7. Cấu trúc của luận văn
2.1.2. Khoáng sét kaolinite
Kaolinite là một khoáng vật sét có màu trắng, đôi khi có vết đỏ, lam hay nâu do tạp chất, được hình thành do quá trình phong hóa của fenspat, chủ yếu là octodaz và anbit. Quá trình phong hóa trên được gọi là quá trình kaolin hóa. Kaolinite có công thức hóa học Al2Si2O5(OH)4 với thành phần gồm phần lớn là SiO2, Al2O3, H2O và một lượng nhỏ Mg, K, Fe, Ti,… và bao gồm một số các lớp không tích điện được kết nối bởi một mạng lưới các liên kết hydro. Các lớp riêng lẻ có độ dày khoảng 7,13 Ǻ được hình thành bởi hai tấm, một tấm bao gồm các tứ diện SiO44- được sắp xếp để tạo thành một mạng lục giác và một tấm bát diện Al(OH)63-. Kaolinite thuộc cấu trúc lớp 1:1, ở vị trí chung của tứ diện và bát diện, ion OH- được thay thế bằng O2-. Bề mặt cạnh nhau của 2 lớp gồm các ion khác nhau, mặt gồm những ion O2- nằm cạnh mặt gồm những ion OH-. Giữa hai mặt có liên kết hydro giữ chặt các lớp, làm giảm quá trình hydrat hóa và các lớp này gắn kết nhau để tạo thành tinh thể lớn hơn. Một tinh thể
kaolinite thông thường gồm 70-100 lớp cơ bản. Tinh thể kaolinite có dạng miếng hay cạnh vảy 6 cạnh, đường kính hạt kaolinite từ 0,1-0,3 um. Từ hình 2.1 [4], cho thấy trong mạng kaolinite các oxit Al2O3 và SiO2 phân bổ một cách hoàn toàn có trật tự ở mức độ phân tử. Khi nung nóng ở khoảng 600 oC thì kaolinite bắt đầu bị phân hủy, mỗi tế bào mạng kaolinite mất đi 4 phân tử nước
tạo thành meta- kaolinite
Hình 2.1. Cấu trúc của kaolinite số lượng lớn, hiển thị alumina bát diện và các lớp siloxan tứ diện. Các hình cầu: đỏ (O), trắng (H), tím (Al) và xám (Si).
Sự tồn tại của điện tích trong khoáng sét là cơ sở để trao đổi cation và tính chất trương nở của các khoáng sét. Các tấm tứ diện và bát diện của đất sét đều có điện tích. Điện tích khoáng sét tồn tại hai dạng: điện tích cấu trúc và điện tích bề mặt. Điện tích cấu trúc là vĩnh viễn và tồn tại do sự thay thế ion trong khi điện tích bề mặt thường phụ thuộc vào giá trị độ pH. Điện tích cấu trúc bắt nguồn từ bên trong các lớp còn điện tích bề mặt đến từ cả hai tấm tứ diện và bát diện. Trong cấu trúc kaolinite, chỉ có hai phần ba vị trí bát diện được lấp đầy bởi các nguyên tử nhôm. Các nguyên tử nhôm được bao quanh bởi bốn oxy và tám hydroxyl và các điện tích trên cấu trúc được cân bằng như đã thấy trong
lớp phân phối điện tích ở bảng 2.1 [11] . Do đó, kaolinite trung hòa về điện.
Bảng 2.1. Sự phân bố điện tích của lớp kaolinite
Ion Số ion Tổng điện tích hình thức
O2- 6 -12
Si4+ 4 +16
O2- + (OH)- 4 O2- và 2 (OH)- -10
Al3+ 4 +12
(OH)- 6 -6
Sự thủy phân của các liên kết Si-OH hay Al-OH dọc theo các mạng đất sét tạo ra sự thay đổi bề mặt. Tùy thuộc vào cấu trúc silica và độ pH của dung dịch, điện tích bề mặt ròng có thể là dương hoặc âm. Ở pH thấp hơn pHpzc (Độ pHpzc là độ pH mà tại đó tổng điện tích bằng không), đất sét sẽ có khả năng trao đổi anion, trong khi ở pH cao hơn pHpzc, đất sét sẽ có khả năng trao đổi cation. Khả năng trao đổi cation (CEC) là một trong những tính chất quan trọng trong khoáng sét. CEC cũng là thước đo nồng độ của các cation không trộn trong lớp phủ và lớp bề mặt, phụ thuộc vào độ lớn của lớp tổng sạc điện. Do điện tích lớp bề mặt là chức năng của pH, do đó CEC cũng thay đổi với độ pH. Đối với kaolinite thì giá trị pHpzc là 4,4 và CEC là 3-15 meq/100g. Từ đó cho thấy kaolinite có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của mình. Sự trao đổi cation thường được nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng rộng hơn so với anion. Các cation trao đổi thường là Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+, H+. Các anion trao đổi thường là SO42-, Cl-, PO43-, NO3- [4], [5], [41]. Khoáng sét nói chung và kaolinite nói riêng là khoáng sản công nghiệp rất quan trọng. Chúng đã được sử dụng làm nguyên liệu cho hàng trăm ứng dụng công nghiệp, nông nghiệp, trong các ứng dụng kỹ thuật và xây dựng, trong xử lý môi trường, trong địa chất, dược phẩm và chế biến thực phẩm… do sự
phổ biến, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó chúng còn nổi lên như một vật liệu tìm năng trong việc xử lí và lưu trữ các chất độc hại cũng như để xử lí nước bị ô nhiễm. Việc sử dụng khoáng vật sét làm chất hấp phụ để hấp phụ các chất độc hại khác nhau (kim loại nặng, thuốc nhuộm, thuốc kháng sinh, hợp chất diệt khuẩn và hóa chất hữu cơ khác) đã được nghiên cứu rộng rãi bởi một số lượng lớn các nhà nghiên cứu [42], [43], [44].
Hiện nay, kaolinite là một vật liệu được sử dụng để xử lí các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước và không khí. Nhiều công trình cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm, nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất hữu cơ lên bề mặt vật liệu kaolinite [20], [24], tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu về khả năng hấp phụ các chất hữu cơ chứa vòng benzen một cách hệ thống. Các công trình nghiên cứu này, chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất hữu cơ riêng lẻ như benzene, hexane, pyridine hay 2-propanol trên bề mặt khoáng sét [45]. Do vậy kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ cung cấp một cái nhìn sâu sắc hơn về quá trình hấp phụ các dẫn xuất vòng benzen trên bề mặt kaolinite.