RÂY PHÂN TỬ VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ

Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn chất hấp phụ, không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều..  Khi bị hấp phụ

PGS.TS TẠ NGỌC ĐÔN

Bài giảng RÂY PHÂN TỬ VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ

Chuyên đề Dùng cho học viên cao học và nghiên cứu sinh các ngành Hóa học và Công nghệ hóa học

Hà Nội, 12/2009

MỞ ĐẦU

Chương 1 Những vấn đề chung về phương pháp hấp phụ

I HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ

I.1 Hiện tượng hấp phụ

 Hấp phụ: Là hiện tượng tăng nồng độ của chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên

bề mặt chất rắn (chất hấp phụ), không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều

Điều này khác với quá trình hấp thụ: chất bị hấp thụ sau khi được làm giàu phân bố đều khắp trong thể tích chất hấp thụ

 Khi bị hấp phụ lên bề mặt một chất rắn, chất bị hấp phụ chiếm chỗ của một cấu tử nào đó và đẩy nó ra khỏi vị trí mà

 Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ , trong đó:

- Lực tương tác giữa các ph.tử gây ra hấp phụ vật lý, trao đổi ion ;

- Lực nội phân tử gây ra hấp phụ hóa học

I.2 Hấp phụ trong môi trường nước

 Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và bị hấp phụ khá phức tạp vì trong hệ có ít nhất 3 thành phần gây tương tác là: nước – chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

 Do có mặt dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì xảy ra hấp phụ cho cặp đó

Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào:

- Độ tan của chất bị hấp phụ trong nước;

- Tính ưa hoặc kỵ nước của chất hấp phụ;

 Trong nước, bề mặt chất rắn có độ phân cực cao (VD: silicagel chứa nhiều nhóm OH) tương tác tốt với nước và có góc thấm ướt < 90o Khi ấy, không tạo thành giọt trên bề mặt chất rắn.

Các chất rắn có độ phân cực thấp (VD: than muội) có tính thấm ướt kém, góc thấm ướt > 90o Khi ấy, nó được coi là kỵ nước

 Khả năng hấp phụ của chất tan (chất bị hấp phụ) lên chất hấp phụ phụ thuộc vào tính tương đồng giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ về độ phân cực:

- Chất không phân cực (chất hữu cơ) hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực (than hoạt tính) và ngược lại.

- Một chất tan có độ phân cực cao hơn nước có thể hấp phụ tốt trên chất hấp phụ phân cực.

- Cùng bản chất hóa học mà có PTL khác nhau thì cấu tử có PTL lớn sẽ hấp phụ tốt hơn nếu không bị ràng buộc bởi hiệu ứng “rây phân tử”.

- Với một số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao (VD; Các ion kim loại, một số dạng phức oxi anion SO42-, PO43-, CrO42-, ) quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện Với các ion cùng hóa trị thì loại có kích thước lớn sẽ hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn Lớp vỏ hydrat là yếu tố cản trở tương tác tĩnh điện Theo do, có thể sắp xếp thứ

tự về khả năng hấp phụ như sau:

 Trong quá trình hấp phụ các chất có độ phân cực lớn, khả năng hấp phụ của hệ tốt ở trạng thái trung hòa điện tích và kém ở các vùng có điện tích cao Như vậy, lực hấp phụ của một hệ chủ yếu do lực tương tác tĩnh điện và hệ hấp phụ được gây ra bởi lực tĩnh điện có khả năng hấp phụ thấp.

 Điều rất đáng chú ý là tốc độ hấp phụ trong nước xảy ra chậm hơn nhiều so với hấp phụ trong pha khí , nguyên nhân chủ yếu là do quá trình chuyển khối, khuếch tán chậm Do

đó, trong thực tiễn công nghệ, dung lượng hấp phụ của một

hệ rất ít khi được sử dụng triệt để, nhất là đối với các chất hấp phụ có dung lượng hấp phụ cao (diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản nhỏ).

Kết quả sử dụng ngoài thực tiễn vì vậy đôi lúc có điều trái ngược , do sự tương tác giữa yếu tố động học và cân bằng hấp phụ trong môi trường nước hay do các yếu tố hấp phụ hỗn hợp:

- Chất hấp phụ có dung lượng cao có kết quả sử dụng kém hơn loại có chất lượng thấp;

- Chất hấp phụ có tính chọn lọc cao hấp phụ kém chất hấp phục có tính chọn lọc thấp.

I.3 Giải hấp phụ

* Đây là quá trình ngược với quá trình hấp phụ , tách chất bị hấp phụ ngay trên bề mặt chất rắn ra ngoài dung dịch Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi với quá trình hấp phụ.

 Đối với hấp phụ vật lý, để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua 5 yếu tố sau:

- Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ.

- Tăng nhiệt độ làm lệch hệ số cân bằng vì hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt, thực chất là làm yếu tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

- Thay đổi bản chất tương tác của hệ thông qua thay đổi pH môi

- Sử dung tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt chất rắn.

- Sử dụng tác nhân vi sinh vật

* Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh chất hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại, nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế Nếu chất hấp phụ rẻ mà tái sinh tốn kém thì chỉ nên sử dụng chất hấp phụ một lần rồi bỏ Vì vậy, khi tái sinh cần tính toán kỹ hiệu quả kinh tế.

* Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, có thể sử dụng

3 phương pháp tái sinh: Tái sinh nhiệt, phương pháp hóa

 Lưu ý là sau mỗi lần tái sinh, dung lượng hấp phụ sẽ giảm , chất hấp phụ bị hao hụt, vỡ vụn Do đó, số lần tái sinh chỉ

có một giới hạn nhất định.

b- Phương pháp hóa lý

 Có thể thực hiện bằng cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa khử, áp đặt các điều kiện làm chuyển dịch cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ và các điều kiện phản ứng cụ thể.

 Giải hấp phụ bằng phương pháp hóa lý có lợi là có thể thực hiện tại chỗ, ngay trong cột hấp phụ nên tiết kiệm được thời gian, công tháo dỡ, vận chuyển , không vỡ vụn chất hấp phụ nên không phải bổ sung thêm cho lần nạp sau đó, tránh được các tạp chất đọng lại trên bề mặt chất hấp phụ và có thể thu hồi chất bị hấp phụ ở trạng thái

c- Phương pháp vi sinh

 Tái sinh chất hấp phụ bằng phương pháp vi sinh là tái tạo khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ nhờ vi sinh vật.

 Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa một số hợp chất, đặc biệt là chất hữu cơ có chứa carbon, nitơ, photpho

 Trong quá trình trao đổi chất, các hợp chất carbon hữu cơ có thể chuyển hóa thành khí metan, axit béo, khí CO2 (yếm khí) hay H2O và CO (hiếu khí) Vì vậy, vi sinh vật cũng có khả năng chuyển hóa các chất hữu

cơ trên chất hấp phụ, tức là tái sinh chất hấp phụ.

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤT HẤP PHỤ

II.1 Giới thiệu

 Một hệ hấp phụ có dung lượng cao hay thấp trước hết phụ thuộc vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

 Nói chung, chất hấp phụ có diện tích bề mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ tốt hơn so với chất hấp phụ cùng bản chất nhưng có diện tích bề mặt thấp hơn.

 Diện tích bề mặt của chất hấp phụ tăng theo độ phân tán Độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính theo đon vị khối lượng (diện tích riêng) càng cao

VD: - Khối lấp phương có cạnh 1cm thì S= 6cm2

- Chia nhỏ thành các khối có cạnh 0,1cm thu được 1000 khối nhỏ, tổng S= 60cm2, tăng lên 10 lần (hạt càng nhỏ, diện tích bề mặt riêng càng lớn, phân tán càng mạnh)

II.2 Các phương pháp chế tạo chất hấp phụ

 Nguyên tắc chế tạo chất hấp phụ xốp chủ yếu dựa trên 4 phương pháp:

- Phương pháp kết tụ;

- Phương pháp ăn mòn;

- Phương pháp phân hủy nhiệt;

- Phương pháp kết tinh thủy nhiệt.

* Phương pháp kết tụ: Tạo ra cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thước nhỏ hơn , khác với tạo viên bằng phương pháp cơ học, vật liệu tạo cấu trúc xốp trong trường hợp này có kích thước rất nhỏ (VD: dạng keo phân tán trong một chất lỏng) Bằng các tác nhân vật lý, hóa học làm cho chúng co cụm, liên kết với nhau Khi sấy khô, khoảng cách giữa chúng giảm đi sẽ tăng độ bền liên kết giữa các hạt S bề mặt vật liệu = là tổng S

* Phương pháp ăn mòn: Là phương pháp đi từ một vật liệu đặc , dùng tác nhân hóa học cho phản ứng với khối chất đó

để tạo ra các sản phẩm có tính tan tốt, sản phẩm tạo thành mang theo một phần nguyên liệu ra ngoài tạo ra độ xốp (VD: Để tạo ra thủy tinh xốp, dùng tác nhân xút để ăn mòn).

* Phương pháp phân hủy nhiệt: Tương tự như phương pháp

ăn mòn nhưng tác nhân chính là dùng nhiệt Sản phẩm cuối cùng là các chất bay hơi Nếu trong nguyên liệu có sinh ra các chất bay hơi thì không cần bổ sung tác nhân phân hủy (VD: Dehydrat hóa nhôm hydroxit thành nhôm ôxit vì có tạo

ra nước).

* Phương pháp kết tinh thủy nhiệt: Là phương pháp từ một khối phản ứng vô định hình ban đầu , dùng nhiệt để ủ và các tinh thể hình thành trong chất lỏng Cấu trúc vật liệu tinh thể có độ xốp và diện tích do bản chất của nó quyết định (VD: Kết tinh zeolit từ dung dịch vô định hình, SP rắn tạo ra có độ xốp và diện tích khác nhau phụ thuộc cấu trúc mỗi loại zeolit)

 Ngoài 4 phương pháp trên, một số chất hấp phụ polyme, chất hấp phụ khoáng tự nhiên và chất hấp phụ có nguồn gốc sinh học được chế tạo theo các nguyên lý riêng.

II.3 Cấu trúc xốp của chất hấp phụ

* Độ xốp của chất hấp phụ: Trong vật liệu xốp, thể tích của

nó gồm 2 phần: Phần chất rắn (Vrắn) và phần không gian rỗng (Vtổng-Vrắn).

 Độ xốp β được định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích phần rỗng (Vtổng-Vrắn) trên thể tích tổng (Vtổng):

β = (Vtổng-Vrắn)/Vtổng = 1-Vrắn/Vtổng = 1-ρb/ρt

ρb = m/Vtổng; ρt = m/VrắnTrong đó: ρt là khối lượng riêng thực; ρb là khối lượng

riêng biểu kiến,

m là khối lượng chắt hấp phụ

II.4 Mao quản và sự phân bố theo độ lớn

 Các mao quản được IUPAC (Hội hóa học ứng dụng quốc tế) phân chia theo độ lớn của bán kính , dựa vào cơ chế hấp phụ trong pha hơi:

- Mao quản nhỏ: Đường kính ≤ 20Å (2nm), cơ chế hấp phụ trong vùng mao quản nhỏ là cơ chế lấp đầy thể tích mao quản.

- Mao quản trung bình: Đường kính 20-500Å (2-50nm), cơ chế hấp phụ trong vùng mao quản trung bình có liên quan đến hiện tượng ngưng tụ mao quản, tức là hiện tượng hơi hóa lỏng lúc áp suất thấp hơn áp suất bão hòa

do các phân tử bị hạn chế chuyển động trong vùng mao quản này.

- Mao quản lớn: Đường kính ≥ 500Å (50nm), cơ chế hấp phụ

có thể xảy ra theo kiểu đơn lớp, đa lớp, nhưng khong có hiện tượng ngưng tụ mao quản.

II.5 chế tạo một số chất hấp phụ

II.5.1 Chế tạo than hoạt tính

Ng.liệu có thể có nguồn gốc rất khác nhau, thường quy về 2 ph.pháp chính trong giai đoạn hoạt hóa (g.đoạn phát triển độ xốp của than): a- Hoạt hóa với hóa chất: Hoạt hóa hóa học: Q.trình đưa thêm một

số tác nhân hóa học vào ng.liệu, hoặc tồn tại sẵn trong ng.liệu Tác nhân hóa học đưa vào thường là các chất vô cơ như: Kiềm, muối cacbonat, sunfat, sunfit kiềm, cacbonat, clorua, sunfat, photphat của kiềm thổ; kẽm clorua, axit sunfuric, photphoric.

 Than hoạt tính SX theo phương pháp này có S bề mặt không cao, nhưng độ xốp lớn, thích hợp cho hấp phụ các phân tử lớn trong chất lỏng (tẩy màu), ít thích hợp cho hấp phụ các chất khí.

 Tuy nhiên, q.trình nhiệt phân or than hóa một số ng.liệu đặc thù như polyme PVC, polyvinylacetat, cho SP có S ≥1.000 m2/g SP tạo ra có giá rất cao, không thích hợp cho SX đại trà.

b- Hoạt hóa với khí, hơi: Hoạt hóa vật lý Thường qua 2 giai đoạn: Than hóa và hoạt hóa.

- Giai đoạn than hóa là giai đoạn đốt yếm khí tại 400-500oC nhằm loại bỏ các thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đưa nguyên liệu trở về dạng carbon.

- Giai đoạn hoạt hóa là bước phát triển độ xốp của nguyên liệu thông qua phản ứng oxi hóa ở nhiệt độ cao (800- 1.000oC) Trong quá trình oxi hóa, một số nguyên tử C bị đốt cháy thành khí CO, CO2 Khí này bay đi để lại chỗ trống, đó chính là cơ chế tạo ra độ xốp.

- Than hoạt tính thương phẩm thường được phân chia theo dạng hạt hay bột, loại tẩy màu hay hấp phụ khí và kèm theo nó là một số chỉ tiêu: Chỉ số iod, chỉ sóm tẩy màu, chỉ số phenol,

Sọ dừa Hơi nước Nước cấp, nước

thải, đồ uống

2 CAL 12x40 Calgon, Pittsburg,

Mỹ Than non (bitum) Hơi nước Nước, đồ uống, đường

3 Acticarbon Charbon actifs

Co., Mỹ

Than gỗ Hơi nước Nước, rượu, dầu

thực vật, đường

4 Dusarit Matschapp

Activit, Hà Lan Than gỗ Không khí Nước, tinh chế đường

5 Hydraffin Carbo - Norit, Séc

và Đức

Gỗ Clorua kẽm Nước

6 Nuchar West Virginia, Mỹ Bã thải CN giấy Hơi nước Nước, tẩy màu,

khử mùi khí

7 Norit Amer Norit Co., Gỗ thông Hơi nước Tẩy màu thực

Bảng 1 Một số loại than hoạt tính dùng để xử lý nước và nước thải

II.5.2 Silicagel

 Silicagel là chất hấp phụ có cấu trúc rất xốp , thành phần chủ yếu là SiO2.

 Silicagel hạt chứa rất nhiều quả cầu SiO2 nhỏ, các quả cầu nhỏ SiO2 tu lại với nhau, sắp xếp không theo một trật tự nào

về mặt hình học Khoảng không gian giữa các quả cầu nhỏ chính là lỗ xốp , tổng S bề mặt ngoài của các quả cầu nhỏ chính là S bề mặt của silicagel.

 Độ xốp của silicagel có thể đạt 50-60%, S của một số loại đạt tới 800m2/g Tổng hợp silicagel là ví dụ điển hình của phương pháp keo tụ.

 Ng.liệu chính để tổng hợp silicagel: Axit silic, axit đơn (H4SiO4), SiCl4, thủy tinh lỏng (xNa2O.ySiO2.zH2O) Phương pháp thông dụng là kết tủa SiO2 từ thủy tinh lỏng bằng với

 Tính chất của silicagel phụ thuộc vào: Nồng độ, pH, nhiệt

độ Ngoài ra, tỷ lệ các thành phần tham gia phản ứng, tốc

độ khuấy trộn, chất thêm đưa vào, thứ tự đưa chất tham gia phản ứng đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

 Silicagel thương mại thường có 2 loại: Mao quản lớn và mao quản nhỏ:

- Loại mao quản nhỏ có dung lượng hấp phụ cao hơn , sử dụng nhiều làm chất hút ẩm, mặt nạ phòng độc, tinh chế dầu mỏ

- Loại mao quản lớn dùng cho các ứng dụng đặc thù (VD: Làm chất hấp phụ hoặc chất mang trong phân tích sắc ký) thường được biến tính bề mặt trước khi sử dụng.

II.5.3 Nhôm oxit

 Là vật liệu màu trắng nhà, không tan trong nước, tan trong axit đặc, khi nung ở nhiệt độ cao chuyển sang dạng thù hình khác và không tan trong axit

 Khi loại bỏ nước của nhôm hydroxit (dạng ortho, meta) hay

nung nhôm oxihydrat sẽ tạo γ-Al2O3 tinh thể:

 γ-Al2O3 tan trong cả axit và kiềm, được sử dụng rất phổ biến Khi nung ở nhiệt độ cao (trên 1.000oC), γ-Al2O3 chuyển hóa thành dạng α không tan trong axit, kiềm và không hút ẩm, điểm nóng chảy rất cao (2050oC).

 Ngoài ra, nhôm oxit còn tồn tại ở các dạng thù hình: β, δ và ζ

2Al(OH) 3 2AlO(OH) 2γ-Al 2 O 3 α-Al 2 O 3

-2H 2 O

1000 o C

150 o C 300 o C

-H 2 O

- Trong công nghiệp, dạng nhôm hydroxit trong quặng bauxit

sử dụng rất phổ biến làm nguyên liệu, gồm:

+ Gibbsit là loại trihydrat (Al2O3.3H2O) ;

+ Diaspor và boemit là loại monohydrat (Al2O3.H2O).

Thành phần trong quặng: Al2O3 = 55-60%, độ ẩm = 12-30%, SiO2 = 4-10%, Fe2O3 = 1,5-23,6%, TiO2 = 1,5-2,6%.

- Trong phòng thí nghiệm, chế tạo Al2O3 thường thủy phân muối nhôm (sunfat, clorua, acetat), phèn với amoniac, xút,

sô đa, để thu nhôm hydroxit, sau đó nung được Al2O3.

Để thu được γ-Al2O3 nhiệt độ nung thường từ 300-600oC, S

= 30-300m2/g.

II.5.4 Chất hấp phụ polyme

 Chất hấp phụ polyme có cấu trúc và cách chế tạo tương

tự như các loại nhựa trao đổi ion nhưng không chứa các nhóm chức trao đổi ion Thường có dạng cầu, không tan trong nước, tùy thuộc bản chất vật liệu polyme mà mề mặt SP có độ phân cực rất khác nhau Tùy thuộc điều kiện tổng hợp có thể điều khiển được độ xốp, S và sự phân bố độ lớn mao quản.

 Khi chọn chất hấp phụ polyme để loại bỏ các tạp chất hữu cơ cần chú ý đến độ lớn mao quản , vì khả năng hấp phụ sẽ tỷ lệ với diện tích bề mặt.

Độ xốp, % Khối lượng

riêng, g/ml m S, 2 /g quản, nm Dmao Lĩnh vực ứng dụng xử lý

1 XAD-1 Polystyren 37 1,02 100 20 Chất hữu cơ, phenol

2 XAD-2 Polystyren 42 1,02 300 9 Chất hữu cơ, phenol,

thu hồi kháng sinh

3 XAD-4 Polystyren 45 1,02 725 4 Phenol, cơ clo, thu hồi

kháng sinh

4 XAD-16 Polystyren - 1,02 800 10 Tách phân tử hữu cơ

lớn như loại protein

5 XAD-7 Acrylic

ester 55 1,05 450 9 Màu nhuộm, loại bỏ chất hữu cơ, thu hồi

kháng sinh

6 XAD-8 Acrylic 52 1,09 160 23 Xử lý nước thải bột

Bảng 3 Một số chất hấp phụ polyme và các đặc trưng của chúng

(SP Amberlite, Hãng Rohm & Haas, Mỹ)

CHƯƠNG III CHẤT HẤP PHỤ KHOÁNG SÉT THIÊN NHIÊN

III.1 Giới thiệu chung về khoáng sét tự nhiên

Kh.sét tự nhiên (KSTN): 40 loại Ph.loại dựa vào TPhh, cấu trúc III.1.1- Thành phần khoáng sét

 Năm 1960, Uỷ ban Danh pháp quốc tế đã họp tại Copenhagen

và định nghĩa khoáng sét là một loại silicat có cấu trúc lớp, được hình thành từ các tứ diện oxyt silic sắp xếp thành mạng hình lục giác, liên kết với các mạng bát diện

 Trong thành phần chứa silic (Si) và nhôm (Al), nhưng hàm lượng Al ít hơn Si Ngoài ra còn có sắt (Fe), magie (Mg), kali (K), natri (Na), canxi (Ca) v.v

 Để nhận biết nhanh từng loại khoáng sét, có thể dựa vào sự

có mặt của các nguyên tố Al, Fe, Mg (không kể Si) trong thành phần của nó (Bảng 4).

Tên khoáng

sét

Nguyên tố có

nhiều trong thành phần

Tên khoáng

sét

Nguyên tố có nhiều

trong thành phần

Clorit Talc

III.1.2 Cấu trúc khoáng sét

 Cấu trúc lớp hai chiều Các lớp trong cấu trúc của khoáng sét được hình thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản Đơn vị thứ nhất là tứ diện SiO 4 , chúng liên kết với nhau thành mạng lưới tứ diện (Hình 1) và đơn vị thứ hai là bát diện MeO 6 (Me: Al, Fe, Mg, ), chúng liên kết với nhau thành mạng lưới bát diện (Hình 2)

: Oxy; : Silic a) b)

: Hydroxyl : Me = Al, Fe, Mg,

a) b)

Hình 2 Đơn vị cấu trúc bát diện (a) và mạng lưới cấu trúc

bát diện (b).

Mạng lưới bát diện và mạng lưới tứ diện lại liên kết với nhau qua oxy đỉnh chung theo những quy luật trật tự nhất định, tạo ra những khoáng sét có cấu trúc khác nhau: Cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1 và cấu trúc 2:1+1

Si

Mg

Hydroxyl trong

Hydroxyl ngoài

7,19 Å

Si

Al

Hydroxyl trong

Hydroxyl ngoài

7,21 Å

a) Cấu trúc 1:1 triocta b) Cấu trúc 1:1 diocta

III.2 Giới thiệu về khoáng sét cấu trúc 1:1 (tiêu biểu cao lanh) III.2.1 Thành phần hóa học

 Cao lanh: Thành phần chính là khoáng vật kaolinit , công thức đơn giản là Al2O3.2SiO2.2H2O Công thức lý tưởng là

III.2.2 Cấu trúc tinh thể

 Bề mặt của kaolinit: Bề mặt trong và bề mặt ngoài CEC ở

bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gẫy liên kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự giảm kích thước hạt CEC

ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng lưới cấu trúc và khả năng hấp thụ của kaolinit

Hình 6 Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinit.

CEC của kaolinit phụ thuộc nhiều vào pH của môi trường trao đổi

và tăng dần từ môi trường axit đến môi trường kiềm

Ngoài ra, CEC còn phụ thuộc vào bản chất của các cation trao đổi: với cation trao đổi hóa trị 2 thường cho CEC lớn hơn so với cation trao đổi hoá trị 1 bởi phản ứng cho - nhận proton xuất hiện đồng thời trên các vị trí của Si và Al trong mạng lưới cấu trúc.

Vị trí trao đổi trên bề

mặt

Vị trí trao đổi bên trong Hạt

kaolinit

III.2.4 Những biến đổi trong cấu trúc cao lanh khi nung

 Nước trong cấu trúc kh.sét chia làm 3 loại:

Hình 7 Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh

 Nước trong cao lanh:

- Nước bề mặt mất đi: Sấy ở 100 ÷150 o C

- Nước “mao quản”: Nung đến 350 ÷400 o C.

- Nước cấu trúc (nhóm OH mạng lưới) dần mất hết và kèm theo sự phá vỡ cấu trúc: 550-700 o C

- Khi tăng đến 900 o C thì cấu trúc cao lanh bị sập hoàn toàn

Việc xác định sự mất dần các -OH dựa vào DTA Ngoài ra phương

Nước hấp phụ trên bề mặt (1)

Nước hấp phụ trong khoảng cách giữa các lớp

(2)

Nước hoá học hay là nhóm

hydroxyl (3)

Hydr o Oxy

III.3 Giới thiệu về khoáng sét cấu trúc 2:1 (Bentonit)

III.2.1 Thành phần hóa học

 Bentonit là khoáng sét tự nhiên thuộc nhóm cấu trúc 2:1 dạng diocta Tên gọi “bentonit” bắt nguồn từ nơi tìm thấy đầu tiên: núi Bentox, vùng Rok- krik, Mỹ Là sét dẻo, màu nâu vàng hoặc xanh xám, trương nở mạnh trong nước.

 Thành phần chính của bentonit là montmorillonit có công thức hoá học tổng quát là Al 2 O 3 .4SiO 2 .nH 2 O ;

Thường có cả saponit- Al 2 O 3 [MgO].4SiO 2 .nH 2 O;

nontronit- Al 2 O 3 [Fe 2 O 3 ].4SiO 2 .nH 2 O;