CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Vật liệu hấp phụ
1.4.1. Một số nhóm khống vật điển hình
1.4.1.1. Các khống vật silicat
Nhóm khống vật silicat lớp (phyllosilicat) khá phổ biến trong tự nhiên, với cấu trúc lớp đặc trưng, tỷ diện lớn, điện tích bề mặt lớn, kích thước sét nhỏ (<2m), được coi là nhóm khống vật tiềm năng có thể tham gia cố định các cation và có thể tiếp nhận các ion hydrat hóa vào trong khoảng không giữa các lớp cơ sở. Một số khoáng vật phyllosilicat điển hình như nhóm khống vật sét bentonit, vermiculit, smectit với cấu trúc 2:1 và kaolin với cấu trúc 1:1. Các khoáng vật trong sét bentonit thường được hình thành từ q trình phong hóa tro núi lửa, vermiculit được hình thành do phong hóa hoặc biến dịch nhiệt dịch từ các sản phẩm mica nguyên sinh như biotit và phlogopit. Trong thành phần của bentonit chứa chủ yếu các smectit và chúng chi phối các tính chất lí hóa học của bentonit. Smectit có tính chất trương nở, có kích thước nhỏ nhất trong số các khống vật sét, <<1m. Kích thước của chúng giải thích tại sao chúng có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với các phyllosilicat khác. Lớp khoảng không trương nở giữa các lớp silicat của smectit làm tăng khả năng trao đổi cation và tạo ra diện tích bề mặt lên đến 600 - 800 m2.g-1. Các smectit bát diện hai là phổ biến nhất trong đất với 3 loại khống chính là
montmorillonit, beidellit và nontrolit. Trong montmorillonit, sự thay thế của Mg2+
cho Al3+ trong các lớp bát diện tạo ra lớp điện tích. Hình thái của smectit được đặc trưng bởi đồn lạp dạng cầu, bơng, sợi, lớp phủ đa giác. Quá trình khử sắt trong cấu trúc từ Fe3+ về Fe2+ trong lớp bát diện của smectit làm tăng điện tích lớp và làm tăng khả năng bẫy, cũng như cố định các cation (Khaled và Stucki, 1991). Vermiculit là khống vật có cấu tạo tương tự như smectit với 1 lớp bát diện xen giữa hai lớp tứ diện. Tuy nhiên, điểm khác biệt của nhóm khống vật này là khả năng trương nở tương đối hạn chế. Tuy vậy, vermiculit lại có dung tích trao đổi cation vượt trội so với hầu hết các phyllosilicat trong tự nhiên (100 - 150 meq/100g). Do vậy vermiculit cũng có tiềm năng rất lớn để hấp phụ và xử lý ô nhiễm các KLN.
Các loại khoáng sét ở phụ nhóm kaolin có chung cơng thức hóa học (Al2Si2O5(OH)4), có cấu trúc phyllosilicat 1:1 với 2 bề mặt là bề mặt siloxan và bề mặt hydroxyl. Hai bề mặt này đều tương đối trơ về mặt hóa học do các anion oxy trên bề mặt siloxan và OH trên bề mặt hydroxyl đều được cân bằng về điện tích. các khống thuộc nhóm kaolin đều có cấu trúc chứa Al trong lớp bát diện và Si trong lớp tứ diện. Lõi bát diện bị chiếm giữ bởi những cation Al sắp xếp theo cách làm cho thích thước của nó nhỏ đi so với những bát diện không bị chiếm giữ bởi Al. Các lớp liên kết với nhau bởi cầu nối H giữa các O của lớp tứ diện và OH của lớp bát diện.
Các khống vật phyllosilicat có cấu trúc lớp hấp phụ rất tốt đối với các cation KLN do đó có thể sử dụng để loại bỏ Pb2+, Cd2+ và Zn2+, Mn2+. Trong đó, các silicat cấu trúc 2:1 sẽ cho hiệu suất xử lý tốt hơn nhờ bề mặt mang điện tích âm và tỷ diện lớn. Kaolin có tỷ diện thấp, lượng điện tích bề mặt thấp do đó khả năng loại bỏ các cation kim loại như Pb2+, Cd2+ và Zn2+ sẽ hạn chế hơn. Việc sử dụng các khoáng vật phyllosilicat (ngoại trừ kaolin) để loại bỏ As là khơng khả thi, vì các khống vật này thường có ái lực hấp phụ rất thấp đối với các anion trong dung dịch. Kaolin là trường hợp đặc biệt vì chúng có khoảng chuyển điện của bề mặt rìa từ âm sang dương ở pH < 5,5. Như vậy, nếu điều chỉnh được pH của hệ phản ứng xuống dưới giá trị pH 5,5 thì khống vật này cũng có thể tham gia phản ứng hấp phụ As.
1.4.1.2. Các khoáng vật oxit/hydroxit sắt
Các oxit Fe tồn tại ở khắp nơi trong đất và trong trầm tích, chúng đóng vai trị như một chất gắn kết các khoáng vật khác trong đất thành những đoàn lạp bền vững. Khi các oxit Fe trong các đoàn lạp này chiếm tỷ lệ cao chúng có thể hình thành những lớp khống vật bền vững hay còn được gọi là laterit hoặc ferricrit. Những khoáng vật sắt điển hình gồm hematit (α-Fe2O3), magnetit (Fe3O4), maghemite (γ-Fe2O3), geothit (FeO-OH). Schultz và nnk (1987) và Ford (1997) đã xác định được cơ chế cố định các KLN trong cấu trúc của các oxit Fe. Quá trình thay thế đồng hình của các KLN cho các ion Fe trong cấu trúc đã giúp các KLN đi vào trong cấu trúc của oxit Fe.
Các oxit Fe có đặc điểm chung là có bề mặt mang điện tích dương và vì vậy rất phù hợp để sử dụng làm vật liệu hấp phụ As. Các oxit Fe cũng có khả năng hấp phụ một số KLN (ví dụ như Cu, Zn) vào cấu trúc của chúng (Nguyễn Ngọc Minh, 2013). Tuy nhiên hiệu suất hấp phụ của các khoáng vật Fe đối với Pb lại rất thấp, và nguyên nhân được cho là kích thước của ion Pb2+
khơng phù hợp để hấp phụ vào cấu trúc các oxit Fe (Nguyễn Ngọc Minh, 2013). Như vậy, oxit Fe cũng chỉ đáp ứng tốt để xử lý riêng rẽ As.