Xử lí bentonit bằng axit HCL để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh Khoa hoá học --------o0o-------- xử lí bentonit bằng axit HCl để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó. Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Hoá vô cơ Ngời hớng dẫn: Ts. Nguyễn hoa Du Ngời thực hiện: nguyễn Lan Anh Vinh, 2006. 1 Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn, giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo hớng dẫn TS. Nguyễn Hoa Du. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Hóa vô cơ, các thầy cô và cán bộ khoa Hóa, các anh chị học viên cao học, phòng thí nghiệm chuyên đề hóa vô cơ, phòng thí nghiệm hóa hữu cơ, phòng thí nghiệm hóa phân tích trờng Đại Học Vinh cùng toàn thể bạn bè gia đình đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản luận văn này. Vinh, ngày 5 tháng 5 năm 2006 Sinh viên Nguyễn Lan Anh 2 Mục lục Mở đầu. 4 Phần 1:Tổng quan. 6 1.1. Giới thiệu về khoáng vật sét. 6 1.2. Cấu trúc và phân loại đất sét. 7 1.2.1. Cấu trúc. 7 1.2.2. Phân loại. 8 1.3. Sự thay thế và sự tích điện trong mạng lới của sét. 11 1.3.1. Sự thay thế ion. 11 1.3.2. Sự tích điện trong mạng lới 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. 14 1.5. Sự hình thành tâm axit trong khoáng sét. 15 1.6. Đất sét đợc hoạt hoá bằng axit. 16 1.6.1. Các phơng pháp hoạt hoá. 16 1.6.1.1. Phơng pháp hoạt hoá nhiệt độ. 16 1.6.1.2. Phơng pháp hoạt hoá hoá học. 17 1.6.2. Biến đổi thành phần và cấu trúc của sét khi hoạt hoá. 17 1.6.2.1. Sự biến đổi về thành phần. 17 1.6.2.2. Sự biến đổi về cấu trúc. 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. 18 Phần 2: Thực nghiệm và thảo luận kết quả. 20 2.1. Hoá chất và dụng cụ. 20 2.1.1. Hoá chất. 20 2.1.2. Dụng cụ. 20 2.2. Chuẩn bị dung dịch. 20 2.3. Thực nghiệm và thảo luận kết quả. 21 2.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu bentonit. 21 2.3.2. Kỹ thuật thực nghiệm. 21 2.3.2.1. Nguyên tắc thí nghiệm. 21 2.3.2.2. Phơng pháp xác định khả năng hấp thụ của bentonit sau khi xử lý. 22 2.3.3. Khảo sát điều kiện xử lý bentonit bằng axit. 23 2.3.3.1. ảnh hởng nồng độ axit 23 2.3.3.2 ảnh hởng tỷ lệ khối lợng rắn / lỏng 25 3 2.3.3.3. ảnh hởng của thời gian hoạt hoá. 26 2.3.4.Tính năng hấp phụ của bentonit sau khi đợc hoạt hoá bằng HCl 28 Kết luận. 33 Tài liệu tham khảo. 34 Mở Đầu Xử lý ion kim loại trong nớc và nớc thải công nghiệp là một vấn đề rất quan trọng, bởi lẽ các chất này tuy chiếm khối lợng không nhiều nhng hậu quả đọc hại của chúng là rất lớn và khó giải quyết. Hiện nay ngời ta đã sử dụng một số phơng pháp để xử lí chúng nh phơng pháp kết tủa hoá học, phơng pháp màng, phơng pháp trao đổi ion. Tuy nhiên những phơng pháp này thờng có giá thành cao, không hiệu quả về kinh tế và phức tạo về kỹ thuật. Trong bối cảnh đó, ph- ơng pháp hấp phụ là một lựa chọn thích hợp. Một số chất hấp phụ nh: than củi, than bùn, than hoạt tính, đã đợc sử dụng cho mục đích này. Trong số các vật liệu dùng để xử lí môi trờng nói chung và kim loại nói riêng thì Bentonit là một vật liệu đợc dùng nhiều. Lợng bentonit đợc sử dụng làm vật liệu hấp phụ, đặc 4 biệt là để xử lí nớc và nớc thải chiếm tỷ lệ rất cao, vì nó có sẵn, rẻ tiền và tính năng hấp phụ tốt. Ngoài ra bentonit còn đợc sử dụng để xử lí nớc có chứa các nguyên tố phóng xạ, đặc biệt là nớc thải sau quá trình lò phản ứng hạt nhân. Chính vì vậy, với mục đích nghiên cứu các khoáng tự nhiên thành các chất hấp phụ để làm sạch nớc, chúng tôi đã chọn đề tài: Xử lý bentonit bằng axit HCl để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó. Đề tài sẻ thực hiện các nhiệm vụ sau: - Khảo sát các điều kiện xử lí bentonit tự nhiên bằng axit HCl. - Xác định khả năng hấp phụ của Bentonit sau khi hoạt hoá và trớc khi hoạt hoá. 5 Phần 1: Tổng quan lý thuyết 1.1. Giới thiệu về khoáng vật sét. Khoáng vật sét là một nhóm 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 thạchvà một số hợp chất hữu cơ do vi sinh vật phân hủy. Bên cạnh đó tất cả các loại khoáng sét đều có chứa nguyên tố silic đồng thời nhôm , ngoài ra còn có các nguyên tố Fe, Mgvà một lợng nhỏ Na, Ca. Về ứng dụng của đất sét, chúng có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nh: sản suất đồ gốm, ximăng, công nghiệp thực phẩm, xử lý nớc, chất xúc tác trong phản ứng hữu cơ, chế biến dầu mỏ Khoáng sét 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 oxid 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. 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 đễ 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 cao lanh ở Bích Nhôi và Tử Lạc ( Hải Dơng), mỏ đất sét chịu lửa ở Trúc Thôn (Hải Dơng), Thợng Cát ( Hà Bắc) và Tuyên Quang. 1.2. Cấu trúc, phân loại đất sét. 6 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 phẳng và còn đợc gọi là oxi đáy. Các oxi 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 7 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. 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. 8 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 lới bát diện. Đại diện cho nhóm này là nhóm kaolinit, halloyit. Kaolinit có công thức lý tởng là {Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 }. Hình 1.6. (a) Cấu trúc 1:1 triocta (b) Cấu trúc 1:1 diocta 9 Hình 1.7. Cấu trúc không gian của kaolinit. Nhóm khoáng sét 2:1. Một lớp cấu trúc gồm một mạng lới bát diện nằm giữa hai mạng lới tứ diện, giữa các lớp là các loại cation trao đổi và nớc hấp phụ. Đại diện cho nhóm này là nhóm Montmorillonit, vermiculit. Montmorillonit có công thức hóa học lý tởng là (Na,Ca) 0.3 (Al,Mg) 2 Si 4 O 10 (OH) 2 .nH 2 O. 10