nghiên cứu điều chế, tính chất của vật liệu bentonit biến tính và ứng dụng hấp phụ phốtpho trong nước

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM  BÙI VĂN THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC HÀ NỘI - 2012 VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM  BÙI VĂN THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC C huyên ngành: Hoá Vô cơ Mã số: 62.44.25.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Lê Bá Thuận 2. TS. Thân Văn Liên HÀ NỘI - 2012 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lê Bá Thuận và TS. Thân Văn Liên. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Bùi Văn Thắng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành tới PGS. TS. Lê Bá Thuận và TS. Thân Văn Liên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy, cô và anh chị ở Trung tâm Chế biến Quặng phóng xạ - Viện Công nghệ Xạ hiếm, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tận tính giúp đỡ tôi trong việc đo đạt, đóng góp ý kiến, hỗ trợ thiết bị và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Công nghệ Xạ hiếm, Ban Giám đốc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam và Ban Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hoá học, Trường Đại học Đồng Tháp đã bố trí thời gian, hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án của mình. Cuối cùng, tôi cảm ơn quý thầy, cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này. Tác giả Bùi Văn Thắng iii MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ xii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN 3 1.1. BENTONIT 3 1.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hoá học 3 1.2.2. Cấu trúc của montmorillonit 3 1.3.3. Tính chất của bentonit 5 1.3.3.1. Khả năng trao đổi ion 5 1.3.3.2. Tính chất hấp phụ 6 1.3.3.3. Tính trương nở 6 1.3.4. Ứng dụng của bentonit 8 1.2. BENTONIT BIẾN TÍNH BẰNG CÁC TÁC NHÂN KIM LOẠI 8 1.2.1. Bentonit biến tính bằng cation kim loại 9 1.2.2. Bentonit biến tính bằng polyoxocation kim loại 9 1.2.3. Sự hình thành bentonit biến tính và các yếu tố ảnh hưởng 10 1.2.4. Bentonit biến tính bởi tác nhân La, Al, Fe, Al/La, Al/Fe 12 1.2.4.1. Bentonit biến tính lantan 12 1.2.4.2. Bentonit biến tính nhôm 13 1.2.4.3. Bentonit biến tính sắt 14 1.2.4.4. Bentonit biến tính nhôm/lantan 16 1.2.4.5. Bentonit biến tính nhôm/sắt 17 1.3. TÍNH CHẤT CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 18 iv 1.4. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 19 1.4.1. Hiện tượng phú dưỡng 20 1.4.2. Ảnh hưởng của phú dưỡng 21 1.4.3. Bentonit biến tính là vật liệu hấp phụ phốtpho hiệu quả 22 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG BENTONIT BÌNH THUẬN 24 1.6. MỘT SỐ KẾT LUẬN CHÍNH RÚT RA TỪ TỔNG QUAN 26 1.7. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 27 Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1. HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 28 2.1.1. Hoá chất 28 2.1.2. Dụng cụ 28 2.1.3. Thiết bị 28 2.1.4. Mẫu quặng sử dụng trong nghiên cứu 28 2.2. XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG TRAO ĐỔI CATION CỦA BENTONIT 29 2.3. THỰC NGHIỆM ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH 29 2.3.1. Điều chế vật liệu B90-La và B40-La 29 2.3.2. Điều chế vật liệu BAl, BFe, BAlLa và BAlFe 30 2.3.2.1. Điều chế dung dịch polyoxocation kim loại 31 2.3.2.2. Điều chế bentonit biến tính bằng polyoxocation kim loại 32 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 32 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 32 2.4.2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X 33 2.4.3. Phương pháp xác định bề mặt riêng BET 33 2.4.4. Phương pháp hiển vi điệt tử quét 33 2.4.5. Phương pháp phổ hồng ngoại 33 2.4.6. Phương pháp ICP-AES 34 2.5. KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 34 v 2.6. KHẢO SÁT HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 35 2.6.1. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 35 2.6.2. Thử nghiệm hấp phụ phốtpho của nước hồ phú dưỡng bằng vật liệu bentonit biến tính trong cột 35 2.7. XỬ LÝ HỒ HOÀ MỤC BẰNG VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH 36 2.8. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ 37 2.8.1. Động học hấp phụ 37 2.8.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 39 2.8.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và các tham số nhiệt động học 40 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1. ĐẶC TRƯNG CỦA BENTONIT BÌNH THUẬN 42 3.2. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN 46 3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu B90-La và B40-La 46 3.2.1.1. Ảnh hưởng thời gian trao đổi và tỉ lệ LaCl 3 /bentonit 46 3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH 49 3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 51 3.2.1.4. Ảnh hưởng của phần trăm huyền phù bentonit 52 3.2.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của bentonit biến tính lantan 54 3.2.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 54 3.2.2.2. Tính chất bề mặt 55 3.2.2.3. Phổ FTIR 55 3.2.3. Kết luận về quá trình điều chế bentonit biến tính lantan 56 3.3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH NHÔM VÀ SẮT 57 3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAl và BFe 57 3.3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ MCl 3 /bentonit 57 3.3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch polyoxocation 59 3.3.1.3. Ảnh hưởng nhiệt độ của quá trình biến tính 61 3.3.1.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol OH - /M 3+ 63 3.3.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của vật liệu BAl và BFe 65 3.3.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 65 vi 3.3.2.2. Tính chất bề mặt 65 3.3.2.3. Phổ FTIR 66 3.3.3. Kết luận về quá trình điều chế vật liệu BAl, BFe 67 3.4. NGHÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH Al/La VÀ Al/Fe 68 3.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAlLa, BAlFe 68 3.4.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ AlCl 3 /MCl 3 68 3.4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ (Al 3+ +M 3+ )/bentonit 70 3.4.1.3. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch polyoxocation 72 3.4.1.4. Ảnh hưởng nhiệt độ của quá trình biến tính 74 3.4.1.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol OH - /(Al 3+ +M 3+ ) 75 3.4.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của vật liệu BAlLa và BAlFe 77 3.4.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 77 3.4.2.2. Tính chất bề mặt 77 3.4.2.3. Phổ FTIR 78 3.4.3. Kết luận về quá trình điều chế vật liệu BAlLa, BAlFe 79 3.5. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH 80 3.5.1. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phốtpho của bentonit biến tính 80 3.5.1.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 80 3.5.1.2. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ 81 3.5.1.3. Ảnh hưởng của pH 82 3.5.1.4. Động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 84 3.5.1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 86 3.5.1.6. Các tham số nhiệt động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 90 3.5.1.7. Ảnh hưởng của một số ion cản 93 3.5.1.8. Khả năng lưu giữ phốtpho của bentonit biến tính 94 3.5.1.9. Cơ chế hấp phụ phốtpho của bentontie biến tính 94 3.5.2. Thành phần hoá học và tính chất bề mặt của vật liệu sau khi hấp phụ 97 3.5.3. Kết luận về khả năng hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước tổng hợp bằng vật liệu bentonit biến tính 99 vii 3.6. KHẢO SÁT HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 99 3.6.1. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 100 3.6.2. Khảo sát hấp phụ phốtpho của nước hồ bị phú dưỡng 102 3.6.3. Khảo sát hấp phụ phốtpho trong nước hồ của vật liệu bằng cột 104 3.6.4. Kết luận về khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu trong phòng thí nghiệm 106 3.7. XỬ LÝ HỒ HOÀ MỤC BẰNG VẬT LIỆU B90-La 107 3.7.1. Thời gian khảo sát 107 3.7.2. Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục trước khi xử lý 107 3.7.2.1. Phân tích một số chỉ tiêu lý hoá 107 3.7.2.2. Nồng độ kim loại có trong nước và bùn đáy hồ Hoà Mục trước khi xử lý 108 3.7.3. Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục sau khi phun bằng B90-La 109 3.7.3.1. Chất dinh dưỡng 109 3.7.3.2. Yếu tố pH 115 3.7.3.3. Nhiệt độ 116 3.7.3.4. DO và chất hữu cơ 117 3.7.3.5. Nồng độ kim loại trong nước và bùn đáy hồ Hoà Mục sau khi xử lý 118 3.7.4. Thành phần loài và mật độ tảo trước và sau khi xử lý hồ Hoà Mục bằng vật liệu B90-La 119 3.7.4.1. Thành phần loài 119 3.7.4.2. Mật độ tảo 121 3.7.5. Kết luận về quá trình xử lý toàn hồ Hoà Mục bằng vật liệu B90-La 122 KẾT LUẬN 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 PHỤ LỤC viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ CEC Dung lượng trao đổi cation MMT Montmorillonit Bent Bentonit Bình Thuận Bent-La Bentonit Bình Thuận biến tính lantan B90 Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit B40 Bentonit Bình Thuận 40% montmorillonit B90-La Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính lantan B40-La Bentonit Bình Thuận 40% montmorillonit biến tính lantan BAl Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm BFe Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính sắt BAlLa Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm/lantan BAlFe Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm/sắt XRD Nhiễu xạ tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét EDX Tán xạ năng lượng tia X BET Phương pháp hấ p phụ BET ICP-OES Phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng plasma FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại PHT Phốtpho hoà tan TP Tổng phốtpho TN Tổng nitơ XL Xử lý ĐC Đối chứng S BET Diện tích bề mặt riêng tính theo phương trình BET V p Tổng thể tích lỗ xốp [...]... tính ch t c trưng, so sánh gi a các lo i bentonit bi n tính khác nhau và i u ki n t ng h p chúng Vi c phát tri n nhanh chóng và r ng rãi c a lĩnh v c này là minh ch ng cho s phát tri n c a thành ph n tác nhân bi n tính m i và trong ph n ng i u ch , trong ó bentonit bi n tính ã thành công trong các ng d ng xúc tác và h p ph 12 1.2.4 Bentonit bi n tính b i tác nhân La, Al, Fe, Al/La, Al/Fe 1.2.4.1 Bentonit. .. li u bentonit bi n tính [130, 148, 154] Có nhi u y u t nh hư ng bentonit bi n tính M t vài y u t s n quá trình bi n tính i u ch v t li u ư c phân tích trong trong trong lu n án này u tiên là lo i nguyên li u làm ch t n n i u ch sét bi n tính, trong ó montmorillonit ư c nghiên c u nhi u nh t và m t s khoáng sét khác cũng ư c s d ng như: saponit [21, 111], beidellit, vermiculit [26, 33], hectorit và laponit... x p c a bentonit bi n tính khá ph c t p khi nghiên c u c u trúc và tính ch t c a lo i v t li u này 1.2.3 S hình thành bentonit bi n tính và các y u t Vi c trao nh hư ng i cation hi rat l p gi a bentonit v i tác nhân kim lo i thu ư c bentonit bi n tính Do các l p cơ s c a bentonit ư c cách nhau b ng tác nhân kim lo i nên s lư ng tâm ho t ng, kho ng cách l p, di n tích b m t c a bentonit bi n tính tăng... c ưa nguyên t kim lo i chuy n ti p vào bentonit bi n tính nhôm có nh hư ng n ng d ng c a v t li u bi n tính trong quá trình h p ph và xúc tác Theo ý tư ng này, bentonit bi n tính Al/Fe thu ư c t ph n ng c a dung d ch polyoxocation Al/Fe và huy n phù bentonit ư c nghiên c u b i m t s tác gi [28, 93, 106, 131, 159] xác nh s có m t c a nguyên t Fe trong bentonit bi n tính Al/Fe c n s d ng các phương pháp... n có, r ti n nư c ta i u ch các v t li u bentonit bi n tính có kh năng h p ph ph tpho trong nư c, nh m ki m soát ngăn ch n phú dư ng, chúng tôi ch n tài nghiên c u cho lu n án là: Nghiên c u i u ch , tính ch t c a v t li u bentonit bi n tính và ng d ng h p ph ph tpho trong nư c” 3 Chương 1 T NG QUAN 1.1 BENTONIT 1.1.1 Thành ph n khoáng và thành ph n hoá h c Bentonit là lo i khoáng sét thiên nhiên,... t li u bentonit bi n tính b i các tác nhân kim lo i 1.2 BENTONIT BI N TÍNH B NG CÁC TÁC NHÂN KIM LO I Bentonit t nhiên chưa bi n tính ng d ng trong h p ph và xúc tác qu th p [4, 11, 43], t hi u s d ng cho các ng d ng này, bentonit c n ư c bi n tính Bentonit bi n tính làm tăng x p, b n nhi t, di n tích b m t và s lư ng tâm ho t 9 ng tăng lên,v.v phù h p cho các quá trình xúc tác và h p ph [50, 69, 72,... 105, 125, 135] Tính ch t bentonit bi n tính có th ư c kh ng ch b i i u ki n i u ch , k t h p v i tính ch t s n có 2 c a l p nhôm silicat t nhiên làm cho bentonit bi n tính b ng tác nhân kim lo i ho c polyoxocation kim lo i có nhi u tính ch t thú v V t li u bentonit bi n tính có ti m năng ng d ng l n trong lĩnh v c xúc tác và h p ph b i vì s tâm ho t tăng, di n tích b m t cao và ng x p n m trong vùng l... lĩnh v c xúc tác và h p ph b i vì di n tích b m t cao và x p n m trong vùng l x p vi mao qu n – mao qu n trung bình Ngoài ra, tâm axit Bronsted và Lewis làm c i thi n b n nhi t và tăng chi u r ng l x p m ra cơ h i ng d ng v t li u này trong chuy n hoá ch t h u cơ và trong h p ph c tính quan tr ng c a bentonit bi n tính là kho ng cách l p xen gi a ( ∆d ) Kho ng cách l p c a bentonit bi n tính v i ion Keggin... làm b n c u trúc l p c a bentonit bi n tính Nhìn chung, bentonit bi n tính thu ư c có kho ng cách l p (giá tr d001) tăng t 12Å lên 14 – 30Å ph thu c vào lo i tác nhân kim lo i bi n tính Ngoài kích thư c tác nhân, m t và s phân b tác nhân bi n tính trong l p xen gi a cũng là y u t quan tr ng c a bentonit bi n tính T các k t qu ã trình bày trên cho th y r ng, quá trình bi n tính bentonit b ng cation kim... – m t) và c u trúc bóc l p ( nh hư ng c nh – m t và nh hư ng c nh – c nh) ư c trình bày trong Hình 1.7 C u trúc này ư c hình thành do quá trình làm khô trong không khí d n Hình 1.7 Sơ n s s p x p l i t c u trúc k t bông bóc l p sang c u trúc l p mô t c u trúc l p và c u trúc bóc l p c a bentonit bi n tính 1.2.4.3 Bentonit bi n tính s t Vi c bi n tính sét bentonit b ng polyoxocation s t ã ư c nghiên . chọn đề tài nghiên cứu cho luận án là: Nghiên cứu điều chế, tính chất của vật liệu bentonit biến tính và ứng dụng hấp phụ phốtpho trong nước . 3 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. BENTONIT 1.1.1 HIẾM  BÙI VĂN THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC C huyên ngành: Hoá Vô cơ Mã số: 62.44.25.01. 1.2.4.3. Bentonit biến tính sắt 14 1.2.4.4. Bentonit biến tính nhôm/lantan 16 1.2.4.5. Bentonit biến tính nhôm/sắt 17 1.3. TÍNH CHẤT CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 18 iv 1.4. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ PHỐTPHO