Biến tính khoáng bentonit để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó

Lời cảm ơn Luận văn này đợc hoàn thành tại phòng thí nghiệm chuyên đề Hoá vô cơ - Khoa Hoá - Trờng Đại học vinh. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tới: - TS. Nguyễn Hoa Du ngời đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hớng dẫn giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. - ThS Phan Thị Hồng Tuyết, ThS Phan Văn Hoà đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu trong luận văn này. - Các cán bộ nhà máy Xi măng Hoàng Mai đã động viên, hỗ trợ cả tinh thần và vật chất. Nhân dịp này tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, ngời thân, các thầy giáo cô giáo khoa Hoá Học Trờng Đại Học Vinh và các bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Vinh, ngày tháng 05 năm 2006 Sinh viên Lê Thế Tâm 1 Mục lục Trang Mở đầu 4 Phần I: Tổng quan 6 1.1. Giới thiệu về khoáng vật sét 6 1.2. Cấu trúc phân loại đất sét 7 1.2.1. Cấu trúc 7 1.2.2. Phân loại 9 1.3. Sự thay thế và tích điện trong mạng lới của sét 12 1.3.1. Sự thay thế ion 12 1.3.2. Sự tích điện trong mạng lới của sét 12 1.4. Một số tính chất của khoáng sét 13 1.4.1 Tính trơng nở 13 1.4.2 Tính trao đổi ion 14 1.4.3 Tính hấp phụ 15 1.5 Qúa trình hình thành tâm axit 15 1.6 Đất sét hoạt hoá axit 16 1.6.1 Các phơng pháp hoạt hoá 16 1.6.1.1 Phơng pháp hoạt hoá nhiệt 17 1.6.1.2 Phơng pháp hoạt hoá hoá học 17 1.6.2 Biến đổi thành phần 18 1.6.3 Độ axit và hoạt tính xúc tác của sét đợc hoạt hoá axit 18 1.6.3.1 Độ axit 18 1.6.3.2 Hoạt tính xúc tác của sét đợc hoạt hoá axit 19 2. Chuyển hoá khoáng vật thành chất hấp phụ 19 2.1 Một số chất hấp phụ rắn 19 2.2 Hai phơng pháp tạo chất hấp phụ rắn 21 2.3 Kỹ thuật hấp phụ trên bề mặt rắn 21 Phần II: Thực nghiệm 23 1. Hoá chất và dụng cụ thí nghiệm 23 1.1 Dụng cụ - thiết bị 23 1.2 Hoá chất 23 2. Chuẩn bị các dung dịch thí nghiệm 23 2.1 Dung dịch Fe 3+ 23 2.2 Dung dịch EDTA 24 2.3 Dung dịch đệm 24 2.4 Dung dịch axit H 2 SO 4 24 3. Kỹ thuật thực nghiệm 25 3.1 Chuyển hoá khoáng Bentonit thành chất hấp phụ 25 3.2 Xác định các điều kiện của quá trình chuyển hoá khoáng Bentonit thành chất hấp phụ 26 3.2.1 Nồng độ axit 26 2 3.2.2 Tỉ lệ m rắn /m lỏng 26 3.2.3 Thời gian hoạt hoá 27 Phần III: Kết quả và thảo luận 28 1.1 ảnh hởng của nồng độ axit H 2 SO 4 đến quá trình hoạt hoá các mẫu Bentonit và hấp phụ Fe 3+ 29 1.2 ảnh hởng của tỉ lệ m rắn /m lỏng đến quá trình hoạt hoá các mẫu Bentonit và hấp phụ Fe 3+ 30 1.3 ảnh hởng của thời gian đến quá trình hoạt hoá các mẫu Bentonit và hấp phụ Fe 3+ 32 1.4 Dung lợng hấp phụ ion kim loại Fe 3+ của Bentonit tự nhiên và Bentonit đã hoạt hoá 35 Phần IV: Kết luận 38 Phần V: Tài liệu tham khảo 39 3 Mở Đầu Nh chúng ta đã biết, nớc sạch là nhu cầu không thể thiếu đợc đối với đời sống của con ngời. Do sản xuất phát triển nên nhiều nguồn nớc đã bị ô nhiễm nặng. Vì vậy nhiệm vụ cấp bách đặt ra là phải nghiên cứu, tìm các biện pháp có hiệu quả để làm sạch nớc và xử lí nớc thải. Đã có nhiều công trình xử lí, làm sạch nớc cho môi trờng sinh hoạt[3,4], nhng sử dụng khả năng hấp phụ của một số khoáng tự nhiên vào công việc này, thì cho đến nay còn ít đợc quan tâm, mặc dù phơng pháp hấp phụ để làm sạch nớc là một ph- ơng pháp phổ biến và có hiệu quả cao. Các chất hấp phụ thờng là than hoạt tính, silicagel. Tuy nhiên giá thành sản phẩm của các chất hấp phụ này rất cao vì quá trình sản xuất chúng đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Gần đây, thế giới đã bắt đầu chú ý đến việc nghiên cứu sử dụng các khoáng tự nhiên để xử lý nớc thải[4]. Các khoáng tự nhiên, nếu đợc xử lí thích hợp thì có thể tạo ra các loại chất hấp phụ để làm sạch nớc rất có hiệu quả. ở Việt Nam có nguồn khoáng bentonit, caolanh rất lớn, nên việc nghiên cứu chuyển hoá chúng thành các chất hấp phụ để làm sạch nớc và xử lí nớc thải là vấn đề có ý nghĩa lớn về mặt khoa học và kinh tế. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: " Biến tính khoáng Bentonit để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó " làm nội dung nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp đại học. Nội dung của đề tài gồm các phần sau: 1. Nghiên cứu các điều kiện xử lý khoáng Bentonit + Tìm các điều kiện tối u : nồng độ axit dùng để hoạt hoá, nhiệt độ, thời gian xử lí và tỉ lệ khối lợng axit và khối lợng khoáng để chất hấp phụ tốt nhất. 2. Đánh giá khả năng hấp phụ của Bentonit đã xử lý so với Bentonit tự nhiên. 4 Kiểm tra, đánh giá quy trình, phơng pháp và các điều kiện phân tích cùng các kết quả thực nghiệm thu đợc từ đó rút ra kết luận về khả năng hấp phụ của khoáng vật đã biến tính vào việc xử lí kim loại nặng. Chúng tôi hi vọng rằng luận văn này góp một phần nhỏ vào việc sử dụng các khoáng tự nhiên làm vật liệu hấp phụ. 5 Phần I Tổng quan lý thuyết Giới thiệu về khoáng vật sét 1.1. Giới thiệu về khoáng vật sét. Khoáng vật sét là một nhóm có chứa các khoáng vật sau: Kaolinit(Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O). Montmorillonit hay còn gọi là Bentonit (Al 2 O 3 .4SiO 2 .nH 2 O), chúng chiếm trên 70% hỗn hợp sét. Ngoài ra trong thành phần của khoáng sét còn có các loại tạp khoáng nh Gơtit(Fe(OH) 3 ), thạch anh, trùng thạch và một số hợp chất hữu cơ do vi sinh vật phân hủy. Tất cả các loại khoáng sét đều có chứa nguyên tố silic, nhôm là nguyên tố thứ hai sau silic[5], đồng thời còn có các nguyên tố Fe, Mg và một l ợng nhỏ Na,Ca . Đất sét chứa chủ yếu khoáng sét và có những đặc điểm đặc biệt: cây thờng không trồng đợc trên đất sét nhng trong công nghiệp gốm sứ ngời ta lại dùng đất sét chứ không phải đất thờng. Về ứng dụng của đất sét, chúng có vai trò quan trọng trong nhiều lãnh vực nh: sản suất đồ gốm, ximăng, chế biến dầu mỏ, công nghiệp thực phẩm, xử lý nớc, chất xúc tác trong phản ứng hữu cơ Kaolinit Gồm chủ yếu Kaolinit và đợc tạo nên do quá trình phong hoá của phenspat orthoclazo: 2K[AlSi 3 O 8 ] + 2H 2 O + CO 2 = Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O + 4SiO 2 + K 2 CO 3 Đất sét thờng có màu từ xám xanh ( gây nên bởi các hợp chất hữu cơ ) đến nâu (gây nên bởi oxit sắt). Có loại đất sét có màu trắng. Một số loại đất sét khác có màu đậm gây nên bởi các oxit của sắt và mangan, đợc dùng để làm chất màu vô cơ, ví dụ nh son chẳng hạn. 6 Cao lanh tinh khiết có màu trắng, sờ thấy mịn. Đất sét dùng để làm đồ gốm khác với cao lanh ở chỗ dẻo và chứa nhiều tạp chất hơn, khi nhào trộn với nớc, đất sét tạo thành khối nhão dễ tạo hình và hình đợc giữ nguyên sau khi sấy khô. Loại đất sét có nhiệt độ nóng chảy trên 1650 0 C gọi là đất sét chịu lửa. Nớc ta có mỏ caolanh ở Bích Nhôi và Tử Lạc( Hải Dơng), mỏ đất sét chịu lửa ở Trúc Thôn(Hải Dơng), Thị Cầu, Thợng Cát( Hà Bắc) và Tuyên Quang. Diatomit Diatomit ( DA) là loại khoáng chứa SiO 2 , vô dịnh hình ở trạng thái phân tán cao, nó là hoá thạch của các thực vật, tảo. Thành phần chính của DA là SiO 2 , ngoài ra là các tạp chất oxit khác nh Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , MgO, Na 2 O Khảo sát khoáng DA ở Việt Nam cho thấy, hàm lợng SiO 2 trong khoảng 60 65%, Al 2 O 3 khoảng 15 18% và Fe 2 O 3 khoảng 2 6%. Bằng nhiễu xạ Rơnghen cho thấy, khoáng có cấu trúc vô định hình. 1.2. Cấu trúc, phân loại đất sét. 1.2.1. Cấu trúc. Các loại khoáng sét đều đợc cấu tạo từ những khối tứ diện SiO 4 (hình 1.1a) và khối bát diện MeO 6 với Me là các nguyên tố Al, Mg, Fe(hình 1.1b). Hình 1.1. (a) Đơn vị cấu trúc tứ diện (b) Đơn vị cấu trúc bát diện Các khối tứ diện liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tố oxi theo không gian hai chiều của hai nguyên tố oxi góp chung nằm trên mặt phảng 7 và còn đợc gọi là oxi đáy. Các oxy đáy liên kết và sắp xếp với nhau tạo nên một lỗ sáu cạnh, ở mỗi đỉnh của sáu cạnh này là một nguyên tử oxi và đợc gọi là oxi ở đỉnh. Hình 1.2. Mạng tứ diện Hình 1.3. Sự sắp xếp lỗ sáu cạnh của oxi đáy trong mạng tứ diện. Giống nh mạng tứ diện, mạng bát diện đợc tạo thành từ các bát diện qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều. Hình 1.4. (a) Đơn vị cấu trúc tứ diện; (b) Đơn vị cấu trúc bát diện trong không gian của lớp Aluminat và silicat. 8 1.2.2. Phân loại. Mạng tứ diện và mạng bát diện liên kết nhau qua oxi ở đỉnh theo những quy luật trật tự nhất định tạo ra những cấu trúc tinh thể khác nhau nh cấu trúc 1:1; 2:1; 2:1+1. Trong cùng một nhóm, khoáng sét có thể chia thành nhóm diocta và triocta. Phân nhóm diocta, trong mạng bát diện cứ 3 vị trí tâm bát diện thì có 2 vị trí chiếm bởi ion hóa trị 3 (Al 3+ ), còn 1 vị trí bỏ trống. Phân nhóm triocta, trong mạng tinh thể thì mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi ion hóa trị 2 (Mg 2+ ). Hình 1.5. Liên kết tứ diện và bát diện qua anion oxi. * Nhóm khoáng sét 1:1. Có cấu trúc cơ bản gồm một mạng lới tứ diện liên kết với một mạng l- ới bát diện. 9 §¹i diÖn cho nhãm nµy lµ nhãm kaolinit, halloyit. Kaolinit cã c«ng thøc lý tëng lµ {Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 }. [9] H×nh 1.6. (a) CÊu tróc 1:1 triocta (b) CÊu tróc 1:1 diocta H×nh 1.7. CÊu tróc kh«ng gian cña kaolinit. 10