMT nhƣng thành phần
hóa học khác với MMT. Thay vì 2 ion Al3+ trong mạng 2 tâm bát diện (dioctahidral)
của MMT, sét NONT có 2 ion Fe3+ trong một đơn vị cấu trúc cơ bản.
Ở Việt Nam, ngƣời ta đã phát hiện đƣợc nhiều vùng mỏ bentonit. Bentonit
Thuận Hải, bề ngoài có màu xanh xám, ít sắt, chứa nhiều khoáng MMT. Ở vùng Cổ
Định, Thanh Hóa có mỏ bentonit chứa nhiều sắt, ít nhôm, đó là bentonit chứa chủ yếu
khoáng NONT.
1.1.3. Vật liệu bentonit biến tính
Để biến tính bentonit hiện nay có nhiều phƣơng pháp nhƣ:
- Phương pháp nhiệt hóa
Phƣơng pháp này nhằm nâng cao hoạt tính bề mặt các vật liệu hấp phụ đƣợc
nghiên cứu tƣơng đồi rộng rãi, tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt và độ chọn lọc
6


cao. Tuy nhiên, biến tính bằng nhiệt cũng cần lƣu ý đến khoảng giá trị nhiệt độ để biến
tính. Ở nhiệt độ cao sẽ làm mất nƣớc trong cấu trúc, dẫn đến sự “đổ sập” của cấu trúc
lớp, dẫn đến sự giảm khả năng hấp phụ của khoáng sét tự nhiên, thƣờng thì nhiệt độ
trên 500˚C sẽ dẫn tới hiện tƣợng này.
- Biến tính bằng axit/kiềm
Hoạt hóa axit đƣợc biết đến là phƣơng pháp xử lý các khoáng sét với các axit
vô cơ ở nồng độ cao và thƣờng ở nhiệt độ cao. Các cation trao đổi đƣợc thay thế bằng
ion H+ và Al3+ và các cation khác thoát ra khỏi cấu trúc bát diện và tứ diện, chỉ để lại
các nhóm SiO4. Quá trình này nhìn chung làm tăng diện tích bề mặt và độ axit của
khoáng sét, đồng thời loại bỏ một số “chất bẩn” trong khoáng sét và hòa tan một phần
các lớp silicat bên ngoài. Sự thay đổi diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ hổng của khoáng
sét do quá trình hoạt hóa axit phụ thuộc vào từng loại khoáng sét cụ thể, sự có mặt của
các khoáng sét hay “phi khoáng” khác. Thành phần hóa học, các ion có mặt trong các
lớp khoáng sét, loại axit, nhiệt độ của quá trình hoạt hóa, thời gian hoạt hóa là những
yếu tố quan trọng tác động đến hiệu quả của quá trình hoạt hóa axit. Sự hụt giảm lớp
bát diện của montmorillonit đƣợc cho là nguyên nhân dẫn đến các mức độ khác nhau
về sự phân hủy cấu trúc và nó phụ thuộc riêng rẽ vào khả năng kháng axit của khoáng.
Trong phƣơng pháp này các nhóm OH trên bề mặt sẽ bị triệt tiêu làm cho bề mặt mất
đi hoạt tính vốn có. Ngƣợc lại, để tăng hoạt tính cho bề mặt diatomit phƣơng pháp xử
lý với kiềm lại đem lại sự cải thiện đáng kể về khả năng hấp phụ các kim loại. Mặt
khác, xử lý axit cũng có thể là con đƣờng làm trơ hóa – giảm khả năng hấp phụ của vật
liệu. Khi xử lý diatomit với axit ngƣời ta thấy khả năng hấp phụ trao đổi của diatomit
giảm đáng kể.
- Hoạt hóa bentonit bằng các chất hoạt động bề mặt
Khác với phƣơng pháp biến tính nhiệt hay biến tính khoáng sét sử dụng axit hoặc
kiềm, phƣơng pháp sử dụng các chất hoạt động bề mặt có khả năng tạo ra các bề mặt mở
rộng và làm cho tổng diện tích hữu dụng của bề mặt khoáng sét tăng lên đáng kể. Các
chất hoạt động bề mặt này có thể hấp phụ và liên kết với bề mặt ngoài của khoáng sét,
đồng thời chúng cũng có khả năng xâm nhập vào khoảng không giữa các lớp cấu trúc
của khoáng sét. Sự hoạt động của các nhóm chức (ví dụ nhƣ: COOH) làm tăng ái lực
của bề mặt hấp phụ đối với các cation và làm giảm khả năng giải phóng các cation trở
7


lại dung dịch. Các thí nghiệm của An & Dultz (2007) khi nghiên cứu sử dụng
organobentonit để xử lý cromat và asenat đã chứng minh rằng: một lƣợng lớn các anion
vô cơ này có thể bị hấp phụ vào bề mặt trong của khoáng sét (interlayer) cùng với các
chất hoạt động bề mặt. Dung tích trao đổi cation của khoáng sét đƣợc cải thiện rõ rệt khi
chúng đƣợc hoạt hóa với các chất hoạt động bề mặt. Kết quả thí nghiệm của Guzman và
nnk (2006) cho thấy organo-montmorillonit có hiệu quả rất lớn để hấp phụ Pb và Hg.
- Bentonit biến tính bằng kim loại
Bentonit là vật liệu có kích thƣớc vi mao quản đƣợc nghiên cứu rộng rãi, phát
triển dựa trên kỹ thuật phân tử. Vật liệu rắn này đƣợc gọi là đất sét liên kết ngang
(cross-linked clay) hay đất sét chống lớp xen giữa (pillared interlayered clay), đƣợc tạo
thành khi trao đổi các cation (kim loại) xen giữa các lớp đất sét với polyoxocation vô
cơ có kích thƣớc lớn, sau đó nung mẫu. Polyoxocation chèn vào làm gia tăng khoảng
cách cơ bản của các lớp sét và khi nung nóng, chúng chuyển thành các oxit kim loại do
đề hyđrat và đề hyđroxyl. Các oxit kim loại này kết nhóm với nhau hình thành nên các
cột chống (pillar) xen giữa các lớp sét, có khả năng chịu nhiệt, giữ cố định khoảng
cách giữa các lớp sét, ngăn cho các lớp này không bị sụp đổ. Nhƣ vậy sẽ có một vùng
rỗng xuất hiện giữa các lớp, sét trở nên xốp hơn. Sau khi chống, sự xuất hiện của cấu
trúc lỗ xốp mới và tăng cƣờng một số tâm hoạt động làm cho chúng đƣợc ứng dụng
nhiều hơn trong hoạt động xúc tác và hấp phụ. Một số vật liệu sét chống với một số
cation kim loại đƣợc sử dụng làm chất xúc tác: Al, Fe, La/Al, Fe/Al,...và làm chất hấp
phụ: La, Fe, Fe/Mn,…
Sự xen giữa của các sét lớp với các polyoxocation vô cơ đã chỉ ra sự khác nhau
quan trọng so với các tác nhân xen giữa hữu cơ vào lớp sét, vì tính chất nhiệt của
chúng. Bentonit biến tính với các hợp chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy khi nung nóng,
trong khi sét chống có độ bền nhiệt cao. Việc duy trì mạng lƣới lỗ xốp cùng với sự có
mặt của các tâm mới có tính axit, làm cho tiềm năng ứng dụng xúc tác và hấp phụ của
các vật liệu này. Trong một vài năm qua, đã có một số lƣợng lớn các nghiên cứu đƣợc
tiến hành về lĩnh vực này. Và cũng có nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về các mặt
khác nhau về điều chế, mô tả đặc tính hay các ứng dụng của chúng [7]
- Biến tính bằng các hợp chất polyme

8


Hình 1.3. Trạng thái phân li của bentonit trong dung dịch
Bentonit là hợp chất vô cơ, có tính ƣa nƣớc, trong khi nền polyme có tính kỵ
nƣớc nên bentonit rất khó trộn hợp với polyme. Để tăng sự tƣơng hợp giữa bentonit và
polyme, ngƣời ta đã phải biến tính bentonit. Một số phƣơng pháp có thể dùng để biến
tính bentonit nhƣ: phƣơng pháp trao đổi ion, phƣơng pháp dùng chất hoạt động bề mặt,
phƣơng pháp trùng hợp các monome tạo polyme trực tiếp, trong đó thƣờng sử dụng là
phƣơng pháp trao đổi ion đƣợc mô tả theo phản ứng hữu cơ hóa MMT xảy ra theo
phƣơng trình sau:
R-N+ + Na+-MMT  MMT-N+-R + Na+
Khả năng khuếch tán của muối alkyl amoni phụ thuộc vào điện tích thứ bậc của
muối amoni và cấu tạo gốc R. Các gốc hữu cơ càng cồng kềnh thì khả năng khuếch tán
càng khó nhƣng khả năng làm giãn khoảng cách giữa hai lớp MMT càng cao và do đó
khả năng khuếch tán sét trong polyme càng lớn.
1.2. Tính chất của Bentonit
Bentonit thể hiện một số tính chất đặc trƣng sau:
- Tính dẻo: Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trƣơng nở mạnh
trong nƣớc nên bentonit có tính nhớt và dẻo.
- Tính kết dính: khi kết hợp với nƣớc, bentonit có tính kết dính mạnh, ứng
dụng nhiều trong đời sống hang ngày.
- Tính hấp phụ: Tính chất hấp phụ của bentonit đƣợc quyết định bởi đặc tính
bề mặt và cấu trúc mao quản của nó. Với kích thƣớc hạt nhỏ hơn 2 μm và do đặc điểm
của cấu trúc mạng lƣới tinh thể, bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn. Diện tích bề

9


mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt ngoài và bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong
đƣợc xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể.
Do khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao đổi giữa
các lớp, phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất bị hấp phụ, nên bề mặt trong của
bentonit cũng bị thay đổi trong quá trình hấp phụ. Diện tích bề mặt ngoài đƣợc xác
định bởi bề mặt của các mao quản hình thành giữa các hạt bentonit. Diện tích bề mặt
ngoài phụ thuộc vào kích thƣớc hạt bentonit. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài
càng lớn [8]. Khả năng hấp phụ của bentonit còn phụ thuộc vào tính chất, kích thƣớc,
hình dạng của các chất bị hấp phụ. Các chất hữu cơ phân cực có kích thƣớc và khối
lƣợng phân tử nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm
ở giữa các lớp, hoặc liên kết với các cation đó qua các phân tử nƣớc, do đó phụ thuộc
vào số lƣợng phân tử nƣớc liên kết ở không gian giữa các lớp. Nếu các chất hữu cơ
phân cực có kích thƣớc và khối lƣợng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào
vị trí oxy đáy của tứ diện trong mạng lƣới tinh thể bởi lực Van der Walls hoặc liên kết
hiđro. Với các chất hữu cơ không phân cực, chất cao phân tử và đặc biệt là vi khuẩn
thì sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonit. Nhờ khả năng hấp phụ lớn và
đa dạng mà bentonit đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng nhƣ trong nền kinh
tế quốc dân với vai trò là một vật liệu hấp phụ tự nhiên tiêu biểu. Việc nghiên cứu tính
chất hấp phụ của bentonit có ý nghĩa khoa học cũng nhƣ ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
- Tính trƣơng nở: khi kết hợp với nƣớc, các phân tử phân cực hoặc các cation
bị hấp phụ vào khe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, làm tăng thể
tích của bentonit ban đầu. Độ trƣơng nở là mức độ tăng thể tích khi bị làm ƣớt nƣớc.
Độ trƣơng nở của bentonit phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp sét.
Mức độ trƣơng nở còn phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, sự thay thế đồng hình của
các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong môi trƣờng
phân tán. Lƣợng nƣớc đƣợc hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào khả năng
hydrat hóa của các cation trao đổi.
- Tính co: khi đem bentonit nung với nhiệt, nƣớc trong bentonit sẽ bị bay hơi,
dẫn đến sự giảm thể tích.
- Tính trao đổi cation: đặc trƣng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do
trên bề mặt của các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp
10


phụ và trao đổi cation. Đồng thời, tính chất đó có đƣợc là do sự thay thế đồng hình của
các cation. Ví dụ nhƣ khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+, hoặc
Al3+trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+..., thì sự thay thế các ion
điện tích cao này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dƣơng
trong cấu trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét. Đối với
bentonit, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa hai lớp tứ diện
của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét là liên kết yếu và các cation
đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc
vào lƣợng điện tích âm bề mặt và số lƣợng ion trao đổi. Nếu số lƣợng điện tích âm càng
lớn, số lƣợng cation trao đổi càng lớn thì dung lƣợng trao đổi càng lớn.
- Tính trơ: bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn đƣợc. Ngƣời
ta dùng bentonit làm chất độn trong dƣợc phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất
lọc sạch và tẩy màu cho bia, rƣợu vang và mật ong.
- Tính keo tụ lƣu biến: vì bentonit có tính nhớt, kết hợp với kích thƣớc hạt bé,
lại phức tạp nên khi hấp thụ một lƣợng nƣớc nhất định, bentonit có tính lƣu biến.
1.3. Bentonit tự nhiên ở Việt Nam
Cùng với một số nƣớc trên thế giới, Việt Nam có tiềm năng khoáng sét rất lớn,
đƣợc phân bố khắp các vùng miền từ Bắc vào Nam với đủ hai chủng loại bentonit kiềm và
kiềm thổ. Các địa phƣơng có khoáng bentonit với trữ lƣợng rất lớn, điển hình là Di Linh Lâm Đồng, Cổ Định -Thanh Hoá, Tuy Phong - Bình Thuận, Gia Huy - Bà Rịa Vũng Tàu,
Kiên Bình - An Giang, Long Đất - Đồng Nai... Trữ lƣợng và thành phần của khoáng sét
bentonit Việt Nam đáp ứng đƣợc cho sự triển khai các ứng dụng vào công nghiệp, nông
nghiệp và góp phần bảo vệ môi trƣờng sinh thái. Trữ lƣợng bentonit ở Việt Nam đã có với
các cấp, cấp 1: 5.000.000 tấn, cấp 2: 42.000.000 tấn, tài nguyên dự báo: 350.760.000m3
[9]
Một số mỏ bentonit tại Việt Nam:
- Mỏ Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng: trữ lƣợng là: 542.000 tấn, trong đó cấp C1
là: 389.000 tấn, C2 là: 153.000 tấn, chất lƣợng bentonit khá tốt; điều kiện địa chất thuỷ
văn, địa chất công trình thuận lợi, đơn giản. Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét bentonit
dạng thấu kính, chiều dài thay đổi từ 400-840m, chiều dày 1-7m, diện tích phân bố
2,36km2 . Hàm lƣợng khoáng vật montmorillonit trong sét bentonit dao động từ 40%11


60%. Hệ số độ keo (K) từ 0,29-0,42; dung tích trao đổi cation (CEC) từ 25,01-48,5
meq/100g, cá biệt đến 170 meq/100g. Các cation có khả năng trao đổi chính là kiềm
thổ (Ca2+, Mg2+) [10].
- Mỏ Tuy Phong - Bình Thuận: đã đƣợc phát hiện tại Nha Mé, Vĩnh Hảo (huyện
Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận). Đây là loại bentonit kiềm Natri .Thung lũng Nha Mé
với diện tích gần 10 km2, trong đó diện tích có bề dày thân quặng lớn hơn 1m chỉ
khoảng 2 – 4 km2. Chiều dày lớp bentonit tối đa 11m, trung bình là 3-4m. Trữ lƣợng
dự tính là 42.000.000 tấn. Nếu lấy tỉ lệ sét thu hồi từ quặng nguyên khai là 40% thì thu
đƣợc 17.000.000 tấn quặng giàu (tinh quặng). Thung lũng Vĩnh Hảo có chiều dày lớp
bentonit ở đây ƣớc tính là 6m và trung bình là 2,6m. Dự tính trên diện tích có triển
vọng của thung lũng Vĩnh Hảo có khoảng 33.000.000 tấn nguyên khai. Với hàm lƣợng
thu hồi 30% thì thu đƣợc 10.000.000 tấn quặng giàu. Hàm lƣợng montmorillonit từ 1020%. Hệ số độ keo từ 0,2-0,22. Dung tích trao đổi cation 15,62-19,67 meq/100g. Khả
năng trao đổi ion có thể là các cation kiềm (Na+, K+).
- Mỏ Cổ Định (Thanh Hoá): nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nƣa. Sét
bentonit là sản phẩm thải trong quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit. Hàm
lƣợng montmorillonit nguyên khai 43,9%. Dung tích trao đổi cation 52,9meq/100g,
trong đó chủ yếu là cation Ca2+ 20,3 meq/100g sét và Mg2+ 31,1meql/100g sét. Theo
tạp chí địa chất loạt A, số 299, 3-/2007, tr 50-59 trong phạm vi Cheo Reo, Phú Túc và
cao nguyên Vân Hòa đã phát hiện 26 tụ khoáng, điểm quặng bentonit. Các mỏ bentonit
khác nói chung có trữ lƣợng ít, hàm lƣợng thấp và chƣa đƣợc điều tra, đánh giá đầy
đủ. Từ các số liệu điều tra, nghiên cứu cho thấy nƣớc ta có 2 loại bentonit chính, đó là
bentonit kiềm thổ (chứa các ion Ca2+, Mg2+) và bentonit kiềm, nhƣng hàm lƣợng MMT
không cao.
1.4. Hấp phụ và trao đổi ion của vật liệu.
1.4.1. Hấp phụ
a) Quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ là quá trình chứa vật chất các phân tử khí, hơi hoặc các phân
tử, ion chất tan lên bề mặt phân cách pha. Bề mặt phân cách pha có thể là pha rắn lỏng, pha rắn - khí. Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp
phụ, còn chất đƣợc tụ tập trên bề mặt phân chia pha đƣợc gọi là chất bị hấp phụ. Tùy
12


theo bản chất lực tƣơng tác mà nguời ta có thể chia hấp phụ thành 2 loại: hấp phụ vật
lý và hấp phụ hóa học.
- Hấp phụ vật lý
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử,
các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực Van der Walls yếu. Ðó là tổng hợp của
nhiều loại lực khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định huớng. Trong hấp phụ
vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá
học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ ngƣng tụ trên bề mặt
phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Do vậy, trong quá trình hấp phụ
vật lý không có sự biến đổi đáng kể cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn, năng luợng tƣơng tác thƣờng ít khi
vƣợt quá 10 kcal/mol, phần nhiều từ 3 ÷ 5 kcal/mol và năng lƣợng hoạt hóa không
vƣợt quá 1 kcal/mol.
Hấp phụ vật lý có thể dễ dàng tái sinh vật liệu sau quá trình hấp phụ mà bản
chất vật liệu không thay đổi, tốc độ hấp phụ diễn ra nhanh. Tuy nhiên quá trình diễn ra
chậm hơn hấp phụ hóa học, không có tính chọn lọc cao và tốn chi phí cho việc hoàn
nguyên vật liệu, thƣờng đƣợc ứng dụng thực tế để hấp phụ hơi nƣớc bằng silicagen,
than hoạt tính hấp phụ SO2, CO…[11].
- Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với
các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông
thƣờng (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học tƣơng
đƣơng với nhiệt phản ứng hóa học và có thể đạt tới giá trị 100kcal/mol. Cấu trúc điện
tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ đều có sự biến dổi sâu sắc, tạo thành liên kết
hóa học.
Hấp phụ hóa học có tốc độ hấp phụ nhanh và có tính chọn lọc với chất bị hấp
phụ, tuy nhiên chi phí vật liệu hấp phụ hóa học cao và không có khả năng hoàn
nguyên, đƣợc ứng dụng thực tế để hấp phụ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi bằng
Al2O3-zeolit [12].

13


Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tƣơng dối
vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra dồng thời
cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
b) Hấp phụ trong môi trường nước
Trong môi trƣờng nƣớc, sự tƣơng tác giữa một chất hấp phụ và một chất bị hấp
phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tƣơng tác: nƣớc,
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra sự
hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp
nào có tƣơng tác mạnh thì hấp phụ xảy ra ở cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tƣơng tác
phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nƣớc, tính ƣa hoặc kị nƣớc
của chất hấp phụ, mức độ kị nƣớc của các chất bị hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc.
Khả năng hấp phụ của chất tan lên chất hấp phụ còn phụ thuộc vào tính tƣơng
đồng giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ về độ phân cực: chất không phân cực (chất
hữu cơ) hấp phụ tốt trên các chất hấp phụ không phân cực và ngƣợc lại. So với quá
trình hấp phụ trong pha khí thì quá trình hấp phụ trong pha lỏng xảy ra chậm hơn do
quá trình chuyển khối khuếch tán chậm [13].
c) Giải hấp phụ
Giải hấp phụ là quá trình tách chất hấp phụ trên bề mặt chất rắn ra ngoài dung
dịch. Ðây là phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trƣng về hiệu quả
kinh tế. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi dối với quá trình
hấp phụ:
Giảm hàm lƣợng chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ
đối với hấp phụ vật lý.
Thay đổi bản chất tƣơng tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi
trƣờng.
Tăng nhiệt độ làm lệch hệ số cân bằng: làm yếu tƣơng tác giữa chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ.
Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã bị hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ cũ.
Sử dụng tác nhân vi sinh vật để phục vụ quá trình giải hấp phụ.
d) Dung luợng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ
14


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×