Vật liệu sau khi tổng hợp đƣợc chụp Xray để xác định cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) và chụp SEM để xác định hình thái của vật liệu.
Kết quả phân tích Xray cho thấy trong thể rắn đƣợc hình thành có chứa vật liệu Sodium Aluminum silicate hydrate Na6[AlSiO4]6.4H2O.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau 4
01-076-1806 (D) - Protoenstatite, syn - MgSiO3 - Y: 30.43 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 9.25000 - b 8.74000 - c 5.32000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pbcn (60) 00-042-0216 (I) - Sodium Aluminum Silicate Hydrate - Na6[AlSiO4]6·4H2O - Y: 71.37 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 8.96500 - b 8.96500 - c 8.96500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Pr ` - File: Phuong MT mau 4.raw - Type: Locked Coupled - Start: 5.000 ° - End: 50.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 5.000 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0.0
L in (C p s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 2-Theta - Scale 5 10 20 30 40 50 d=6. 381 d=3. 675 d=2. 836 d=2. 592 d=2. 124 d=4. 495 d=3. 183 d=2. 765 Hình 3.4: Nhiễu xạ đồ
Kết quả chụp SEM cho hình ảnh:
Nhiễu xạ đồ (hình 3.4) cho thấy sự hình thành Sodalit. Ảnh chụp với kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy các tinh thể zeolit đƣợc hình thành có kích thƣớc khá đồng nhất (~1 - 2 µm) và liên kết với nhau tạo thành dạng khối vảy. Hình thái của sản phẩm tổng hợp hoàn toàn khác biệt so với Dia-HL ban đầu cho thấy phản ứng nhiệt dịch đã phá hủy hoàn toàn cấu trúc điatomit ban đầu để tạo ra dạng kết tinh mới (hình 3.5). Trong môi trƣờng kiềm mạnh các tinh thể sodalit đƣợc hình thành thông qua các trạng thái phân tán và kết tinh.
Nhƣ vậy, trong quá trình biến tính cấu trúc và hình thái của diatomit HL bị phá vỡ dƣới tác động của các yếu tố nồng độ kiềm, nhiệt độ và thời gian khuấy từ.
Đồng thời vật liệu đƣợc phân tích lại các chỉ tiêu có liên quan đến khả năng hấp phụ của chúng là pHKCl, CEC. Mục đích của việc phân tích lại các chỉ tiêu này là để đánh giá khả năng tăng hiệu quả hấp phụ của vật liệu thông qua sự thay đổi các tính chất trên.
Bảng 3.8. Tính chất của vật liệu sau khi tổng hợp
STT Chỉ tiêu Giá trị Đơn vị
1 pHKCl 9,21
2 CEC 255 Mgdl/100g đất
Nhƣ vậy sau khi biến tính, các tính chất của vật liệu có sự thay đổi rõ rệt nhƣ sau: - pHKCl: diatomit HL ban đầu có pHKCl = 3,71 và vật liệu hình thành có pHKCl =9,21. Nhƣ vậy sau quá trình biến tính, tính chất của vật liệu thay đổi hoàn toàn,từ vật liệu ban đầu có tính axit trở thành vật liệu mang độ kiềm. Có thể giải thích đƣợc là do quá trình biến tính có sử dụng môi trƣờng kiềm mạnh, dƣ nên dẫn đến sự tăng pH của vật liệu.
- CEC: Vật liệu sau khi biến tính có CEC = 255 mgdl/100g đất gấp 4,3 lần so với diatomit HL (CEC = 59 mgdl/100g đất). So với diatomit BL (CEC = 160 mgdl/100g đất) thì khả năng trao đổi cation của diatomit HL cao hơn rất nhiều. Điều này có thể giải thích do hàm lƣợng SiO2 của diatomit HL (62,4%) cao hơn so với diatomit BL(54,8%).
3.2.2. Tro bay và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu 3.2.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ kiềm OH-
Nồng độ kiềm là yếu tố quan trọng đối với sự phá vỡ cấu trúc khoáng, hòa tan oxit silic. Nồng độ kiềm càng cao thì quá trình phá vỡ cấu trúc tro bay, hòa tan oxit silic và tái kết tinh hình thành vật liệu càng diễn ra triệt để hơn. Dựa trên sự hình thành zeolit bằng cách sử dụng các loại kiềm khác nhau (NaOH, KOH và Na2CO3), Murayama và nnk (2002) nhận thấy rằng NaOH là loại kiềm phù hợp nhất để tổng hợp zeolit. Họ cũng đƣa ra ý kiến cho rằng ion OH- và Na+ tồn tại độc lập trong phản ứng. OH- tham gia vào việc hòa tan khoáng, còn Na+ lại tăng cƣờng kết tinh nên tinh thể zeolit. [dẫn theo 44]
Bảng 3.9. Mối tương quan giữa nồng độ OH- với CEC của tro bay
Mẫu Không biến tính 1N 2N 3N 4N 5N 6N CEC (mgdl/100g đất) 30 110 120 180 120 110 110
Chú ý: Mẫu 1N, 2N...6N tƣơng ứng với các mẫu có nồng độ NaOH từ 1N...6N
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ OH- đến CEC của tro bay.
30 (mgdl/100g). Tuy nhiên với các mẫu tro bay có NaOH 1N, 2N thì CEC bắt đầu tăng cao lên 120 (mgdl/100g). Đặc biệt tại mẫu tro bay có nồng độ NaOH 3N thì CEC đạt giá trị cực đại là 180 (mgdl/100g). Các mẫu tro bay với nồng độ NaOH cao hơn (4N→6N) thì CEC bắt đầu giảm dần. Nhƣ vậy tại NaOH 3N tro bay đạt cực đại và sẽ giảm dần với nồng độ cao hơn.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy từ
Thời gian là một trong những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo vật liệu mới. Với các mức thời gian khác nhau thì hiệu quả tạo vật liệu khác nhau. Từ các thí nghiệm về ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến tro bay đã chọn đƣợc nồng độ NaOH 3N là nồng độ thích hợp nhất để biến tính tro bay (cho khả năng trao đổi CEC cao nhất). Cho nên trong các thí nghiệm về ảnh hƣởng của thời gian già hóa sẽ chọn nồng độ NaOH 3N để làm chuẩn. Quá trình biến tính bỏ qua giai đoạn hấp cách thủy (HCT), chỉ thực hiện khuấy từ với các thời gian khác nhau 1h, 6h, 12h, 24h, 48h tại 1000C.
Bảng 3.10. Mối tương quan giữa thời gian với CEC của tro bay
Mẫu 1h-HCT 1h 6h 12h 24h 48h
CEC
(mgdl/100g) 160 35 80 115 185 85
Trong đó: Mẫu 1h,…,48h tƣơng ứng với mẫu khuấy từ trong thời gian 1h…,48h.
1h-HCT tƣơng ứng với mẫu khuấy từ trong 1h và hấp cách thủy trong 24h. Đồ thị
Từ bảng (3.10) và hình (3.7) cho thấy: trong cùng điều kiện nhiệt độ khuấy từ nhƣng với thời gian khuấy khác nhau thì CEC đạt các giá trị khác nhau. CEC đạt giá trị lớn nhất trong 24h khuấy từ, có CEC thấp nhất trong thời gian 1h khuấy từ. Và khi tăng thời gian khuấy từ từ 1h đến 24h thì CEC có xu hƣớng tăng dần. Đến tại thời điểm khuấy trong 48h thì CEC lại giảm dần. Điều này có thể giải thích nhƣ sau: với thời gian khuấy từ càng lâu thì cấu trúc tính thể của tro bay bị phá hủy càng nhiều, sự thay thế điện tích của Al3+ cho Si4+ càng nhiều tạo nên sự thiếu hụt điện tích ngày càng nhiều. Và đây chính là lý do mà khả năng hấp thu các cation lớn nên CEC cao. Tuy nhiên chỉ đến một thời gian nào đó thì cấu trúc tinh thể không thể phá vỡ nữa mặc dù tăng thời gian khuấy từ lên.
Đồng thời có thể thấy sự khác biệt giữa mẫu 1h-HCT và mẫu 1h về CEC, mẫu 1h-HCT có CEC cao hơn 4 lần so với mẫu 1h. Điều này có thể hiểu là do mẫu này trải qua giai đoạn hấp cách thủy, trong giai đoạn này vẫn giữ nguyên nhiệt độ ở 900C tạo thêm điều kiện cho quá trình phá vỡ cấu trúc tro bay và tái tạo vật liệu mới. So với mẫu 24h có CEC = 185 mgdl/100g đất thì mẫu 1h-HCT đạt hiệu quả cao hơn.
3.2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuấy từ
Nhiệt độ là một trong 3 yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến quá trình phá vỡ và tái tạo vật liệu mới từ tro bay. Với 2 điều kiện là nồng độ NaOH 3N, thời gian khuấy từ trong 1h (sau đó hấp cách thủy trong 24h) để làm thí nghiệm ảnh hƣởng của nhiệt độ khuấy từ đến CEC của tro bay. Kết quả nhƣ sau:
Bảng 3.11. Mối tương quan giữa nhiệt độ và CEC của tro bay
Mẫu 1000C 1500C 2000C 2500C
CEC (Mgdl/100g)
210 190 180 120
Đồ thị
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ khuấy từ đến CEC tro bay
Từ bảng (3.11) và hình (3.8) cho thấy CEC đạt giá trị cao nhất tại nhiệt độ 1000C với 210 mgdl/100g đất và có giá trị nhỏ nhất tại nhiệt độ 2500C là 120 mgdl/100g. Có thể thấy kết quả này tƣơng đối hợp lý với các thí nghiệm trong lần 1, lần 2 với sự chênh lệch không quá lớn.(Các mẫu này đều trải qua giai đoạn hấp cách thủy trong 24h ở nhiệt độ 900C).
Từ tro bay nhà máy nhiệt điện chứa hàm lƣợng lớn các oxit silic, có thể tổng hợp đƣợc zeolit nhân tạo. Điều kiện môi trƣờng nhƣ nồng độ kiềm, nhiệt độ và thời gian có tác động đến CEC của zeolit tạo thành. Trong môi trƣờng lựa chọn là kiềm mạnh NaOH 3N, tro bay bị hòa tan và tái kết tinh để hình thành các tinh thể zeolit ở nhiệt độ 1000C trong bình khuấy từ có gắn sinh hàn với thời gian 1 giờ. Các mẫu này hấp cách thủy trong 24h ở nhiệt độ 900C. Đây là công thức điều chế tƣơng đối đơn giản và tối ƣu cho quá trình điều chế vật liệu từ tro bay. Hiệu suất của quá trình đạt đƣợc là 75% do trong quá trình điều chế, một lƣợng tro bay bị mất trong quá trình ly tâm rửa kiềm. Hiệu suất này thấp hơn so với quá trình điều chế Dia-HL vì tro bay nhẹ hơn diatomit nên trong quá trình rửa kiềm lƣợng tro bay bị rửa theo nƣớc nhiều hơn.
Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp vì: - Quá trình sản xuất đơn giản.
- Các hóa chất dùng cho thí nghiệm dễ tìm, giá thành thấp.
- Hiệu suất sản xuất tƣơng đối cao và có thể sản xuất một lƣợng lớn vật liệu. Tuy nhiên quy trình sản xuất này cũng có nhƣợc điểm tƣơng tự nhƣ đối với sản xuất vật liệu điatomit, quá trình tổng hợp sử dụng một lƣợng kiềm (NaOH) lớn để làm dung dịch môi trƣờng nên vật liệu sau phản ứng có pH cao (thƣờng ≥ 13). Đòi hỏi phải xử lý kiềm trong vật liệu bằng cách rửa nhiều lần với nƣớc cất và làm mất đi môt lƣợng đáng kể tro bay do bị rửa theo nƣớc cất.
3.2.2.4. Vật liệu tổng hợp và những thay đổi về tính chất lý hóa học của vật liệu
Vật liệu sau khi biến tính đƣợc chụp SEM và Xray để xác định hình thái và thành phần hóa học trong cấu trúc của vật liệu.
Đối với zeolit tổng hợp đƣợc từ tro bay cho phổ nhiễu xạ tia X có thêm nhiều chỏm hơn so với mẫu tro bay ban đầu và xuất hiện X với một lƣợng tƣơng đối lớn
(hình 3.9). Ngoài thành phần quartz còn xuất hiện các đỉnh đặc trƣng của mullite (Al6Si2O13). Phổ nhiễu xạ tia X của zeolit có đƣờng nền phẳng hơn so với tro bay điều này có thể giải thích do các pha vô định hình có trong tro bay đã bị hòa tan bởi NaOH 3N.
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau T ro bay
15-0776 (I) - Mullite, syn - A l6Si2O13 - Y : 35.48 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 46-1045 (* ) - Quartz, syn - S iO2 - Y : 94.14 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
38-0237 (* ) - Sodium A luminum S ilicate Hydrate Zeolite X, (Na) - Na2A l2S i2.5O9·6.2H2O/Na2O·A l2O3·2.5S iO2·6.2H2O - Y : 67.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Trang-Moitruong-Tro bay(27-5-2011).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 ° - End: 69.990 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - A node: Cu - Creation: 05/26/11 08:33:17
L in ( C p s) 0 100 200 300 400 500 600 2-T heta - Sc ale 3 10 20 30 40 50 60 70 d= 14 .3 13 d= 8. 83 4 d= 7. 54 9 d= 5. 73 3 d= 5. 40 9 d= 4. 80 7 d= 4. 41 5 d= 4. 26 7 d= 3. 80 5 d= 3. 39 3 d= 3. 34 2 d= 3. 04 9 d= 2. 93 87 d= 2. 88 06 d= 2. 78 79 d= 2. 70 15 d= 2. 65 89 d= 2. 61 26 d=2. 54 41 d= 2. 45 54 d= 2. 40 09 d= 2. 28 52 d= 2. 20 58 d= 2. 12 10 d= 1. 98 11 d= 1. 95 02 d= 1. 92 23 d= 1. 84 16 d=1. 81 82 d= 1. 76 29 d= 1. 71 56 d= 1. 69 89 d= 1. 59 82 d= 1. 54 09 d= 1. 52 57 d= 1. 51 08 d= 1. 46 89 d= 1. 40 73 d= 1. 37 46
Kết quả chụp SEM nhƣ sau:
Hình 3.10: Hình thái tro bay ban đầu và sau khi biến tính
Zeolit sau khi đƣợc tạo thành đƣợc phân tích lại các chỉ tiêu cơ bản có liên quan đến khả năng hấp phụ của chúng là pHKCl, CEC. Mục đích của việc phân tích lại các chỉ tiêu này là để đánh giá khả năng tăng hiệu quả hấp phụ của vật liệu thông qua sự thay đổi các tính chất trên.
Bảng 3.12.Ttính chất của vật liệu sau khi tổng hợp
STT Chỉ tiêu Giá trị Đơn vị
1 pHKCl 9,04
2 CEC 170 Mgdl/100g đất
Nhƣ vậy sau khi biến tính, các tính chất của vật liệu có sự thay đổi rõ rệt nhƣ sau:
- pHKCl: tro bay ban đầu có pHKCl = 8,31 và vật liệu hình thành có pHKCl =9,03. Nhƣ vậy sau quá trình biến tính, tính chất của vật liệu thay đổi không đáng kể, vât liệu vẫn mang tính kiềm. Một phần là do quá trình biến tính có sử dụng môi trƣờng kiềm mạnh, dƣ nên dẫn đến sự tăng pH của vật liệu.
- CEC: Vật liệu sau khi biến tính có CEC = 170 mgdl/100g đất gấp 5,7 lần so với tro bay ban đầu (CEC = 30 mgdl/100g đất). Nhƣ vậy trong quá biến tính đã tạo ra đƣợc vật liệu có khả năng trao đổi cation cao hơn so với tro bay ban đầu.
3.3. Hiệu quả hấp phụ chì và cadimi của vật liệu tổng hợp từ diatomit hòa lộc
3.3.1. Với đất ô nhiễm nhân tạo
Kết quả phân tích hàm lƣợng Pb+2 linh động trong mẫu thí nghiệm về khả năng hấp phụ Pb+2
của vật liệu tổng hợp từ Dia-HL đƣợc trình bày trong bảng 3.13 và minh họa bằng đồ thị hình (3.11). Lƣợng Pb+2 linh động bị hấp phụ và hiệu quả hấp phụ đƣợc tính theo công thức nêu trong phần phƣơng pháp nghiên cứu. Từ kết quả thu đƣợc, có thể rút ra một số nhận xét sau:
Bảng 3.13. Kết quả phân tích nồng độ Pb linh động và trao đổi Lượng Pb
cho vào đất (mg/kg đất)
Công thức thí nghiệm (có vật liệu hấp phụ)
Công thức đối chứng (không có vật liệu hấp phụ) Pb2+ linh động (mg/l) Pb2+ trao đổi (mg/l) Pb2+ linh động (mg/l) Pb2+ trao đổi (mg/l) 80 0,027 0,018 0,005 0,021 100 0,031 0,015 0,008 0,022 120 0,048 0,015 0,005 0,025 150 0,052 0,015 0,004 0,024 250 0,071 0,015 0,008 0,027 350 0,044 0,015 0,006 0,033 450 0,109 0,016 0,022 0,038 550 0,078 0,016 0,041 0,044 650 0,081 0,016 0,044 0,046
- Từ bảng số liệu (3.13), hiệu quả cố định Pb+2 của đất đối chứng cho thấy khả năng cố định kim loại Pb+2
của đất là rất cao chiếm trên 99,92% tại các mức ô nhiễm. Điều này có thể đƣợc lý giải bằng các phản ứng tạo kết tủa của ion chì với các gốc nhƣ sunphate, chlore, hydratecarbonate...Đồng thời, Pb+2
cũng có ái lực hấp phụ mạnh với các hợp phần đất nhƣ các oxit sắt và mangan, và có khả năng tạo chelate với nhiều hợp phần hữu cơ của đất nhƣ các axit humic, fulvic (xem mục 1.1).
- Từ kết quả phân tích nồng độ Pb dễ dàng nhận thấy rằng đối với mẫu trộn vật liệu hấp phụ từ Dia-HL nồng độ Pb trong dung dịch lọc ban đầu luôn cao hơn so với nồng độ Pb trong dung dịch trao đổi đối với tất cả các mức gây ô nhiễm. Đối với mẫu không đƣợc trộn vật liệu hấp phụ từ Dia-HL hiện tƣơng xảy ra theo chiều ngƣợc lại, tức là nồng độ Pb trong dung dịch lọc ban đầu luôn thấp hơn so với nồng độ Pb trong dung dịch trao đổi. Điều này có thể rút ra kết luận về sự ảnh hƣởng của