Ngày nay, việc nước thải công nghiệp có chứa rất nhiều chất độc hại ảnh hưởng đến môi trường sống của chúng ta như các phẩm màu hữu cơ hay các kim loại nặng. Việc tồn tại những chất độc hại đó trong nguồn nước đã làm cho con người mắc phải một số bệnh rất nghiêm trọng. Chính vì vậy, việc xử lý nước thải công nghiệp là điều hết sức cấp bách và cũng đã được hầu hết các quốc gia trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Hấp phụ là một trong những phương pháp hóa lý phổ biến và hiệu quả nhất để khử màu nhuộm cũng như kim loại nặng trong nước thải. Nhiều loại chất hấp phụ khác nhau được biết đến trong lĩnh vực này như than hoạt tính, zeolite, tro than, chitin và chitosan, … Một trong số chất hấp phụ được dùng nhiều nhất là than hoạt tính bởi nó có dung lượng hấp phụ chất hữu cơ cao. Tuy nhiên, than hoạt tính có giá thành cao và không tái sinh được. Từ quan điểm này, các chất hấp phụ giá rẻ hơn từ chất liệu thiên nhiên, vật liệu sinh học, phế phụ phẩm trong CôngNông nghiệp được đề xuất và triển khai ứng dụng trong việc loại bỏ phẩm nhuộm. Trong số các chất hấp phụ rẻ hơn này, chitosan và khoáng sét được biết đến nhờ dung lượng hấp phụ phẩm màu cao. Montmorillonit (MMT) là một khoáng sét tự nhiên là thành phần chính của khoáng bentonit – một loại khoáng sét phổ biến và có trữ lượng lớn ở nước ta. Hạt MMT với kích thước nanomet có đặc tính xốp, dung lượng trao đổi ion lớn, độ bền cơ học và hóa học cao nên MMT được chọn làm pha gia cường phân tán trên pha nền chitosan tạo vật liệu nanocompozit phân hủy sinh học. Dù chúng đã có tính chất hấp phụ cao, nhưng những cải biến trong cấu trúc của chúng có thể nâng cao hơn nữa dung lượng hấp phụ như việc làm tăng khoảng cách lớp sét hay tăng độ xốp của hạt sét. Trong khi đó, chitosan được biết đến là dẫn xuất của chitin – một loại polyme có nhiều trong thiên nhiên, có nguồn gốc từ các loài động vật như tôm, cua. Do tính ứng dụng phong phú của chitosan (CS) nên chitin được sử dụng điều chế chitosan có hoạt tính sinh học cao hơn, đồng thời khả năng phân hủy sinh học cũng lớn hơn và có nhiều tính chất, công dụng hơn so với chitin. Chitosan là polysaccarit sinh học không độc, có ái lực cao với một số nhóm phẩm màu axit, màu chất nhuộm hoạt tính. Hoạt tính khử màu của chitosan có tính chọn lọc cao hơn nhựa trao đổi ion, than hoạt tính. Chúng có thể làm giảm nồng độ màu trong nước thải xuống còn vài ppb. Dựa trên những kết quả có được từ các nghiên cứu ứng dụng trên đất sét, chitosan, ý tưởng kết hợp những tính năng của hai chất liệu nói trên được nghiên cứu và tiến hành thực nghiệm trong đồ án.Cụ thể, đất sét Montmorillonit Na+ (NaMMT) được chèn tách bằng chitosan với mục đích nâng cao khả năng hấp phụ màu nhuộm cation. Vật liệu nanocompozit chitosanMontmorillonit (CSMMT) với hàm lượng nhỏ MMT được tổng hợp ở dạng màng đã làm tăng cường đáng kể những tính chất cơ lý của màng chitosan nguyên chất. Vật liệu tạo thành kết hợp những tính chất riêng rẽ của CS và MMT và có ứng dụng quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là hấp phụ các ion kim loại nặng và các chất nhuộm màu trong xử lý nước thải công nghiệp. Trên cơ sở đó, đề tài đã thực hiện: “Nghiên cứu tổng hợp màng nanocomposit có khả năng phân hủy sinh học từ phế phụ phẩm để xử lý các chất màu hữu cơ trong nước thải “ Mục tiêu của đề tài: Tổng hợp được màng nanocomposit từ các nguồn phế phụ phẩm sẵn có của Việt Nam; Thử hoạt tính của màng cho quá trình hấp phụ nước nhiễm phẩm mầu công gô đỏ và metylen xanh.
Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Đồ án này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Lọc - Hóa dầu, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Phạm Xuân Núi, người đã luôn tận tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Lọc - Hóa dầu đã hết sức tạo điều kiện để em có thể làm việc tại phòng thí nghiệm của bộ môn, cũng như đã hết sức tận tình chỉ bảo giúp em tránh được một số sai sót không đáng có trong quá trình làm thí nghiệm. Cảm ơn các bạn trong lớp Lọc - Hóa dầu K53 A cũng như các bạn trực tiếp làm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Lọc - Hóa dầu đã nhiều lần giúp đỡ và động viên tinh thần trong quãng thời gian em làm đồ án này. Cuối cùng em cũng xin cảm ơn Khoa Hóa Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Phòng Hóa của viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ em trong vấn đề đo và khảo sát các kết quả thí nghiệm của em. Cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ những khi em gặp khúc mắc và những lúc khó khăn để em có thể hoàn thành tốt nhất đồ án của mình. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nôi, tháng 06 năm 2013. Sinh viên Hoàng Văn Kính Sinh viên: Hoàng Văn Kính 1 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN STT Số hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1 Hình 1.1 Cấu trúc bát diện và cấu trúc tứ diện của khoáng sét 4 2 Hình 1.2 Mô hình cấu trúc lớp của khoáng sét 4 3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT 8 4 Hình 1.4 Giản đồ XRD của MMT chuẩn 9 5 Hình 1.5 Mô tả cấu trúc của sét sau khi biến tính hữu cơ 11 6 Hình 1.6 Trạng thái phân ly của sét hữu cơ trong dung dịch 11 7 Hình 1.7 Mô hình cấu trúc của MMT được chống bởi CTAB 14 8 Hình 1.8 Cấu trúc của chitin 16 9 Hình 1.9 Cấu trúc của chitin, chitosan và xenlulozo 16 10 Hình 1.10 Quá trình đề axetyl hóa 18 11 Hình 1.11 Nguyên tắc tách chiết chitin và chuyển hóa thành chitosan 24 12 Hình 1.12 Cấu trúc vật liệu polyme-clay nanocomposit 26 13 Hình 1.13 Sơ đồ biểu diễn khả năng che chắn 27 14 Hình 2.1 Sơ đồ xử lý bentonit thô bằng phương pháp hóa học 30 15 Hình 2.2 Sơ đồ xử lý bentonit thô bằng chất trợ lắng (NaPO 3 ) 6 30 16 Hình 2.3 Quy trình tổng hợp sét hữu cơ 32 17 Hình 2.4 Sơ đồ điều chế chitosan từ vỏ tôm 33 20 Hình 2.5 Sự hình thành liên kết hydro giữa chitosan và glyxerol 35 21 Hình 2.6 Sơ đồ quá trình tổng hợp màng nanocomposit CS/MMT/GLY 36 22 Hình 2.7 Chitosan được chèn vào giữa các lớp sét 36 23 Hình 2.8 Các mẫu công gô đỏ sau khi hấp phụ 38 24 Hình 2.9 Các mẫu metylen xanh sau khi hấp phụ 38 25 Hình 3.1 Phổ IR của chitosan và các thông số để tính toán độ đề axetyl hóa theo công thức 3.1; 3.2; 3.3 39 26 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ XRD của MMT nguyên liệu 40 27 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ XRD của MMT sau khi xử lý sơ bộ 40 28 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu MMT-CTAB 40 29 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ XRD của màng CS/MMT/GLY 43 30 Hình 3.6 Phổ IR của mẫu MMT sau khi tinh chế 44 31 Hình 3.7 Phổ IR của chitosan sau khi đề axetyl 45 32 Hình 3.8 Phổ IR của màng nanocomposit 46 33 Hình 3.9 Ảnh SEM của MMT-CTAB 47 34 Hình 3.10 Ảnh SEM của màng CS/MMT/GLY 47 35 Hình 3.11 Phổ UV-VIS của mẫu công gô đỏ ban đầu 48 36 Hình 3.12 Phổ UV-VIS của mẫu sau khi hấp phụ mẫu 1 48 37 Hình 3.13 Phổ UV-VIS của mẫu 2 sau hấp phụ 49 Sinh viên: Hoàng Văn Kính 2 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 38 Hình 3.14 Phổ UV-VIS của mẫu 3 sau hấp phụ 49 39 Hình 3.15 Phổ UV-VIS chồng lấn phổ 49 40 Hình 3.16 Mẫu metylen xanh gốc đã pha loãng 10 lần 51 41 Hình 3.17 Phổ UV-VIS của mẫu 1 sau khi hấp phụ 51 42 Hình 3.18 Phổ UV-VIS của mẫu 2 sau khi hấp phụ 51 43 Hình 3.19 Phổ UV-VIS của mẫu 3 sau khi hấp phụ 52 44 Hình 3.20 Phổ UV-VIS chồng lấn phổ của các mẫu đã hấp phụ 52 s Sinh viên: Hoàng Văn Kính 3 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN STT Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1 1.1 Các loại khoáng sét theo thành phần nguyên tố cấu tạo chủ yếu 3 2 1.2 Thành phần khoáng chất và hóa học của bentonit bình thuận 5 3 1.3 Các chất hữu cơ thường được dùng để biến tính MMT đang được sử dụng 14 4 1.4 Hàm lượng chitin trong vỏ tôm và một số động vật giáp xác 23 5 3.1 Các giá trị d 001 thu được từ các giản đồ nhiễu xạ tia X và khoảng cách giữa các lớp sét 44 6 3.2 Kết quả bước sóng và độ hấp phụ của các mẫu công gô đỏ 50 7 3.3 Hiệu suất hấp phụ của các mẫu công gô đỏ 50 8 3.4 Kết quả bước sóng và độ hấp phụ của các mẫu metylen xanh 53 9 3.5 Hiệu suất hấp phụ của các mẫu metylen xanh 53 DANH MỤC TÊN VÀ KÝ TỰ VIẾT TẮT Tên đầy đủ Tên viết tắt Montmorillonit MMT Chitosan CS Chitosan/glyxerol CS/GLy Màng chitosan/Montmorillonit/glyxerol CS/MMT/GLy Bio nanocomposit BNC Cetyltrimethylammoniumbromid e CTAB Sinh viên: Hoàng văn Kính 4 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay, việc nước thải công nghiệp có chứa rất nhiều chất độc hại ảnh hưởng đến môi trường sống của chúng ta như các phẩm màu hữu cơ hay các kim loại nặng. Việc tồn tại những chất độc hại đó trong nguồn nước đã làm cho con người mắc phải một số bệnh rất nghiêm trọng. Chính vì vậy, việc xử lý nước thải công nghiệp là điều hết sức cấp bách và cũng đã được hầu hết các quốc gia trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Hấp phụ là một trong những phương pháp hóa lý phổ biến và hiệu quả nhất để khử màu nhuộm cũng như kim loại nặng trong nước thải. Nhiều loại chất hấp phụ khác nhau được biết đến trong lĩnh vực này như than hoạt tính, zeolite, tro than, chitin và chitosan, … Một trong số chất hấp phụ được dùng nhiều nhất là than hoạt tính bởi nó có dung lượng hấp phụ chất hữu cơ cao. Tuy nhiên, than hoạt tính có giá thành cao và không tái sinh được. Từ quan điểm này, các chất hấp phụ giá rẻ hơn từ chất liệu thiên nhiên, vật liệu sinh học, phế phụ phẩm trong Công-Nông nghiệp được đề xuất và triển khai ứng dụng trong việc loại bỏ phẩm nhuộm. Trong số các chất hấp phụ rẻ hơn này, chitosan và khoáng sét được biết đến nhờ dung lượng hấp phụ phẩm màu cao. Montmorillonit (MMT) là một khoáng sét tự nhiên là thành phần chính của khoáng bentonit – một loại khoáng sét phổ biến và có trữ lượng lớn ở nước ta. Hạt MMT với kích thước nanomet có đặc tính xốp, dung lượng trao đổi ion lớn, độ bền cơ học và hóa học cao nên MMT được chọn làm pha gia cường phân tán trên pha nền chitosan tạo vật liệu nanocompozit phân hủy sinh học. Dù chúng đã có tính chất hấp phụ cao, nhưng những cải biến trong cấu trúc của chúng có thể nâng cao hơn nữa dung lượng hấp phụ như việc làm tăng khoảng cách lớp sét hay tăng độ xốp của hạt sét. Trong khi đó, chitosan được biết đến là dẫn xuất của chitin – một loại polyme có nhiều trong thiên nhiên, có nguồn gốc từ các loài động vật như tôm, cua. Do tính ứng dụng phong phú của chitosan (CS) nên chitin được sử dụng điều chế chitosan có hoạt tính sinh học cao hơn, đồng thời khả năng phân hủy sinh học cũng lớn hơn và có nhiều tính chất, công dụng hơn so với chitin. Chitosan là polysaccarit sinh học không độc, có ái lực cao với một số nhóm phẩm màu axit, màu chất nhuộm hoạt tính. Hoạt tính khử màu của chitosan có tính chọn lọc cao hơn nhựa trao đổi ion, than hoạt tính. Chúng có thể làm giảm nồng độ màu trong nước thải xuống còn vài ppb. Dựa trên những kết quả có được từ các nghiên cứu ứng dụng trên đất sét, chitosan, ý tưởng kết hợp những tính năng của hai chất liệu nói trên được nghiên cứu và tiến hành thực nghiệm trong đồ án.Cụ thể, đất sét Montmorillonit Na + (Na- MMT) được chèn tách bằng chitosan với mục đích nâng cao khả năng hấp phụ màu nhuộm cation. Vật liệu nanocompozit chitosan-Montmorillonit (CS/MMT) với hàm lượng nhỏ MMT được tổng hợp ở dạng màng đã làm tăng cường đáng kể những tính chất cơ lý của màng chitosan nguyên chất. Vật liệu tạo thành kết hợp những tính chất riêng rẽ của CS và MMT và có ứng dụng quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi Sinh viên: Hoàng văn Kính 5 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp trường nước, đặc biệt là hấp phụ các ion kim loại nặng và các chất nhuộm màu trong xử lý nước thải công nghiệp. Trên cơ sở đó, đề tài đã thực hiện: “Nghiên cứu tổng hợp màng nanocomposit có khả năng phân hủy sinh học từ phế phụ phẩm để xử lý các chất màu hữu cơ trong nước thải “ Mục tiêu của đề tài: - Tổng hợp được màng nanocomposit từ các nguồn phế phụ phẩm sẵn có của Việt Nam; - Thử hoạt tính của màng cho quá trình hấp phụ nước nhiễm phẩm mầu công gô đỏ và metylen xanh. Nội dung của đề tài: - Tinh chế và tổng hợp sét hữu cơ (MMT-CTAB), (với CTAB:Cetyltrimethylammonium bromua) từ bentonit; - Chiết tách chitosan từ chitin trong vỏ tôm; - Tổng hợp và tạo màng nanocomposit từ sét hữu cơ và chitosan vừa tổng hợp được; - Kiểm tra khả năng hấp phụ của màng nanocomposit trong nước nhiễm phẩm mầu công gô đỏ và metylen xanh. Sinh viên: Hoàng văn Kính 6 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về bentonit, Montmorillonit (MMT), sét hữu cơ 1.1.1. Giới thiệu về khoáng sét bentonit Khoáng sét là chất thuộc họ alumosilicat tồn tại trong tự nhiên thành mỏ. Nó có cấu trúc lớp bao gồm lớp của nhôm oxit và silic oxit. Các lớp được liên kết với nhau qua cầu nguyên tử oxi. Ở dạng tinh thể, lớp silicat được cấu tạo từ các tứ diện oxit silic sắp xếp thành mạng lục diện, liên kết với các mạng bát diện. Khi phân tán trong nước, hạt sét tạo huyền phù có kích thước rất nhỏ khoảng một vài micromet.Khoáng sét ngậm nước là vật liệu mềm dẻo [1]. Thành phần hóa học của sét: Silic là nguyên tố chiếm thành phần nhiều nhất và có trong tất cả mọi loại sét. Nhôm là thành phần chiếm nhiều thứ hai trong sét sau silic. Ngoài ra là các nguyên tố Fe, Mg, K, Na, Ca, Tùy theo hàm lượng của các nguyên tố có mặt trong sét mà có các loại sét khác nhau. Bảng 1.1.Các loại khoáng sét theo thành phần nguyên tố cấu tạo chủ yếu [1] Tên khoáng sét Thành phần cấu tạo chủ yếu Montmorillonit (bentonit) Si, Al, Mg 2+ , Fe 2+ Saponit Si, Al, Mg Baidellit Si, Al Vermiculit Si, Al, Mg, Fe 2+ Illit Si, K, Al, Fe 2+ , Mg 2+ Glauconit Si, K, Fe 2+ , Fe 3+ Nontronit Si, Fe 3+ Celaconit Si, Al, Mg, K, Fe 2+ , Fe 3+ Chlorit Si, Mg, Al, Fe Kaolinit Si, Al Sepionit Si, Al, Mg Talc Si, Mg, Fe 2+ Palygorskit Al, Mg Dựa vào khả năng trương nở trong nước của khoáng sét, khoáng sét được chia làm hai nhóm: Nhóm trương nở và nhóm không trương nở. Nhóm sét trương nở gồm có: Montmorillonit (bentonit), saponit, nontronit, baidellit, vermiculit,… Nhóm sét không trương nở gồm: Illit, glauconit, celaconit, chlorit, berthierin, kaolinit, holloysit, sipionit, palygorskit, talc… Về cấu trúc, khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp, các lớp trong cấu trúc được hình thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản [2]: Sinh viên: Hoàng văn Kính 7 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp - Cấu trúc bát diện của oxit nhôm (hình 1.1a); -Cấu trúc tứ diện của silic (hình 1.1b). Trên cơ sở sự sắp xếp của các đơn vị cấu trúc sét được phân thành các loại sau: (a) (b) Hình 1.1. (a) Cấu trúcbát diện [Al(OH) 6 ] 3+ và (b) Cấu trúc tứ diện[SiO 4 ] 4+ . - Sét có cấu trúc 1:1 như cấu trúc của tinh thể kaolinit, đây là sự sắp xếp theo trật tự kế tiếp liên tục của lớp tứ diện (hình 1.2a). - Sét có cấu trúc 2:1 điển hình là bentonit và vermiculit. Cấu trúc này có dạng kẹp giữa hai lớp tứ diện oxit silic là lớp bát diện oxit nhôm (hydroxyt) (hình 1.2b). Hình 1.2.Mô hình cấu trúc lớp của khoáng sét[2] (a) Cấu trúc 1:1 (b) Cấu trúc 2:1 Bentonit là loại khoáng sét silicat lớp được tạo nên bởi nhiều loại khoáng khác nhau, trong đó thành phần chiếm nhiều nhất là montmorilonit (bảng 1.2). Vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là MMT. Hiện nay, nguồn bentonit của nước ta khá phong phú, có thể khai thác với trữ lượng 20.000 – 24.000 tấn/năm, phân bố ở một số khu vực như: Bình Thuận, Ninh Thuận (Thuận Hải), Lâm Đồng (Di Linh), Thanh Hóa (Cổ Định), Mộc Châu…[3]. 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 khai thác, trong khi đó diện tích đất bạc màu, đất cát, đất thoái hóa cần cải tạo phục vụ cho nông nghiệp nước ta rất lớn. Trữ lượng quặng bentonit của Việt nam đã xác định và dự báo khoảng 95 triệu tấn [4]. Mỏ sét bentonit thuộc thung lũng Nha Mé (xã Phong Phú–Tuy Phong – Bình Thuận) là mỏ bentonit kiềm duy nhất ở Việt Nam có trữ lượng hàng triệu tấn, là một trong những mỏ lớn nhất trên thế giới hiện nay [3]. Mỏ sét bentonit do công ty TNHH Minh Hà sở hữu và khai thác có thành phần khoáng Montmorillonit thuộc loại kiềm, dung tích trao đổi cation chủ yếu là Na + , Sinh viên: Hoàng văn Kính 8 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp K + , một số đặc trưng thành phần khoáng của bentonit Tuy Phong – Bình Thuận được giới thiệu trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Thành phần khoáng chất và hóa học của bentonit Bình Thuận [3] Tên khoáng chất Hàm lượng (%) Thành phần hóa học chính Hàm lượng (%) Montmorillonit 49 - 51 SiO 2 51,90 Illite 7 - 9 Al 2 O 3 15,60 Kaolinite Clorite 13 - 15 Fe 2 O 3 2,83 Thạch anh 6 - 8 FeO 0,21 Felspate 7 - 9 CaO, MgO 4,05 Gơtite 4 - 6 K 2 O, Na 2 O 4,05 Canxite 4 - 6 Thành phần khác 7,62 Mất khi nung 15,67 Các kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đã cho thấy rằng khả năng trao đổi ion của khoáng sét Bình Thuận từ 96 – 105 mgđl/100g, trong khi đó dung lượng trao đổi ion của Southerm Clay Co là 110 – 115 mgđl/100g, của hãng Merck (Đức) khoảng 120 mgđl/100g [1, 3]. Do đó, chúng ta hoàn toàn có thể kỳ vọng vào nguồn bentonit của nước ta có đầy đủ tính chất và đảm bảo chất lượng để đáp ứng nhu cầu sản xuất trong nước, hạn chế nhập khẩu và tăng sản lượng khai thác để xuất khẩu ra thị trường nước ngoài [5]. Nhờ khả năng hấp phụ cao, bentonit được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Chủ yếu là công nghiệp dầu mỏ, sử dụng để xử lý trưng cất dầu mỏ, làm dung dịch khoan trong ngành khoan dầu khí, địa chất, xây dựng…, làm keo chống thấm trong các đập nước thủy điện, thủy lợi, làm nguyên liệu hấp phụ tẩy rửa, làm chất kết dính trong khuôn đúc hay phụ gia tăng dẻo trong gốm sứ. Ngoài ra, bentonit còn được dùng làm xúc tác cho một loạt các phản ứng như oxy hóa các ancol, oxy hóa ghép đôi các thiol, các phản ứng tạo ra nhóm cacbonyl từ thioaxetal hoặc thiocabonyl…các phản ứng này xảy ra dễ dàng (nhiệt độ, áp suất thường) và cho độ chọn lọc cao [2]. 1.1.2. Khoáng sét Montmorillonit Loại nanoclay đầu tiên được tìm thấy trên thế giới là Montmorillonit (ở Montmorillon, Pháp, năm 1874). Tuy nhiên, đến năm 1993, vật liệu polyme clay nanocompozit mới lần đầu tiên được chế tạo thành công. 1.1.2.1. Thành phần hóa học của Montmorillonit MMT là loại khoáng silicat lớp, mềm, được tạo nên bởi các cấu trúc tinh thể hiển vi, thuộc họ smectic. MMT được tìm thấy nhiều trong các loại khoáng sét tự nhiên (clay), đặc biệt nhiều nhất trong bentonit. Đôi khi người ta còn gọi MMT với một tên chung là sét. Sinh viên: Hoàng văn Kính 9 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Công thức đơn giản nhất của MMT: Al 2 O 3 .4SiO 2 .nH 2 O ứng với một nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lý tưởng công thức của MMT là Si 8 Al 4 O 20 (OH) 4 ứng với một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết, do có sự thay thế đồng hình của ion kim loại Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Mg 2+ …, với ion Si 4+ trong tứ diện SiO 4 và Al 3+ trong bát diện AlO 6 . Như vậy, thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si, Al, O, H còn thấy các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K… Trong đó, tỷ lệ Al 2 O 3 : SiO 2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4 [2]. 1.1.2.2. Cấu trúc tinh thể của MMT MMT là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp 2:1. Cấu trúc tinh thể của MMT được cấu tạo từ 2 mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên lớp cấu trúc. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ (hình 1.3). Khi phân ly trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành các hạt nhỏ cỡ micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo với lực hút Van der Waals. Chiều dày của một lớp cấu trúc là 9,2 – 9,6Å. Khoảng cách giữa các lớp trong trạng thái trương nở (do các phân tử nước xen vào) khoảng từ 5 – 12 Å tùy thuộc cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở. Tổng độ dài của chiều dày một lớp sét với khoảng cách giữa hai lớp sét được gọi là khoảng cách cơ bản (d-spacing) [7]. Trong mạng lưới cấu trúc của MMT thường xảy ra sự thay thế đồng hình của cation. Ở mạng lưới bát diện chủ yếu là sự thay thế của cation Al 3+ bởi cation Mg 2+ . Ở mạng lưới tứ diện, một phần không lớn cation Si 4+ bị thay thế bởi cation Al 3+ hoặc Fe 3+ . Al 3+ có thể thay thế Si 4+ trong mạng lưới tứ diện lớn nhất là 15%. Sự thay thế này dẫn đến 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 + , Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , Li + … Chúng bị hydrat hóa bởi các phân tử nước ở giữa hai lớp cấu trúc. Người ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc của MMT xuất hiện chủ yếu ở mạng bát diện do sự thay thế đồng hình của ion Al 3+ bằng ion Mg 2+ . Điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế của ion Si 4+ bởi ion Al 3+ . Vì vậy, điện tích âm của mạng phân bố sâu trong lớp cấu trúc mà không nằm ở bề mặt ngoài của lớp cấu trúc, nên năng lượng liên kết của các cation trao đổi nằm giữa các lớp với 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 MMT bằng cách trao đổi ion. Lượng cation trao đổi của MMT dao động trong khoảng 70–150 mgđlg/100g. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách cơ bản. Khoảng cách này có thể tăng đến vài chục Å khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome, các polyme vô cơ, các phân tử hữu cơ [4, 10]. 1.1.2.3. Tính chất của MMT Tính chất hóa lý [2] Có thể nói, MMT là khoáng sét được biết đến và ứng dụng nhiều nhất trong nhóm silicat phân lớp, vì có những tính chất sau: - Kích thước hạt sét nằm trong khoảng phân tán keo; - Bề mặt riêng cao; Sinh viên: Hoàng văn Kính 10 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 [...]... biển và nước ngọt; - Loại bỏ hoàn toàn các polyme có mặt trong nước thải; - Giảm mùi hôi khó chịu do làm giảm số lượng vi sinh vật gây thối Một số ứng dụng mở rộng khác bao gồm: xử lý vết dầu loang, xử lý nước thải sinh hoạt, tái sử dụng nước hồ bơi, thu hồi protein và khoáng từ nước thải nông nghiệp, phân lập các chất có hoạt tính sinh học trong nước tiểu và tách các độc tố từ dung dịch 1.2.3.2 Trong. .. tăng khả năng xâm nhập của các chất hữu cơ hay polyme vào khoảng xen giữa các lớp Sinh viên: Hoàng văn Kính 13 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.1.3.2 Biến tính sét hữu cơ Hình 1.6 Trạng thái phân ly của sét hữu cơ trong dung dịch [16] Bentonit là chất vô cơ, có tính ưa nước, trong khi đó nền polyme có tính kị nước nên bentonit rất khó trộn hợp với polyme Để tăng... liệu polyme – clay nanocomposit [23] Sinh viên: Hoàng văn Kính 27 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.3.3 Vật liệu nanocomposit phân hủy sinh học (BNC) 1.3.3.1 Khái niệm Theo nghĩa rộng BNC là vật liệu nanocomposit có khả năng phân hủy sinh học Theo nghĩa hẹp BNC là vật liệu nanocomposit được tạo nên bởi chất nền polyme phân hủy sinh học kết hợp với các pha gia cường... đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Khi nước bị hấp phụ vào giữa các lớp, sẽ làm thay đổi chiều dày lớp cấu trúc Tính chất này được gọi là tính chất trương nở Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất của MMT, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong các lớp bát diện và sự có mặt của các ion trong môi trường phân tán Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrat hoá của các. .. MMT và khả năng tương tác tốt với các Sinh viên: Hoàng văn Kính 17 Lớp: Lọc Hóa Dầu A K53 Trường đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp polyme hữu cơ của tác nhân biến tính, MMT biến tính đã góp phần nâng cao các tính chất cơ học và tăng khả năng phân hủy sinh học của vật liệu… Để nâng cao chất lượng của vật liệu, ngoài việc sử dụng MMT biến tính, người ta còn đặc biệt quan tâm đến các polyme hữu cơ tương... hữu cơ Sét hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác giữa bentonit và các hợp chất hữu cơ có khả năng hoạt động bề mặt, đặc biệt là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4, mạch thẳng, nhánh và vòng Mục đích của việc biến tính khoáng sét bằng phản ứng hữu cơ hóa MMT là nhằm tạo ra vật liệu từ dạng ưa nước chuyển sang dạng ưa dầu với những gốc thế khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu cơ, ... bằng chất trợ lắng là đơn giản và dễ thực hiện nhất Bởi vậy trong đồ án này chất trợ lắng được sử dụng là (NaPO 3)6 để xử lý bentonit để tạo Na-MMT Trước hết, MMT cần phải được xử lý để loại bỏ các tạp chất hữu cơ, các muối cacbonat CO32-, thạch anh, quazt bằng cách phân tán MMT trong nước, khuấy mạnh bằng máy khuấy cơ tạo dung dịch huyền phù sét trong nước, sau đó sử dụng dung dịch trợ lắng (NaPO3)6 để. .. chất Đồ án tốt nghiệp thế hợp lý Chitosan đã được sử dụng trong quá trình lọc nước từ khoảng ba thập niên trước Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có khả năng: - Hấp phụ kim loại nặng: chitosan mang điện tích dương kết hợp với những polyme đa điện tích âm tạo phức với các ion kim loại và kết tủa Chitosan cũng có thể sử dụng như một chất hấp phụ để tách các đồng vị phóng xạ và thu hồi Urani từ nước. .. nanomet để nâng cao hoặc hình thành các thuộc tính mới cho vật liệu Vậy, vật liệu BNC chính là vật liệu polyme-clay nanocomposit mà trong đó thành phần polyme làm pha nền thuộc nhóm polyme phân hủy sinh học 1.3.3.2 Tính chất Tính chất cơ học Vật liệu BNC có đầy đủ các tính chất cơ học của chất nền tạo ra nó Tuy nhiên, nhờ khả năng gia cường của các hạt nano tạo cho vật liệu BNC có những tính chất cơ học. .. bởi các lớp Mont trong thành phần, như những hàng rào che chắn Do đó, vật liệu polyme - clay nanocomposit có khả năng che chắn sự thấm khí và hơi ẩm hơn hẳn các loại vật liệu polyme khác Tính chất này của vật liệu polyme - clay nanocomposit được ứng dụng để làm bao gói cho thực phẩm, dược phẩm, màng sơn phủ … Khả năng phân hủy sinh học Polyme trong vật liệu polyme- clay nanocomposit có khả năng phân