Ứng dụng của bentonit
Khống sét bentonit có rất nhiều ứng dụng thực tiễn và cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật các ứng dụng của nó khơng ngừng tăng lên. Đó là do các tính chất đặc biệt của nó và khả năng biến tính bề mặt khống sét tương đối dễ dàng, thêm nữa khoáng sét lại là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào và rẻ tiền. Cùng với việc khai thác triệt để các ứng dụng trước đây các hướng ứng dụng mới liên tục được đặt ra và phát triển. Rất nhiều các loại vật liệu mới đã được nghiên cứu chế tạo cho các mục tiêu khác nhau. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học nano, bentonit mà thành phần chính là MMT đã trở thành vật liệu nguồn để chế tạo các vật liệu nano composite hỗn tính hữu cơ- vơ cơ. Họ vật liệu này đã và đang trở thành nguồn nguyên liệu có uy thế trong hàng loạt các ứng dụng công nghiệp, nơng nghiệp, y dược, bảo vệ mơi trường... Hình 1.7 đưa ra sơ đồ các ứng dụng cơ bản của khoáng sét bentonit.
1.2.4. Vật liệu nanocomposit Fe2O3/MgO/bentonit
Thuật ngữ “nano composite” mơ tả một nhóm vật liệu composite ở đó pha tăng cường chỉ có kích thước ở mức nanomet. Sự có mặt của pha tăng cường này đã tạo ra những cải tiến lớn về bản chất vật lý và cơ học của vật liệu nanocomposit. Ở cấu trúc nano các vật liệu Fe2O3.xH2O (α–Fe2O3) có năng lượng, diện tích bề mặt lớn và hoạt tính xúc tác cao, bên cạnh đó cịn là nguyên liệu rẻ tiền, thân thiện với môi trường và có khả năng tái sinh. Vật liệu composit xúc tác sắt trên một số chất mang là các oxit MgO, Al2O3, SiO2 và ZrO2 ... thời gian gần đây đã nhận được rất nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Trong số các chất mang này, MgO được đặc biệt quan tâm vì một số lý do: MgO có khả năng ổn định kim loại ở trạng thái oxi hóa khơng bền; hình thái và cấu trúc tinh thể của nó rất dễ cải biến; có thể xảy ra sự chuyển điện tử giữa kim loại và chất mang tạo nên những thay đổi về các tính chất của xúc tác; độ axit của các nhóm hydroxy trên bề mặt MgO liên quan trực tiếp đến hoạt tính xúc tác của vật liệu [27, 28]... Chất mang MgO ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt tính cũng như độ chọn lọc của xúc tác. Trong các nghiên cứu trước, vật liệu Fe/MgO đã được phát triển như một vật liệu xúc tác oxy hóa H2S tạo thành lưu huỳnh ngun tố trong quy trình lỏng- khí. Dung lượng loại bỏ H2S của vật liệu rất cao 7,93g H2S/gVL tại nhiệt độ phòng. Khác với các quá trình lỏng khác cũng thực hiện bằng cơ chế oxi hóa khử trên xúc tác Fe2O3 cần phải kiểm sốt độ pH và cần một số tác nhân khác để ổn định chất xúc tác, xúc tác nano Fe/MgO khơng địi hỏi phải kiểm soát độ pH cũng như thêm các tác nhân ổn định [22, 27]. Chất xúc tác nano Fe/MgO có tiềm năng trong việc loại bỏ H2S vì nó có thể được tái sinh liên tục bằng oxy hòa tan.
Hiện nay vật liệu Fe/MgO mới chỉ được nghiên cứu để xử lý H2S cho các quy trình lỏng khí. Các quy trình lỏng- khí tuy có hiệu suất xử lý H2S cao nhưng địi hỏi hệ thống phức tạp, chi phí đầu tư lớn và chỉ thích hợp cho các hệ thống xử lý H2S ở quy mô lớn. Trong khi đó các quy trình khơ lại tỏ ra đơn giản, có giá thành thấp và vận hành dễ dàng nên sẽ rất thích hợp với một nước đang phát triển như nước ta. Do đó các cơng nghệ xử lý H2S dựa trên qui trình khơ cho đến nay vẫn đóng vai trị rất quan trọng. Composite Fe/MgO trên chất mang bentonite (Fe/MgO/bentonite) được nghiên cứu chế tạo với mục đích tạo ra một vật liệu xử lý H2S hiệu quả theo quy trình khơ. Việc chế tạo trên nền một vật liệu xốp như khống sét, trong sự có mặt của MgO khơng những phát huy được những ưu việt vốn có của vật liệu trên cơ sở Fe2O3, mà còn tạo nên tốc độ
phản ứng cao và vật liệu có thể dễ dàng tái sinh trong khơng khí mà khơng bị bốc cháy. Bentonite đã được sử dụng thành cơng với vai trị chất mang trong chế tạo một số vật liệu xử lý asen, kim loại nặng…
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
Hóa chất:
- (NH4)2C2O4.H2O, Mg(NO3)2.6H2O, Fe(NO3)3.9H2O, FeCl3.6H2O, NaOH, NaHCO3 đều là hóa chất tinh khiết của Trung Quốc
- Bentonit là sản phẩm của công ty TNHH Minh Hà (Bình Thuận).
Dụng cụ thí nghiệm:
- Máy khuấy từ có gia nhiệt - Tủ sấy
- Lị nung - Cân phân tích - Máy đo pH
- Cốc thủy tinh chịu nhiệt các loại - Phễu nhỏ giọt
- Bình định mức - Bình cầu
2.1.2. Tổng hợp nanocomposit Fe2O3/MgO/ bentonit
Vật liệu nanocomposit Fe2O3/MgO/bentonit được nghiên cứu tổng hợp bằng hai phương pháp: phương pháp trộn cơ học và phương pháp kết tủa trong dung dịch.
2.1.2.1. Điều chế -Fe2O3
Dung dịch FeCl3 nồng độ 0.2 M được thêm vào hỗn hợp dung dịch NaOH 4M và NaHCO3 1M ở nhiệt độ 75oC trong điều kiện khuấy liên tục trên máy khuấy từ. Dung dịch thu được có pH trong khoảng 9- 10. Kết tủa tạo thành được khuấy trong 2 giờ tại 75o
C, rồi ủ trong 30 giờ cũng tại nhiệt độ này. Kết thúc quá trình phản ứng, sản phẩm thu được là kết tủa có màu nâu đỏ được lọc, rửa và sấy khơ trong mơi trường khơng khí tại nhiệt độ 100- 105oC.
2.1.2.2. Tổng hợp Fe2O3/bentonit
hỗn hợp và khuấy trong 4 giờ. Tiếp theo, thêm hỗn hợp dung dịch NaOH 4M và NaHCO3 1M để đạt pH 9- 10, đồng thời nâng nhiệt độ của hệ lên 75oC. Sau đó thêm tiếp dung dịch FeCl3 0,2M, bắt đầu hình thành kết tủa. Khuấy kết tủa
trong 2 giờ và ủ tiếp 30 giờ tại 75oC. Sản phẩm được rửa sạch, sấy khô rồi nung ở 400oC trong 3 giờ.
Hàm lượng bentonit trong các mẫu FB tổng hợp trong khoảng 18- 25%.
2.1.2.3. Tổng hợp MgO [1]
MgO được tổng hợp thông qua sản phẩm trung gian là MgC2O4 theo các
nghiên cứu trước. Quy trình như sau:
Dung dịch (NH4)2C2O4 0,5M được cho vào bình cầu khuấy liên tục bằng máy khuấy từ. Sau đó dùng phễu nhỏ giọt thêm dung dịch Mg(NO3)2 0,5M vào dung dịch (NH4)2C2O4 với tốc độ khoảng 1 ml/phút. Tỷ lệ (NH4)2C2O4/ Mg(NO3)2 là 1:1. Sau khi thêm hết dung dịch muối Mg, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 12 giờ. Kết thúc phản ứng, dung dịch đạt đến môi trường pH = 5,5, đảm bảo kết tủa hoàn toàn MgC2O4.
Kết quả thu được kết tủa màu trắng. Tiến hành gạn/ly tâm rửa kết tủa nhiều lần bằng nước cất đến pH trung tính. Sấy khơ sản phẩm ở 100oC. Nung ở 500oC trong 2 giờ, được sản phẩm kí hiệu M.
2.1.2.4. Tổng hợp nanocomposit Fe/MgO [2]
Tương tự MgO, quy trình tổng hợp Fe/MgO (Fe2O3/MgO) cũng đã được nghiên cứu trước và đưa ra quy trình như sau:
Bột MgO (M) được phân tán đều trong dung dịch bằng cách khuấy liên tục trong 30 phút trên máy khuấy từ với nồng độ 2M. Sau đó dùng phễu nhỏ giọt thêm dung dịch Fe(NO3)3 1M vào cốc đựng MgO với tốc độ 1ml/phút. Sau khi thêm hết dung dịch Fe(NO3)3, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 3h. Hàm lượng Fe3+/MgO là khoảng 15%. Toàn bộ hỗn hợp được làm bay hơi đến khơ trong tủ
sấy ở 70oC- 80oC, sau đó đem nung mẫu 450o
C trong 5 giờ. Ta được sản phẩm kí hiệu FM.
2.1.2.5. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO/bentonit bằng phương pháp trộn cơ học (mẫu F1BM) học (mẫu F1BM)
Vật liệu Fe/bentonit vừa được tổng hợp và Fe/MgO (hàm lượng Fe 15%) đã tổng hợp như trong nghiên cứu trước đây [1, 2] với tỉ lệ xác định, được chuẩn bị ở dạng huyền phù và được trộn cơ học bằng máy khuấy từ trong 2 giờ ở nhiệt độ thường. Sản phẩm được lọc rửa và sấy khô ở 100 o
C. Tỉ lệ Fe2O3: MgO: bentonit trong khoảng 70: 12: 18 đến 60: 17: 23.
2.1.2.6. Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp kết tủa trong dung dịch (Mẫu F2BM) (Mẫu F2BM)
Bentonit được trương nở và khuấy với polyethylene glycol (PEG) và NaOH theo quy trình tổng hợp Fe/bentonit như trên. Tiếp theo, dung dịch MgO 2M được đưa vào hỗn hợp bentonit đã biến tính, khuấy trong 30 phút. Sau đó q trình được tiếp tục tương tự như khi tổng hợp Fe/bentonit. Lượng bentonit, MgO và dung dịch FeCl3 được tính tốn sao cho tỉ lệ Fe2O3: MgO: bentonit cũng nằm trong khoảng 70: 12: 18 đến 60: 17: 23.
2.1.2.7. Phương pháp tạo hạt vật liệu
Vật liệu tổng hợp sau khi rửa sạch về trung tính được khuấy trộn với huyền phù tinh bột mỳ, tỷ lệ vật liệu khô/ tinh bột là 6/1. Hỗn hợp được lọc, sấy sau đó tạo hạt trên hệ thống máy đùn và vo viên. Các hạt vật liệu được sấy khô ở khoảng 100oC và nung ở 400oC trong ba giờ, kích thước trung bình của hạt tạo thành là 1- 1,5mm.
2.2. Xác định các đặc trƣng cơ bản của vật liệu
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Giản đồ nhiễu xạ tia X được đo bằng máy Siemans D5000 tại phòng nhiễu xạ tia X- Viện khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Chế độ đo: với bức xạ Cu – K, bước sóng = 1.5406 A0, điện áp 40Kv, cường độ dòng điện 30mA, nhiệt độ 250
C, góc quét 2θ = 10- 700, tốc độ quét 0.7 0/s. Mẫu đo ở dạng bột.
2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)
Các mẫu được chụp phổ hồng ngoại bằng máy Impact 410-Nicolet (Mỹ) tại Viện hóa học - Viện Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam. Các mẫu được ép thành viên với KBr theo tỷ lệ (1:400), được đo trong khoảng từ 400- 4000cm-1
.
2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của vật liệu mangan đioxit đã tổng hợp được chụp trên thiết bị hiển vi điện tử quét phân giải cao Hitachi S- 4800 (Nhật Bản), tại phịng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Mẫu được phân tán trong dung môi isopropanol, siêu âm trong 2 giờ để vật liệu phân tán đồng đều trước khi đo.
2.2.4. Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ khí Nitơ (BET)
Diện tích bề mặt và cấu trúc xốp của vật liệu được xác định từ phương trình Brunauer- Emmeller- Teller (BET) trên cơ sở dữ liệu đẳng nhiệt hấp phụ khí N2 đo bằng máy Micromeritics tại phịng 301, phịng thí nghiệm hóa dầu - ĐH Bách Khoa HN
2.3. Xác định hiệu quả xử lý H2S của vật liệu nano composite Fe/MgO/ bentonit sử dụng công nghệ khô bentonit sử dụng công nghệ khô
2.3. 1. Phương pháp thực nghiệm
Những thông số thiết bị và thí nghiệm được lựa chọn trên cơ sở tham khảo phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn xác định khả năng hấp phụ H2S của than hoạt tính ASTM D6646- 03 và một số thử nghiệm khác.
ASTM D6646-03 [16]: dành cho thử nghiệm than hoạt tính dạng hạt có đường
kính hạt trung bình dưới 2,5 mm để loại bỏ hydrogen sulfua từ một dịng khí. Phương pháp này xác định đường cong thốt của than hoạt tính với nồng độ
H2S đầu vào là 10000 ppm, rất có ý nghĩa để so sánh giữa các loại than khác nhau, tuy nhiên không nhằm mô phỏng các điều kiện, tình huống thực tế. Khí được sử dụng trong phương pháp này là nitơ chứa H2S với nồng độ 10000 ppm,
hệ thống được lắp cảm biến H2S với độ chính xác tin cậy ở 50 ppm. Vật liệu hấp phụ nằm trong cột có kích thước cụ thể như trong hình 2.1