Nghiên cứu,chế tạo vật liệu nanocomposite mnfe2o4 trên chất mang bentonite,ứng dụng để xử lí và thu hồi cr (VI) trong nước thải

Nước thải phát sinh trong quá trình mạ kim loại thường chứa hàm lượng các kim loại nặng và các muối vô cơ rất cao như Cr, Ni, Cu, chất tạo bóng, chất hoạt động bề mặt, phụ gia, … pH của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

==========

NGUYỄN THỊ THẮM

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU

CHẤT MANG BENTONITE, ỨNG DỤNG

ĐỂ XỬ LÝ VÀ THU HỒI Cr(VI) TRONG

NƯỚC THẢI

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

HÀ NỘI – 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

==========

NGUYỄN THỊ THẮM

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU

CHẤT MANG BENTONITE, ỨNG DỤNG

ĐỂ XỬ LÝ VÀ THU HỒI Cr(VI) TRONG

NƯỚC THẢI

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Người hướng dẫn khoa học:

KSC PHẠM VĂN LÂM

HÀ NỘI - 2012

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới KSC Phạm Văn Lâm-

người hướng dẫn chính đã nhiệt tình trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và góp ý cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Tôi cũng xin cảm ơn KS Quản Thị Thu Giang đã quan tâm, động

viên tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ nghiên cứu của phòng Hoá

vô cơ - Viện Hoá Học - Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi về trang thiết bị, hóa chất… cho tôi có thể hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học – Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm khóa luận tại Viện Hóa Học thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các anh, các chị, các bạn cùng thực tập, nghiên cứu trong phòng Hóa vô cơ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp

Hà Nội, tháng 5 năm 2012 Sinh viên

Nguyễn Thị Thắm

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 : Danh mục các dụng cụ cần thiết 29

Bảng 2 : Danh mục các thiết bị cần thiết 29

Bảng 3 : Danh mục các hóa chất 30

Bảng 4 : Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu theo pH 36

Bảng 5 : Bảng số liệu cân bằng hấp phụ của vật liệu 37

Bảng 6 : Bảng số liệu thực nghiệm đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu 39

Bảng 7 : Số liệu thiết lập phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 40

Bảng 8 : Số liệu hấp phụ và nhả hấp phụ của vật liệu 41

Bảng 9 : Thành phần của nước thải mô phỏng nước thải thực 42

Bảng 10 : Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu theo nồng độ pha rắn 43

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Cấu trúc tinh thể vật liệu MnFe2O4 19

Hình 2: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT 21

Hình 3: Các ứng dụng cơ bản của khoáng sét bentonite. 22

Hình 4: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ 24

Hình 5: Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét 25

Hình 6 : Máy Perkin Elmer 3300 27

Hình 7: Hình ảnh hệ thống thí nghiệm hấp phụ crôm 31

Hình 8 : Phổ XRD của vật liệu tổng hợp. 34

Hình 9: Phổ hồng ngoại của vật liệu 35

Hình 10 : Ảnh SEM của vật liệu 35

Hình 11 : Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 36

Hình 12: Cân bằng hấp phụ của vật liệu 38

Hình 13 : Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 40

Hình 14 : Đồ thị thu hồi Cr(VI) của vật liệu sau sáu chu kì 42

Hình 15 : Ảnh hưởng của nồng độ pha rắn đến hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 43 Hình 16 : Phổ XRD của vật liệu ban đầu 44

Hình 17 : Phổ XRD của vật liệu sau hấp phụ lần 1 45

Hình 18 : Phổ XRD của vật liệu sau nhả hấp phụ lần 1 45

Hình 19 : Phổ XRD của vật liệu sau hấp phụ lần 6 46

Hình 20 : Phổ XRD của vật liệu sau nhả hấp phụ lần 6 46

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục bảng

Danh mục hình

Mở đầu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Nước thải – khái niệm và phân loại 4

1.1.1 Các loại nước thải công nghiệp 4

1.1.2 Thành phần, tính chất và tác hại nước thải xi mạ 5

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm môi trường do công nghiệp thải xi mạ tại Việt Nam 6

1.2 Nước thải mạ crôm 7

1.2.1 Crôm 7

1.2.2 Độc tính của crôm 7

1.2.3 Phương pháp xử lý và thu hồi crôm trong nước thải 9

1.2.3.1 Phương pháp khử kết hợp với kết tủa hóa học 9

1.2.3.2 Phương pháp anode hy sinh 10

1.2.3.3 Phương pháp khử Cr(VI) bằng sulphate 11

1.2.3.4 Phương pháp lọc màng 12

1.2.3.5 Phương pháp trao đổi ion 13

1.2.3.6 Phương pháp điện hóa 14

1.2.3.7 Phương pháp sinh học 15

1.2.3.8 Phương pháp hấp phụ 15

1.3 Xu hướng phát triển các vật liệu hấp phụ trong xử lý

thu hồi Cr(VI) 16

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Vật liệu nano MnFe 2 O 4 19

2.1.1 Cấu trúc tinh thể 19

2.1.2 Từ tính của vật liệu và ứng dụng 19

2.2 Khoáng sét Bentonite 20

2.2.1 Cấu tạo 20

2.2.2 Ứng dụng 22

2.3 Vật liệu nano composite MnFe 2 O 4 trên nền chất mang Bentonite 23

2.4 Phương pháp chế tạo vật liệu 23

2.5 Các phương pháp đo đạc, khảo sát đặc trưng của vật liệu 24

2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơngen (Xray diffracsion - XRD) 24

2.5.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 25

2.5.3 Phổ hồng ngoại - Fourier Transform Spectrometer (FTIR) 26

2.6 Phương pháp xác định hiệu quả hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 27

2.7 Phương pháp đánh giá khả năng nhả hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 27

2.8 Phương pháp xác định Crôm trong nước 27

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 29

3.1 Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu nano composite MnFe 2 O 4

trên chất mang Bentonite kích thước nano 29

3.1.1 Chuẩn bị hóa chất, thiết bị và dụng cụ 29

3.1.2 Cách tiến hành 30

3.1.2.1 Biến tính bentonite 30

3.1.2.2 Tổng hợp vật liệu nanocompozit MnFe2O4 trên chất mang bentonite 30

3.2 Xác định khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 31

3.2.1 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu 31

3.2.2 Động học hấp phụ 31

3.2.3 Đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu 32

3.3 Xác định khả năng nhả hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 32

3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu với nước thải thực 32

3.5 Sơ bộ khảo sát thành phần pha của vật liệu trong quá trình hấp phụ 33

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Khảo sát các đặc trưng cơ bản của vật liệu 34

4.1.1 Thành phần pha của vật liệu 34

4.1.2 Hình thái học của vật liệu (Ảnh kính hiển vi điện tử quét - SEM) 35

4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 36 4.2.1 Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của vật liệu 36

4.2.2 Động học hấp phụ của vật liệu (Cân bằng hấp phụ) 37

4.2.3 Đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI) của vật liệu M1 và M2 38

4.3 Khảo sát khả năng nhả hấp phụ Cr(VI) của vật liệu 41

4.4 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu với nước thải thực 42

4.5 Sơ bộ khảo sát thành phần pha của vật liệu trong quá trình hấp phụ 44

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

MỞ ĐẦU

Nước có vai trò rất là quan trọng cho mọi sự sống trên trái đất Nước cần thiết cho duy trì sự sống và tất cả các hoạt động của con người như sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và hoạt động dịch vụ Tuy nhiên, loài người hiện đang đứng trước nguy cơ thiếu nước trầm trọng Trên thế giới hiện có đến 80 quốc gia và 40% dân số thuộc diện thiếu nước, một phần ba các điểm dân cư phải dùng các nguồn nước bị ô nhiễm để ăn uống - sinh hoạt, hệ lụy là hàng năm có trên 500 triệu người mắc bệnh, 10 triệu người (chủ yếu là trẻ em) bị chết, riêng bệnh tiêu chảy đã cướp đi mạng sống của 2,5 triệu em mỗi năm liên quan đến sử dụng nước bị ô nhiễm Nguyên nhân là do sự suy kiệt của các nguồn nước sạch, bùng nổ dân số và sự ô nhiễm các nguồn nước do các hoạt động của con người đặc biệt là sự ô nhiễm của các dòng thải nước công nghiệp

Hiện nay, một trong những ngành công nghiệp đang phát triển ở nước

ta là ngành công nghiệp gia công kim loại Nhu cầu gia công kim loại ngày càng tăng và do đó việc xử lí nước thải và thu hồi kim loại trong quá trình gia công mạ kim loại trở thành một vấn đề cần được quan tâm Nước thải phát sinh trong quá trình mạ kim loại thường chứa hàm lượng các kim loại nặng và các muối vô cơ rất cao như Cr, Ni, Cu, chất tạo bóng, chất hoạt động bề mặt, phụ gia, … pH của nước thải thay đổi rất rộng từ rất axit (pH=2-3) đến rất kiềm (pH=10-11) là độc chất đối với sinh vật, gây tác hại xấu đến sức khỏe con người

Kết quả nghiên cứu gần đây về hiện trạng môi trường ở nước ta cho thấy, lượng crôm trong đất, nước gia tăng một cách đáng kể do các hoạt động

sản xuất của con người như: khai thác quặng, luyện kim, mạ crôm, công nghiệp thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm làm phân tán các chất thải chứa crôm vào môi trường

Trong nước thải crôm tồn tại ở 2 dạng anion chính: Cr(VI) và Cr(III) Trong đó, Cr(VI) được đánh giá là tác nhân có độc tính cao hơn nhiều so với Cr(III) Nước thải xi mạ có thể gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng và môi trường sinh thái nếu thải ra mà không xử lí triệt để Cơ quan bản vệ môi trường Mỹ - EPA đã khuyến cáo rằng lượng crôm trong nước thải phải được giảm đến 0,1 mg/l Quy định này buộc tất cả các ngành công nghiệp phải giảm hàm lượng Crôm trong nước thải đến mức độ chấp nhận được trước khi thải vào cống thành phố

Một loạt các phương pháp đã được phát triển cho loại bỏ các hợp chất crôm từ nước thải công nghiệp như: phương pháp kết tủa, trao đổi ion, lọc màng, điện hóa, sinh học… đã được phát triển cho xử lý và thu hồi Cr(VI) trong nước thải Trong tất cả các kỹ thuật đó thì kỹ thuật hấp phụ được đánh giá là phương pháp phổ biến và đạt hiệu quả cao nhất Như vậy cần thiết phải tìm kiếm một số loại vật liệu hấp phụ mới có hiệu quả cao, chủ động chế tạo trong nước và có tính năng tái tạo và phục hồi Các hạt nano từ tính kích thước nanomet được chọn làm chất hấp phụ Vật liệu có diện tích bề mặt cao, cấu trúc xốp và ái lực cao với các kim loại nặng Đặc biệt, với từ tính cao tạo

ra khả năng tách chúng dễ dàng khỏi môi trường nước bằng công nghệ tách từ sau khi hấp phụ

Tại phòng Hóa Vô cơ – Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công Nghệ Việt Nam đã bước đầu nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite MnFe2O4 trên chất mang bentonite bằng phương pháp đồng kết tủa Vật liệu

có tính năng xúc tác hấp phụ Cr(VI) và có khả năng hấp phụ trao đổi cation cao do sự có mặt của bentonite Vật liệu dễ dàng tách ra khỏi môi trường

nước do có bản chất từ và được hoàn nguyên với hiệu xuất cao trong môi trường kiềm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thu hồi kim loại Để hoàn thiện quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite MnFe2O4 /bentonite cho mục tiêu xử lý và thu hồi Cr(VI) trong nước thải cần khảo sát khả năng hấp phụ-nhả hấp phụ của vật liệu và biến đổi các đặc trưng cơ bản của vật liệu sau từng chu kỳ hấp phụ nhằm đánh giá khả năng áp dụng vật liệu mới trong thực

- Đánh giá các đặc trưng cơ bản của vật liệu điều chế được

- Đánh giá khả năng hấp phụ-giải hấp phụ Cr(VI) của vật liệu định hướng ứng dụng trong công nghệ xử lí nước thải và thu hồi kim loại

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Nước thải – khái niệm và phân loại

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 5980-1995 và ISO 6107/1-1980: “Nước thải

là nước được thải ra sau khi đã sử dụng hoặc được tạo ra trong một quá trình công nghệ và không còn giá trị trực tiếp đối với quá trình đó”

Tất cả các hoạt động của con người dường như đều tạo ra nước thải Tùy theo nguồn gốc sinh ra, nước thải được chia thành: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải tự nhiên và nước thải đô thị

- Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt

động thương mại, công sở, trường học hay các cơ sở khác Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng Đặc điểm của nước sinh hoạt

là hàm lượng chất hữu cơ cao không bền sinh học (như cacbonhydrat, protein, mK); chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi

- Nước thải công nghiệp: là nước thải được sinh ra trong quá trình sản

xuất công nghiệp, khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và vô cơ

Nước thải của các ngành công nghiệp rất đa dạng về chủng loại và khác nhau nhiều về bản chất Do đó mỗi loại nước thải thường có một công nghệ

xử lý đặc thù

1.1.1 Các loại nước thải công nghiệp

Tùy thuộc vào loại hình sản xuất kinh doanh công nghiệp, nước thải công nghiệp được phân thành:

- Nước thải ngành công nghiệp năng lượng: Khai thác nguyên liệu, nhiên liệu (than, dầu khí ), sản xuất điện…

- Nước thải của nền công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm: Chế

biến sản phẩm trồng trọt (chè, cà phê, thuốc lá, rượu bia, nước ngọt,

đường mía…), chế biến sản phẩm chăn nuôi (sữa và các sản phẩm từ sữa, thịt và các sản phẩm từ thịt…), chế biến thủy hải sản (nước mắm, muối, tôm cua, sản phẩm khác…)

- Nước thải sản xuất hàng tiêu dùng: Công nghiệp dệt may, nhuộm, da giày, giấy…

- Nước thải ngành công nghiệp cơ khí- điện tử

- Nước thải ngành công nghiệp hóa chất- phân bón- cao su

- Nước thải ngành công nghiệp vật liệu xây dựng

- Nước thải ngành xi mạ

Mỗi loại nước thải công nghiệp đều có những đặc trưng riêng, tuy nhiên các thành phần chính đáng quan tâm bao gồm: kim loại nặng, dầu mỡ

(chủ yếu trong nước thải ngành xi mạ), chất hữu cơ khó phân hủy (có trong

nước thải sản xuất dược phẩm, nông dược, dệt nhuộm…) Các thành phần này

không những khó xử lý mà còn độc hại đối với con người và môi trường sinh thái Quy mô hoạt động sản xuất càng lớn thì nhu cầu về nước càng nhiều kéo theo lượng xả thải cũng càng lớn

1.1.2 Thành phần, tính chất và tác hại của nước thải xi mạ

Nước thải từ xưởng xi mạ có thành phần đa dạng về nồng độ và pH biến đổi rộng từ rất axit 2-3 đến rất kiềm 10-11 Đặc trưng chung của nước thải ngành xi mạ là chứa hàm lượng cao các muối vô cơ và kim loại nặng Tùy theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô nhiễm có thể là Cu, Zn, Ni, Cr… và tùy theo loại muối kim loại được sử dụng mà nước thải có chứa các độc tố như xianua, sunfat, amoni, crômat… chất hữu cơ ít có trong nước thải xi mạ, chất hoạt động bề mặt, chất tạo bóng…nên chỉ số COD, BOD của nước thải

xi mạ thường nhỏ và không thuộc đối tượng xử lí Đối tượng xử lí chính là các ion vô cơ mà đặc biệt là các muối kim loại nặng như Cr, Ni, Fe, Cu…

Nước thải xi mạ là độc chất đối với cá và thực vật thủy sinh Nước thải

xi mạ có thể tiêu diệt các sinh vật phù du, gây bệnh cho cá, biến đổi các tính chất lí hóa của nước, tạo ra sự tích tụ sinh học đáng lo ngại theo chiều dài của chuỗi thức ăn Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, với nồng độ đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc thoái hóa, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học, ảnh hưởng tới sự sống của sinh vật về lâu dài

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm môi trường do công nghiệp xi mạ tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu gần đây về hiện trạng môi trường ở nước ta cho

thấy, hầu hết các nhà máy, cơ sở xi mạ kim loại có quy mô vừa và nhỏ, áp dụng công nghệ cũ và lạc hậu lại tập trung chủ yếu tại các thành phố lớn như

Hà Nội, Hải Phòng, Thành Phố Hồ Chí Minh… Trong quá trình sản xuất tại các cơ sở này (kể cả các nhà máy thuộc doanh nghiệp nhà nước hoặc liên doanh với nước ngoài), vấn đề xử lí ô nhiễm môi trường còn chưa được xem xét đầy đủ hoặc việc xử lí còn mang tính hình thức bởi đầu tư cho xử lý nước thải khá tốn kém và việc thực thi luật Bảo vệ môi trường chưa nghiêm chỉnh

Nước thải xi mạ thường gây ô nhiễm bởi các kim loại nặng như crôm, niken,…với độ pH thấp Phần lớn nước thải từ các nhà máy, các cơ sở xi mạ được đổ trực tiếp vào cống thoát nước chung thành phố mà không qua xử lí triệt để, đã gây ô nhiễm cục bộ trầm trọng nguồn nước

Kết quả khảo sát tại một số nhà máy cơ khí ở Hà Nội cho thấy nồng độ các ion kim loại nặng như Cr, Cu, Ni… đều cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Một số cơ sở mạ điện tuy có hệ thống xử lí nước thải nhưng chưa chú trọng đầy đủ đến các thông số của quá trình xử lý để điều chỉnh cho phù hợp khi đặc tính của nước thải thay đổi Tại Thành Phố Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai…kết quả phân tích chất lượng nước thải của các nhà máy,

cơ sở xi mạ cho thấy hầu hết các cơ sở đều không đạt chất lượng nước thải cho phép: hàm lượng chất hữu cơ cao, chỉ tiêu kim loại nặng vượt quá tiêu

chuẩn cho phép COD dao động trong khoảng 320-885 mg/l do thành phần nước thải chứa cặn, dầu nhớt

Hơn 80% nước thải của các nhà máy, cơ sở xi mạ không được xử lí Chính nguồn thải này đã và đang gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường nước mặt, ảnh hưởng đáng kể chất lượng nước Ước tính, lượng chất thải các loại phát sinh trong ngành công nghiệp xi mạ trong những năm tới sẽ lên đến hàng ngàn tấn mỗi năm Điều này cho thấy các khu vực ô nhiễm và suy thoái môi trường ở nước ta còn gia tăng nếu không kịp thời đưa ra các biện pháp hữu hiệu

Crôm được khai thác chủ yếu từ quặng Cromit (FeCr2O4) Gần một nửa trữ lượng Cromit trên thế giới được khai thác tại Nam Phi, Kazakhstan, Ấn độ

và Thổ Nhĩ Kì Mặc dù, crôm nguyên chất là khá hiếm trong các trầm tích tự nhiên, nhưng vẫn có một số mỏ crôm kim loại đã được phát hiện như mỏ Udachnaya… tại Nga Trong tự nhiên, crôm được đánh giá chỉ như là một kim loại vết

1.2.2 Độc tính của Crôm

a Đường xâm nhập và đào thải crôm trong cơ thể người

Crôm xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường: hô hấp, tiêu hóa, và thấm qua da Dạng Cr(VI) được cơ thể hấp thu dễ dàng hơn Cr(III) Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất cứ đường nào, crôm cũng được chuyển vào máu đến hồng cầu, từ hồng cầu, crôm di chuyển vào các tổ chức nội tạng Từ các cơ quan nội tạng, crôm lại được hòa tan dần vào máu, rồi được đào thải qua nước tiểu với thời gian từ vài tháng đến vài năm Do đó, nồng độ crôm trong máu và nước tiểu biến đổi liên tục và kéo dài

b Ảnh hưởng của crôm đến sức khỏe con người

Crôm(III) là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho quá trình trao đổi chất, nhất là sự chuyển hóa đường trong cơ thể người Khi cơ thể thiếu crôm có thể sinh ra các bệnh được gọi là bệnh thiếu crôm Dấu hiệu của sự thiếu hụt crôm

ở người gồm có giảm cân, cơ thể không thể loại đường ra khỏi máu, thần kinh không ổn định Tuy nhiên với hàm lượng cao crôm làm giảm lượng protein, axit nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản Dạng Cr(III) được IARC – Cơ quan quốc tế nghiên cứu về ung thư (The Internationl Agency for Reseach on Cancer) xếp vào nhóm 3 trong các hoạt chất gây ung thư

Ngược lại, dạng Cr(VI) lại rất độc hại, có thể gây đột biến gen, nhiễm độc Crôm(VI) ở nồng độ lớn hơn 0,1 mg/l có thể gây sốc, nôn mửa…Khi xâm nhập vào cơ thể người Cr(VI) liên kết với các nhóm (-SH) trong enzim và làm mất hoạt tính của enzim

Phần lớn các hợp chất của Cr(VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc dễ bị phồng rộp lên sau đó bị viêm loét (có thể bị loét tới xương) Phơi nhiễm kinh niên bởi các hợp chất Cr(VI) có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không được xử

lí đúng cách Crôm xâm nhập theo đường hô hấp để dẫn đến bệnh viêm yết hầu, viêm phế quản, viêm thanh quản do niêm mạc bị kích thích (sinh ngứa

mũi, hắt hơi, chảy nước mũi…) Dạng crôm (VI) được IARC xếp vào nhóm

1 trong các chất dễ gây ung thư cho con người

Nhiễm độc crôm có thể dẫn đến bệnh tiểu đường, ung thư phổi, ung thư gan, loét gan, viêm gan, viêm da, viêm thận, đau răng, tiêu hóa kém, gây ngộ độc hệ thần kinh và hệ tuần hoàn… tổ chức y tế khuyến cáo hàm lượng cho phép tối đa của Cr(VI) trong nước uống là 0,05 mg/l Tiêu chuẩn nước ăn uống của Việt Nam (TCVN 5502-2003) cũng quy định hàm lượng crôm tối đa cho phép là 0,05 mg/l

1.2.3 Phương pháp xử lý và thu hồi crôm trong nước thải

Xử lí nước thải chứa crôm sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp khử kết hợp với đồng kết tủa hóa học( phương pháp hóa lí)

- Phương pháp lọc màng

- Phương pháp điện hóa

- Phương pháp trao đổi ion

- Phương pháp sinh học

- Phương pháp hấp phụ

Một đặc trưng cơ bản của nước thải ngành công nghiệp mạ nói chung và

mạ crôm nói riêng là yêu cầu cao về thu hồi, tái chế các kim loại, dung dịch

mạ kể cả lượng nước sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng nhà máy và vào nguồn lực sẵn có bao gồm cả công nghệ và nguồn nhân lực, vật lực Nước thải sau khi xử lý phải đảm bảo chất lượng môi trường theo tiêu chuẩn TCVN 5945-1995

1.2.3.1 Phương pháp khử kết hợp với kết tủa hóa học

Đây là phương pháp hóa lí cổ điển nhất sử dụng trong xử lí nước thải chứa crôm vẫn được sử dụng tới ngày nay Thông thường bao gồm hai giai đoạn kế tiếp: khử Cr(VI) thành Cr(III) sau đó là đồng kết tủa Cr(OH)3 cùng với các kim loại nặng khác bằng cách kiềm hóa dung dịch

Các dòng thải chứa crôm bao gồm nước thải mạ crôm, nước xử lí kim loại ban đầu, nước rửa…, mặc dù crôm trong nước thải tồn tại ở cả hai dạng Cr(III) và Cr(VI) tuy nhiên, chiếm ưu thế là Cr(VI) Không giống như hầu hết các kim loại nặng khác dễ dàng kết tủa ở dạng hidroxit không tan bằng cách điều chỉnh pH, Cr(VI) trong dung dịch hình thành phức cromat như một anion

mà không hình thành dạng hydroxide không tan do đó đầu tiên Cr(VI) phải được khử đến trạng thái hóa trị ba

Thông thường việc khử Cr(VI) đạt được bằng cách phản ứng với một tác nhân khử, phổ biến nhất cho đến nay là SO2 và NaHSO3 Các tác nhân khử thay thế khác bao gồm: FeSO4, sắt hoặc thép phế liệu

Phương trình hóa học mô tả phản ứng khử:

Tác nhân SO2:

3SO2 + 2H2CrO4 = Cr2(SO4)3 + H2O

Tác nhân NaHSO3: được hình thành khi cho sodium metabisulfite vào nước

3NaHSO3 + 2H2CrO4+ H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 5H2O + 3NaHSO4

Ưu điểm của việc sử dụng khí SO2 là chi phí hóa chất thấp

Hạn chế:

- Đòi hỏi một hệ thống thiết bị đắt tiền

- Ẩn chứa mối nguy hiểm về an toàn sức khỏe do độc tính của SO2

- Hiệu quả của phản ứng khử phụ thuộc vào độ pH

Hai phương pháp khử crôm khác đã được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế khi dùng tác nhân NaHSO3 hay SO2: phương pháp anode hy sinh và phương pháp khử sulphat

1.2.3.2 Phương pháp anode hy sinh

Công nghệ anode sắt hy sinh sử dụng phản ứng điện hóa, trong đó một phản ứng một chiều được nối với điện cực sắt Các điện cực là tấm thép

carbon cán nguội Nước thải chảy qua các khoảng cách giữa các điện cực Tại điện cực dương sắt được hòa tan chậm tạo thành các ion Fe2+, chúng phản ứng với Cr(VI) và khử nó về Cr(III) Trong quá trình này, sắt chuyển thành Fe(OH)3, kết quả là tạo ra một quá trình đồng kết tủa, Fe(OH)3 hấp phụ các cation kim loại nặng lên bề mặt của nó Quá trình này có lợi thế là có thể khử crôm ở pH trung tính Nhược điểm là tạo ra hydroxit sắt, làm tăng lượng bùn

thải

1.2.3.3 Phương pháp khử Cr(VI) bằng sắt sulphate

Sắt sulphat được sử dụng để khử Cr(VI) trong môi trường axit đã có hàng chục năm trước đây Ưu điểm chính là nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền, vì sulphate sắt được thu hồi từ quá trình tẩy gỉ thép Những bất lợi của quá trình này là sự gia tăng đáng kể bùn do kết tủa hydroxit sắt trong giai đoạn trung hòa Quá trình này đã được chứng minh có khả năng khử nhanh chóng ở độ pH 8-10 Một ưu điểm nữa là tiết kiệm axit sulfuric và xút so với quá trình khử thông thường Ngoài ra, quá trình được thực hiện trong một thiết bị phản ứng do đó giảm được các chi phí về thiết bị

Nhìn chung, phương pháp khử kết hợp với kết tủa hóa học tuy đã được

cải tiến tối ưu nhưng vẫn có ba nhược điểm trực tiếp:

- Chi phí cho thiết bị cao

- Chi phí tiêu thụ tác nhân khử cũng cao đáng kể

- Tạo ra một khối lượng bùn lớn

Ngoài ra còn có hai bất lợi gián tiếp:

- Tạo ra mối nguy hiểm tiềm tàng đối với môi trường tại các bãi chôn lấp và ô nhiễm môi trường nước do nước rác rò rỉ

- Rất khó khăn cho việc phục hồi và tái sử dụng kim loại Hơn nữa, hiệu quả của phương pháp kết tủa phụ thuộc mạnh vào thành phần của nước

thải Sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ và vô cơ khác nhau có thể làm giảm hiệu quả loại bỏ kim loại nặng

1.2.3.4 Phương pháp lọc màng

Sử dụng màng lọc đã nhận được một sự chú ý đáng kể trong xử lí nước thải Các loại màng lọc có thể được dùng cho loại bỏ Cr(VI) gồm màng vô cơ, màng polymer và màng lỏng

a Màng vô cơ

Màng vô cơ là một trong những màng quan trọng do vật liệu có độ xốp cao, bền với hóa chất và ổn định nhiệt Hầu hết các màng vô cơ hiện nay có cấu hình dạng ống

b Màng polymer

Hệ thống tách bằng màng cao phân tử hiện nay trở thành một công nghệ xử lí nước thải quan trọng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ và thu hồi các chất ô nhiễm cũng như dung môi Có ba loại màng được sử dụng:

- Màng siêu lọc- Ultrafiltration Membrane Filter(UF)

- Màng lọc nano- Nano Membrane Filter (NF): là màng có kích thước mao quản khoảng 1nm

- Màng thẩm thấu ngược – Reverse Osmosis Membrane Filter (RO): Màng thẩm thấu ngược có kích thước mao quản xung quanh 0,1 nm

c Màng lỏng

Màng lỏng có thể tách chọn lọc riêng biệt một chất tan từ một dung dịch hỗn hợp Một hệ thống màng mỏng bao gồm ba pha chất lỏng: pha dung dịch nước cái - pha màng hữu cơ lỏng - pha nhận

Có hai loại màng lỏng cơ bản:

- Màng chất lỏng cố định: bao gồm một loại polyme đã được ngâm tẩm với một dung dịch nhớt

- Màng lỏng nhũ tương: sử dụng sức căng bề mặt duy trì một màng rất mỏng chưa ổn định phân tán vào nước thải chứa crôm

Phương pháp màng chất lỏng đã chứng tỏ là một phương pháp có hiệu quả và không tốn kém với ứng dụng cho việc loại bỏ và thu hồi crôm Trong quá trình này cả hai bước khai thác và loại bỏ được kết hợp trong một giai đoạn, dẫn tới đồng thời thanh lọc và tăng nồng độ của chất tan Hơn thế nữa, bằng phương pháp này việc thu hồi crôm không tạo ra bùn thải Tuy nhiên, kĩ thuật màng lỏng đòi hỏi cao về sự ổn định của màng dẫn đến khó khăn trong

kĩ thuật Nhìn chung cho đến hiện nay sử dụng quá trình màng trong thực tế thu hồi Cr (VI) từ nước thải có nhiều hạn chế do phải đối phó với lưu lượng lớn nước thải và sự thay thế thường xuyên có màng lọc khi làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt cũng như đầu tư ban đầu lớn và sử dụng nhiều năng lượng

1.2.3.5 Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là một quá trình vật lí trong đó một ion với ái lực cao với nhựa trao đổi thay thế một ion có ái lực thấp hơn mà trước đó liên kết với nhựa tại các vị trí trao đổi Các ion trao đổi với Cr(VI) thường là Cl-

Nhược điểm của phương pháp này: vốn đầu tư lớn, kĩ thuật vận hành

nghiêm ngặt trong cả 2 khâu trao đổi và hoàn nguyên Chỉ thích hợp với trạm

xử lí quy mô nhỏ

1.2.3.6 Phương pháp điện hóa

Kỹ thuật điện hóa đang trở thành kỹ thuật xử lý nước thải thay thế bởi

vì nhiều quá trình công nghiệp thải ra nước thải độc hại, không dễ dàng phân hủy sinh học và yêu cầu tiền xử lí vật lý hoặc hóa lý rất tốn kém

a Điện phân có màng ngăn (ME):

Điện phân có màng ngăn là một trong những kỹ thuật điện hóa, được sử dụng cho việc loại bỏ Cr(VI) Đây là một xử lí hóa học được điều khiển bởi một điện thế Công nghệ này đơn giản tiêu thụ hóa chất và năng lượng thấp

b Điện phân sử dụng màng chất điện di ( electron - electrodialysis-EED):

Trên thực tế màng điện phân (ME) và màng điện di (EED) đều dựa trên cùng một nguyên tắc Cả hai quá trình đều dựa trên phản ứng điện phân trên các điện cực kết hợp với quá trình di chuyển các ion qua màng trong điện trường Với quan điểm kinh tế kỹ thuật để có thể nâng cao hiệu quả của ngành công nghiệp mạ một hệ thống ba ngăn đã được thiết kế để thực hiện ba nhiệm

vụ đồng thời:

+ Loại bỏ các chất gây ô nhiễm

+ Thu hồi axit cromic

+ Tinh lọc nước rửa

Hệ thống điện di ba ngăn đáp ứng nhu cầu thu hồi đơn giản cromic của ngành công nghiệp mạ Tuy nhiên cho đến nay chưa được công nghiệp áp dụng và các tài liệu trong lĩnh vực này cho thấy rằng lí do chính là sự kém ổn định màng trao đổi anion và hạn chế do sụt áp cao trên hệ thống

1.2.3.7 Phương pháp sinh học

Dựa trên nguyên tắc một số loài thực vật, vi sinh vật, trong nước sử dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình phát triển khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo…Với phương pháp này phải có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/l và phải có đủ chất dưỡng chất (N,P ) và các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của các loài thực vật trong nước Phương pháp này có nhược điểm là đòi hỏi diện tích lớn và nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lí kém

1.2.3.8 Phương pháp hấp phụ

Từ lâu hấp phụ đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước ăn uống cũng như trong xử lí nước thải Trên quan điểm kinh tế và môi trường hấp phụ cung cấp nhiều lợi thế đáng kể như chi phí thấp, tính sẵn có, lợi nhuận cao, dễ dàng hoạt động và hiệu quả hơn so với phương pháp khác

Vật liệu hấp phụ

- Yêu cầu: dung lượng hấp phụ cao, dải hấp phụ rộng, có độ bền cơ học

cần thiết, dễ hoàn nguyên, giá thành rẻ, dễ chế tạo

- Một số vật liệu hấp phụ: Hiện nay trên thế giới sử dụng một số vật

liệu truyền thống như: than hoạt tính, chất hấp phụ sinh học đi từ phụ phẩm nông nghiệp, chất hấp phụ sử dụng chất thải công nghiệp…và một số chất hấp phụ tổng hợp chứa Al2O3 , SiO2, MgO, CaO…

Ưu điểm của phương pháp: hiệu suất xử lí cao >80%, chất hấp phụ rẻ,

dễ kiếm, và đặc biệt có thể tái sinh và phục hồi chúng trở lại vào quá trình công nghiệp

a Chất hấp phụ than hoạt tính

Vật liệu hấp phụ được nghiên cứu nhiều nhất từ trước đến nay để hấp phụ của crôm là than hoạt tính có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau Hấp phụ Cr(VI) sử dụng than hoạt tính có vẻ là một sự lựa chọn hấp dẫn cho loại

bỏ crôm do diện tích bề mặt đặc biệt cao của nó (khoảng từ 500 đến 1.500

m2/g) với phân bố cấu trúc mao quản micro cũng như sự hiện diện một phổ rộng các nhóm chức bề mặt như cacboxylic

b Chất hấp phụ sinh học đi từ phụ phẩm nông nghiệp

Hấp phụ Cr(VI) sử dụng chất hấp phụ sinh học là một quá trình tương đối mới đã được chứng minh là rất hứa hẹn Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp có thể sử dụng hiệu quả cho việc loại bỏ và thu hồi crôm từ nước thải

Lợi thế chính của hấp phụ sinh học hơn các phương pháp xử lí thông thường bao gồm: chi phí thấp, hiệu quả cao, giảm thiểu hóa chất và bùn sinh học Việc tái chế của chất hấp phụ không có thêm yêu cầu gì đặc biệt và có khả năng thu hồi kim loại Ở nồng độ thấp của các kim loại nặng, thông thường các kỹ thuật như kết tủa với hóa chất, lọc màng, điện phân, trao đổi ion, hấp phụ trên carbon không hiệu quả và không phù hợp

c Chất hấp phụ sử dụng chất thải công nghiệp

Chất thải công nghiệp có thể được sử dụng như các chất hấp phụ với chi phí thấp có khả năng hấp phụ các kim loại nặng Sắt (III) hidroxide là một

ví dụ Thu hồi Fe(OH)3 từ ngành công nghiệp phân bón, là một chất hấp phụ tốt các chất ô nhiễm oxyanionic chẳng hạn như photphat, arsenate, và cromat trong dung dịch nước Vật liệu được nghiên cứu mở rộng để loại bỏ Cr(VI) trong nước thải Khả năng hấp phụ của Fe(OH)3 tối đa đã được báo cáo là 0,47 mg Cr(VI)/g vật liệu ở pH 5,6

1.3 Xu hướng phát triển các vật liệu hấp phụ trong xử lý thu hồi Cr(VI)

Trong tất cả các phương pháp được đề xuất xử lý và thu hồi Cr(VI), hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến nhất và hiện đang được coi là hiệu quả kinh tế Về nguyên tắc, hấp phụ có thể không chỉ loại bỏ kim loại nặng mà còn phục hồi và tái chế chúng trở lại quá trình công nghiệp

Than hoạt tính là chất hấp phụ phổ biến nhất được sử dụng trong quá trình hấp phụ Cr(VI) Tuy nhiên, hiệu quả hấp phụ của nó với hợp chất hữu

cơ cao hơn so với các chất vô cơ Carbon hoạt tính đã qua sử dụng, hoặc được chôn lấp hoặc tái sinh ở nhiệt độ khá cao Mất mát do tái sinh khoảng 10%, ngay cả với các hệ thống hoạt động tốt Ngoài ra tái sinh thường ảnh hưởng đến các tính chất của carbon Nhìn chung dung lượng carbon hoạt tính dự kiến chỉ gần 90% giá trị ban đầu sau khi tái sinh Kết quả là sự tái sinh bị hạn chế vì chi phí cao, mất mát dung lượng và khó khăn trong hoạt động Như vậy cần phải tìm một số chất hấp phụ phù hợp hơn cho mục đích tái tạo và thu hồi

Các hạt nano từ tính đã được lựa chọn nghiên cứu làm chất hấp phụ mới do những ưu điểm chính sau:

- Hạt nano từ tính có thể sản xuất lượng lớn bằng phương pháp sol-gel, đồng kết tủa

- Có thể dự đoán rằng khả năng hấp phụ của các hạt từ tính cao do diện tích bề mặt lớn và số lượng các vị trí hoạt động bề mặt cao

- Quá trình hấp phụ có thể xảy ra thông qua hấp phụ điện từ trường, kết quả thời gian hấp phụ rất ngắn và dễ dàng hoàn nguyên

- Dễ dàng tách loại chất hấp phụ ra khỏi môi trường nước nhờ một từ trường ngoài

Hàng loạt các chất hấp phụ nano từ tính đã được nghiên cứu cho mục tiêu thu hồi Cr(VI) trong nước thải như: Fe3O4, γ-Fe2O3, các hợp chất Spinel(AB2O4) trong đó: B là Fe3+

; A là Mn2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+,Ni2+, Co2+

Các kết quả nghiên cứu khẳng định: các vật liệu đều hấp phụ rất tốt Cr(VI) trong dung dịch nước Thời gian đạt cân bằng nhanh chỉ sau khoảng 5-15 phút Khả năng hấp phụ diễn ra theo trật tự: MnFe2O4> MgFe2O4

>ZnFe2O4>CuFe2O4>NiFe2O4> CoFe2O4. Đặc biệt vật liệu MnFe2O4 có hiệu quả hấp phụ đạt đến gần 100% tại pH trong khoảng 2-2,5 chỉ trong vòng 5 phút tiếp xúc Vật liệu dễ dàng nhả hấp phụ trong dung dịch NaOH 0,1 M

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu nano MnFe 2 O 4

2.1.1 Cấu trúc tinh thể

Ferit mangan có cấu trúc spinen đảo, mức độ đảo của chúng khoảng 20% MnFe2O4 có cấu trúc tinh thể lập phương và là vật liệu ferit có công thức tổng quát MeFe2O4 (Me là kim loại hóa trị 2 như: Ni, Co, Mn, hoặc Cu) Trong đó các ion sắt tồn tại ở trạng thái hóa trị +3 còn ion mangan tồn tại ở hóa trị +2 Một nửa số ion Fe3+

nằm trong vị trí tứ diện, còn nửa khác thì nằm

ở vị trí bát diện, spin của chúng đối song song nên momen tổng cộng của ion

Fe3+ bằng không, ion Mn2+

có momen từ bằng không Vì cả hai ion Fe3+ và

Mn2+ đều có cấu hình electeron d5 nên momen từ chung không phụ thuộc vào mức độ đảo và cách chế hóa nhiệt

Hình 1: Cấu trúc của tinh thể MnFe2O4

2.1.2 Từ tính của vật liệu và ứng dụng

Vật liệu thuận từ là vật liệu mà trong đó spinen của các electeron chưa ghép đôi có thể định hướng một cách ngẫu nhiên Vật liệu MnFe2O4 có kích thước < 20nm là vật liệu siêu thuận từ Hiện tượng này chỉ xảy ra đối với các chất sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ Khi kích thước hạt lớn, hệ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ) Khi kích thước hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen (mỗi hạt sẽ là một đômen) Hiện tượng siêu thuận từ xảy ra khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của các momen từ

Trong vật liệu ferit từ, các momen từ được sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhưng độ từ lớn, momen từ trong hai phân mạng không bằng nhau Do đó, độ từ tổng cộng của vật liệu này khác 0 ngay cả khi từ trường ngoài bằng 0 Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát và có thể nói trong vật liệu ferit từ có sự từ hóa tự phát

2.2 Khoáng sét bentonite

2.2.1 Cấu tạo

Bentonite là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonite (MMT), vì vậy có thể gọi bentonite theo thành phần chính là MMT Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa

tế bào đơn vị cấu trúc Trong trường hợp lý tưởng công thức của MMT là

Si8Al4O20(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 Al3+

, Fe3+, Fe2+, Mg2+… với ion Si4+

trong tứ diện SiO4 và Al3+trong bát diện AlO6 Như vậy thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó

tỷ lệ Al2O3: SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4

Trên cơ sở cấu trúc tứ diện và bát diện, lớp bát diện nhôm oxit bị kẹp giữa hai lớp silic oxit thì khoáng sét đó thuộc cấu trúc 2:1 Sét có cấu trúc 2:1 điển hình là bentonite và vermiculite Montmorillonite là thành phần chính của sét bentonite (60 ÷ 70%), với hàm lượng lớn montmorillonite nên bentonite được gọi tên theo khoáng vật chính là montmorillonite Ngoài ra vì bentonite tồn tại ở dạng khoáng sét tự nhiên nên trong thành phần khoáng sét bentonite còn chứa nhiều loại khoáng sét khác như saponite, beidellite, mica, các muối, các chất hữu cơ

Cấu trúc tinh thể của MMT được giới thiệu trên hình 2 Khi phân ly trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo với lực hút Van der Waals Chiều dày mỗi lớp cấu trúc của MMT là 9,2 ÷ 9,8 Å Khoảng cách lớp giữa trong trạng thái trương nở khoảng từ 5 ÷ 12 Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở

Hình 2: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT

Trong tự nhiên khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của các cation hóa trị II (như Mg2+

, Fe2+…) với Al3+

và Al3+ với Si4+ hoặc do khuyết tật trong mạng nên chúng tích điện âm Để trung hòa điện tích của mạng, MMT tiếp nhận các cation từ ngoài Chỉ một phần rất nhỏ các cation này (Na+, K+, Li+…) định vị ở mặt ngoài của mạng còn phần lớn nằm trong vùng không gian giữa các lớp Trong khoáng MMT các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch với dung lượng trao đổi cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong mạng Lực liên kết giữa các cation thay đổi nằm giữa các lớp cấu trúc mạng Các cation này (Na+

, K+,

Li+…) có thể chuyển động tự do giữa mặt phẳng tích điện âm và bằng phản ứng trao đổi ion ta có thể biến tính MMT Lượng trao đổi ion của MMT dao động trong khoảng 70 ÷ 150 mgdl/100g Quá trình xâm nhập cation vào không gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách cơ sở từ 9,6 Å lên vài chục Å

tùy thuộc vào loại cation thay thế

2.2.2 Ứng dụng