CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
3. Các chức năng của đất và các ứng dụng trong xử lý nước thải
3.1 Chức năng xử lý chất ô nhiễm của đất
Đất có khả năng hấp phụ chất ô nhiễm do trong đất có chứa hạt keo mang điện tích.
Khả năng hấp phụ của đất được chia ra 5 dạng sau:
- Hấp phụ cơ học: Là khả năng đất giữ lại những hạt tương đối thô trong các khe, lỗ hỏng. Đất là một thể xốp, chứa nhiều lỗ hổng có kích thước khác nhau nên có khả năng giữ lại một cách cơ học những hạt có kích thước lớn hơn kích thước của lỗ hổng, hay các chổ uốn cong của mao quản.
- Hấp phụ lý học (hấp thụ phân tử): Là khả năng giữ lại những hạt có kích thước nhỏ, những phân tử, nguyên tử trên bề mặt keo đất. Các hạt đất có kích thước nhỏ thường co năng lượng bề mặt. Hấp thụ lý học phụ thuộc nhiều vào thành phần cơ giới, nếu đất nào có nhiều hạt sét (thành phần cơ giới nặng) thì có năng lượng bề mặt lớn do đó khả năng hấp phụ lý học càng lớn.
- Hấp phụ hóa học: Là khả năng giữ lại trong đất các chất hòa tan ở dạng kết tủa, không tan, ít tan do kết quả của những phản ứng hóa học xảy ra trong dung dịch đất.
Na2SO4 + CaCl2 ---> CaSO4 + 2NaCl Al3+ + PO43- ---> AlPO4
3Ca2+ + 2PO43- --->Ca3(PO4)2
Dạng hấp phụ này rất phổ biến trong đất và dẫn đến sự cố định nhiều nguyên tố dinh dưỡng trong đất.
- Hấp phụ lý – hóa học (hấp phụ trao đổi): Là hấp phụ trao đổi giữa những ion trên bề mặt các keo đất và những ion cùng dấu trong dung dịch đất. Thực chất là phản ứng lý – hóa giữa keo đất và ion trong dung dịch đất.
- Hấp phụ sinh học:Là khả năng giữ lại các chất dinh dưỡng bởi vi sinh vật từ dung dịch đất, chủ yếu là cây xanh và vi sinh vật.
Nước bị nhiễm bẩn sẽ ảnh hưởng tới chất lượng nước sinh hoạt, hệ sinh thái. Khi lượng nước ngấm xuống đất, nước sẽ được lọc thông qua các tầng đất. Ngược lại nếu tầng đất quá nông, hoặc đất không thấm được, phần lớn nước sẽ không thể vào đất, chủ yếu là chảy tràn trên mặt khiến diện tích bị ô nhiễm trở nên rộng hơn.
Do đặc điểm cấu trúc tinh thể khoáng, một số khoáng sét có tính chất đặc trưng như:
tính phân cực trong môi trường nước, khả năng trao đổi cation trong cấu trúc tinh thể,
17
có lỗ rỗng lớn hoặc diện tính bề mặt riêng lớn nên tạo ra các phản ứng trao đổi, hấp phụ hoặc liên kết tĩnh điện để loại bỏ một số chất ô nhiễm có trong nước thải.
Về phương diện hoá học, tinh thể các khoáng vật sét thuộc lớp silicat, được tạo nên từ các đơn vị cấu trúc cơ bản gồm các khối tứ diện tạo nên từ Si và O và các khối bát diện từ OH và các cation kim loại Al3+, Fe3+… có hai loại cấu trúc chính: 1:1 tức là 1 lớp tứ diện và 1 lớp bát diện và 2:1 tức gồm 2 lớp tứ diện và 1 lớp bát diện kẹp giữa.
Điển hình cho hai loại khoáng sét này là các khoáng sét thuộc lớp kaolinit và nhóm montmorillonit.
Kaolinit: Là một loại sét có cấu trúc tinh thể thuộc loại 1:1 và các nhóm (OH)- đều hướng ra ngoài nên khi bị phân li chúng cũng tạo nên các tấm mỏng mang điện tích âm vì vậy đây cũng là nguyên nhân tạo nên tính hấp phụ của khoáng. Nhưng khác với bentonit các khoáng vật thuộc nhóm kaolinit không có khả năng trao đổi cation, bề mặt riêng cũng nhỏ hơn so với bentonit (khoảng20m2/g).Khi bị nung nóng cũng xảy ra các hiệu ứng tương tự, nhưng khi mất nước hấp phụ ở nhiệt độ thấp, tính chất của khoáng chưa thay đổi nhưng nếu nung đến 450-570-600°C quá trình mất nước cấu trúc sẽ xảy ra và tinh thể khoáng vật sẽ bị phá huỷ, vật chất chuyển sang trạng thái vô định hình và có độ hoạt tính nhất định đối với từng thành phần hoá học riêng biệt, trongtrường hợp sét kaolin sau khi nung, kaolin có thể kết hợp với CaO tạo thành một chất kết dính như xi măng [7].
Montmorillonit: Đất đá cấu tạo chủ yếu từ các khoáng vật nhóm smectit (có khả năng trương nở) được gọi là bentonit. Nhóm khoáng vật smectit bao gồm: monmorilonit, beidelit, nontronit và vài khoáng vật ít phổ biến khác. Khoáng vật nhóm smectit có cấu trúc mạng tinh thể nhiều lớp đặc trưng ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp. Hai lớp ngoài (lớp dưới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si)O4 và được gọi là lớp tứ diện.
Giữa chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện [SiO4]- và nhóm hydroxit [OH]-. Bình thường các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị III hoặc ba cation hoá trị II. Do sự thay thế các nguyên tố hoá trị III (Al, Fe) trong lớp giữa octahedralbằng các nguyên tố hoá trị II (Mg, Fe) hoặc Si hoá trị IV bằng Al hoá trị III trong lớp tứ diện tạo nên sự dư thừa điện tích âm trên bề mặt giữa các lớp cấu trúc, hơn nữa mặt
18
đáy của các lớp cấu trúc được tạo nên bởi các mối liên kết O-2 hoặc (OH)- cũng tạo cho bề mặt cấu trúc tinh thể của khoáng vật một điện tích âm.Để trung hòa điện tích trong cấu trúc tinh thể, các khoáng này thường được gắn thêm các cationtrao đổi. Chủ yếu đó là các ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+và Fe2+.
Hình 1.6. Cấu trúc không gian tinh thể Montmorillonit
Trong quá trình tương tác với nước xung quanh các cation này hình thành các lớp vỏ hydrat và do đó dẫn đến hiện tượng trương nở trong tập hợp các tập sét này. Khả năng hydrat hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm là natri. Khả năng trương nở ít hơn là các ion kim loại kiềm thổ - canxi và magie. Khả năng trương nở, tăng thể tích, cũng như hấp thụ hoặc trao đổi các cation trên bề mặt giữa các lớp cấu trúc của smectit (từ 2- 20 lần) đã tạo nên tính năng công nghiệp quý giá của chúng. Theo thành phần cation trao đổi, bentonit được chia làm loại: kiềm và kiềm thổ. Đối với bentonit kiềm, cation Na chiếm ưu thế trong tổ hợp cation trao đổi. Do Na+ có khả năng thu hút một lượng lớn các nhóm hydrat mà monmorillonit có hàm lượng Na+cao có khả năng trương nở lớn nhất. Bentonit với Ca chiếm ưu thế được gọi là bentonit canxi. Ngoài Ca2+, trong monmorillonit có thể có Mg2+ với số lượng đôi khi vượt cả Ca2+. Song thường gặp hơn cả là biến thể của bentonit canxi-magie.Trong môi trường nước, sét thuộc nhóm bentonit hay thường gọi là smectit (7 khoáng vật chính), rất dễ phân li và tạo nên một dung dịch dạng huyền phù. Kích thước của khoáng sét nhìn chung rất nhỏ (sét thường tập trung trong hợp phần dưới 2 micromet). Do cấu trúc đặc biệt, sét bentonit có bề mặt riêng lớn (có thể đạt trên 200-300m2/g), lỗ rỗng lớn nên khả năng hấp phụ lớn, mặt khác bentonit cũng như zeolit lại còn là một khoáng chất có khả năng hấp thụ theo cơ chế trao đổi cation trong cấu trúc tinh thể. Khi bị nung nóng, các tính chất này bị
19
suy giảm do cấu trúc tinh thể bị thay đổi, sét sẽ mất nước hấp thụ trong khoảng 80- 120°C, tiếp đó sẽ bị mất nước cấu trúc trong khoảng 450-570°C và cấu trúc tinh thể bị phá huỷ nhưngcũng tương tự các khoáng khác nêu trên trong giai đoạn này tinh thể mới chưa được hình thành, các oxit mới Al2O3, SiO2 đang ở dạng vô định hình nên vẫn còn hoạt tính[7].
Gibbsit Al(OH)3có hai lớp (OH) cũng chồng khít lên nhau nhưng chỉ khác ở chỗ chỉ có 2/3 lỗ hỗng được tạo thành từ các nhóm (OH) đó được lấp đầy bằng nguyên tử Al và mặc dù mỗi một nguyên tử Al vẫn được 6 nhóm (OH) vây quanh. Hơn nữa, trong cấu trúc của bruxit mỗi nhóm (OH) tiếp xúc với 3 nhóm (OH) khác trong cùng lớp còn trong cấu trúc của gibbsit các nhóm OH của lớp này lại trực tiếp tiếp xúc với các nhóm OH của lớp trên.Cũng tương tự bruxit, gibbsit cũng có khả năng phân li trong nước có điện tích âm hướng ra mặt ngoài nhưng gibbsit lại có tính phân cực mạnh hơn (lệch) vì chỉ có 2/3 số lỗ rỗng được lấp đầy nên khả năng hấp phụ thể hiện rõ ràng hơn.Khi bị nung nóng ở nhiệt độ từ 240°C-450°C các nhóm OH bắt đầu bị thoát ra khỏi cấu trúc và một biến thể trung gian được hình thành (boehmit) AlO(OH) với hoạt tính thấp hơn và từ 450°C- 600°C một lần nữa xảy ra quá trình mất nước cấu trúc của boehmit mới được hình thành trước đó. Ở nhiệt độ cao hơn (1200°C) sẽ chuyển thành corindon bền vững và không còn hoạt tính.
Boehmit AlO(OH): Kết tinh ở tinh hệ thoi, có cấu trúc dạng lớp, mỗi một cation Al3+
được bao bọc bởi 6 nguyên tử O nhưng các nguyên tử O này không nằm thẳng hàng mà bị biến dạng thành các lớp, các lớp này liên kết với nhau bằng mối liên kết H theo dạng -O-H-O-H-O.
Hình 1.7.Cấu trúc không gian tinh thể Boehmit
Cũng tương tự các hyđroxit khác boehmit dễ dàng phân li trong nước và cũng có khả năng hấp phụ tuy nhiên do kết tinh ở hệ khác nên độ bền nhiệt của boehmit có sự khác
20
biệt hơn so với các hyđroxit nhôm khác,khi bị nung nóng cấu trúc tinh thể bị phá huỷ, mất nước cấu trúc xảy ra ở nhiệt độ từ 450°C- 600°C.
Goethite FeO(OH): Là hai biến thể chủ yếu của hyđroxit sắt hay limonnit biến thể chứa 12-14% nước FeO(OH).nH2O. Goethite có cấu trúc tinh thể tương tự cấu trúc của diaspor và cũng có những tính chất tương tự.
Trong quá trình bị nung đốt cấu trúc của goethite bị phá huỷ bắt đầu từ nhiệt độ từ 300-420°C và goethite chuyển dần sang dạng oxit άFe2O3 hematit. Nhưng nếu nung đến 680°C sẽ xảy ra quá trình ngược lại chuyển đổi từ cấu trúc άFe2O3 hematit sang Fe2O3.