1.5.1. Bentonite làm chất hấp phụ
Bentonite được dựng rộng rói trong nhiều ngành cụng nghiệp với vai trũ là chất hấp phụ:
Trong cụng nghiệp lọc dầu, lượng bentonite được sử dụng rất lớn, bao gồm bentonite tự nhiờn và bentonite đó hoạt hoỏ. Lượng bentonite tự nhiờn tiờu tốn cho quỏ trỡnh lọc dầu là 25% lượng dầu phải lọc cựng với một lượng bentonite đó hoạt hoỏ bằng 10% khối lượng dầu.
Trong cụng nghiệp tinh chế dầu thực vật để sản xuất dầu ăn, mỡ, bơ, xà phũng, việc sử dụng bentonite làm chất hấp phụ là ưu việt hơn hẳn phương phỏp cũ là phương phỏp rửa kiềm. Lượng bentonite mất đi trong quỏ trỡnh tinh chế chỉ bằng 0,5% lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra phương phỏp dựng bentonite cũn cú mức hao phớ dầu thấp do trỏnh được phản ứng thuỷ phõn.
Trong cụng nghiệp điều chế than cốc phục vụ cho cụng nghiệp luyện kim, bentonite được sử dụng để tinh chế benzen thụ và cỏc bỏn sản phẩm khỏc.
Với tư cỏch là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, bentonite cũn được sử dụng rộng rói để sản xuất nhiờn liệu lỏng tổng hợp, sản xuất cỏc chất màu, sản xuất cỏc vitamin, ...
1.5.2. Bentonite dựng để chế tạo dung dịch khoan
Bentonite cú thể tạo ra cỏc dung dịch khoan với chất lượng cao và chi phớ nguyờn liệu thấp. Vỡ thế cựng với sự phỏt triển của ngành thăm dũ và khai thỏc dầu, lượng bentonite được sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng và ngày nay ở Mỹ nú chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonite của nước này.
1.5.3. Bentonite dựng làm chất độn, chất màu
Trong cụng nghiệp sản xuất cỏc vật liệu tổng hợp. Một lượng của bentonite dựng cho cụng nghiệp xà phũng, cụng nghiệp sản xuất vả sợi. Việc xử dụng bentonite trong vài thập kỷ gần đõy cũng đó làm thay đổi đỏng kể ngành cụng nghiệp giấy. Trước kia giấy thường chứa xấp sĩ 55% xenlulo và hàm lượng kaolin nguyờn chất cú trong giấy khụng thể vượt quỏ 45%. Nếu trộn thờm 10% bentonite Kiềm (cation trao đổi là kim loại kiềm, chủ yếu là Na+) vào kaolin cú thể nõng cao hàm lượng chất độn này lờn 60% với 20% bentonite đến 64% và nếu dựng 100% bentonite thỡ chất độn lờn tới 80%, nghĩa là giảm lượng xenlulo cần cú trong giấy giảm đi ba lần.
1.5.4. Bentonite dựng trong cụng nghiệp rượu, bia
Việc sử dụng bentonite hoạt hoỏ làm chất hấp phụ đó làm giảm 30% đến 40% chi phớ cụng nghiệp chế biến rượu vang và cỏc chế phẩm từ rượu vang. Bentonite cú khả năng hấp phụ khụng chỉ cỏc axớt hữu cơ, cỏc chất bộo, cỏc sản phẩm phụ khụng mong muốn trong quỏ trỡnh lờn men mà cũn cả cỏc ion sắt và đồng là những tỏc nhõn gõy ra bệnh hả rượu. Đặc biệt trong quỏ trỡnh xử lớ với chất hấp phụ là bentonite thỡ hương vị riờng của rượu khụng bị mất đi.
1.5.5. Bentonite dựng trong cụng nghệ tinh chế nước
Ở nhiều vựng chưa cú nhà mỏy nước trờn thế giới việc sử dụng bentonite để làm sạch cỏc nguồn nước mặt, như nước sụng ngũi, kờnh mương và cỏc nguồn giếng khoan cú ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bentonite đồng thời làm kết tủa cỏc vẩn đục, thay cho việc dựng phốn đắt hơn nhiều, mà nú cũn cú khả năng hấp phụ một loạt cỏc ion gõy độc và một lượng lớn cỏc vi khuẩn, chất hữu cơ cú trong nước. Bentonite là một chất trao đổi cú trong tự nhiờn, nú cú khả năng khử tớnh cứng của nước với giỏ thành tương đối rẻ. Khả năng lắng cạn lơ lửng trong nước, đồng thời với tỏc dụng trao đổi ion và hấp phụ chất hữu cơ, trong đú cú cỏc vi khuẩn gõy bệnh tạo ra giỏ trị đặc biệt của bentonite trong cụng nghệ xử lý nước.
1.5.6. Ứng dụng Bentonite trong ngành năng lượng nguyờn tử
Hiện nay cỏc nghiờn cứu về khả năng xử dụng Na – bentonite dạng nộn làm vật liệu lấp cỏc kho chứa chất thải phúng xạ. Những tớnh chất chớnh thớch hợp cho ứng dụng này là độ dẫn thủy lực của sột đó được nộn rất thấp (giữ cho chỡ từ cỏc thải phúng xạ khụng nhiễm vào nước ngầm) và năng xuất trao đổi cation ( để bắt tất cả cỏc nuclit phúng thoỏt ra từ cỏc chất thải phúng xạ).
1.5.7. Trong nanoclays
Tiềm năng giỏ trị gia tăng của montmorillonite (thành phần chớnh của bentonite) là nanoclay. Clays cấu tạo từ những phiến lỏ dày đặc cú kớch thước nanomet và chỳng cú thể biến đổi húa học làm cho clays tương hợp với cỏc nanomers hữu cơ và polyme. Cỏc phiến montmorillonite cú thể phõn tỏn hoàn toàn trong cấu trỳc của polyme. Nanoclay hữu cơ được xử dụng là chất gia cường trong vật liệu nanocompoxit. Chỉ với một lượng nhỏ nanoclay hữu cơ 3 -5 % đó làm tăng đỏng kể tớnh năng của vật liệu nanocompoxit như tăng độ bền kộo, khả năng chịu nhiệt chống chỏy, khả năng che chắn, bảo vệ chống ăn mũn, làm giảm tớnh thấm hay rũ rỉ khớ và khả năng bắt lửa.
1.5.8. Ứng dụng trong xử lý chất thải
Bentonite được xử dụng làm chất kết ngưng dể xỳc tiến quỏ trỡnh đụng quỏnh bựn thải nú là chất lọc cú hiệu quả đối với nước thải cú nhiều chất khụng tan, chất lơ lững và chất trụi nổi, cỏc kim loại nặng và cỏc độc tố khỏc. Bentonite đó được hoạt húa thường được dựng để lọc trong xử lý mụi trường với liều lượng từ 5 – 20 g/lit, hệ số lắng đạt 5m/h.
1.5.9. Một số ứng dụng khỏc của Bentonite
Cũng từ cỏc đặc tớnh của bentonite là tớnh trương nở mạnh, tớnh dẻo người ta cũn sử dụng bentonite trong cỏc cụng trỡnh thuỷ lợi như đờ điều, mương mỏng và những cụng trỡnh phũng thủ bằng đất. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, bentonite được dựng làm tỏc nhõn liờn kết trong sản xuất đạn và làm khuụn đỳc. Đặc biệt bentonite cũn được dựng làm phụ gia trong thức ăn tiờu hoỏ cho động vật, với vai trũ tăng thời gian lưu trữ thức ăn trong cơ quan tiờu hoỏ giỳp tiờu hoỏ thức ăn và giỳp điều tiết axit. Bentonite cũn được sử dụng làm chất chống ẩm bằng cỏch sấy khụ và do đặc tớnh hỳt ẩm trở lại mà cú ứng dụng này (bentonite cú khả năng hấp phụ lượng nước gấp khoảng 10 lần khối lượng của chỳng).
Do những ứng dụng phong phỳ của bentonite mà trờn thế giới người ta cú nhu cầu khai thỏc và sử dụng bentonite rất lớn. Việt Nam cú cỏc mỏ cú trữ lượng lớn như: Tam Bố - Di Linh - Lõm Đồng; Thuận Hải - Bỡnh Thuận; Gia Quỳ - Long Đất - Đồng Nai, Cổ Định – Thanh Húa, ...
Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
2.1. Thực nghiệm
Quặng bentonite được chỳng tụi lấy từ bãi A, Cổ Định-Thanh Hoỏ.
Quặng được phơi khụ, đập, nghiền nhỏ, rồi tiến hành phõn cấp bằng thiết bị phõn cấp hạt.
Quặng được ngõm vào nước theo tỷ lệ R/L là 1/5 sau đú được phõn cấp qua mỏy tuyển thuỷ cyclon và lấy phần khoỏng để nghiờn cứu cũn phần bựn khụng dựng đến. Phần khoỏng được phơi khụ, nghiền dựng để nghiờn cứu.
Thành phần húa học Hàm lượng, % SiO2 47,47 Al2O3 4,92 Fe2O3 22,79 CaO 0,18 MgO 8,94 K2O 0,23 Na2O 0,01 MnO 0,16 Cr2O4 0,13 SO3 0,07 Độ ẩm 12,60 Mất khi nung 9,20
2.2. Dụng cụ, thiết bị thớ nghiệm và húa chất2.2.1. Dụng cụ và thiết bị 2.2.1. Dụng cụ và thiết bị
Trong quỏ trỡnh tiến hành thớ nghiệm, chỳng tụi đó sử dụng cỏc loại thiết bị thớ nghiệm sau đõy. Cỏc thiết bị này thuộc Viện Cụng Nghệ Xạ Hiếm - Viện Năng Lượng Nguyờn Tử Việt Nam, Bộ mụn Vật lý Đất Viện TNNH
Mỏy đo pH và thế oxy hoỏ microprocessor pH meter của Đức. Mỏy lắc SHEIL-LAB của Hồng Kụng.
Kớnh hiển vi điện tử SANYO của Nhật. Thiết bị điều nhiệt.
Mỏy ly tõm Hettich EBA 8 của Phỏp. Mỏy nghiền sàng phõn cấp hạt.
Thiết bị nghiền bi sứ. Mỏy đo độ ẩm.
Mỏy khuấy cơ của Đức. Mỏy khuấy từ.
Mỏy tuyển thủy cyclon. Tủ sấy của Đức.
Mỏy spectronic 20D+.
Cỏc thiết bị, mỏy múc và dụng cụ thụng dụng khỏc liờn quan đến quỏ trỡnh làm thớ nghiệm.
2.2.2. Hoỏ chất
Tinh thể Natri cacbonat Na2CO3 . loại PA.
Tinh thể muối mangan II clorua MnCl2.4H2O loại PA.
Tinh thể muối sắt II sunphat ngậm nước FeSO4.7H2O loại PA. Yellowcake 83% U3O3.
Một số húa chất khỏc phục vụ cho nhu cầu phõn tớch định lượng cỏc ion sắt, mangan, urani …v.v
2.3. Phương phỏp nghiờn cứu
2.3.1. Phương phỏp xỏc định thành phần khoỏng vật của bentonite
Nhằm mục đớch xem xột sự thay đổi thành phần cỏc cấu tử của bentonite khi hoạt húa và lỳc chưa hoạt húa và trong cỏc điều kiện khỏc nhau, chỳng tụi tiến hành xỏc định thành phần của một số cấu tử chớnh như SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO.
2.3.1.1. Xỏc định hàm SiO2
Hàm lượng SiO2 được xỏc định bằng phương phỏp khối lượng. Quỏ trỡnh phõn tớch được tiến hành như sau: nung một phần bentonite với năm phần hỗn hợp chảy (4 K2CO3 + 5 Na2CO3) trong chộn sứ platin ở 9000C khoảng 30 phỳt, lấy ra để nguội, sau đú dựng HCl đặc kết tủa SiO42- về dạng SiO2.H2O. Cụ đặc dung dịch làm đụng tụ keo. Lọc rửa kết tủa bằng HCl loóng và nước cất trong điều kiện núng, nung kết tủa trong lũ nung ở 8500C trong 1h, để nguội cõn nhanh kết tủa.
2.3.1.2. Xỏc định hàm Fe2O3
Để xỏc định hàm Fe2O3 chỳng tụi đó dựng phương phỏp thể tớch: dựng H2O2 oxi hoỏ sắt (II) lờn sắt (III), đun sụi để loại H2O2 dư, thờm axit sunfosalixilic, điều chỉnh pH đến 1,5 hoặc 2, dung dịch cú màu đỏ sẫm của phức sắt sunfosalixilic. Fe3+ + Sul- = FeSul2+. Chuẩn độ với complexon III cho đến khi mất màu đỏ sẫm và xuất hiện màu vàng nhạt, vỡ EDTA tạo với Fe3+ phức bền hơn là axit sunfosalixilic.
2.3.1.3. Xỏc định hàm lượng Al2O3
Dựng phương phỏp thể tớch chuẩn độ ngược bằng EDTA. Al3+ tạo phức với EDTA tại pH =7 hoặc 8 cũn Fe3+ tạo phức với EDTA trong khoảng pH từ 1-9 . Vỡ vậy chỳng tụi tiến hành chuẩn độ ở pH = 7 .
Cỏch tiến hành: Lấy dung dịch sau khi đó chuẩn độ Fe3+, cho dư EDTA cú
nồng độ xỏc định, điều chỉnh về pH = 7, đun núng đến 700C, lắc kỹ cho Al3+ tạo phức hết. Sau đú chuẩn độ lượng EDTA dư với chỉ thị xylen da cam bằng dung dịch Zn(CH3COO)2 . Từ thể tớch EDTA tiờu tốn cho dư chớnh xỏc ta cú thể tớnh được nồng độ Al3+ trong dung dịch và từ đú tớnh được hàm lượng Al2O3.
2.3.1.4. Xỏc định MgO và CaO
Dựng nước lọc rửa trong quỏ trỡnh xỏc định SiO2 tỏch Fe và Al ra khỏi bằng dung dịch NH4OH. Dung dịch phản ứng được đun sụi đến 700C, lọc rửa kết tủa bằng dung dịch NH4NO3 loóng. Lấy dung dịch nước lọc để xỏc định Ca2+, Mg2+.
Vỡ Ca2+ tạo phức với EDTA ở pH từ 2- 11 cũn Mg2+ tạo phức ở pH = 10 nờn trước hết ta chuẩn riờng Ca2+ ở pH = 2 chỉ thị murexit đỏ.
Cũng lấy một lượng bằng v2 từ v2 đem chuẩn tổng Mg2+ và Ca2+ bằng EDTA với chỉ thị ETOO trong mụi trường đệm NH4OH + NH4Cl. Trước hết dựng dung dịch NaOH 20% điều chỉnh pH về 10 rồi dựng đệm chỉnh về 10,6
2.3.2. Nguyờn lý của nhiễu xạ tia X 2.3.2.1. Hiện tượng nhiễu xạ
Nhiễu xạ là đặc tớnh chung của cỏc súng, khi cỏc tia súng hoặc cỏc súng khỏc do tương tỏc của nú với vật chất.
Trước hết ta coi rằng nguyờn tử là độc lập. Nếu tia X chiếu vào nguyờn tử thỡ cỏc điện tử dao động quanh vị trớ trung bỡnh của chỳng. Khi điện tử bị hóm (mất năng lượng) nú sẽ phỏt xạ tia X. Quỏ trỡnh hấp thụ và tỏi phỏt bức xạ điện từ gọi là tỏn xạ.
Cỏc nguyờn tử là sắp xếp sớt nhau và mỗi nguyờn tử đúng gúp nhiều tia tỏn xạ. Cỏc súng tỏn xạ từ mỗi nguyờn tử giao thoa với nhau. Nếu cỏc súng cựng pha thi giao thoa tăng cường. Nếu lệch pha 180o thỡ xảy ra sự giao thoa tắt. Tia nhiễu xạ được định nghĩa là tia tổng hợp của một số lớn súng tỏn xạ chồng chất. Đối với tia nhiễu xạ cú thế đo được thỡ khụng cú sự giao thoa tắt hoàn toàn.
• Tỏn xạ ( Scattering)
• Giao thoa ( Intefetrence).
• Nhiễu xạ ( diffraction).
Tỏn xạ: Là quỏ trỡnh ở đú sự bức xạ bị hấp thu và tỏi bức xạ phỏt sinh theo cỏc
hướng khỏc nhau.
Giao thoa: Là sự chồng chất của hai hoặc nhiều súng tỏn xạ tạo thành súng tổng
hợp ( súng phủ nhau).
Nhiễu xạ: Là sự giao thoa tăng cường của nhiều hơn một súng tỏn xạ.
2.3.2.2. Phương trỡnh Bragg
Khi chiếu chựm tia X vào tinh thể, điện từ trường của tia X sẽ tương tỏc với cỏc nguyờn tử nằm trong mạng tinh thể. Cỏc tia khuếch tỏn từ tương tỏc này cú thể giao thoa với nhau. Sự giao thoa của cỏc tia khuếch tỏn sau khi đi qua tinh thể được gọi là sự nhiễu xạ.
Hiện tượng nhiễu xạ của tia X được quan sỏt lần đầu tiờn bởi Max von Laue vào năm 1912. Và được giải thớch bởi hai cha con William Henry Bragg và William Lawrence Bragg. Theo Bragg, sự nhiễu xạ của tia X được xem là sự giao thoa của cỏc tia X phản xạ từ cỏc mặt phẳng nỳt của mạng tinh thể. Như ta đó biết ở phần tinh thể, trong mạng tinh thể cỏc đơn vị cấu trỳc tạo thành những họ mặt phẳng nỳt hkl khỏc nhau. Theo Bragg, cỏc mặt phẳng nỳt này cú thể phản xạ cỏc tia X giống như cỏc tia sỏng bị phản xạ bởi cỏc mặt gương phẳng.
Giả sử cú hai mặt phẳng nỳt liờn tiếp 1 và 2 thuộc họ mặt (hkl) nằm cạnh nhau một khoảng dhkl hỡnh 2.1. Chiếu một chựm tia X lờn tinh thể tạo thành với cỏc mặt này một gúc θ. Chựm tia X giả sử là đơn sắc.
Hỡnh 2.1 Nhiễu xạ tia X theo mụ hỡnh bragg
Độ dài súng λ và gồm cỏc tia song song (hai tia M1PN1 và M2QN2) cho nờn chỳng giao thoa với nhau nếu hiệu số đường đi của chỳng bằng một số nguyờn lần bước súng:
M2QN2 – M1PN1 = nλ với n nguyờn dương (1) Theo quan hệ hỡnh học ta cú:
2dsinθ = nλ (n gọi là bậc phản xạ, n = 1,2,3, ....)
Phương trỡnh mụ tả điều kiện phản xạ. Nú là phương trỡnh cơ bản trong nghiờn cứu cấu trỳc tinh thể bằng tia X.
2.3.2. Phương phỏp EDX nghiờn cứu thành phần của nguyờn tố trong bentonite
Nguyờn tử sắp xếp electron trong cỏc obitan xung quanh hạt nhõn nhưng cỏc điện tớch hạt nhõn cú điện tớch khỏc nhau, hạt nhõn mang điện tớch dương cũn vỏ mang điện tớch õm. Trong toàn bộ nguyờn tử chỳng cõn bằng điện tớch nhau. Sự sắp xếp electron xung quanh hạt nhõn nguyờn tử được xem như lớp vỏ electron. Lớp vỏ electron được kớ hiệu lần lượt là K, L, M, N, O, P,Q từ trong ra ngoài. Bởi vỡ sự khỏc nhau về mức năng lượng liờn kết của cỏc electron xung quanh hạt nhõn, electron ở lớp K cú năng lượng (eV) tỏch cao hơn nằm ở electron lớp L, electron ở lớp L cú năng lượng tỏch cao hơn electron nằm ở lớp M,…. Mụ hỡnh đơn giản được cho trong hỡnh 2.2.
Hỡnh 2.2. (a) Mụ hỡnh cấu trỳc lớp vỏ electron, (b) Mụ hỡnh minh họa cho sự tạo thành tia X
Khi bắn phỏ electron bờn trong của phõn tử cú thể làm phỏ vở lớp vỏ electron bờn ngoài của obitan nguyờn tử, cú thể cỏc electron bờn trong thay thế bởi electron từ cỏc electron bờn trong, cũng cú thể electron nhảy vào khoảng khụng gian của lớp vỏ bờn ngoài. Cú nhiều khả năng xảy ra trong trường hợp đang xột nhưng đối với mục đớch ở đõy chủ yếu là giải thớch sự phỏt ra tia X. Sự phỏ vở lớp vỏ electron ngoài cựng của nguyờn tử.
2.3.3. Phương phỏp tiến hành hoạt húa quặng
Khả năng hấp phụ của Bentonit phụ thuộc vào cỏc điều kiện hoạt húa của nú như bản chất Na2CO3 dựng để hoạt húa, nồng độ Na2CO3, thời gian hoạt húa, cỡ hạt.
Ở đõy chỳng tụi cố định cỏc yếu tố để khảo sỏt ảnh hưởng của cỏc yếu tố là nồng độ Na2CO3 hoạt húa, thời gian hoạt húa, mức độ khuấy trộn.
Chỳng tụi dựng Na2CO3 để hoạt húa với cỏc nồng độ: 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%.