Biến tính khoáng bentonit để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó

Chuyển hoá khoáng vật thành chất hấp phụ 19 Phần II: Thực nghiệm 23 26 1.1 ảnh hởng của nồng độ axit H2SO4 đến quá trình hoạt hoá cácmẫu Bentonit và hấp phụ Fe3+ 291.2 ảnh hởng của tỉ l

Lời cảm ơn

Luận văn này đợc hoàn thành tại phòng thí nghiệm chuyên đề Hoá vôcơ - Khoa Hoá - Trờng Đại học vinh

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tới:

- TS Nguyễn Hoa Du ngời đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hớngdẫn giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

- ThS Phan Thị Hồng Tuyết, ThS Phan Văn Hoà đã có nhiều ý kiến

đóng góp quý báu trong luận văn này

- Các cán bộ nhà máy Xi măng Hoàng Mai đã động viên, hỗ trợ cảtinh thần và vật chất

Nhân dịp này tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình,ngời thân, các thầy giáo cô giáo khoa Hoá Học – Trờng Đại Học Vinh vàcác bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận vănnày

1.3.2 Sự tích điện trong mạng lới của sét 12

1.6.3 Độ axit và hoạt tính xúc tác của sét đợc hoạt hoá axit 18

1.6.3.2 Hoạt tính xúc tác của sét đợc hoạt hoá axit 19

2 Chuyển hoá khoáng vật thành chất hấp phụ 19

Phần II: Thực nghiệm 23

26

1.1 ảnh hởng của nồng độ axit H2SO4 đến quá trình hoạt hoá cácmẫu Bentonit và hấp phụ Fe3+

291.2 ảnh hởng của tỉ lệ mrắn/mlỏng đến quá trình hoạt hoá các mẫuBentonit và hấp phụ Fe3+

301.3 ảnh hởng của thời gian đến quá trình hoạt hoá các mẫuBentonit và hấp phụ Fe3+

321.4 Dung lợng hấp phụ ion kim loại Fe3+ của Bentonit tự nhiên vàBentonit đã hoạt hoá

35

Phần V: Tài liệu tham khảo 39

Mở Đầu

Nh chúng ta đã biết, nớc sạch là nhu cầu không thể thiếu đợc đối với

đời sống của con ngời Do sản xuất phát triển nên nhiều nguồn nớc đã bị ônhiễm nặng Vì vậy nhiệm vụ cấp bách đặt ra là phải nghiên cứu, tìm cácbiện pháp có hiệu quả để làm sạch nớc và xử lí nớc thải Đã có nhiều côngtrình xử lí, làm sạch nớc cho môi trờng sinh hoạt[3,4], nhng sử dụng khảnăng hấp phụ của một số khoáng tự nhiên vào công việc này, thì cho đếnnay còn ít đợc quan tâm, mặc dù phơng pháp hấp phụ để làm sạch nớc làmột phơng pháp phổ biến và có hiệu quả cao Các chất hấp phụ thờng làthan hoạt tính, silicagel Tuy nhiên giá thành sản phẩm của các chất hấpphụ này rất cao vì quá trình sản xuất chúng đòi hỏi kỹ thuật phức tạp Gần

đây, thế giới đã bắt đầu chú ý đến việc nghiên cứu sử dụng các khoáng tựnhiên để xử lý nớc thải[4] Các khoáng tự nhiên, nếu đợc xử lí thích hợp thì

có thể tạo ra các loại chất hấp phụ để làm sạch nớc rất có hiệu quả ở ViệtNam có nguồn khoáng bentonit, caolanh…rất lớn, nên việc nghiên cứurất lớn, nên việc nghiên cứuchuyển hoá chúng thành các chất hấp phụ để làm sạch nớc và xử lí nớc thải

là vấn đề có ý nghĩa lớn về mặt khoa học và kinh tế

Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: " Biến tính khoáng Bentonit đểtăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó " làm nội dung nghiên cứu củaluận văn tốt nghiệp đại học

Nội dung của đề tài gồm các phần sau:

1 Nghiên cứu các điều kiện xử lý khoáng Bentonit

+ Tìm các điều kiện tối u : nồng độ axit dùng để hoạt hoá, nhiệt độ,thời gian xử lí và tỉ lệ khối lợng axit và khối lợng khoáng để chất hấp phụtốt nhất

2 Đánh giá khả năng hấp phụ của Bentonit đã xử lý so với Bentonit

tự nhiên

Kiểm tra, đánh giá quy trình, phơng pháp và các điều kiện phân tíchcùng các kết quả thực nghiệm thu đợc từ đó rút ra kết luận về khả năng hấpphụ của khoáng vật đã biến tính vào việc xử lí kim loại nặng

Chúng tôi hi vọng rằng luận văn này góp một phần nhỏ vào việc sửdụng các khoáng tự nhiên làm vật liệu hấp phụ

3

Phần I Tổng quan lý thuyết

Giới thiệu về khoáng vật sét 1.1 Giới thiệu về khoáng vật sét.

Khoáng vật sét là một nhóm có chứa các khoáng vật sau:Kaolinit(Al2O3.2SiO2.2H2O) Montmorillonit hay còn gọi là Bentonit(Al2O3.4SiO2.nH2O), chúng chiếm trên 70% hỗn hợp sét

Ngoài ra trong thành phần của khoáng sét còn có các loại tạp khoáng

nh Gơtit(Fe(OH)3), thạch anh, trùng thạch…rất lớn, nên việc nghiên cứuvà một số hợp chất hữu cơ do

vi sinh vật phân hủy Tất cả các loại khoáng sét đều có chứa nguyên tố silic,nhôm là nguyên tố thứ hai sau silic[5], đồng thời còn có các nguyên tố Fe,

Mg…rất lớn, nên việc nghiên cứuvà một lợng nhỏ Na,Ca…rất lớn, nên việc nghiên cứu

Đất sét chứa chủ yếu khoáng sét và có những đặc điểm đặc biệt: câythờng không trồng đợc trên đất sét nhng trong công nghiệp gốm sứ ngời talại dùng đất sét chứ không phải đất thờng.

Về ứng dụng của đất sét, chúng có vai trò quan trọng trong nhiềulãnh vực nh: sản suất đồ gốm, ximăng, chế biến dầu mỏ, công nghiệp thựcphẩm, xử lý nớc, chất xúc tác trong phản ứng hữu cơ…rất lớn, nên việc nghiên cứu

Cao lanh tinh khiết có màu trắng, sờ thấy mịn Đất sét dùng để làm

đồ gốm khác với cao lanh ở chỗ dẻo và chứa nhiều tạp chất hơn, khi nhàotrộn với nớc, đất sét tạo thành khối nhão dễ tạo hình và hình đợc giữ nguyênsau khi sấy khô Loại đất sét có nhiệt độ nóng chảy trên 16500C gọi là đất sét chịu lửa.

Nớc ta có mỏ caolanh ở Bích Nhôi và Tử Lạc( Hải Dơng), mỏ đất sétchịu lửa ở Trúc Thôn(Hải Dơng), Thị Cầu, Thợng Cát( Hà Bắc) và TuyênQuang

Diatomit

Diatomit ( DA) là loại khoáng chứa SiO2, vô dịnh hình ở trạng tháiphân tán cao, nó là hoá thạch của các thực vật, tảo Thành phần chính của

DA là SiO2, ngoài ra là các tạp chất oxit khác nh Fe2O3, Al2O3, MgO,

Na2O…rất lớn, nên việc nghiên cứu

Khảo sát khoáng DA ở Việt Nam cho thấy, hàm lợng SiO2 trongkhoảng 60 – 65%, Al2O3 khoảng 15 – 18% và Fe2O3 khoảng 2 – 6%.Bằng nhiễu xạ Rơnghen cho thấy, khoáng có cấu trúc vô định hình

1.2 Cấu trúc, phân loại đất sét.

1.2.1 Cấu trúc.

Các loại khoáng sét đều đợc cấu tạo từ những khối tứ diện SiO4(hình1.1a) và khối bát diện MeO6 với Me là các nguyên tố Al, Mg, Fe(hình1.1b)

5

H×nh 1.4 (a) §¬n vÞ cÊu tróc tø diÖn; (b) §¬n vÞ cÊu tróc b¸t diÖn trong kh«ng gian cña líp Aluminat vµ silicat.

7

Ph©n nhãm diocta, trong m¹ng b¸t diÖn cø 3 vÞ trÝ t©m b¸t diÖn th× cã

2 vÞ trÝ chiÕm bëi ion hãa trÞ 3 (Al3+), cßn 1 vÞ trÝ bá trèng

Ph©n nhãm triocta, trong m¹ng tinh thÓ th× mçi vÞ trÝ t©m b¸t diÖn bÞchiÕm bëi ion hãa trÞ 2 (Mg2+)

H×nh 1.5 Liªn kÕt tø diÖn vµ b¸t diÖn qua anion oxi.

Hình 1.6 (a) Cấu trúc 1:1 triocta

(b) Cấu trúc 1:1 diocta

Hình 1.7 Cấu trúc không gian của kaolinit.

* Nhóm khoáng sét 2:1

Một lớp cấu trúc gồm một mạng lới bát diện nằm giữa hai mạng lới

tứ diện, giữa các lớp là các loại cation trao đổi và nớc hấp phụ

9

§¹i diÖn cho nhãm nµy lµ nhãm montmorillonit, vermiculit.Montmorillonit cã c«ng thøc hãa häc lý tëng lµ(Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O [6].

H×nh 1.8 (a) CÊu tróc 2:1 triocta

Hình 1.10 Cấu trúc không gian khoáng Clorit.

1.3 Sự thay thế và sự tích điện trong mạng lới của sét.

- ở lớp bát diện: ion Mg2+ có thể bị thay thế bởi những ion có hóa trị

2 và 1 nh Fe2+, Ni2+, Li+ Đối với ion Al3+ có thể bị thay thế bởi những ion cóhoá trị 2 và 3 nh Fe3+, Cr3+, Zn2+, Mn2+

1.3.2 Sự tích điện trong mạng lới của sét.

Khi có sự thay thế đồng hình xảy ra với những ion không cân bằng về

điện tích thì trên các lớp tứ diện và bát diện sẽ xuất hiện điện tích dơnghoặc âm

- Nếu cation thay thế và cation bị thay thế có cùng hóa trị thì điệntích mạng lới sẽ trung hòa

Đại diện cho các loại khoáng sét này là talc (2:1), kaolinit (1:1),clorit (2:1+1) Ví dụ ion Al3+ bị thay thế bởi ion Fe3+

- Nếu cation thay thế có hóa trị thấp hơn thì mạng lới sẽ mang điệntích âm

11

Ví dụ: Trong montmorillonit, điện tích âm xuất hiện ở mạng lới bátdiện là do sự thay thế đồng hình của ion Al3+ bởi ion Mg2+ ứng với tỉ lệMg:Al=1:(4-5).

Điện tích âm xuất hiện ở mạng lới tứ diện do sự thay thế ion Si4+ bởiion Al3+ ứng với tỉ lệ Al:Si=1:(15-30)

Tùy thuộc vào số lợng và các loại cation thay thế mà mạng lớikhoáng sét mang điện tích âm cao hay thấp Điện tích âm trong mạng sẽ đ-

ợc bù trừ bởi các cation nằm giữa các lớp làm ảnh hởng rất đáng kể đến tínhchất xúc tác của khoáng sét

1.4 Một số tính chất của khoáng sét.

1.4.1 Tính trơng nở.

Khoảng cách cơ bản giữa các lớp trong khoáng sét có thể bị thay đổi,

nó phụ thuộc vào lợng nớc liên kết nằm ở khoảng không gian giữa các lớp

ở đó tồn tại các cation và nếu năng lợng solvat hóa đủ lớn để thắng lực hútgiữa các lớp thì khoảng cách giữa các lớp tăng lên và làm sét bị trơng nở

Tuy nhiên tính trơng nở của mỗi loại khoáng sét có khác nhau và nóphụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Phụ thuộc vào đặc điểm và nồng độ các cation lớp cấu trúc Mỗication hydrat hóa bởi từ 3 đến 6 phân tử nớc Do vậy lợng nớc hấp phụ vàogiữa các lớp có khác nhau và khoảng cách tăng lên có khác nhau Ngoài ranếu nồng độ cation thấp thì điện tích của lớp sẽ thấp và sự trơng nở sẽ chậmlại

- Bên cạnh đó yếu tố độ bền liên kết giữa các lớp sét cũng ảnh hởnglớn đến tính trơng nở của sét:

+ Trong montmorillonit, liên kết giữa hai lớp sét là liên kếtvanderwaals yếu gây ra bởi dãy –OSiO-, chính vì thế nớc hay các chấtlỏng phân cực khác dễ dàng thấm vào mạng tinh thể làm cho khoảng cáchgiữa hai lớp sét cũng dễ dàng bị giãn ra Đây là nguyên nhân gây nên hiệntợng trơng nở mạnh rất đặc trng của khoáng sét montmorillonit

+ ở kaolinit, có sự hình thành liên kết hidrogen giữa các lớp làmmạng tinh thể của kaolinit trở nên chác chắn và tơng đối ổn định nên khảnăng trơng nở không đáng kể

+ Riêng đối với clorit, các lớp của cấu trúc nối nhau bằng lực hút tĩnh

điện bền chắc nên nó đợc xếp vào khoáng không trơng nở

1.4.2 Tính trao đổi ion.

Sự trao đổi ion của sét với ion dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra tạilớp cấu trúc Sự trao đổi ion đợc thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tán

trong dung dịch muối có nồng độ thích hợp Tính axit của đất sét có đợc lànhờ vào sự trao đổi ion này.

Có hai nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi:

- Sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lới cấu trúc sẽ đợc bù trừbằng các cation trao đổi Dung lợng trao đổi ion phụ thuộc vào số lợng điệntích âm trên bề mặt Số lợng cation càng lớn thì dung lợng trao đổi cànglớn

- Trong tinh thể của sét tồn tại các nhóm OH Nguyên tử H trongnhóm này trong điều kiện nhất định có thể tham gia phản ứng trao đổi

Khả năng trao đổi ion của sét còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kínhcủa các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation

có hóa trị lớn theo thứ tự M+ > M2+ > M3+ Đối với các cation có cùng hóatrị, bán kính cation càng nhỏ thì khả năng trao đổi ion càng lớn Khả năngtrao đổi ion đợc xếp theo thứ tự: Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ >

Al3+

So với một số sét nh kaolinit có khả năng trao đổi ion yếu, clorit khótrao đổi ion thì montmorillonit có khả năng trao đổi ion rất mạnh, ở đó điệntích âm của mạng nằm sâu trong lớp cấu trúc nên năng lợng liên kết giữacác cation trao đổi nằm ở giữa các lớp với lớp cấu trúc của mạng thấp, cáccation này có thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng tích điện âm và cóthể trao đổi với các cation khác

Nhờ có tính chất trao đổi ion này mà ngời ta có thể biến tínhmontmorillonit để tạo ra những mẫu có tính chất xúc tác, hấp phụ và cáctính chất hóa lý hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụngchúng

1.4.3 Tính hấp phụ.

Sau khi hoạt hóa, thông thờng trên bề mặt khoáng sét luôn xuất hiện

đồng thời các tâm axit Bronxtet và tâm axit Lewis ( trên Al+3 trong mạng lớicòn một obitan trống), đặc biệt là tại các cation phân cực hoặc tại nhữngproton ở lớp trung gian thể hiện tính axit Bronxtet khá mạnh Chính nhữngnhững tâm này là nơi xảy ra các phản ứng và cũng là nơi có khả năng hấpphụ các chất phân cực hay các chất hữu cơ

1.5 Qúa trình hình thành tâm axit [7].

Những tâm axit đợc sinh ra do quá trình xử lý axit Các cation bù trừnằm trong lớp cấu trúc bị loại ra và đợc thay thế bởi ion H+ của axit đểtrung hòa điện tích âm trên nhôm Ion H+ định vị trên nhôm nhng do có độlinh động cao nên nó dễ dàng tác kích vào các liên kết Al-O và Si-O (do

13

bán kính nguyên tử Al lớn hơn bán kínhnguyên tử của Si) nên một phần liênkết Al-O bị đứt hình thành nên các tâm axit Lewis.

Hình 1.11 Qúa trình hình thành tâm axit khi có xử lý axit.

Khi có quá trình xử lý nhiệt xảy ra (khoảng 2000C) có thể xảy ra quátrình đehdrat hóa để hình thành các tâm axit trần trụi

Hình 1.11 Qúa trình hình thành tâm axit khi có xử lý nhiệt.

1.6 Đất sét hoạt hóa bằng axit [7].

1.6.1 Các phơng pháp hoạt hóa.

Đất sét đợc xử lý làm chất xúc tác và chất mang do có 2 u điểm là:diện tích bề mặt lớn và khẳ năng trao đổi ion cao Tuy nhiên ở sét tự nhiêncác lỗ xốp bị lấp đầy các tạp chất và nớc hấp phụ, do vậy việc loại bỏ tạpchất trả lại cấu trúc không gian xốp của sét sẽ làm tăng hoạt tính xúc tác,khả năng hấp phụ và tính tẩy màu của sét

Để hoạt hóa các khoáng sét ngời ta thờng áp dụng một số phơng phápsau:

- Phơng pháp nhiệt.

- Phơng pháp hoạt hóa hóa học

1.6.1.1 Phơng pháp hoạt hóa nhiệt.

Dựa trên nguyên tắc là dùng nhiệt để tách nớc hấp phụ, phân hủy cáctạp chất có trong khung xốp của khoáng để làm tăng bề mặt riêng, tăng độbền cơ học cho nguyên liệu nhng không phá hủy cấu trúc không gian của

nó Hoạt hóa nhiệt chỉ là giai đoạn đầu của quá trình hoạt hóa hóa học

1.6.1.2 Phơng pháp hoạt hóa hóa học.

Nguyên tắc của phơng pháp này là dùng các tác nhân hoá học (axit,kiềm) để hòa tan các tạp chất có trong khung xốp, loại bớt các kim loạikiềm, kiềm thổ có trong mạng lới tinh thể tạo thành hệ thống lỗ xốp mớihoặc phá hủy cấu trúc cũ (hoạt hóa bằng kiềm) để hình thành cấu trúc mớixốp hơn

Theo nhiều kết quả nghiên cứu trên sét cho biết:

- Việc hoạt hóa bằng kiềm mạnh nhất là ở nhiệt độ cao và nó dễ làmphá vỡ cấu trúc cũ, do vậy khả năng hấp phụ và xúc tác của sét sẽ mất

- Riêng hoạt hóa sét bằng axit mạnh với nồng độ, nhiệt độ và thờigian thích hợp nó sẽ loại bỏ tạp chất trong khung xốp của sét nhng khôngphá vỡ cấu trúc không gian của nó Các axit vô cơ thờng đợc sử dụng đểhoạt hóa sét là axit HCl, H2SO4

Cũng theo nhiều kết quả nghiên cứu thì hoạt tính xúc tác của sét đạtgiá trị cao nhất khi 40% - 60% các oxit kim loại trong mạng sét đã chuyển

ra ngoài khối sét mà khung tinh thể khoáng sét vẫn bảo toàn

Về đặc điểm của hoạt hóa hóa học là thành phần và tỷ lệ các nguyên

tố trong cấu trúc tinh thể thay đổi rất nhiều, cũng qua việc theo dõi thànhphần hóa học này có thể giúp ta định hớng cho việc xử lý các chất hấp phụ

đạt điều kiện công nghệ tối u: tăng diện tích bề mặt chất hấp phụ, tạo hệthống lỗ xốp theo yêu cầu và giữ nguyên cấu trúc ban đầu của khung sét

1.6.2 Biến đổi về thành phần.

Trong quá trình hoạt hóa, các proton H+ của axit sẽ tác kích lên cáccation trao đổi và cation tâm tứ diện, bát diện Tuy nhiên, tùy từng điều kiệnhoạt hóa nh nồng độ axit, nhiệt độ, thời gian hoạt hóa mà khả năng tác kíchcũng nh hiện quả tác kích của proton có khác nhau Ngoài ra qua cácnghiên cứu cũng cho thấy các cation trao đổi (thờng là Na+, K+, Ca2+…rất lớn, nên việc nghiên cứu)

Theo R.Mokaya cho rằng khi hoạt hóa sét bằng axit ở nhiệt độ phòngthì hầu nh các cation nằm ở vị trị thô trên bề mặt nh Ca2+, Mg2+, K+ và Na+

bị tách ra khỏi sét nhng không thể tách nhôm ra khỏi lớp trung tâm

15

Dới tác dụng của axit nóng, nguyên tử nhôm ở lớp trung tâm có thểtách ra khỏi lớp cấu trúc và càng tách ra nhanh ở nhiệt độ cao và với nồng

độ axit tăng dần Riêng % khối lợng của SiO2 tăng dần và tỷ lệ thuận với ợng axit đến một giới hạn nhất định thì cấu trúc mạng tinh thể chuyển dầnsang vô định hình Có nghĩa là silic không hoàn toàn bị tách ra khỏi mạng l-

l-ới khoáng sét khi hoạt hóa axit

Kết quả việc loại bỏ các cation kim loại cũng nh tạp chất làm cho séttrở nên xốp hơn, do vậy bề mặt thể tích riêng của sét tăng lên đáng kể

Sự loại đi các cation trao đổi và những cation cấu trúc trong lớp tứdiện, bát diện xảy ra trong quá trình hoạt hóa axit phụ thuộc vào độ mạnhaxit, lợng axit sử dụng, nhiệt độ hoạt hóa và thời gian hoạt hóa

1.6.3 Độ axit và hoạt tính xúc tác của sét đợc hoạt hóa axit.

1.6.3.1 Độ axit.

Nh đã nói khi thay đổi các cation đa vào thành phần của của sét vàbằng xử lý nhiệt thì có thể thay đổi đợc bản chất của các trung tâm axit trênkhoáng sét Độ axit của sét sau khi hoạt hóa axit sẽ tăng lên đáng kể,nguyên nhân là do sự gắn kết các ion Hydrogen vào các vị trí mà các cation

bù trừ điện tích loại ra trong quá trình tác kích của proton vào cấu trúc củamạng sét

Qúa trình di chuyển của các cation bát diện ra khỏi mạng lới khoángsét dới tác dụng của axit đợc giải thích nh sau: cứ một trong hai nguyên tửnhôm bát diện của tế bào sét bị loại ra sẽ mang theo hai nhóm hydroxyl,nguyên tử nhôm còn lại sẽ chuyển từ cấu hình bát diện sang cấu hình tứdiện với bốn nguyên tử oxi còn lại Có nghĩa là một nguyên tử nhôm có hoátrị ba sẽ phối trí với bốn nguyên tử oxi, lúc đó sẽ gây ra điện tích âm chomạng lới, proton H+ của axit kết hợp vào để trung hòa điện tích âm đó vàchính những ion H+ này là nguồn gốc của độ axit bề mặt vì vậy mà gây rahoạt tính xúc tác

Tuy nhiên độ axit bề mặt sẽ đạt đến một giá trị cực đại tại một tỷ lệkhối lợng axit/sét nhất định tùy theo loại khoáng sét, nhiệt độ hoạt hóa vàaxit sử dụng Nếu vợt quá điều kiện tối u này thì độ axit bề mặt của sét sẽgiảm xuống, điều này có thể giải thích là do các lớp trong cấu trúc của sét

bị phá hủy dần và làm mất dần điện tích trên các lớp và vì thế khả năng giữproton H+ của sét giảm xuống dẫn đến giảm nhanh độ axit bề mặt

Các tâm axit hình thành trên bề mặt sét trong quá trình hoạt hóa gồmtâm axit Bronxtet và tâm axit Lewis

Nh vậy sự chế hoá sét bằng axit làm tăng diện tích bề mặt, thể tích lỗxốp và đồng thời làm tăng các tâm xúc tác Do vậy ngời ta có thể điều chỉnhcấu trúc của mạng đất sét cho từng loại phản ứng xúc tác cụ thể bằng cáchchọn nồng độ axit và nhiệt độ hoạt hóa tối u sao cho phản ứng đạt đợc hiệusuất mong muốn.

1.6.3.2 Hoạt tính xúc tác.

Hoạt tính xúc tác hoạt hoá đợc đánh giá qua nhiều phản ứng hữu cơkhác nhau, trong đó phản ứng chuyển hoá ancol và cracking cumen hiệnnay đợc quan tâm nhiều Độ chuyển hoá ancol và phản ứng cracking cumen

tỷ lệ với độ axit bề mặt xúc tác Ngoài ra thành phần và cấu trúc của chấtxúc tác cũng ảnh hởng rất lớn đến hiệu suất của phản ứng này

2 Chuyển hoá chất khoáng thành chất hấp phụ.

2.1 Một số chất hấp phụ rắn.

Các chất hấp phụ rắn là những chất ở trạng thái phân tán cao (dạngbột) hoặc có cấu trúc xốp, tức là những chất có bề mặt riêng lớn Một sốloại chất hấp phụ rắn đã biết nh than hoạt tính, muội than, silicagel, zeolit…rất lớn, nên việc nghiên cứu

Đó là những vật liệu xốp, đợc sử dụng trong nhiều nghành khác nhau làmchất hấp phụ, chất xúc tác, chất độn vơí cao su, chất dẻo…rất lớn, nên việc nghiên cứuChất hấp phụxốp đợc chia thành hai loại Những hạt rắn mang sẵn lỗ xốp bên trong, khitồn tại riêng biệt hoặc cả khi đợc ép dính vào nhau, là những vật xốp tinh.Những hạt không chứa lỗ xốp, khi ép dính vào nhau cũng tạo ra cấu trúcxốp thô Các vật xốp này cùng chung một đặc điểm là có bề mặt riêng lớn

Ngời ta chuyển hoá các vật rắn thành chất hấp phụ theo cách chianhỏ vật chất (phơng pháp phân tán) hoặc liên kết tiểu phân (ion, phân tử,nguyên tử) thành những tập hợp (phơng pháp ngng tụ)

Muội grafit hoá, khi nhiệt phân có thể chuyển thành grafit Muộitrắng SiO2 ở dạng phân tán cao, điều chế bằng cách cho SiCl4, SiF4 phảnứng với nớc trong khí quyển hơi nớc Các dạng muội trắng có dạng hìnhcầu, kích thớc hạt cỡ 10-8m (100A0) Chú ý rằng silicagel là chất hấp phụhơi nớc đợc dùng phổ biến, cũng là SiO2 nhng nó đợc điều chế bằng cáchcho silicat-Na (hoặc thuỷ tinh lỏng silicat-K) phản ứng với axit trong dungdịch nớc tạo ra một khối đông tụ của axit polisilisic, sau khi sấy khô thì thu

đợc silicagel (khô) Bề mặt riêng của silicagel có thể tới 400m2/g

Chất hấp phụ đợc biết đến từ lâu đời nhất là than hoạt tính Trong đạichiến thế giới lần thứ nhất, để tìm một chất có khả năng hấp thụ khí độcmạnh hơn than gỗ thờng, Trelenski cho đốt nóng than gỗ kết hợp chế hoáthan với hơi nớc và đã thu đợc than hoạt tính dùng cho mặt nạ phòng độc

17

Hiện nay, các loại chất hấp phụ là than hoạt tính thờng đợc chế tạo bằngcách: trớc hết đốt gỗ hay các loại vỏ, để cacbon hoá Sau đó nâng nhiệt độlên 4000C hoặc cao hơn kết hợp với sục hơi nớc đuổi các chất hữu cơ hấpphụ trên bề mặt than để hoạt hoá than Thao tác trên nhằm tạo ra các maoquản trên bề mặt than, làm diện tích bề mặt của than tăng lên Thờng 1gthan hoạt tính có diện tích bề mặt gần 1000m2.

2.2 Hai phơng pháp tạo chất hấp phụ rắn.

Các chất rắn có kích thớc lỗ hấp phụ R0 phụ thuộc vào hai yếu tố làkích thớc hạt sơ cấp và cách sắp xếp các hạt sơ cấp thành cấu trúc thứ cấp

Điều đó phụ thuộc vào cách tạo ra hạt cấu trúc, nó liên quan đến cấu trúc sơcấp và quyết định tính chất hạt sơ cấp, do vậy ảnh hởng trực tiếp đến quátrình hấp phụ Bên cạnh kích thớc lỗ hấp phụ, hoạt tính bề mặt của chất hấpphụ cũng là một yếu tố phải quan tâm

Các hạt chất hấp phụ xốp thờng đợc sản xuất ở dạng viên, kích thớcviên trong hấp phụ đợc lấy ở khoảng 0,1-1,0mm Nếu lấy kích thớc viên lớnhơn thì trở lực sẽ giảm, tốc độ dòng chảy sẽ tăng lên nhng khả năng hấpphụ sẽ bị ảnh hởng

Phơng pháp thứ nhất: điều chế hạt cấu trúc sơ cấp Phơng pháp nàychủ yếu đợc dùng trong phòng thí nghiệm thờng đi từ các dung dịch lỏng,kiểu làm đông tụ của chất hấp phụ silicagel (đã nêu ở trên) Sau đó tạo nêncấu trúc thứ cấp khi sấy khô kết tủa

Phơng pháp thứ hai: ta giữ nguyên khung tự nhiên của vật rắn, sau đódùng các chất khác nh các hoá chất: axit, nớc , khí cacbonic…rất lớn, nên việc nghiên cứutác động vàokhung (phản ứng hoá học) tự nhiên đó để tạo ra một loại khung xốp

Đối với các khoáng tự nhiên đợc nghiên cứu về khả năng hấp phụ,trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phơng pháp thứ hai Cho khoángBentonit tác dụng với axit sunfuric để hoà tan các oxit kim loại, rồi biếntính bề mặt bằng dung dịch kích thích hấp phụ, tạo cho khoáng Bentonitmột cấu trúc mới với khung bản tự nhiên của nó vẫn đợc giữ nguyên

2.3 Kỹ thuật hấp phụ trên bề mặt rắn.

Sự hấp phụ trên giới hạn bề mặt vật rắn – dung dịch là sự hấp phụquan trọng nhất, bởi so sánh bề mặt thì chất lỏng có bề mặt đồng nhất vàchất rắn có bề mặt không đông nhất Do đó sự hấp phụ này có ý nghĩa rấtlớn về mặt lý thuyết và thực tiễn, vì hầu hết những chất hấp phụ (và chấtxúc tác) dùng trong công nghiệp, trong hoá học và trong đời sống đều ởtrong trạng thái rắn, còn môi trờng nớc là một loại đối tợng cần sử dụng kỹthuật hấp phụ bởi chất hấp phụ rắn nhiều nhất