Đề tài Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại Fe 2+ trên bentonit Bình Thuận

1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa ........................................................................................................... i Lời cam ñoan........................................................................................................... ii Lời cảm ơn ............................................................................................................. iii MỤC LỤC .............................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH ............................................................ 3 PHẦN I: MỞ ðẦU.................................................................................................. 4 I. Lý do chọn ñề tài.............................................................................................. 4 II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. .................................................................. 5 III. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu. ................................................................. 5 IV. Phương pháp nghiên cứu. .............................................................................. 6 V. Giả thuyết khoa học. ....................................................................................... 6 VI. Lịch sử vấn ñề nghiên cứu. ............................................................................ 6 PHẦN II: NỘI DUNG............................................................................................. 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1. Giới thiệu về Bentonit. ............................................................................... 7 I.1.1. Thành phần hóa học của Bentonit....................................................... 7 I.1.2. Cấu trúc của Montmorilonit. .............................................................. 9 I.1.3. Các khả năng biến tính của Bentonit .................................................11 I.1.4. Tính chất cấu trúc hấp phụ. ...............................................................11 I.1.5. Khả năng hấp thu ion của Bentonit....................................................14 I.2. Những ứng dụng chủ yếu của Bentonit..................................................... 15 I.2.1. Bentonit dùng làm chất hấp phụ. .......................................................15 I.2.2. Bentonit dùng ñể chế tạo dung dịch khoan.........................................15 I.2.3. Bentonit dùng làm chất ñộn...............................................................16 I.2.4. Bentonit dùng trong công nghiệp rượu bia.........................................16 I.2.5. Bentonit dùng trong công nghiệp tinh chế nước.................................16 I.2.6. Một số ứng dụng khác.......................................................................17 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 2 I.3. Hoạt hóa Bentonit.................................................................................... 17 I.3.1. Hoạt hóa bằng nhiệt. .........................................................................18 I.3.2. Hoạt hóa bằng kiềm..........................................................................18 I.3.3. Hoạt hóa bằng axit vô cơ...................................................................19 I.3.4. Phương pháp khác. ...........................................................................19 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM II.1. Hóa chất và dụng cụ............................................................................... 20 II.1.1. Hoá chất. .........................................................................................20 II.1.2. Dụng cụ...........................................................................................20 II.2. Phương pháp nghiên cứu........................................................................ 21 II.2.1. Phương pháp phân tích thành phần các cấu tử trong bentonit. ...........21 II.2.2. Phương pháp xác ñịnh sắt trong dung dịch. ......................................25 II.2.3. Phương pháp xác ñịnh hấp dung. .....................................................26 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1. Thực nghiệm xác ñịnh nồng ñộ Fe2+ trong dung dịch............................ 27 III.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến khả năng hấp phụ của bentonit...... 28 III.2.1. Ảnh hưởng của pH. ........................................................................30 III.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy. .....................................................31 III.2.3. Ảnh hưởng của nồng ñộ chất bị hấp phụ. ........................................31 III.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích dung dịch hấp phụ và khối lượng bentonit. ....................................................................................................34 PHẦN III: KẾT LUẬN ......................................................................................... 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 36 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 3 DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH I. Danh mục các bảng số liệu. Bảng 2.1: Thành phần hóa học của bentonit Bình Thuận sơ khai. Bảng 2.2: Tóm tắt số liệu xây dựng phương trình ñường chuẩn Fe2+ bằng thuốc thử phenatrolin. Bảng 3.1: Sự phụ thuộc của ñộ hấp thụ quang A vào nồng ñộ ion Fe2+. Bảng 3.2: Sự phụ thuộc giữa hấp dung của bentonit ñối với Fe2+ vào pH của dung dịch. Bảng 3.3: Sự phụ thuộc giữa hấp dung của bentonit ñối với Fe2+ vào thời gian khuấy khác nhau. Bảng 3.4: Sự phụ thuộc giữa hấp dung của bentonit ñối với Fe2+ vào nồng ñộ của dung dịch Fe2+. Bảng 3.5: Sự phụ thuộc giữa hấp dung của bentonit ñối với Fe2+ vào tỷ lệ Vl/mr khác nhau. II. Danh mục các hình. Hình 1.1. Mẫu bentonite Hình 1.2: Công thức khai triển không gian của montmorilonit lý tưởng Hình 1.3: Sơ ñồ cấu trúc không gian montmorilonit. Hình 1.4: Vị trí của các nhóm OH có trong mạng lưới cấu trúc của bentonit Hình 1.5: Dạng ñồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của L và C/L vào C Hình 1.6: Sự phụ thuộc giữa mật ñộ quang A vào nồng ñộ ion Fe2+ (mg/l) Hình 1.7: ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hấp dung vào pH dung dịch Hình 1.8: ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hấp dung vào thời gian khuấy. Hình 1.9: ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hấp dung vào nồng ñộ Fe2+. Hình 1.10: ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hấp dung vào tỷ lệ Vl/mr. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 4 PHẦN I: MỞ ðẦU I. Lý do chọn ñề tài Nước có vai trò rất quan trọng cho mọi sự sống trên trái ñất, nó giúp cho con người, ñộng vật trao ñổi vận chuyển thức ăn, tham gia vào các phản ứng sinh hoá học và các mối liên kết, cấu tạo trong cơ thể. ðối với cơ thể con người, nước là nguyên liệu chiếm tỉ trọng lớn nhất khoảng 60-65%. Ngoài ra, con người rất cần sử dụng nguồn nước trong các hoạt ñộng sống như: cần một lượng nước rất lớn phục vụ cho nhu cầu tưới tiêu trong nông nghiệp, sử dụng làm dung môi và xúc tác cho các phản ứng trong sản xuất công nghiệp, tạo ra ñiện năng, nguồn nước sạch ñáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày, v.v… Chính hoạt ñộng của con người như: khai thác quặng không hợp lý, sự rò rỉ phóng xạ, nước thải của các nhà máy,… làm cho nguồn nước nói chung và nước ngầm nói riêng ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Hàm lượng các kim loại nặng và các chất phóng xạ trong nước ngầm ngày càng tăng và vượt mức cho phép gây hậu quả nghiêm trọng ñến ñời sống ñộng thực vật và con người. Vì vậy, trong việc bảo vệ môi trường, bảo vệ sinh thái thì việc xử lý chất thải, chất ñộc làm giảm hàm lượng của chúng xuống dưới mức cho phép là một việc làm thiết thực có lợi ích trực tiếp ñến sức khoẻ của con người. Có nhiều phương pháp làm giảm hàm lượng các kim loại trong nước thải, nước ngầm như phương pháp hoá học, phương pháp ñiện hoá, phương pháp kết tủa, phương pháp trao ñổi, phương pháp nhiệt, phương pháp sinh học. Tuỳ từng kim loại, hàm lượng mà chúng ta có thể sử dụng các phương pháp khác nhau hoặc kết hợp chúng với nhau sao cho hiệu quả cao nhất và kinh tế nhất. Trong nước sự có mặt của sắt làm ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm công nghiệp và sinh hoạt. Trong công nghiệp giấy sự có mặt của sắt cũng sẽ làm giảm chất lượng giấy. Trong công nghiệp dệt, sắt ảnh hưởng ñến khâu nhuộm và ăn màu. Trong công nghiệp thực phẩm (bia, rượu, nước ngọt, nước khoáng,…) gây ra màu, mùi lạ ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm. Trong sinh hoạt, sự có mặt của sắt làm giảm tác dụng của xà phòng, làm vàng quần áo,…và trong nước uống nếu hàm lượng sắt lớn có thể gây ngộ ñộc. Chính vì thế chúng ta cần làm giảm hàm lượng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 5 của chúng trong nước xuống dưới mức cho phép nhằm mang lại lợi ích cho con người cũng như các sinh vật khác. Việc sử dụng các chất như bùn hoạt tính, than hoạt tính, silicagen, các khoáng sét ñể hấp phụ các kim loại làm giảm hàm lượng của chúng trong nước là một trong những phương pháp ñã ñược biết ñến từ lâu – phương pháp hấp phụ - và hay ñược sử dụng. Trong số các vật liệu hấp phụ dùng ñể xử lý môi trường nói chung và xử lý kim loại nặng nói riêng thì bentonit là một trong những vật liệu ñược dùng nhiều. Bentonit ñược sử dụng nhiều vì nó sẵn có, rẻ tiền và có tính năng hấp phụ tốt. Theo một số báo cáo hiện có, nước ta có nguồn tài nguyên bentonit tương ñối dồi dào, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng bentonit ñể làm vật liệu hấp phụ là một việc làm thiết thực nhằm góp phần vào việc sử dụng nguồn tài nguyên của ñất nước một cách hợp lý và có hiệu quả. Sử dụng bentonit làm vật liệu hấp phụ ñể làm giảm hàm lượng của sắt trong nước nhằm giảm tác hại của chúng, ñó cũng là một giải pháp phù hợp. ðó cũng chính là lý do mà tôi lựa chọn ñề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại Fe2+ trên bentonit Bình Thuận” làm nội dung cho khoá luận của mình. II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. o Mục tiêu: - Biết ñược cấu tạo và ứng dụng của bentonit. - Biết ñược các phương pháp hoạt hoá bentonit. - Biết ñược quá trình hấp phụ các ion kim loại của bentonit. - Biết ñược các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ của bentonit. o Nhiệm vụ: - Xác ñịnh khả năng hấp phụ ion Fe2+ của bentonit tự nhiên. - Tìm ra các ñiều kiện tối ưu của sự hấp phụ Fe2+ của bentonit. III. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu. o ðối tượng nghiên cứu: mẫu bentonit Bình Thuận tự nhiên. o Phạm vi nghiên cứu: chỉ nghiên cứu sự hấp phụ ion Fe2+ trên bentonit Bình Thuận tự nhiên và một số yếu tố ảnh hưởng ñến sự hấp phụ ñó. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 6 IV. Phương pháp nghiên cứu. o Phương pháp nghiên cứu lý thuyết. o Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. o Phương pháp nghiên cứu phân tích ñánh giá. V. Giả thuyết khoa học. Nếu ñề tài nghiên cứu thành công, kết quả nghiên cứu sẽ có thể ứng dụng vào trong thực tiễn ñể loại bỏ kim loại sắt trong nước thải và nước sinh hoạt. VI. Lịch sử vấn ñề nghiên cứu. Trước ñây ñã có một số tác giả nghiên cứu về vấn ñề này và các vấn ñề có liên quan như: 1. Lê Tự Hải (2008), Nghiên cứu quá trình biến tính Thuận Hải và ứng dụng hấp phụ ion Mn2+ trong nước, Tạp chí khoa học và công nghệ, Trường ðại Học ðà Nẵng – Số 3(26). 2. Phạm Trung Tính (2003), Nghiên cứu khả năng hấp thu một số ion kim loại nặng trên bentonit Di Linh – Lâm ðồng ñã hoạt hoá, khoá luận tốt nghiệp, Trường ðại Học KHTN, Hà Nội. 3. Vương Văn Trường (2004), Khảo sát sự hấp thu các ion Mn2+ và Fe2+ trên bentonit trong dung dịch nước, khóa luận tốt nghiệp, Trường ðại học KHTN, Hà Nội. 4. ðỗ Quý Sơn – Nghiên cứu khả năng ứng dụng các chất trao ñổi ion trên cơ sở các Alumisilicat tự nhiên. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 7 PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1. Giới thiệu về Bentonit.[7], [8] (a) (b) Hình 1.1. Mẫu bentonite (a) Mẫu quặng bentonite nguyên khai (b) Mẫu bentonite ñã ñược nghiền phân cấp sơ bộ I.1.1. Thành phần hóa học của Bentonit. Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, có thành phần chính là montmorilonit. Vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là montmorilonit. Công thức ñơn giản của montmorilonit Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào ñơn vị cấu trúc. Công thức lý tưởng của montmorilonit là Si8Al4O20(OH)4 cho một ñơn vị cấu trúc. Tuy nhiên thành phần của montmorilonit luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế ñồng hình của các ion kim loại như Fe3+, Fe2+, Mn2+,… vào vị trí của Si4+ trong tứ diện SiO4 và của Al3+ trong bát diện AlO6. Như vậy thành phần hóa học montmorilonit, ngoài sự có mặt của Si, Al và O, ta còn thấy có sự xuất hiện của các nguyên tố khác như: Fe, Mg, Zn, Na, K, v.v…, trong ñó tỷ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1:2 ñến 1:4. Ngoài thành phần chính là montmorilonit, trong bentonit thường còn chứa một số khoáng sét khác như hectorit, saponit và một số khoáng vi sét như canxit, pirit, manhetit, các muối kiềm và một số chất hữu cơ khác. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 8 I.1.2. Cấu trúc của Montmorilonit. Trong công thức lý tưởng của montmorilonit, các nguyên tử Si nằm ở tâm mạng tứ diện, còn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện (trong trường hợp mạng nhôm silicat là trung hòa ñiện). Công thức khai triển của montmorilonit ñược biểu diễn bởi hình 1.2. Hình 1.2: Công thức khai triển không gian của montmorilonit lý tưởng Do montmorilonit có cấu trúc 2:1 dạng ñiocta nên cấu trúc lớp montmorilonit ñã ñược hình thành từ hai mạng tứ diện liên kết với một mạng bát diện ở giữa, tạo nên một lớp nhôm silicat với các khe trống ở giữa. Các cation có khả năng trao ñổi bị hyñrat hóa và các phân tử nước bị hấp thụ có thể chiếm chỗ các khe trống giữa các lớp nhôm silicat. Chiều rộng của khe trống giữa các lớp cấu trúc cơ bản của montmorilonit là 9,6 0 A , chiều rộng ñó có thể bị thay ñổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng, bản chất, kích thước của cation trao ñổi và lượng nước hấp thụ, thường có thể ñến 15 0 A . Sơ ñồ cấu trúc không gian mạng lưới trung hòa ñiện của montmorilonit ñược trình bày trên hình 1.3. Nếu các ion Si4+ trong tứ diện hay ion Al3+ trong bát diện bị thay thế ñồng hình bởi các cation dương có ñiện tích thấp hơn thì các phân mạng ñó tích ñiện âm. Mức ñộ tích ñiện âm cao hay thấp tùy thuộc vào số lượng và bản chất của các cation thay thế. ðiện tích âm của mạng sẽ ñược bù trừ bằng các cation mang ñiện tích dương Na+, K+, Ca2+, Fe2+, Mn2+, v.v… ở khoảng không gian giữa các lớp. Như vậy khả năng trao ñổi cation của montmorilonit là PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 9 tương ñương với ñiện tích các lớp. Hình 1.3 sẽ cho thấy cấu trúc lớp của montmorilonit. Hình 1.3: Sơ ñồ cấu trúc không gian montmorilonit. I.1.3. Các khả năng biến tính của Bentonit. I.1.3.1. Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhôm silicat. Như ñã ñề cập ở trên, ñặc trưng cơ bản của bentonit là tính chất trao ñổi. Tính chất ñó có ñược là do sự thay thế ñồng hình các ion Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện và thay thế ion Al3+ bằng Mg2+ trong mạng lưới bát diện, làm xuất hiện ñiện tích âm trong mạng lưới cấu trúc. Khả năng thay ñổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng ñiện tích âm bề mặt và số lượng ion trao ñổi. Nếu số lượng ñiện tích âm bề mặt càng lớn, số lượng cation trao ñổi càng lớn thì dung lượng trao ñổi của bentonit càng lớn. Khả năng trao ñổi ion của nhôm silicat còn phụ thuộc vào ñiện tích và bán kính cation trao ñổi. ðiện tích cation càng thấp thì càng ñẽ trao ñổi hơn cation ñiện tích cao Me+ > Me2+ > Me3+. ðối với các cation cùng ñiện tích, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao ñổi càng lớn, có thể sắp xếp theo trật tự như sau: Li+ > Na+ > K+ > Cu2+ > Fe2+ > Al3+. 0,96nm Khoảng cách - d PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 10 Tuy nhiên khả năng trao ñổi của nhôm silicat chủ yếu vẫn phụ thuộc vào ñiện tích âm bề mặt và lượng ñiện tích âm trong mạng lưới. Bentonit có cấu trúc lớp xốp, gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao ñổi ion bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước tinh thể, phụ thuộc vào sự ñứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng trao ñổi càng lớn. Khả năng trao ñổi bề mặt trong phản ánh lượng ñiện tích âm trong mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nó phụ thuộc vào lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Số lượng cation bù trừ càng lớn thì khả năng trao ñổi càng lớn. Dung lượng cation dao ñộng từ 80 ÷150 mgñl/100g. Dung lượng trao ñổi anion dao ñộng từ 15 ÷ 40 mgñl/100g. Ngoài ra, sự trao ñổi ion của bentonit còn liên quan ñến sự thay thế các nguyên tử hydro trong các nhóm hydroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu, ñỉnh của các tứ diện SiO4 hướng ra phía ngoài của lớp cấu trúc. Ở ñỉnh này các nguyên tử của oxi bị thay thế bởi các nhóm hydroxyl và các nhóm này ñảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp và góp phần vào sự cân bằng ñiện tích. Trong montmorilonit còn có các nhóm hydroxyl nằm ở ñỉnh các bát diện AlO6. Trong sáu ñỉnh của bát diện có hai ñỉnh là nhóm OH còn bốn ñỉnh kia là oxi (hình 1.3). Si OH O O O Al OH O O I II Si O O O O H Al O O O III Hình 1.4. Vị trí của các nhóm OH có trong mạng lưới cấu trúc của bentonit Trong ñó nhóm hydroxyl của liên kết Si – OH (hình 1.4.I) không có khả năng trao ñổi hydro, nhóm hydroxyl trong liên kết Al – OH (hình 1.4.II) có tính axit yếu nên khả năng trao ñổi yếu. Nhóm hydroxyl trong liên kết Si – O – Al (hình 1.4.III) có tính trao ñổi mạnh nên có tính quyết ñịnh ñến dung tích trao ñổi cation H+. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 11 I.1.3.2. Biến tính làm biến ñổi cấu trúc lớp nhôm silicat. Khoáng bentonit tự nhiên chứa nhiều tạp chất như các muối canxit (CaCO3), dolomit (MgCO3), một số oxit: Fe2O3, FeO, TiO2, v.v… và các tạp chất khác. Hoạt hóa bentonit là dùng kiềm hoặc axit hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al2O3, Fe2O3, ñể tạo trên bề mặt sét những lỗ xốp và trung tâm hoạt ñộng. Việc sử dụng nồng ñộ kiềm hoặc axit cao có khả năng hòa tan Al2O3 làm thay ñổi cấu trúc bentonit. I.1.4. Tính chất cấu trúc hấp phụ. Chính vì bentonit có cấu trúc lớp và ñộ phân tán cao cho nên nó có cấu trúc xốp phức tạp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc lỗ xốp ảnh hưởng rất lớn ñến tính chất hấp phụ của các chất, ñặc trưng của nó là tính chất chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có ñường kính ñủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào ñược ñể tham gia vào quá trình hấp phụ. Dựa vào ñiều này người ta có thể tiến hành hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất. ðây cũng là ñiểm khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác. Nhờ dư ñiện tích trên các nguyên tử của các nút mạng tinh thể cho nên bentonit là một chất hấp phụ phân cực và vì vậy nó sẽ ưu tiên hấp phụ các chất phân cực. Tuy nhiên, bentonit vẫn có thể hấp phụ các chất không phân cực do lực wan der Walls và tương tác hấp phụ chủ yếu là tương tác cảm ứng. Bề mặt bentonit có diện tích tương ñối lớn bao gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong. Bề mặt trong bao gồm bề mặt của các lớp nhôm silicat chồng lên nhau và ñược ngăn cách bằng các cation kim loại ñền bù ñiện tích trên bề mặt bentonit. Bề mặt ngoài ñược xác ñịnh bởi bề mặt của các mao quản chuyển tiếp. Các mao quản này ñược tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonit và có kích thước khoảng 40 ÷ 90 0 A . Diện tích của bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước các hạt bentonit, hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn. Khả năng trao ñổi ion lớn cùng với khả năng hấp phụ tốt mà ta có một loại vật liệu xử lý kim loại nặng rất hiệu quả từ bentonit. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 12 I.1.5. Khả năng hấp thu ion của Bentonit. I.1.5.1. Cơ chế hấp thu. Các ion kim loại có thể ñược hấp thu trên bề mặt bentonit hoặc trong các khe giữa các lớp. Cơ chế hấp thu có thể bao gồm