Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên Bentonit Bình Thuận

hoa ly

1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam ñoan Lời cảm ơn Mục lục . 3 MỞ ðẦU . 3 PHẦN NỘI DUNG 5 Chương I: TỔNG QUAN VỀ BENTONIT I.1 Thành phần khoáng và thành phần hóa học của Bentonit 5 I.2 Cấu trúc của montmorilonit . 6 I.3 Khả năng biến tính của Bentonit . 11 I.3.1 Biến tính giữ nguyên lớp nhôm silicat . 11 I.3.2 Biến tính làm biến ñổi cấu trúc lớp của nhôm silicat 12 I.3.3 Tính chất cấu trúc hấp phụ . 13 I.4 Khả năng hấp phụ và tách loại Mn 2+ trong dung môi nước bằng Bentonit 14 I.4.1 Cơ chế hấp phụ . 14 I.4.2 Nhiệt ñộng học của quá trình hấp phụ 14 I.4.3 Khả năng hấp phụ- ðối tượng hấp phụ 15 I.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng ñến khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng 15 a. Ảnh hưởng của pH . 15 b. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ 16 c. Ảnh hưởng của thời gian . 16 d. Ảnh hưởng của kích thước hạt, ñiều kiện khuấy trộn . 16 e.Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ :( m/V ) 16 I.5 Những ứng dụng chủ yếu của Bentonit . 17 I.5.1 Bentonit dùng làm chất hấp phụ . 17 I.5.2 Bentonit dùng ñể chế tạo các dung dịch khoan . 18 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 2 I.5.3 Bentonit dùng làm chất ñộn, chất màu . 18 I.5.4 Bentonit dùng trong công nghiệp rượu, bia 18 I.5.5 Bentonit dùng trong công nghiệp tinh chế nước . 18 I.5.6 Bentonit ñược dùng vào một số ứng dụng khác 19 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM II.1 Dụng cụ- hóa chất . 20 II.2 Thành phần hóa học của mẫu quặng sử dụng ñể nghiên cứu . 20 II.3 Phương pháp nghiên cứu 21 II.3.1 Phương pháp trắc quang phân tích Magan 21 II.3.2 Phương pháp xác ñịnh hấp dung của Mangan trong dung dịch . 22 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN III.1. Xác ñịnh nồng ñộ Mn 2+ trong dung dịch 25 III.2. Xác ñịnh thời gian ñạt cân bằng hấp phụ 26 III.3. Ảnh hưởng của khối lượng Bentonit dùng ñể hấp phụ 28 III.4. Ảnh hưởng của nồng ñộ chất bị hấp phụ 29 III.5. Ảnh hưởng của pH 31 III.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ m/V . 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 PHỤ LỤC . P1 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 3 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lý do chọn ñề tài Bentonit là một loại khoáng sét, tồn tại trong tự nhiên, có cấu trúc lớp, có diện tích bề mặt lớn nên có khả năng hấp phụ từ môi trường nhiều chất vô cơ và hữu cơ. ðặc biệt là các chất có ñộc tính ñối với con người, ñộng vật, thực vật. Ví dụ: các kim loại nặng (Pb, Hg, As…), các chất phóng xạ, các chất hữu cơ (phênol, dẫn xuất halogen…) Theo [1] xét về mặt dinh dưỡng mangan là nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày từ 30-50 g µ /kg trọng lượng cơ thể. Nhưng nếu hàm lượng lớn lại gây ñộc hại cho con người. Mangan gây ñộc mạnh với nguyên sinh chất của tế bào, ñặc biệt là tác ñộng lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ ñộc nặng gây tử vong. Mangan ñi vào môi trường nước do quá trình rửa trôi, xói mòn và do các chất thải công nghiệp luyện kim, acquy, phân hóa học… Theo [3] tiêu chuẩn WHO quy ñịnh trong nước uống hàm lượng mangan không quá 0,1 mg/l. ðể xác ñịnh hàm lượng mangan có thể sử dụng các phương pháp phân tích hóa học. ðể tách các ion kim loại nặng khỏi môi trường nước người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau: kết tủa, oxi hoá- khử, ñiện hoá, hấp phụ, chiết, trao ñổi ion, hấp phụ bằng vi sinh vật…Trong ñó hấp phụ các kim loại nặng bằng các chất hấp phụ khác nhau như: than hoạt tính, các khoáng sét có nguồn gốc tự nhiên…ñược sử dụng khá phổ biến. Bentonit là loại vật liệu có khả năng hấp phụ tốt các tác nhân ñộc hại trên nên ñược sử dụng phổ biến làm chất hấp phụ làm sạch nước. Ngoài ra, bentonit còn ñược sử dụng ñể tẩy màu, chế dung dịch khoan, trong công nghiệp giấy… Nước ta có trữ lượng bentonit tương ñối lớn, ở một số mỏ như Di Linh-Lâm ðồng, Thuận Hải - Bình Thuận… Do ñó, việc nghiên cứu khả năng sử dụng nguồn tài nguyên này ñể phục vụ cho nền kinh tế quốc dân là rất quan trọng. Mặc khác, hiện nay nguy cơ nhiễm mangan là rất lớn. Do ñó, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ của bentonit ñối với mangan là một ñiều ñược nhiều nhà làm khoa học quan PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 4 tâm. ðặc biệt trong những năm gần ñây, việc nghiên cứu các vật liệu hấp phụ tự nhiên (chẳng hạn bentonit) ñể loại bỏ các kim loại nặng là một nghiên cứu mới. Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp phụ của bentonit là một ñiều cần thiết. Vì vậy, tôi chọn ñề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên Bentonit Bình Thuận”. 2 Mục ñích nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trên bentonit Bình Thuận. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng ñến khả năng hấp phụ: nồng ñộ bentonit, nồng ñộ Mn 2+ trong dung dịch nước, pH của dung dịch hấp phụ, thời gian hấp phụ, tỷ lệ thể tích của dung dịch hấp phụ và khối lượng bentonit dùng ñể hấp phụ. 3 ðối tượng nghiên cứu Khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ. 4 Giả thuyết khoa học Nếu ñề tài nghiên cứu thành công, kết quả nghiên cứu sẽ có thể ứng dụng vào trong thực tiễn ñể loại bỏ mangan trong nước sinh hoạt. 5 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên bentonit Bình Thuận. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ của mangan trong dung dịch nước trên bentonit. 6 Phạm vi nghiên cứu Do giới hạn về thời gian nên tôi chỉ nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trên bentonit Bình Thuận và ảnh hưởng của pH, nồng ñộ, dung môi, thời gian ñến quá trình hấp phụ. 7 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu. - Phương pháp thực nghiệm. - Phương pháp thống kê số liệu. - Phương pháp phổ UV-VIS. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 5 PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BENTONIT I.1 THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA BENTONIT Theo [9] bentonit là nguồn loại khoáng sét tự nhiên, có thành phần chính là montmorilonit. Vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là montmorilonit. Công thức ñơn giản nhất của montmorilonit Al 2 O 3 .4SiO 2 .nH 2 O ứng với nửa tế bào ñơn vị cấu trúc. Công thức lý tưởng của montmorilonit là Si 8 Al 4 O 20 (OH) 4 cho một ñơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần của montmorilonit luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế ñồng hình của các ion kim loại như Al 3+ , Fe 2+ , Mn 2+ … vào vị trí Si 4+ trong tứ diện SiO 4 và của Al 3+ trong bát diện AlO 6 . Như vậy, thành phần hóa học montmorilonit với sự có mặt Si, Al và O, còn có các nguyên tố khác như: Fe, Zn, Mg, Na, K…ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng khác như:Ti, Tl,… trong ñó có tỷ lệ Al 2 O 3 : SiO 2 từ 1:2 ñến 1:4. Ngoài thành phần chính là montmorilonit, trong bentonit thường còn chứa một số khoáng sét khác như hectorit, saponit, zeolite, mica, kaoline, beidilite, nontronite… và một số khoáng phi sét: canxi, pirit, manhetit, các muối kiềm và một số chất hữu cơ khác. Mẫu quặng bentonit nguyên khai ñược chỉ ra trong hình 1.1, mẫu quặng bentonit ñã qua tinh chế ñược chỉ ra trong hình 1.2. Màu sắc của khoáng vật cũng khác nhau phụ thuộc vào thành phần nguyên tố của nó trong khoáng vật sét sử dụng. (a) (b) Hình 1.1. Mẫu quặng bentonit nguyên khai PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 6 Hình 1.2. Mẫu quặng bentonit ñã qua tinh chế I.2 CẤU TRÚC CỦA MONTMORILONIT I.2.1 Dạng không gian của montmorilonit Theo [10 ] công thức phân tử chung của montmorilonit ñược biết thông thường là 2 4-y x 4 10 2 (M .nH O)(Al Mg )Si O (OH) x + , trong ñó M + = Na + , K + , Mg 2+ , hay Ca 2+ , trong ñiều kiện lý tưởng, x = 0,33 Trong công thức của montmorilonit, các nguyên tử Si nằm ở tâm mạng tứ diện, còn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện (trong trường hợp mạng nhôm silicat là trung hòa ñiện). Công thức khai triển của montmorilonit ñược trình bày như hình 1.3 (a) (b) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 7 (c) Hình 1.3.Công thức khai triển không gian của montmorilonit lý tưởng I.2.2 Cấu trúc tinh thể của montmorilonit Các loại khoáng sét ñều ñược cấu tạo từ những tấm tứ diện SiO 4 ( hình 1.4a) và những tấm bát diện MeO 6 , với Me là các nguyên tố Al, Mg, Fe… ( hình 1.4 b) Hình 1.4 (a) ñơn vị cấu trúc tứ diện (b) ñơn vị cấu trúc bát diện Các tấm tứ diện ñược liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều của hai nguyên tử oxi góp chung nằm trên mặt phẳng và còn ñược gọi là oxi ñáy. Các oxi ñáy liên kết và sắp xếp với nhau tạo thành một “lỗ” sáu cạnh, ở mỗi ñỉnh của sáu cạnh là nguyên tử oxi và ñược gọi là oxi ñỉnh. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 8 Hình 1.5. Mạng tứ diện Hình 1.6. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi ñáy trong mạng tứ diện Giống như mạng tứ diện, mạng bát diện ñược tạo thành từ các bát diện qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều. Hình 1.7. (a) ñơn vị cấu trúc tứ diện (b) ñơn vị cấu trúc bát diện Cấu trúc tinh thể của montmorilonit ñược chỉ ra trong hình 1.8, mạng tinh thể của montmorilonit gồm có lớp hai chiều trong ñó lớp Al 2 O 3 (hoặc MgO) bát diện nằm ở trung tâm giữa hai lớp SiO 2 tứ diện nằm ở ñầu nguyên tử oxi vì thế nguyên tử oxi ở lớp bát diện cũng thuộc lớp tứ diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên tử oxi ñịnh vị ở 4 gốc của tứ diện. Nguyên tử Al hoặc Mg trong lớp bát diện thì phối trí với 6 nguyên tử oxi hoặc nhóm hydroxyl (OH) ñịnh vị ở 6 góc PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 9 của bát diện ñều. Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một ñơn vị cơ sở của nanoclay. Bề dày của tiểu cầu có kích thước khoảng 1nm và chiều dài của tiểu cầu thay ñổi từ hàng trăm ñến hàng ngàn nm. Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thường gọi là khoảng cách “van de Van”, là khoảng không gian giữa hai lớp sét. Sự hình thành nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế ñồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong lớp tứ diện ñược thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị 3 trong lớp bát diện thì ñược thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị 2 như Fe và Mg. Sự thiếu hụt ñiện tích dương trong ñơn vị cơ sở, dẫn ñến bề mặt của các tiểu cầu sét mang ñiện tích âm. ðiện tích âm này ñược cân bằng bởi các ion kim loại kiềm và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Na + và Ca 2+ ) chiếm giữ khoảng cách không gian giữa các lớp này. Như vậy, khả năng trao ñổi cation của montmorilonit là tương ñương với ñiện tích của các lớp. Những ion nằm giữa các lớp này có thể thay thế bằng cation hữu cơ. Khi thay thế ion vô cơ giữa các lớp sét bằng các ion hữu cơ làm cho sét thích hợp với polymer hữu cơ. Sự thay thế ñồng hình bên trong mạng tinh thể bằng các nguyên tố khác nhau hoặc thay ñổi ở các vị trí khác nhau ñưa ñến có nhiều loại khoáng chất ñất sét montmorilonit, notronite, saponite, hectorite… Trong hình 1.3 cho thấy sự thay thế ñồng hình của một số ion Al, Fe, Mg…trong tứ diện và bát diện, cũng như khoảng cách của lớp sét. Khoảng cách của một lớp montmorilonit ñược chỉ ra trong hình 1.3 là khoảng 9,5A 0 ( Grim, 1953), còn khoảng cách của sét khô (làm khô ở 70 0 C) là 12,6 A 0 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 10 Hình 1.8: Cấu trúc của montmorilonit cho thấy hai lớp tứ diện trộn lẫn với một lớp bát diện. Những chấm ñen chỉ ra vị trí của sự thay thế ñồng hình trong bát diện và tứ diện. (Grim, 1953). I.3 KHẢ NĂNG BIẾN TÍNH CỦA BENTONIT I.3.1 Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhôm silicat ðặc trưng cơ bản của bentonit là tính chất trao ñổi, tính chất ñó có ñược là do: - Sự thay thế ñồng hình Si 4+ bằng Al 3+ trong mạng tứ diện và Al 3+ bằng Mg 2+ trong mạng lưới bát diện làm xuất hiện ñiện tích âm trong mạng lưới cấu trúc. Khả năng trao ñổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng ñiện tích âm trên bề mặt và số lượng ion trao ñổi. Nếu số lượng ñiện tích âm trên bề mặt càng lớn, số lượng cation trao ñổi càng lớn thì dung lượng trao ñổi ion càng lớn. - Khả năng trao ñổi của lớp nhôm silicat còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính cation. Cation hóa trị thấp dễ trao ñổi hơn cation hóa trị cao theo dãy sau: Me + > Me 2+ > Me 3+ ðối với các cation cùng ñiện tích, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao ñổi càng lớn có thể sắp xếp theo trật tự sau: 0,96nm Khoảng cách - d PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com . năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên bentonit Bình Thuận. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ của mangan trong dung dịch nước. trên Bentonit Bình Thuận . 2 Mục ñích nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trên bentonit Bình Thuận. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng ñến khả năng