Q trình hạt nhân hóa sẽ bắt đầu diễn ra sau khi dung dịch siêu bão hòa đạt được. Trước khi q trình tinh thể hóa có thể xảy ra, phải có một lượng hạt nhân đủ lớn tồn tại trong dung dịch. Q trình hạt nhân hóa có thể xảy ra một cách tự nhiên trong dung dịch hoặc nó được hình thành do các tạp chất, các chất nhiễm bẩn có mặt. Q trình hạt nhân hóa diễn ra từng bước một và nó dẫn đến sự hình thành các chuỗi ngắn, các đơn lớp phẳng, và cuối cùng là các hạt nhân tinh thể. Ngay khi hạt nhân hình thành trong dung dịch siêu bão hịa q trình phát triển tinh thể bắt đầu diễn ra. Trong thuyết khuếch tán về sự phát triển tinh thể, sự tinh thể hóa là q trình ngược lại của sự hịa tan và tỷ lệ tinh thể hóa và khuếch tán được điều tiết bởi sự khác biệt giữa nồng độ của các chất trên bề mặt pha rắn và trong dung dịch. Quá trình lắng đọng rắn trên bề mặt tinh thể có thể xảy ra trong hai bước khác nhau. Bước thứ nhất là khi các phân tử hòa tan được chuyển từ pha lỏng sang bề mặt pha rắn – đây cịn gọi là q trình khuếch tán. Bước thứ hai liên quan đến sự sắp xếp các phân tử hòa tan thành lưới tinh thể. Quá trình khuếch tán thường tiếp theo sau sự sắp xếp và tái sắp xếp các chất trên bề mặt tinh thể đang phát triển. Sự sắp xếp và tái sắp xếp làm giảm tỷ lệ tinh thể hóa đồng thời nó sẽ hịa tan các tinh thể nhiều hơn là phát triển các tinh thể[27].
Hai giả thiết được đưa ra để giải thích cho cơ chế tổng hợp zeolit. Thứ nhất, trong cơ chế chuyển hóa rắn – rắn, q trình tinh thể hóa zeolit xảy ra trực tiếp từ gel vô định hình thành tinh thể. Thứ hai, trong cơ chế tinh thể hóa dung dịch, hạt nhân hình thành và phát triển trong pha lỏng. Tiếp sau đó sự cân bằng tồn tại giữa pha rắn-gel và dung dịch, và quá trình hạt nhân hóa diễn ra trong dung dịch. Gel được hòa tan liên tục và các chất hòa tan được chuyển tới các tinh thể hạt nhân trong dung dịch. Bên cạnh sự hình thành zeolit thông qua một trong hai quá trình chuyển hóa, có bằng chứng chỉ ra rằng đơi khi cả hai q trình chuyển hóa cũng có thể xảy ra đồng thời. Trong một số trường hợp zeolit cũng có thể được tinh thể hóa hệ đơn dung dịch không chứa các pha rắn-gel thứ sinh. Các nghiên cứu về dung dịch đơn pha cho thấy q trình hạt nhân hóa và tinh thể hóa tuần tự có thể dễ dàng xảy ra trong dung dịch, và dẫn đến khả năng sự có mặt của pha rắn-gel hoạt động chỉ đóng vai trị xúc tác [11].
Như vậy q trình tổng hợp zeolit là sự hịa tan và tái tạo lại Si chứa trong vật liệu để hình thành nên zeolit có cấu trúc mới. Để có thể diễn ra q trình này thì cần các vật liệu có chứa nhiều sillic trong cấu trúc của chúng. Diatomit và tro bay là hai vật liệu được xếp vào nhóm vật liệu giàu silic vơ định hình, có khả năng tạo ra zeolit tổng hợp với khả năng hấp phụ cao[11].
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu của đề tài thực hiện nhằm mục tiêu:
- Nghiên cứu sử dụng vật liệu biến tính từ tro bay (Zeolit tổng hợp được điều
chế từ tro bay) để hấp phụ Cd+2 và Pb+2 trong nước ô nhiễm.
- Các thành phần hóa học của Zeolit tổng hợp được điều chế từ tro bay.
- Đánh giá được khả năng hấp phụ Cd+2 và Pb+2trong nước ở mức ô nhiễm
cao và lượng hấp phụ cực đại Qmax theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir.
2.1.2. Đối tượng nghiên cứu
2.1.2.1. Vật liệu biến tính từ tro bay
Tro bay sử dụng để biến tính được lấy từ nhà máy Nhiệt điện Phả Lại. Vật liệu tổng hợp từ tro bay được biến tính theo phương pháp kết tinh thủy nhiệt ở môi trường kiềm mạnh (dung dịch mơi trường là NaOH) trong phịng thí nghiệm.
Phương pháp biến tính đối với tro bay được sử dụng trong đề tài này là: Quy trình phá vỡ cấu trúc tro bay và tái tinh thể hóa vật liệu được thực hiện trên máy khuấy từ gia nhiệt theo quy trình sau: 10g tro bay được cho vào bình chịu nhiệt dung tích 250 ml, thêm vào 100 ml dung dịch môi trường NaOH với nồng độ 3N.
Hỗn hợp này được khuấy từ trong 1h trên máy khuấy từ gia nhiệt ở 1000C, có đậy
phễu sinh hàn; chuyển sang nồi hấp cách thủy, hấp trong 24h ở nhiệt độ 900C. Thể
rắn kết tinh sau khi kết thúc hấp cách thủy được li tâm rửa nhiều lần bằng nước cất
để loại bỏ kiềm dư. Phần rắn còn lại được sấy ở nhiệt độ 1000C, nghiền nhỏ rây qua
rây 0,25mm [11].
2.1.2.2. Nước ơ nhiễm
Q trình tiến hành thí nghiệm chúng tơi sử dụng nước ô nhiễm nhân tạo,
được gây ô nhiễm bởi hai kim loại nặng là Chì (Pb) và Cadimi (Cd). Dung dịch Pb2+
nồng độ gốc 3.000 mg/l và Cd2+ ở nồng độ gốc 1500 mg/l. Khi tiến hành thí
nghiệm, dung dịch Pb2+, Cd2+ gốc được pha chế tới các nồng độ cần dùng.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Phân tích các tính chất lý-hóa học chủ yếu của zeolit tổng hợp từ tro bay
như: CEC, pH, thành phần cơ giới, Cd và Pb tổng số. Nội dung này nhằm đánh giá bước đầu các tính chất của tro bay; tạo cơ sở cho việc tiến hành các bước tiếp theo và đánh giá ảnh hưởng của các tính chất lý hóa học đến khả năng hấp phụ Pb và Cd của vật liệu hấp phụ.
- Khảo sát đặc điểm, tính chất của vật liệu biến tính từ tro bay.
- Khảo sát khả năng xử lí Pb2+, Cd2+ trong nước ơ nhiễm của vật liệu biến tính từ
tro bay và đánh giá được khả năng hấp phụ Cd+2 và Pb+2 trong nước ở mức ô nhiễm
cao và lượng hấp phụ cực đại Qmax theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu
Thu thập, kế thừa các tài liệu và các cơng trình nghiên cứu có liên quan đến vật liệu hấp phụ tro bayvà vật liệu zeolit tổng hợp từ tro bay; về kim loại nặng nói chung và Cd, Pb nói riêng; về hiệu quả sử dụng các vật liệu hấp phụ tro bay trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là trong quá trình xử lý kim loại nặng Cd, Pb trong nước.
2.3.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Nguyên lý: Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không thu hay phát ra
năng lượng dưới dạng các bức xạ, lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đó là trạng thái bền vững và có mức năng lượng thấp nhất của nguyên tử. Khi nguyên tử tự do ở trạng thái hơi, nếu chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng nhất định vào đám hơi, nguyên tử thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định, ứng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong q trình phát xạ. Lúc đó nguyên tử đã nhận năng lượng dưới dạng các tia bức xạ và nó chuyển lên trạng thái kích thích, có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Q trình
đó gọi là q trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử [15].
Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố và nồng độ C trong mẫu phân tích, lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng. Trong một vùng nồng độ C nhỏ, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ của nguyên tố đó trong đám hơi cũng tuân theo định luật Bugơ- Lămbe- bia.
D = 0,43 K. C. L K: hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào chiều dài của sóng C: Nồng độ nguyên tố cần xác định có trong ngọn lửa L: chiều dày của lớp hấp thụ
Mật độ quang D = lg
I: Cường độ chùm tia ánh sáng ra I0 : Cường độ chùm tia ánh sáng đi vào
Dựa vào giá trị mật độ quang, người ta xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong thể tích mẫu. Biểu thức trên chứng tỏ mật độ quang của lớp hấp thụ tỷ lệ thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bước sóng hấp thụ ứng với ngun tố đó. Tính tỷ lệ này được bảo tồn trong một khoảng nồng độ nhất định, tuỳ thuộc vào tính chất của nguyên tố cần xác định và tính chất của đèn. Sự phụ thuộc trên là cơ sở thực tiễn của phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử định lượng [15].
2.3.3. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X
Mục đích: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu
Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên
tử, phân tử hay ion phân bố một cách đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử (hay ion) trong tinh thể cỡ vài Ăngstron
(A0), tức là khoảng bước sóng tia X. Khi chùm tia X tới đập vào mặt tinh thể và
xun vào bên trong nó thì mạng tinh thể đóng vai trị như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử bị kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành các tâm phát ra các tia
tán xạ (Xem hình 2.1). Các nguyên tử hoặc các ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song. Do đó, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kì trên hai mặt phẳng cạnh nhau có trị số là:
= 2
Trong đó: - Hiệu quang trình của hai tia phản xạ, - Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ,
d - Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song