Nghiên cứu khả năng tổng hợp khoáng vật zeolit từ khoáng sản puzolan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *** Lường Thị Thúy NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỔNG HỢP KHOÁNG VẬT ZEOLIT TỪ KHOÁNG SẢN PUZOLAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *** Lường Thị Thúy NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỔNG HỢP KHOÁNG VẬT ZEOLIT TỪ KHỐNG SẢN PUZOLAN Chun ngành: Khoa học Mơi Trường Mã Số: 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Ngọc Minh Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Luận văn tơi hồn thành Bộ mơn Thổ nhưỡng Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh giao đề tài tận tình giúp đỡ tơi q trình học tập thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Phạm Văn Quang tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Tơi tỏ lịng biết ơn đến tập thể thầy cô giáo, cán nhân viên Bộ môn Thổ nhưỡng Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nhiệt tình giúp đỡ mặt tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt đề tài Cuối muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, tập thể lớp K21 Cao học Khoa học Môi trường bạn bè quan tâm, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 03 năm 2016 Học viên Lường Thị Thúy DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SBU: Đơn vị cấu trúc thứ cấp (Secondary Building Unit) SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) XRD: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) KLN: Kim loại nặng MKN: Hàm lượng nung Cd: Cadimi Zeolit 1N, 2N, 3N, 4N, 5N: Zeolit tổng hợp với nồng độ kiềm NaOH 1N, 2N, 3N, 4N, 5N MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU .2 1.1 Tổng quan zeolit 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển zeolit 1.1.2 Giới thiệu zeolit 1.2 Ứng dụng zeolit 17 1.2.1 Ứng dụng làm vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường 18 1.2.2 Ứng dụng công nghiệp 18 1.2.3 Ứng dụng lĩnh vực khác: 20 1.3 Một số phương pháp tổng hợp zeolit 21 1.3.1 Tổng hợp zeolít từ nguồn Si Al riêng lẻ 21 1.3.2 Tổng hợp zeolit từ khoáng sét tự nhiên 23 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp zeolit 25 1.4 Khả sử dụng puzolan tổng hợp zeolit .27 1.4.1 Khái niệm phân loại puzplan 27 1.4.2 Phân bố, đặc điểm khả sử dụng puzolan làm nguyên liệu tổng hợp zeolit 28 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Đối tượng nghiên cứu 32 2.2 Nội dung nghiên cứu 32 2.3 Phương pháp nghiên cứu 32 2.3.1 Xác định số tính chất puzolan 32 2.3.2 Xử lý puzolan tạo nguyên liệu điều chế zeolit 33 2.3.3 Phương pháp tổng hợp zeolit từ puzolan 34 2.3.4 Xác định số đặc tính zeolit tổng hợp 35 2.3.5 Xác định khả hấp phụ kim loại nặng zeolit tổng hợp 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Thành phần đặc tính lý hóa học puzolan 38 3.1.1 Thành phần hóa học 38 3.1.2 Đặc điểm cấu trúc 39 3.1.3 Ảnh hưởng điều kiện nhiệt hóa học q trình xử lý puzolan 40 3.2 Đặc tính lý hóa học zeolit tổng hợp 41 3.2.1 Hình thái cấu trúc 41 3.2.2 Các nhóm chức bề mặt 43 3.2.3 Điện tích bề mặt 44 3.3 Tiềm sử dụng zeolit tổng hợp để xử lý ô nhiễm kim loại nặng nước 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC .55 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Dữ liệu cấu trúc số zeolit thông dụng Bảng Kích thước mao quản, đường kính động học khả hấp phụ chất tốt số zeolit thông dụng 16 Bảng Đặc điểm số mẫu puzolan 30 Bảng Kết thí nghiệm đánh giá khả hấp phụ Cd2+ zeolit 47 Bảng Các hệ số hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu với Cd2+ 49 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể zeolit: Khoáng zeolit mordenite & zeolit L .3 Hình 1.2 Đơn vị cấu trúc zeolit: Tứ diện SiO4, AlO4- Hình 1.3 Các đơn vị có cấu trúc thứ cấp (SBU) zeolit Hình 1.4 Cấu trúc đơn vị sở zeolit .6 Hình 1.5 Hình thái số zeolit: (a) clinoptilolit, (b) mordenit, Hình 1.6 Cấu trúc zeolit tạo nên từ nhóm tứ diện liên kết 10 Hình 1.7 Mơ tả hình thành tâm axit Bronsted 11 Hình 1.8 Sự hình thành tâm axit Lewis .12 Hình 1.9 Các vị trí axit bề mặt zeolit 13 Hình 1.10 Mô tả khả chọn lọc chất phản ứng zeolit 13 Hình 1.11 Mơ tả khả chọn lọc sản phẩm tạo thành 13 Hình 1.12 Quá trình hình thành zeolit từ nguồn Si Al riêng biệt 22 Hình 1.13 Sơ đồ tổng quát trình tổng hợp zeolit 23 Hình 1.14 Bản đồ phân bố mỏ puzolan Việt Nam 29 Hình 3.1 Thành phần hóa học puzolan .38 Hình 3.2 Nhiễu xạ đồ tia X vật liệu puzolan .39 Hình 3.3 Ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ (a), thời gian (b), tỷ lệ F-/Si (c) đến hiệu suất hòa tan nước puzolan 40 Hình 3.4 Ảnh chụp SEM mẫu zeolit tổng hợp 42 Hình 3.5 Nhiễu xạ đồ tia X zeolit (5N) tổng hợp .42 Hình 3.6 Đặc điểm cấu tạo bề mặt mẫu puzolan zeolit thành phẩm 43 Hình 3.7 Điện tích bề mặt mẫu zeolit thành phẩm từ điệu kiện điều chế khác (nồng độ NaOH từ – 5N) 45 Hình 3.8 So sánh điện tích bề mặt zeolit thành phẩm với số khống sét có khả hấp phụ cao .45 Hình 3.9 Ảnh hưởng pH đến biến thiên điện động zeolit 5N 46 Hình 3.10 Tương quan nồng độ Cd2+ khả hấp phụ vật liệu 48 Hình 3.11 Phương trình hấp phụ Freundlich 48 Hình 3.12 Phương trình hấp phụ Langmuir 49 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, vật liệu siêu lọc ngày đóng vai trị quan trọng xúc tác cơng nghiệp, đặc biệt zeolit Nó ngày thay vị trí loại xúc tác trước đây, thu hút ý nhiều nhà khoa học giới Zeolit tự nhiên phát từ năm 1756 nhà khoáng vật học người Thụy Điển - Cronstedt tiến hành nghiên cứu gia công nhiệt khống sét Zeolit khống silicat nhơm (aluminosilicat), tìm thấy tự nhiên (khoảng 40 loại zeolit khác nhau) số tổng hợp từ nhiều nguyên liệu khác từ Si, Al riêng lẻ, cao lanh (200 loại zeolit tổng hợp) chúng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghiệp với vai trị chất xúc tác, chất hấp phụ trao đổi ion… Tuy nhiên, zeolit có tự nhiên tương đối nên việc nghiên cứu tổng hợp zeolit nhân tạo hứa hẹn nhiều triển vọng Zeolit tổng hợp đường hóa học, hay tổng hợp từ nguồn nguyên liệu giàu silic Đã có số tài liệu nghiên cứu cho thấy tro núi lửa có khả tổng hợp thành zeolit Đặc biệt Việt Nam có nguồn khoáng sản phong phú puzolan phân bố số tỉnh phía Bắc khu vực Tây Nguyên Nghiên cứu tổng hợp zeolit từ vật liệu sẵn có (puzolan) coi hướng công nghiệp chế tạo loại vật liệu siêu lọc, siêu hấp phụ - zeolit Bởi puzolan loại nguyên liệu tương đối dễ kiếm rẻ tiền Puzolan lại có hàm lượng SiO2 cao thuận lợi cho việc tổng hợp zeolit Do vậy, xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài “Nghiên cứu khả tổng hợp khoáng vật zeolit từ khoáng sản puzolan” tiến hành nhằm thực số mục tiêu đề ra: - Tạo khoáng vật zeolit dựa trình tổng hợp nhân tạo theo đường nhiệt dịch từ nguồn nguyên liệu khoáng vật puzolan Sơn Tây - Cung cấp sở liệu yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp zeolit số đặc tính sản phẩm zeolit ... việc tổng hợp zeolit Do vậy, xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài ? ?Nghiên cứu khả tổng hợp khoáng vật zeolit từ khoáng sản puzolan? ?? tiến hành nhằm thực số mục tiêu đề ra: - Tạo khống vật zeolit. .. nghiên cứu cho thấy tro núi lửa có khả tổng hợp thành zeolit Đặc biệt Việt Nam có nguồn khống sản phong phú puzolan phân bố số tỉnh phía Bắc khu vực Tây Nguyên Nghiên cứu tổng hợp zeolit từ vật. .. phương pháp tổng hợp zeolit 21 1.3.1 Tổng hợp zeolít từ nguồn Si Al riêng lẻ 21 1.3.2 Tổng hợp zeolit từ khoáng sét tự nhiên 23 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp zeolit