Nghiên Cứu Biến Tính Khoáng Sét Bentonite Di Linh – Lâm Đồng Làm Vật Liệu Hấp Phụ

Khoáng sét bentonite là đối tượng được nghiên cứu rất nhiều trong việcchế tạo ra vật liệu hấp phụ mới do giá thành rẻ, dễ kiếm, có khả năng hấp phụcao sau khi xử lý biến tính.. Mục đích

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH KHOÁNG SÉT BENTONITE

DI LINH - LÂM ĐỒNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ

Người thực hiện : ĐỖ XUÂN THỌ

Hà Nội – 2016

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích và yêu cầu của nghiên cứu 2

1.2.1 Mục đích 2

1.2.2 Yêu cầu 2

PHẦN II TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

2.1 Giới thiệu chung về khoáng sét 3

2.1.1 Nguồn gốc tự nhiên 3

2.1.2 Thành phần của khoáng sét tự nhiên 3

2.1.3 Cấu trúc của khoáng sét tự nhiên 4

2.1.4 Phân loại khoáng sét theo cấu trúc 6

2.2 Giới thiệu về khoáng sét Bentonite 7

2.2.1 Thành phần hóa học và cấu trúc 7

2.2.2 Tính chất của bentonite 9

2.2.3 Ứng dụng của bentonite 11

2.3 Khoáng sét bentonite ở Việt Nam 12

2.4 Các phương pháp biến tính khoáng sét bentonite 13

2.4.1 Phương pháp nhiệt hóa 13

2.4.2 Biến tính và hoạt hóa bề mặt 13

PHẦN III ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

3.1 Đối tượng nghiên cứu 19

3.2 Phạm vi nghiên cứu 19

3.3 Nội dung nghiên cứu 19

3.3.1 Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu Bentonite Di Linh tự nhiên .19

3.3.2 Nghiên cứu biến tính vật liệu Bentonite Di Linh bằng NaCl 19

3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu quả biến tính của Bentonite 19

3.4 Phương pháp nghiên cứu 19

3.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 19

3.4.2 Phương pháp chuẩn bị vật liệu thí nghiệm 20

3.5 Phương pháp bố trí thí nghiệm 20

3.6 Phương pháp xử lý số liệu 22

PHẦN IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23

4.1 Đặc điểm, tính chất của vật liệu bentonite Di Linh sử dụng trong nghiên cứu 23

4.2 Biến tính vật liệu bentonite Di Linh - Lâm Đồng với nhiệt độ 25

4.3 Biến tính vật liệu bentonite theo nồng độ NaCl và thời gian biến tính .33

4.4 Biến tính vật liệu bentonite với NaCL và nhiệt độ 45

4.5 So sánh hiệu quả biến tính khoáng sét bentonite giữa các thí nghiệm dựa trên giá trị CEC 50

4.5.1 So sánh hiệu quả giữa biến tính với nhiệt độ và biến tính với NaCl 50

4.5.2 So sánh hiệu quả giữa biến tính bằng nhiệt độ và biến tính bằng NaCl kết hợp nhiệt độ 51

4.5.3 So sánh hiệu quả giữa biến tính bằng NaCl và biến tính bằng NaCl kết hợp nhiệt độ 51

PHẦN V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Kiến nghị 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 58

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa theo thành phần 3 nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si) 4

Bảng 3.1 Thiết kế thí nghiệm 1 20

Bảng 3.2 Thiết kế thí nghiệm 2 21

Bảng 3.3 Thiết kế thí nghiệm 3 22

Bảng 4.1.Kết quả phân tích thành phần khoáng của bentonite Di Linh tự nhiên 23

Bảng 4.2 Giá trị khả năng trao đổi của bentonite trước và sau biến tính với .25

Bảng 4.3 Kiểm định sự sai khác có ý nghĩa giữa các công thức nhiệt độ với công thức đối chứng 30

Bảng 4.4 Kiểm định sự sai khác có ý nghĩa giữa các công thức nhiệt độ khác nhau 30

Bảng 4.5 Giá trị khả năng trao đổi cation của các công thức trong biến tính với NaCl và thời gian ngâm (meq/100g) 34

Bảng 4.6 Kiểm định sự sai khác có ý nghĩa giữa các công thức nhiệt độ khác nhau 43

Bảng 4.7 Kiểm định sự tương quan hồi quy giữa các yếu tố nồng độ, thời gian tới giá trị CEC 43

Bảng 4.8 Giá trị khả năng trao đổi cation của 4 công thức thí nghiệm 2 trước 45

Bảng 4.9 Kiểm định sự sai khác có ý nghĩa giữa công thức biến tính với NaCl và nhiệt độ với bentonite tự nhiên 49

Bảng 4.10 Kiểm định hiệu quả biến tính bentonite giữa thí nghiệm với nhiệt 50

Bảng 4.11 Kiểm định hiệu quả biến tính bentonite giữa thí nghiệm với nhiệt độ và NaCl kết hợp nhiệt độ 51

Bảng 4.12 Kiểm định hiệu quả biến tính bentonite giữa thí nghiệm với

NaCl và NaCl kết hợp nhiệt độ 52

DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Đơn vị cấu trúc và mạng tương ứng của tứ diện SiO4, bát diện MeO6 5

Hình 2.2 Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorillonit 8

Hình 2.3 Sự thay đổi CEC trong quá trình hoạt hóa axit (Oenal, 2007) 14

Hình 2.4 Ảnh chụp SEM oxit silic không phủ bọc (a) và phủ bọc (b) 17

Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của bentonite Di Linh tự nhiên 24

Hình 4.2 Giá trị trung bình khả năng trao đổi cation của các công thức của nhiệt độ khác nhau 26

Hình 4.3 Chiều hướng thay đổi giá trị khả năng trao đổi ở các công thức nhiệt độ khác nhau 27

Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của bentonite Di Linh thực hiện biến tính với nhiệt độ 29

Hình 4.5 So sánh tổng diện tích bề mặt giữa các mẫu cho CEC cao của 3 .31

Hình 4.6 Giá trị khả năng trao đổi cation trung bình của các công thức thời gian ở cùng nồng độ 35

Hình 4.7 Giá trị khả năng trao đổi cation trung bình của các công thức nồng độ trong cùng thời gian biến tính 37

Hình 4.8 Giá trị CEC của các công thức tại các nồng độ NaCl và thời gian biến tính 38

Hình 4.9 So sánh giá trị CEC giữa các công thức có hiệu quả biến tính cao nhất với bentonite tự nhiên 41

Hình 4.11 Giá trị CEC trung bình ở các công thức trước và sau khi biến tính với nhiệt độ 46

Hình 4.12 So sánh giá trị CEC của bentonite tự nhiên với 4 công thức thí

nghiệm cho hiệu quả cao nhất ở thí nghiệm 3 47

ĐHNN: Đại học Nông nghiệp

ĐHKHTN: Đại học khoa học tự nhiên

SEM: Ảnh hiển vi điện tử quét

X-RAY: Phương pháp nhiễu xạ tia X

d001: Khoảng cách cơ bản trong cấu trúc khoáng sét bentonite

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Bentonite là loại khoáng sét tự nhiên, thuộc nhóm smectit gồmmontmorilonit và một số khoáng khác Bentonite có các tính chất đặc trưng là

dễ trương nở, có khả năng kết dính, khả năng hấp phụ tốt, trơ, nhớt và dẻo

Do những tính chất này mà bentonite được ứng dụng từ xa xưa như làm đồgia dụng (bát đĩa, nồi, chum, vại ) Ngày nay, bentonite ứng dụng rộng rãitrong các nghành công nghiệp như: lọc dầu, thực phẩm, dệt nhuộm, chất tẩyrửa Ngoài ra, bentonite còn được sử dụng làm chất kết dính, khuôn đúctrong luyện kim, chất khử kim loại độc hại trong nước và làm vật liệu hấpphụ Bentonite là loại khoáng sét có khả năng hấp phụ cao đáp tốt nhu cầucho việc dùng làm vật liệu hấp phụ Tuy nhiên, ở điều kiện bình thườngbentonite dễ trương nở khi có nước, sự kết dính giữa các hạt sét và không bền

ở nhiệt độ cao Để nâng cao khả năng hấp phụ và ứng dụng rộng rãi bentonitethường được thực hiện biến tính về vật lý và hóa học Việc biến tính là làmthay đổi cấu trúc, tính chất và khả năng hấp phụ của bentonite dùng cho việchấp phụ

Bentonite là loại khoáng sét có cấu trúc 2:1 với thành phần chủ yếu làmontmorillonit Khoáng sét bentonite có cấu trúc tinh thể và kết tinh dạngphiến Các đơn vị cấu trúc tinh thể của khoáng sét là các phiến silic ôxít(phiến tứ diện) và phiến gipxit (phiến bát diện) Mỗi vi phiến silic ôxít baogồm 1 ion Si+4 nằm giữa và 4 ion O-2 bao quanh; mỗi phiến gipxit gồm 1 ion

Al+3 hoặc ion Mg+2 (ở cầu bruxit-Mg(OH)2) và 6 ion âm bao quanh O-2

và/hoặc nhóm OH- Các khối đơn vị này liên kết với nhau tạo thành dạngphiến mỏng (vi phiến) theo thứ tự 1 phiến bát diện nằm giữa 2 phiến tứ diện

và có khoảng cách nhất định Trong đó cơ sở của biến tính vật lý là làm thayđổi khoảng cách giữa các lớp liên kết này

Khoáng sét bentonite là đối tượng được nghiên cứu rất nhiều trong việcchế tạo ra vật liệu hấp phụ mới do giá thành rẻ, dễ kiếm, có khả năng hấp phụcao sau khi xử lý biến tính Thực tế, nguồn khoáng sét bentonite ở Việt Namkhá dồi dào và được phát hiện ở nhiều nơi như Cổ Định (Thanh Hóa), Di Linh(Lâm Đồng), Bình Thuận, Mộc Châu v.v Với mục đích tìm ra các điều kiệnthích hợp để thực hiện biến tính đối với khoáng sét bentonite nhằm tạo ra mộtloại vật liệu có dung lượng cation trao đổi cao, dùng làm vật liệu trong hấp

phụ Vì vậy, em chọn đề tài: “Nghiên cứu biến tính khoáng sét Bentonite Di Linh - Lâm Đồng làm vật liệu hấp phụ”.

1.2 Mục đích và yêu cầu của nghiên cứu

1.2.1 Mục đích

Tìm ra được điều kiện biến tính khoáng sét bentonite thích hợp nhất đểthu được vật liệu có dung tích hấp phụ cao, có khả năng ứng dụng trong xử lýmôi trường

PHẦN II TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Giới thiệu chung về khoáng sét

2.1.1 Nguồn gốc tự nhiên

Khoáng vật sét là các loại khoáng vật được hình thành trong tự nhiên từcác quá trình phong hóa tại chỗ các khoáng vật silicat và nhôm silicat của đámagma và đá biến chất hoặc được hình thành từ sản phẩm phong hóa trôi dạtđến các khu vực lắng đọng để tạo thành trầm tích Khoáng sét cũng có thểđược hình thành theo nhiều con đường khác, ví dụ như sự hydrat hoá cáckhoáng nguyên sinh silicat, sự thuỷ nhiệt hoá các đá silicat, thuỷ nhiệt hoá các

đá bazan, hoặc tổng hợp nhân tạo Thời kỳ chưa có các phương pháp phântích hiện đại, khoáng sét được biết đến chủ yếu dựa trên thành phần hóa học

Nó là hỗn hợp bao gồm SiO2, Al2O3, H2O và một số oxit của kim loại kiềm vàkiềm thổ, sắt, mangan, kẽm…, có kích thước hạt vài micromet Dựa vàothành phần hoá học, các tính chất hoá lý và đặc biệt là cấu trúc tinh thể và cấutrúc lớp, hiện nay khoáng sét có hơn 100 loại khác nhau

2.1.2 Thành phần của khoáng sét tự nhiên

Khoáng sét là một loại silicat có cấu trúc lớp, được hình thành từ các tứdiện oxit silic (bao gồm 1 nguyên tử Silic liên kết với 4 nguyên tử Oxi) liênkết với mạng bát diện (thường bao gồm là 1 nguyên tử nhôm, sắt hoặc Magieliên kết với 6 nguyên tử oxi) Hạt sét có kích thước rất nhỏ, khi tác dụng vớinước thành vật liệu dẻo Trong thành phần khoáng sét đều chứa các nguyên tốsilic và nhôm nhưng hàm lượng Al ít hơn Si Ngoài ra còn có các nguyên tốkhác như Fe, Mg, K, Na, Ca Tuỳ vào hàm lượng của chúng trong sét màphân biệt các loại sét khác nhau

Trong thành phần khoáng sét đều chứa các nguyên tố silic (Si) và nhôm(Al), nhưng hàm lượng Al ít hơn Si Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như:sắt (Fe), Magie (Mg), Kali (K), Natri (Na), Canxi (Ca) v.v Tùy theo hàm

lượng của chúng có mặt trong khoáng sét mà phân biệt các loại khoáng sétkhác nhau Thông thường, để nhận biết nhanh từng loại khoáng sét, người tathường dựa vào sự có mặt của các nguyên tố Al, Fe, Mg (không kể Si) trongthành phần của nó.

Bảng 2.1 Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa theo thành phần 3

nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si).

Tên khoáng sét Nguyên tố có nhiều

trong thành phần

Tên khoángsét

Nguyên tố có nhiềutrong thành phần

Montmorillonit Al (Mg , Fe2+ ít) Glauconit K, Fe2+, Fe3+

Vermiculit Mg, Fe2+ (ít) Kaolinit Al

Nguồn: Nguyễn Hữu Thành, 2006.

2.1.3 Cấu trúc của khoáng sét tự nhiên

Khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp hai chiều Các lớp trong cấu trúccủa khoáng sét được hình thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản Đơn vị thứ nhất

là tứ diện SiO4 và đơn vị thứ hai là bát diện MeO6 , trong đó Me có thể là Al,

Fe, Mg

Hình 2.1 Đơn vị cấu trúc và mạng tương ứng của tứ diện SiO4, bát diện

MeO6.

(Nguồn: Giáo trình thổ nhưỡng, PGS.TS Trần Văn Chính, NXB: ĐHNNHN, 2006)

Các nguyên tử oxy góp chung nằm trên một mặt phẳng và được gọi làoxy đáy Các nguyên tử oxy đáy liên kết và sắp xếp sao cho tạo nên một lỗ 6cạnh mà mỗi đỉnh của hình 6 cạnh này là nguyên tử oxy Mạng cấu trúc bátdiện được hình thành từ các đơn vị cấu trúc bát diện MeO6 qua nguyên tử oxytheo không gian hai chiều

Các phương pháp phân tích hiện đại đã tìm ra cấu trúc tinh thể và kếttinh dạng phiến của khoáng sét Các đơn vị cấu trúc tinh thể của khoáng sét làcác phiến silic ôxít (khối 4 mặt) và phiến gipxit (khối 8 mặt) Mỗi vi phiếnsilic ôxít bao gồm 1 ion Si+4 nằm giữa và 4 ion O-2 bao quanh; mỗi phiếngipxit gồm 1 ion Al+3 hoặc ion Mg+2 (ở cầu bruxit-Mg(OH)2) và 6 ion âm baoquanh O-2 và/hoặc nhóm OH- Các khối đơn vị này liên kết với nhau tạo thànhdạng phiến mỏng (vi phiến) theo cấu trúc mạng 2 chiều Mạng vi phiến củacác khối tứ diện SiO4 liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxy và được gọi

là vi phiến tứ diện (tetrahedral sheet) và mạng vi phiến của các khối bát diện

MO6 gọi là vi phiến bát diện (octahedral sheet)

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

2.1.4 Phân loại khoáng sét theo cấu trúc

Khoáng sét là loại khoáng vật có trong tự nhiên, với trữ lượng khá lớnthường tập trung thành từng mỏ Các khoáng vật sét được tạo thành do kếtquả của các quá trình phong hoá, biến đổi hoá học Khoáng sét được hìnhthành từ các tứ diện oxyt silic sắp xếp thành mạng hình lục giác, liên kết vớicác mạng bát diện Hạt sét có kích thước rất nhỏ, khi tác dụng với nước tạothành vật liệu dẻo Cách phân loại khoáng sét thường được sử dụng là dựa

vào cấu trúc và thành phần hoá học Khoáng sét được phân loại theo nhiềucách khác nhau, tuy nhiên phân loại thường được sử dụng là dựa vào cấu trúc

và trật tự và của các vi phiến trên được chấp nhận rộng rãi Mạng vi phiến tứdiện và mạng vi phiến bát diện liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxychung theo các tỷ lệ nhất định, ngoài ra còn có sự thay thế đồng hình của cácnguyên tử ở tâm các khối đơn vị trên quyết định tính chất đa dạng của khoángsét và cũng là cơ sở để phân loại chúng Theo đó khoáng sét được phân thànhcác nhóm chính như sau:

- Khoáng sét vô định hình, tiêu biểu là nhóm allophan

- Khoáng sét tinh thể bao gồm:

+ Nhóm có cấu trúc 2 lớp loại hình 1:1: là sự kết hợp của 1 phiến tứ diện SiO4

và 1 phiến bát diện M(O5,OH) [M: Al, Fe, Mg…] Nhóm này được gọi lànhóm kaolinit

+ Nhóm có cấu trúc 3 lớp loại hình 2:1: gồm 1 phiến bát diện ở giữa 2 phiến

tứ diện ở hai bên, trong nhóm cấu trúc 3 lớp này có 2 loại là nhóm illit vànhóm smectit Tuy chúng có chung kiểu cấu trúc sắp xếp các mạng vi phiếnnhưng tính chất của chúng khác nhau do sự thay thế đồng hình tại tâm của cáckhối đơn vị

+ Nhóm có cấu trúc 4 lớp loại hình 2:2 hay 2:1:1: gồm 2 phiến tứ diện và 2phiến bát diện (trong đó là 1 cầu bruxit), tên gọi của nhóm này là clorit

+ Ngoài ra phải kể đến một loại clay có cấu trúc hỗn hợp: cấu tạo bởi các lớpphiến của clay độc lập khác nhau, sắp xếp theo cấu trúc đảo hoặc cấu trúctuần tự, phổ biến là các loại illit-montmorillonit; kaolinit-clorit, vecumit-clorit

2.2 Giới thiệu về khoáng sét Bentonite

2.2.1 Thành phần hóa học và cấu trúc

a Thành phần hóa học

Bentonite là đá sét kết mềm được hình thành từ quá trình phong hóa tronúi lửa Bentonite là loại sét tự nhiên có thành phần chính là khoángMontmorillonite và thêm một số khoáng khác như Saponite, Nontronite,Beidellite Ngoài ra người ta còn phát hiện thấy trong bentonite có một sốkhoáng sét như kaolinite, clorite, mica và các khoáng phi sét như: calcite,pyrite, magnetite, biolit…các muối kiềm và các chất hữu cơ Bentonite còngọi theo tên khoáng chính của nó là Montmorillonite

MMT có công thức chung [(Al.M)2Si4O10](OH)2.nH2O, với M là nguyên tốkim loại Ca, Mg, Fe, Na, K, … Phân tích thành phần hóa học của bentonite,ngoài nguyên tố chính như silic, nhôm, người ta còn phát hiện thấy sự có mặtcủa các nguyên tố như Fe, Ca, Mg, Na, K và hơn 30 nguyên tố hóa học khác ởdạng vi lượng như Ni, Ti, Mo, Zn, Co, …, các độc tố như As, Hg, Pb ít pháthiện thấy

Tuy nhiên thành phần của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết

do có sự thay thế đồng hình của ion kim loại Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+… với ion

Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6 Như vậy thành phần hóahọc của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy các nguyên tố khác như

Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó tỷ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1: 2 đến 1: 4

Hình 2.2 Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorillonit

Trong trường hợp lý tưởng, các nguyên tử Si nằm ở tâm của các tứ diện, còncác nguyên tử Al nằm ở tâm các bát diện của MMT Do MMT có cấu trúc 2:1dạng diocta nên cấu trúc lớp của MMT đã được hình thành từ hai lá tứ diệnliên kết với một lá bát diện ở giữa tạo nên một lớp aluminosilicat Giữa cáclớp aluminosilicat là các cation có khả năng trao đổi bị hydrat hóa Khoảngcách giữa các lớp trong cấu trúc cơ bản của MMT là 9,6Å, khoảng cách này

bị thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng, bản chất các cation trao đổi vàlượng nước bị hấp phụ, thường có thể đến 15Å

Sơ đồ cấu trúc không gian mạng lưới của MMT ở hình 1.1 là cấu trúc trunghòa điện Nếu Si4+ ở tâm tứ diện hay Al3+ ở tâm bát diện bị thay thế đồng hìnhbởi các cation dương có điện tích nhỏ hơn thì các mạng lưới đó tích điện âm.Điện tích âm của mạng lưới sẽ được bù trừ bằng các cation mang điện tíchdương như Na+, K+, Ca2+, Fe2+, Mg2+ ở khoảng không gian giữa các lớp Cáccation này có khả năng trao đổi với các cation kim loại hoặc cation hữu cơkhác Như vậy dung lượng trao đổi cation của MMT tương đương với điệntích của các lớp.

2.2.2 Tính chất của bentonite

a Tính chất trao đổi ion

Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do trên bề mặtcủa các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấpphụ và trao đổi cation Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế đồnghình của các cation Ví dụ như khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+

hoặc Fe3+, hoặc Al3+ trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+,

Zn2+ , thì sự thay thế các ion điện tích cao này bằng các ion điện tích thấphơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc tứ diện và bát diệntạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét

Đối với bentonit, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ởgiữa hai lớp tứ diện của phiến sét Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét

là liên kết yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác Khảnăng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và sốlượng ion trao đổi Nếu số lượng điện tích âm càng lớn, số lượng cation traođổi càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn

b Tính chất trương nở

Khi ngậm nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vàokhe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi làtính chất trương nở Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét,

cation trao đổi, sự thay thế đồng hình của các ion trong các lớp và sự có mặtcủa các ion, các phân tử phân cực trong môi trường phân tán Lượng nướcđược hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của cáccation trao đổi Khi bentonit hấp phụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, cácphân tử nước phân cực sẽ thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cáchnày tăng lên ít nhất 14-15Å tùy thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấpphụ Sự tăng khoảng cách d001 được giải thích là do sự hydrat hóa của cáccation giữa các lớp.

Độ trương nở của bentonit phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên

bề mặt lớp sét Ví dụ, ion Na+ với điện tích +1 có thể liên kết với một tâm tíchđiện âm trên mặt lớp sét Do vậy khi bị hyđrat hóa, bentonite Na có khả năngtrương nở từ khoảng cách ban đầu giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å.Trong môi trường kiềm bentonite - Na bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấpphụ tăng mạnh Do vậy trong môi trường kiềm, huyền phù bentonit-Na rấtbền vững Cation Ca2+ liên kết với 2 tâm tích điện âm trên 2 phiến sét do vậykhi bentonit-Ca bị hydrat hóa, khoảng cách giữa 2 phiến sét chỉ tăng từ 12,1Åđến 17Å Điều này hạn chế sự trương nở hay khả năng tạo độ nhớt củabentonit-Ca Độ trương nở của bentonit-Ca từ 100 đến 150%, đối vớibentonit-Na độ trương nở lớn hơn

c Tính hấp phụ

Hấp phụ là một đặc tính quan trọng của bentonite Các chất hữu cơphân cực có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo liên kếttrực tiếp với các cation trao đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation

đó qua liên kết với nước hoặc liên kết với các trung tâm mang điện tích trên

bề mặt các lớp sét Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượngphân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trongmạng lưới tinh thể bằng lực Van der Walls hoặc liên kết hiđro

Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốpphức tạp và bề mặt riêng lớn Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chấthấp phụ của các khoáng sét, đặc trưng của nó là tính chọn lọc đối với chất bịhấp phụ Chỉ có phân tử nào có đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chuivào được Dựa vào điều này người ta có thể dùng bentonit hoạt hóa làm vậtliệu tách chất Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonit và các chất hấpphụ khác.

d Tính kết dính

Khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh nên từ thời

xa xưa con người đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằmmục đích phục vụ đời sống Lợi dụng tính chất kết dính này, trong các xưởngđúc gang, bentonit được dùng làm chất kết dính để vê quặng bột thành viêntrước khi đưa vào lò nung, hoặc làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc

e Tính trơ

Bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được Người tadùng bentonit làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làmchất lọc sạch và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong

f Tính nhớt và tính dẻo

Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trongnước nên bentonit có tính nhớt và dẻo Do có các tính chất này mà bentonitđược sử dụng làm phụ gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành của lỗ khoan, làmphụ gia trong xi măng Portland, chế vữa và chất dính kết đặc biệt

- Khử chất thải phóng xạ, xử lý kim loại nặng độc hại trong nước và xử lýnước thải ở các vùng công nghiệp, chống ô nhiễm môi trường

- Phụ gia trong các ngành công nghiệp cao su, giấy, thuốc trừ sâu, phân bónsinh hóa, sơn, gốm sứ, làm dung dịch khoan sâu

- Làm chất xúc tác; chất mang xúc tác trong các phản ứng tổng hợp và oxyhoá hoàn toàn các chất hữu cơ

Trong các ứng dụng trên việc sử dụng làm vật liệu hấp phụ là ứng dụngquan trọng của bentonite không chỉ đối với các hoạt động sản xuất côngnghiệp mà còn liên quan đến việc hấp phụ và xử lý các kim loại trong môitrường

2.3 Khoáng sét bentonite ở Việt Nam

Cũng như một số nước trên thế giới, tiềm năng khoáng sét bentonite

ở Việt Nam rất lớn, phân bố khắp các vùng miền từ Bắc vào Nam với đủ haichủng loại bentonite kiềm và kiềm thổ Các địa phương có khoáng bentonitevới trữ lượng rất lớn, điển hình là Di Linh-Lâm Đồng, Cổ Định-ThanhHoá, Tuy Phong – Bình Thuận, Gia Huy - Bà Rịa Vũng Tàu, Kiên Bình - AnGiang, Long Đất - Đồng Nai Trữ lượng và thành phần của khoáng sétbentonite Việt Nam đáp ứng được cho sự triển khai các ứng dụng vào côngnghiệp, nông nghiệp và góp phần bảo vệ môi trường sinh thái Trữ lượngbentonit ở Việt Nam đã có với các cấp, cấp 1: 5.000.000 tấn, cấp 2:42.000.000 tấn, tài nguyên dự báo: 350.760.000m3 Ngoài ra, mỏ bentonitTam Bố-Di Linh-Lâm Đồng đã được thăm dò địa chất và xác nhận mỏ có trữlượng trong cân đối là: 542.000 tấn, trong đó cấp C1 là: 389.000 tấn, C2 là:153.000 tấn, chất lượng bentonit khá tốt; điều kiện địa chất thuỷ văn, địa chấtcông trình thuận lợi, đơn giản Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét bentonit dạngthấu kính, chiều dài thay đổi từ 400-840m, chiều dày 1-7m, diện tích phân bố2,36km2 Hàm lượng khoáng vật montmorillonit trong sét bentonit dao động

từ 40-50 % Hệ số độ keo (K) từ 0,29-0,42 ; dung tích trao đổi cation (E) từ

25,01-48,5 mgđl/100g, cá biệt đến 170 mgđl/100g Các cation có khả năngtrao đổi chính là kiềm thổ (Ca2+, Mg2+).

2.4 Các phương pháp biến tính khoáng sét bentonite

2.4.1 Phương pháp nhiệt hóa

Phương pháp nhiệt hóa để nâng cao hoạt tính bề mặt các vật liệu hấpphụ được nghiên cứu tương đối rộng rãi Xử lý nhiệt có thể giúp nâng cao độtinh khiết của vật liệu và loại bỏ một số tạp chất Phương pháp thủy tinh hóahiện được nghiên cứu ứng dụng trong việc tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụtốt và độ chọn lọc cao

Tuy nhiên, xử lý một số vật liệu ở nhiệt độ cao cũng có thể có tác dụngngược Đối với các khoáng sét, ở nhiệt độ cao (> 500oC) sẽ dẫn đến quá trìnhmất nước cấu trúc do đó có thể dẫn đến sự “đổ sập” của cấu trúc lớp Khi cấu

trúc lớp bị phá vỡ sẽ làm thu hẹp bề mặt trong (internal surface) và dẫn đến sự sụt giảm về khả năng hấp phụ của các khoáng sét (Oenal, 2007) Ở nhiệt độ cao

Si vô định hình trong các vật liệu như tro bay hay diatomit có thể bị chuyển hóa

thành các oxit Si bền vững chẳng hạn như cristobalit và tridimit Sự chuyển hóa

này làm cho hoạt tính hấp phụ của các vật liệu giảm đi đáng kể

2.4.2 Biến tính và hoạt hóa bề mặt

a Xử lý axit/kiềm

Hoạt hóa axit được biết đến là phương pháp xử lý các khoáng sét vớicác axit vô cơ ở nồng độ cao và thường ở nhiệt độ cao Các cation trao đổiđược thay thế bằng ion H+ và Al3+ và các cation khác thoát ra khỏi cấu trúc

bát diện và tứ diện, chỉ để lại các nhóm SiO4 (Theocharis và nnk, 1988) Quá

trình này nhìn chung làm tăng diện tích bề mặt và độ axit của khoáng sét,đồng thời loại bỏ một số “chất bẩn” trong khoáng sét và hòa tan một phần các

lớp silicat bên ngoài (Ravichandran & Sivasankar, 1997).

Sự thay đổi diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ hổng của khoáng sét do quá trìnhhoạt hóa axit phụ thuộc vào từng loại khoáng sét cụ thể, sự có mặt của các

khoáng sét hay “phi khoáng” khác Thành phần hóa học, các ion có mặt trongcác lớp khoáng sét, loại axit, nhiệt độ của quá trình hoạt hóa, thời gian hoạthóa là những yếu tố quan trọng tác động đến hiệu quả của quá trình hoạt hóaaxit Sự hụt giảm lớp bát diện của montmorillonite được cho là nguyên nhândẫn đến các mức độ khác nhau về sự phân hủy cấu trúc và nó phụ thuộc riêng

rẽ vào khả năng kháng axit của khoáng (Breen, 1994).

Rodrigues (2003) đã chứng minh rằng hoạt hóa axit và tiếp theo là xử lý nhiệt

sẽ làm tăng đáng kể dung tích hấp phụ của khoáng sét Do những thay đổiphức tạp của khoáng sét trong môi trường axit, đặc tính bề mặt của chúng

cũng bị biến đổi (Jozefaciuk & Bowanko, 2002) Christidis và nnk (1997) cho

rằng xử lý bentonit với axit clohydric có thể làm cho diện tích bề mặt tăng lêngấp năm lần Sự gia tăng diện tích bề mặt có thể gây ra bởi sự thành tạo cácoxit silic mịn phân tán từ cấu trúc khoáng bị phá vỡ, quá trình loại bỏ các hợpphần nhôm, silic vô định hình bịt kín các lỗ trên bề mặt hay khoảng hổng giữacác lớp, và sự hình thành các đứt gãy và các khoảng trống trên bề mặt(Rodrigues, 2003)

Hình 2.3 Sự thay đổi CEC trong quá trình hoạt hóa axit (Oenal, 2007)

b Hoạt hóa với các chất hoạt động bề mặt

Khác với phương pháp biến tính nhiệt hay biến tính khoáng sét sử dụngaxit hoặc kiềm, phương pháp sử dụng các chất hoạt động bề mặt có khả năng

tạo ra các bề mặt mở rộng và làm cho tổng diện tích hữu dụng của bề mặtkhoáng sét tăng lên đáng kể Ở Việt Nam đã có tương đối nhiều các nghiên

cứu hoạt hóa các khoáng sét với các chất hoạt động bề mặt (ví dụ: Nguyễn

Tiến Quý và nnk, 1994; Lê Tự Hải & Phan Chi Uyên, 2008).

Thuật ngữ organoclay là để chỉ sản phẩm sinh ra khi hoạt hóa khoáng sét vớimột chất hữu cơ đóng vai trò là chất hoạt động bề mặt Các chất hoạt động bềmặt thường được sử dụng là hexadecylpyridiniumchloride (HDPyCl),hexadecyltrimethylammonium (HDTMA) hay phenyltrimethylammonium(PTMA) Các chất hoạt động bề mặt này có thể hấp phụ và liên kết với bềmặt ngoài của khoáng sét, đồng thời chúng cũng có khả năng xâm nhập vàokhoảng không giữa các lớp cấu trúc của khoáng sét

Sự hoạt động của các nhóm chức (ví dụ như: COOH) làm tăng ái lựccủa bề mặt hấp phụ đối với các cation và làm giảm khả giải phóng các cation trởlại dung dịch (Guzman và nnk, 2006) Các thí nghiệm của An & Dultz (2007) khinghiên cứu sử dụng organobentonit để xử lý cromat và asenat đã chứng minhrằng: một lượng lớn các anion vô cơ này có thể bị hấp phụ vào bề mặt trong củakhoáng sét (interlayer) cùng với các chất hoạt động bề mặt Dung tích trao đổication của khoáng sét được cải thiện rõ rệt khi chúng được hoạt hóa với các chấthoạt động bề mặt Kết quả thí nghiệm của Guzman và nnk (2006) cho thấyorgano-montmorillonit có hiệu quả rất lớn để hấp phụ Pb và Hg

Thông thường, các khoáng sét 2:1 có khả năng trương nở hay được sửdụng để chế tạo các organoclay do chúng thường có dung tích trao đổi cationlớn và có hiệu quả xử lý tốt hơn so với các khoáng sét 1:1 Tuy nhiên, trongnghiên cứu của Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2009) lại cho thấy hiệu quả hấpphụ của khoáng sét 1:1 (kaolinit) lại được cải thiện hơn nhiều so với cáckhoáng 2:1 (bentonit và vermiculit) khi chúng cùng được hoạt hóa vớiHDPyCl Trong khi dung tích hấp phụ của kaolinit đối với kim loại tăng xấp

xỉ 200% khi được hoạt hóa với HDPyCl Trong khi đó, sự có mặt của

HDPyCl làm cho khả năng hấp phụ của bentonit và vermiculit giảm đi (hình10.1) Điều này có thể là do các cation hữu cơ có ái lực hấp phụ mạnh hơntrên bề mặt của các khoáng sét 2:1 Các vị trí mang điện tích âm trên bề mặtkhoáng sét bị chiếm hữu bởi các cation hữu cơ Kết quả là lượng kim loại tiếpcận được các vị trí hấp phụ trên bề mặt của khoáng sét trở nên ít hơn

Nghiên cứu của Vlasova và nnk (2007) về khả năng kết hợp kiềm hóa

sử dụng NaOH và hoạt bề mặt với TMA đã cho những kết quả khả quan vềcải thiện khả năng hấp phụ của bentonit Những thay đổi khi có mặt NaOH vàTMA cụ thể như sau: Dung dịch NaOH phá hủy những đoàn lạp bentonit kíchthước lớn và chuyển hóa Ca-bentonit thành Na-bentonit; Khi bổ sung TMA,TMA thay thế các ion Na hydrat hóa trong khoảng trống giữa các lớp cơ sởcủa bentonit

Trong tự nhiên, một số chất hữu cơ (axit mùn) cũng có khả năng làmtăng hoạt tính bề mặt Đối với tro bay, một số nghiên cứu đã cho thấy sựtương hỗ hấp phụ giữa chất hữu cơ và các kim loại nặng trên bề mặt Nghiêncứu cứu về ảnh hưởng của axit humic đến sự cố định các kim loại nặng củaWang và nnk (2008) đã chứng minh rằng sự có mặt của axit humic cung cấpthêm các vị trí hấp phụ đối với kim loại, và dung tích hấp phụ của tro bay đốivới Pb tăng gấp đôi (từ 18 mg/g lên 37 mg/g) khi có mặt humic

c Phương pháp phủ bọc

Trong tự nhiên có thể tồn tại sự phủ bọc của một số oxit ví dụ như Fehay Mn lên các tinh thể khoáng sét Ở đây các tinh thể khoáng sét đóng vaitrò là hạt nhân và làm giá thể cho các oxit bao phủ dần nhờ quá trình hấp phụ

và kết tủa bề mặt Nhờ kích thước nhỏ bé của mình các hạt nhân khoáng sétđược bao phủ bởi các oxit sẽ hình thành một “lớp vỏ mới” có diện tích bề mặtrất lớn Không những vậy, lớp phủ oxit trên bề mặt này có thể làm thay đổitính chất hấp phụ của các hạt nhân bên trong

Ứng dụng phương pháp phủ bọc được nghiên cứu rộng rãi (Eren và nnk,

2009; Xiong & Peng, 2008), trong đó các hạt nhân có thể là các vi tinh thể và

lớp vỏ bọc có hoạt tính cao ví dụ như: oxit Fe, oxit Mn, hay oxit Ti… và cácsản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho xử lý nước và cải tạo đất Trong đấtdưới điều kiện yếm khí (có thể do ngập nước) Fe và Mn có thể chuyển từdạng oxit sang dạng hòa tan và mất tác dụng làm giá thể hấp phụ các kim loạinặng Do đó việc sử dụng một số “lớp vỏ” kém bền vững để cố định các kimloại trong đất cần được xem xét và tính toán kỹ lưỡng

Hình 2.4 Ảnh chụp SEM oxit silic không phủ bọc (a) và phủ bọc (b)

d Phương pháp chèn lớp và tạo cột chống

Phương pháp chèn (Intercalation) là phương pháp thêm một “thể ngoạilai” vào không gian giữa các lớp khoáng sét mà không làm biến đổi cấu trúc

lớp (Schoonheydt và nnk, 1999) Sản phẩm nhận được từ phương pháp này

được gọi là intercalated-clay Các phân tích nhiễu xạ đồ (XRD) cho thấy có

sự tăng lên của khoảng trống giữa các lớp cấu trúc liền kề

Biến tính bề mặt khoáng sét bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ theo

phương pháp tạo cột chống (pillaring) đã được biết đến rộng rãi (Schoonheydt

và nnk, 1999) Trong các khoáng sét được tạo cột chống độ dày của các lớp

silicat là khoảng 1 nm và được giữ bởi các oxit ceramic (cột chống) với kíchthước nano hoặc nhỏ hơn Quá trình tạo cột chống làm tăng khoảng cách củacác lớp khoáng sét bằng cách cố định các “hạt oxit” trong cấu trúc Các “hạtoxit” này đóng vai trò là các cột chống ngăn cản sự sự tái gắn kết giữa các lớp

silicat Các nhóm bề mặt được tạo bởi các oxit có khả năng phân tán mạnh cóvai trò quyết định đối với đặc tính hấp phụ của khoáng sét biến tính theophương pháp này

Khoáng sét được tạo cột chống bằng các oxit kim loại có những đặc tính

vô cùng quan trọng như: khả năng bền nhiệt, tỷ diện cao, và có khả năng xúctác Các khoáng sét dạng này thường được chuẩn bị bằng cách trao đổi vàokhoảng không gian giữa các lớp silicate của các khoáng sét có khả năngtrương nở các ion alkylammonium, các ion phức đa nhân bao phủ các phối tửhữu cơ (phối tử hydroxo, chloro), các phức ion kim loại với các phối tử hữucơ Các thể ngoại lai được cấy chèn vào khoảng không giữa các lớp silicattạo nên các cột đỡ, chống lại sự thu hẹp của khoảng không này Dưới tác độngcủa quá trình gia công nhiệt, các thể ngoại lai vô cơ có thể bị chuyển hóathành các cột oxit kim loại tạo nên cấu trúc xốp bền vững và có diện tích bềmặt rất lớn

Burch & Warburton (1986) đã nghiên cứu khả năng sử dụng Zr-tetramer

từ dung dịch zirconyl clorit để cấy chèn vào montmorillonit Nghiên cứu quátrình tạo cột của Ohtsuka và nnk (1993) chỉ ra rằng các thể zirconium tồn tạitrong dung dịch zirconium oxychlorit có thể tạo nên ba loại khoáng sét có cấutrúc xốp với các lỗ siêu nhỏ với khoảng cách giữa các lớp silicat lần lượt là 7,

12 và 14Å Trong dung dịch zirconium oxychlorit ở nhiệt độ phòng, chủ yếu

là zirconium tetramer, [Zr4(OH)8(H2O)16]8+, có khả năng làm tăng 7Å khoảngkhông gian giữa các lớp silicat Nhờ sự trùng hợp thủy phân của các thểzirconium tetramer trong dung dịch, các thể zirconium trùng hợp cao được tạo

ra có thể cung cấp các hợp chất có khả năng làm tăng khoảng cách giữa cáclớp silicate lên đến 12 hay 14Å Hai thể trùng hợp ngoại lai tạo nên khoảngtrống 12 và 14 Å giữa các lớp silicat được thành tạo bởi các chùm không gian

ba chiều của các tetramer trùng hợp

PHẦN III ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Khoáng sét Bentonite Di Linh, Lâm Đồng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 10 - 2015 đến tháng 1 - 2016

- Địa điểm thực hiện nghiên cứu: phòng thí nghiệm khoa Môi trường

3.3 Nội dung nghiên cứu

3.3.1 Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu Bentonite Di Linh tự nhiên (thành phần khoáng, thành phần hóa học, cấu trúc khoáng, khả năng hấp phụ).

- Thành phần hóa học: tỷ lệ các nguyên tố trong khoáng sét

- Nghiên cứu cấu trúc vật liệu khoáng sét Bentonite Di Linh (khoảng cáchgiữa các lớp bằng phương pháp nhiễu xạ tia X)

- Khả năng trao đổi cation (CEC)

3.3.2 Nghiên cứu biến tính vật liệu Bentonite Di Linh bằng NaCl

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ trong biến tính với NaCl nhằm tìm ranồng độ thích hợp cho giá trị khả năng trao đổi tốt nhất

3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu quả biến tính của Bentonite

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu quả biến tính ở các mức nhiệt

độ khác nhau nhằm tìm ra nhiệt độ cho giá trị khả năng trao đổi cation tốtnhất

3.4 Phương pháp nghiên cứu

3.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp

- Thu thập số liệu thứ cấp từ các công trình nghiên cứu, các báo cáo, bài báokhoa học và các số liệu thống kê sẵn có liên quan tới đề tài, bao gồm:

+ Tổng quan về vật liệu hấp phụ từ khoáng sét.

+ Tổng quan về Bentonite (đặc điểm, cấu trúc, khả năng ứng dụng làm vậtliệu hấp phụ)

+ Các phương pháp biến tính khoáng sét Bentonite

3.4.2 Phương pháp chuẩn bị vật liệu thí nghiệm

- Bentonite Di Linh - Lâm Đồng khi mang về được phơi khô không khí,nghiền nhỏ và rây qua rây có kích thước 2mm

- Phương pháp xác định dung lượng cation trao đổi - phương pháp dùng amonaxetat dựa trên “ tiêu chuẩn quốc gia, TCVN 8568:2010”

Thí nghiệm 2 là thí nghiệm dạng 1 nhân tố chỉ xem xét ảnh hưởng của nhiệt

độ đến hiệu quả biến tính

Các bước tiến hành

Bước 1: Cân 10g sét Bentonite vào 4 chén sứ được đánh số từ 1 đến 4

Bước 2: Tiến hành nung các chén ở các nhiệt độ 150, 200, 250, 300 độ Ctrong 2 giờ, thời gian tăng nhiệt như nhau Sau khi nung, mẫu được mang ralàm nguội tự nhiên

Bước 3: Xác định CEC của các mẫu

Thí nghiệm 2: Biến tính khoáng sét bentonite với NaCl

Khoáng sét bentonite ban đầu dùng để tiến hành thí nghiệm được nghiền nhỏ

và rây qua rây 2mm

Bước 2: Lắc các lọ trên máy lắc với vận tốc 150 vòng/phút trong 1 giờ,nhiệt độ phòng.

Bước 3: Dừng lắc, ngâm 4 lọ có cùng nồng độ (có 4 nồng) trong thời gianlần lượt là 1, 2, 3 và 4 giờ Sau đó đem rửa bằng nước cất

Bước 4: Rửa đến khi EC của dung dịch ngâm bentonite cân bằng, giá trị

pH của dung dịch được duy trì ổn định ở pH = 7 (pH được điều chỉnh bằngdung dịch HNO3 2M và NH4NO3 1M) Sau đó đem phơi khô tự nhiên

Bước 5: Xác định CEC của mỗi mẫu Bentonite trong mỗi lọ

Thí nghiệm 3: Biến tính khoáng sét bentonite với NaCl và nhiệt độ

Xác định 4 mẫu ở thí nghiệm 1 có giá trị CEC cao nhất chọn ra và tiếnhành thí nghiệm 3 Các mẫu được đánh thứ tự 1,2, 3, 4 Thí nghiệm 3 là dạngthí nghiệm hai nhân tố và kế thừa kết quả thí nghiệm 1

Bước 3: Xác định CEC của các mẫu

3.6 Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu sau khi được thu thập được xử lý bằng phương pháp thống kê,

sử dụng công cụ thống kê là phần mềm Excel 2010 Kết quả sau xử lý đượcbiểu diễn dưới dạng bảng số liệu hay đồ thị Dùng phương pháp thống kê mô

tả và phương pháp kiểm định sự sai khác có ý nghĩa giữa các tập hợp số liệu

PHẦN IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Đặc điểm, tính chất của vật liệu bentonite Di Linh sử dụng trong nghiên cứu

Bentonite Di Linh khai thác từ mỏ sét Tam Bố thuộc thôn Hiệp Thành,

xã Gia Hiệp, huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng, cách thị trấn Di Linh 17km Mỏbentonite có trữ lượng lớn nhất Việt Nam, được tìm thấy năm 1987 Thànhphần khoáng của vật liệu khoáng sét Di Linh chủ yếu là loại khoángmontmorillonite (MMT) chiếm 64% khối lượng, đây là loại khoáng có cấutrúc 2:1 và có tính trương nở cao Bentonite có thành phần chính làmontmorillonit MMT có cấu trúc lớp 2:1, mỗi lớp cấu trúc trong tinh thể củaMMT được cấu tạo từ 2 tấm tứ diện (SiO4) liên kết với một tấm bát diện( Al(OH)6 ) ở giữa qua cầu nối O Hai tấm tứ diện cùng quay đỉnh chung vàophía tấm bát diện Các đỉnh chung của tứ diện và bát diện khá nhiều do đóphần lớn nhóm OH đã bị thay thế bằng O và quay đầu vào bên trong tấm cấutrúc Do cấu trúc như vậy nên lực liên kết hydrogen giữa các lớp không cònnữa hoặc có giá trị rất nhỏ Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi vànước hấp phụ Chiều dày một lớp cấu trúc và lớp cation trao đổi cùng vớinước hấp phụ được xác định là khoảng cách cơ bản d001.

Nguồn khoáng sét tại Di Linh có thành phần chủ yếu là MMT, ngoài ra cònmột số thành phần khác như Illit (6,0%), Kaolinit (9,5%), Felspart (3,5%),Gơtit (3,0%) và một số thành phần khác

Bảng 4.1.Kết quả phân tích thành phần khoáng của bentonite Di Linh tự

nhiên

Mẫu Thành phần khoáng và hàm lượng, % khối lượng

Mont Illit Kaolinit Thạch anh Felspart Gơtit Canxit Khác

(nguồn: Trương Đình Đức, 2011)

Bên cạnh thành phần khoáng, mẫu Bentonit Di Linh nghiên cứu cònđược đặc trưng về diện tích bề mặt vật liệu bằng phương pháp Brunauer-Emmet-Teller (BET) tại khoa Hóa dầu – Đại học Bách khoa Hà Nội và đánhgiá khoảng cách không gian cơ sở giữa các lớp tứ diện và bát diện (giá trị d001)bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray) tại khoa Hóa học, Trường đại họckhoa học tự nhiên Hà Nội Kết quả đo diện tích bề mặt vật liệu cho thấy tổnggiá trị diện tích bề mặt của khoáng sét Bentonite Di Linh là 6,8933 m2/gam.Khoảng cách cơ sở giữa các lớp của mẫu khoáng Bentonite Di Linh ban đầu

là 15,480 A° tại góc quét 2-Theta

Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của bentonite Di Linh tự nhiên

4.2 Biến tính vật liệu bentonite Di Linh - Lâm Đồng với nhiệt độ

Như đã đề cập trong tổng quan tài liệu nghiên cứu, có rất nhiều biệnpháp biến tính đối với khoáng sét bentonite Tuy nhiên trong phạm vi có hạn,nghiên cứu này chỉ thực hiện phương pháp biến tính vật lý khoáng sétbentonite Các thí nghiệm được thực hiện trong nghiên cứu bao gồm biến tínhbentonite với nhiệt (nung), biến tính bằng NaCl, và biến tính kết hợp vớiNaCl và nhiệt Các thí nghiệm trong nghiên cứu nhằm tập trung đánh giá vàxác định được các điều kiện biến tính khoáng sét bentonite Di Linh để làmtăng khả năng trao đổi cation (CEC), hướng tới ứng dụng làm vật liệu hấp phụtrong xử lý môi trường Thí nghiệm 1thực hiện nhằm xác định ảnh hưởng củayếu tố nhiệt độ tới khả năng trao đổi cation của vật liệu khoáng sét Bentonite

Di Linh Khả năng trao đổi cation của vật liệu bentonite biến tính bằng nhiệt

độ đã có sự thay đổi đáng kể so với vật liệu Bentonite ban đầu và được thểhiện thông qua bảng sau:

Bảng 4.2 Giá trị khả năng trao đổi của bentonite trước và sau biến tính