nghiên cứu điều chế, tính chất của vật liệu bentonit biến tính và ứng dụng hấp phụ phốtpho trong nước

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM







BÙI VĂN THẮNG




NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ
PHỐTPHO TRONG NƯỚC






LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

HÀ NỘI - 2012
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM






BÙI VĂN THẮNG




NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ
PHỐTPHO TRONG NƯỚC


C
huyên ngành: Hoá Vô cơ
Mã số: 62.44.25.01


LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Lê Bá Thuận
2. TS. Thân Văn Liên

HÀ NỘI - 2012

i






LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lê Bá Thuận và TS. Thân Văn
Liên. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, được các
đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.


Tác giả


Bùi Văn Thắng

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân
thành tới PGS. TS. Lê Bá Thuận và TS. Thân Văn Liên đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy, cô và anh chị ở
Trung tâm Chế biến Quặng phóng xạ - Viện Công nghệ Xạ hiếm,
Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tận tính giúp đỡ tôi trong
việc đo đạt, đóng góp ý kiến, hỗ trợ thiết bị và tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Công nghệ Xạ
hiếm, Ban Giám đốc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam và Ban
Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hoá học,
Trường Đại học Đồng Tháp đã bố trí thời gian, hỗ trợ kinh phí và
tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án của mình.
Cuối cùng, tôi cảm ơn quý thầy, cô, gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này.

Tác giả


Bùi Văn Thắng


iii
MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN
i

LỜI CẢM ƠN
ii

MỤC LỤC
iii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG
ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
xii

MỞ ĐẦU
1

Chương 1. TỔNG QUAN
3

1.1. BENTONIT
3

1.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hoá học
3

1.2.2. Cấu trúc của montmorillonit
3

1.3.3. Tính chất của bentonit
5

1.3.3.1. Khả năng trao đổi ion 5

1.3.3.2. Tính chất hấp phụ 6

1.3.3.3. Tính trương nở 6

1.3.4. Ứng dụng của bentonit

8

1.2. BENTONIT BIẾN TÍNH BẰNG CÁC TÁC NHÂN KIM LOẠI
8

1.2.1. Bentonit biến tính bằng cation kim loại
9

1.2.2. Bentonit biến tính bằng polyoxocation kim loại
9

1.2.3. Sự hình thành bentonit biến tính và các yếu tố ảnh hưởng
10

1.2.4. Bentonit biến tính bởi tác nhân La, Al, Fe, Al/La, Al/Fe
12

1.2.4.1. Bentonit biến tính lantan 12

1.2.4.2. Bentonit biến tính nhôm 13

1.2.4.3. Bentonit biến tính sắt 14

1.2.4.4. Bentonit biến tính nhôm/lantan 16

1.2.4.5. Bentonit biến tính nhôm/sắt 17

1.3. TÍNH CHẤT CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH
18


iv

1.4. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH
19

1.4.1. Hiện tượng phú dưỡng
20

1.4.2. Ảnh hưởng của phú dưỡng
21

1.4.3. Bentonit biến tính là vật liệu hấp phụ phốtpho hiệu quả
22

1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG BENTONIT BÌNH THUẬN

24

1.6. MỘT SỐ KẾT LUẬN CHÍNH RÚT RA TỪ TỔNG QUAN
26

1.7. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
27

Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
28

2.1. HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG
28

2.1.1. Hoá chất
28

2.1.2. Dụng cụ
28

2.1.3. Thiết bị
28

2.1.4. Mẫu quặng sử dụng trong nghiên cứu
28

2.2. XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG TRAO ĐỔI CATION CỦA BENTONIT
29

2.3. THỰC NGHIỆM ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH

29

2.3.1. Điều chế vật liệu B90-La và B40-La
29

2.3.2. Điều chế vật liệu BAl, BFe, BAlLa và BAlFe
30

2.3.2.1. Điều chế dung dịch polyoxocation kim loại 31

2.3.2.2. Điều chế bentonit biến tính bằng polyoxocation kim loại 32

2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
32

2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
32

2.4.2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X
33

2.4.3. Phương pháp xác định bề mặt riêng BET
33

2.4.4. Phương pháp hiển vi điệt tử quét
33

2.4.5. Phương pháp phổ hồng ngoại
33

2.4.6. Phương pháp ICP-AES
34

2.5. KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG
HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH
34


v

2.6. KHẢO SÁT HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM
35

2.6.1. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ
35

2.6.2. Thử nghiệm hấp phụ phốtpho của nước hồ phú dưỡng bằng vật liệu
bentonit biến tính trong cột
35

2.7. XỬ LÝ HỒ HOÀ MỤC BẰNG VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH
36

2.8. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
37

2.8.1. Động học hấp phụ
37

2.8.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ

39

2.8.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và các tham số nhiệt động học
40

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
42

3.1. ĐẶC TRƯNG CỦA BENTONIT BÌNH THUẬN
42

3.2. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN
46

3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu B90-La và B40-La
46

3.2.1.1. Ảnh hưởng thời gian trao đổi và tỉ lệ LaCl
3
/bentonit 46

3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH 49

3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 51

3.2.1.4. Ảnh hưởng của phần trăm huyền phù bentonit 52

3.2.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của bentonit biến tính lantan
54

3.2.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 54

3.2.2.2. Tính chất bề mặt 55

3.2.2.3. Phổ FTIR 55

3.2.3. Kết luận về quá trình điều chế bentonit biến tính lantan
56

3.3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH NHÔM VÀ SẮT
57

3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAl và BFe
57

3.3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ MCl
3
/bentonit 57

3.3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch polyoxocation 59

3.3.1.3. Ảnh hưởng nhiệt độ của quá trình biến tính 61

3.3.1.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol OH
-
/M
3+
63

3.3.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của vật liệu BAl và BFe

65

3.3.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 65


vi

3.3.2.2. Tính chất bề mặt 65

3.3.2.3. Phổ FTIR 66

3.3.3. Kết luận về quá trình điều chế vật liệu BAl, BFe
67

3.4. NGHÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH Al/La VÀ Al/Fe
68

3.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAlLa, BAlFe
68

3.4.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ AlCl
3
/MCl
3
68

3.4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ (Al
3+
+M
3+

)/bentonit 70

3.4.1.3. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch polyoxocation 72

3.4.1.4. Ảnh hưởng nhiệt độ của quá trình biến tính 74

3.4.1.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol OH
-
/(Al
3+
+M
3+
) 75

3.4.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của vật liệu BAlLa và BAlFe
77

3.4.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 77

3.4.2.2. Tính chất bề mặt 77

3.4.2.3. Phổ FTIR 78

3.4.3. Kết luận về quá trình điều chế vật liệu BAlLa, BAlFe
79

3.5. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HẤP
PHỤ PHỐTPHO CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH
80

3.5.1. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phốtpho của
bentonit biến tính
80

3.5.1.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 80

3.5.1.2. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ 81

3.5.1.3. Ảnh hưởng của pH 82

3.5.1.4. Động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 84

3.5.1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 86

3.5.1.6. Các tham số nhiệt động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 90

3.5.1.7. Ảnh hưởng của một số ion cản 93

3.5.1.8. Khả năng lưu giữ phốtpho của bentonit biến tính 94

3.5.1.9. Cơ chế hấp phụ phốtpho của bentontie biến tính 94

3.5.2. Thành phần hoá học và tính chất bề mặt của vật liệu sau khi hấp phụ
97

3.5.3. Kết luận về khả năng hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước tổng
hợp bằng vật liệu bentonit biến tính
99

vii

3.6. KHẢO SÁT HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH
LANTAN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM
99

3.6.1. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ
100

3.6.2. Khảo sát hấp phụ phốtpho của nước hồ bị phú dưỡng
102

3.6.3. Khảo sát hấp phụ phốtpho trong nước hồ của vật liệu bằng cột
104

3.6.4. Kết luận về khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu trong phòng thí nghiệm
106

3.7. XỬ LÝ HỒ HOÀ MỤC BẰNG VẬT LIỆU B90-La
107

3.7.1. Thời gian khảo sát
107

3.7.2. Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục trước khi xử lý
107

3.7.2.1. Phân tích một số chỉ tiêu lý hoá 107

3.7.2.2. Nồng độ kim loại có trong nước và bùn đáy hồ Hoà Mục trước khi xử lý 108

3.7.3. Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục sau khi phun bằng B90-La
109

3.7.3.1. Chất dinh dưỡng 109

3.7.3.2. Yếu tố pH 115

3.7.3.3. Nhiệt độ 116

3.7.3.4. DO và chất hữu cơ 117

3.7.3.5. Nồng độ kim loại trong nước và bùn đáy hồ Hoà Mục sau khi xử lý 118

3.7.4. Thành phần loài và mật độ tảo trước và sau khi xử lý hồ Hoà Mục
bằng vật liệu B90-La
119

3.7.4.1. Thành phần loài 119

3.7.4.2. Mật độ tảo 121

3.7.5. Kết luận về quá trình xử lý toàn hồ Hoà Mục bằng vật liệu B90-La
122

KẾT LUẬN
123

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
124

TÀI LIỆU THAM KHẢO
125

PHỤ LỤC


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tên đầy đủ
CEC Dung lượng trao đổi cation
MMT Montmorillonit
Bent Bentonit Bình Thuận
Bent-La Bentonit Bình Thuận biến tính lantan
B90 Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit
B40 Bentonit Bình Thuận 40% montmorillonit
B90-La Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính lantan
B40-La Bentonit Bình Thuận 40% montmorillonit biến tính lantan
BAl Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm
BFe Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính sắt

BAlLa Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm/lantan

BAlFe Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm/sắt

XRD Nhiễu xạ tia X
SEM Kính hiển vi điện tử quét
EDX Tán xạ năng lượng tia X
BET Phương pháp hấ p phụ BET

ICP-OES Phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng plasma
FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại
PHT Phốtpho hoà tan
TP Tổng phốtpho
TN Tổng nitơ
XL Xử lý
ĐC Đối chứng
S
BET
Diện tích bề mặt riêng tính theo phương trình BET
V
p
Tổng thể tích lỗ xốp

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Dung lượng trao đổi cation (CEC) của một số loại khoáng sét 5

Bảng 1.2. Yếu tố giới hạn đối với sự phú dưỡng, WHO 21

Bảng 1.3. Thành phần hoá học các loại sản phẩm bentonit Nha Mé 24

Bảng 3.1. Dung lượng trao đổi cation (CEC) của B90 và B40 42

Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của Bent, B90 và B40 43

Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần hoá học của Bent, B90 và B40 43

Bảng 3.4. Phần trăm lantan clorua trao đổi (%) trên B90 và B40 sau 24 giờ 47

Bảng 3.5. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của B90-Lax và B40-Lax
điều chế với tỉ lệ LaCl
3
/bentonit khác nhau 49

Bảng 3.6. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của B90-LapHx và B40-
LapHx điều chế ở khoảng pH khác nhau 50

Bảng 3.7. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của B90-LaTx và B40-
LaTx điều chế ở khoảng nhiệt độ khác nhau
52

Bảng 3.8. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của B90-Lax% và B40-
Lax% được điều chế ở phần trăm huyền phù sét bentonit khác nhau
53

Bảng 3.9. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt của B90-La và B40-La 54

Bảng 3.10. Tần số và tín hiệu phổ FTIR của mẫu B90-La và B40-La 56

Bảng 3.11. Giá trị d

001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAl-Cx và BFe-Cx
điều chế với tỉ lệ M
3+
/bentonit khác nhau
58

Bảng 3.12. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAl-xd và BFe-xd
điều chế với thời gian già hoá dung dịch polyoxocation khác nhau
61

Bảng 3.13. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAl-Tx và BFe-Tx
điều chế với nhiệt độ của quá trình biến tính khác nhau 62

Bảng 3.14. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAl-OH-x và BFe-
OH-x điều chế với tỉ lệ mol OH
-
/M
3+
khác nhau 64

Bảng 3.15. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt của BAl và BFe 65

Bảng 3.16. Tần số và tín hiệu phổ FTIR của mẫu BAl và BFe 67

x

Bảng 3.17. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của mẫu BAlLa-x và
BAlFe-x điều chế với tỉ lệ Al
3+
/M
3+
khác nhau 69

Bảng 3.18. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAlLa-Cx và
BAlFe-Cx điều chế với tỉ lệ (Al
3+
+M
3+
)/bentonit khác nhau 71

Bảng 3.19. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAlLa-xd và BAlFe-xd
điều chế với thời gian già hoá dung dịch polyoxocation Al/M khác nhau 73

Bảng 3.20. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAlLa-Tx và BAlFe-

Tx điều chế ở nhiệt độ khác nhau 75

Bảng 3.21. Giá trị d
001
và khoảng cách lớp xen giữa của BAlLa-OH-x và
BAlFe-OH-x được điều chế ở tỉ lệ mol OH
-
/(Al
3+
+M
3+
) khác nhau 76

Bảng 3.22. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt của BAlLa và BAlFe 77

Bảng 3.23. Tần số và tín hiệu phổ FTIR của mẫu BAlLa và BAlFe 79

Bảng 3.24. Hiệu suất hấp phụ H
x
(%) của anion phốtphat trên bentonit biến
tính sau 120 phút khuấy 81

Bảng 3.25. Các tham số động học hấp phụ phốtpho của bentonit biến tính 85

Bảng 3.26. Các tham số phương trình Langmuir và Freundlich của quá trình
hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính ở 25
o
C, 30
o
C và 35

o
C
89

Bảng 3.27. So sánh dung lượng hấp phụ phốtphat của một số chất hấp phụ 90

Bảng 3.28. Giá trị K
C
và K
L
ở các nhiệt độ 298K, 303K và 308K 91

Bảng 3.29. Các tham số nhiệt động học của quá trình hấp phụ phốtphat lên
bentonit biến tính 92

Bảng 3.30. Phần trăm phốtpho bị hấp phụ của bentonit biến tính với nồng độ
PO
4
3-
(6,5mg/l) và nồng độ ion cản (NO
3
-
, Cl
-
, SO
4
2-
, HCO
3
-

) là 0,5 mmol/l

93

Bảng 3.31. Thành phần hoá học của vật liệu sau khi hấp phụ phốtpho 97

Bảng 3.32. Các tham số động học hấp phụ phốtpho trên B90-La trong nước
tổng hợp trong điều kiện khuấy liên tục với lượng chất hấp phụ là 1;
2,3; 3,4 và 4,5 g/L 101


xi

Bảng 3.33. Các tham số động học hấp phụ phốtpho của B90-La trong nước
hồ Hoà Mục với điều kiện khuấy liên tục ở liều lượng dùng khác nhau 104

Bảng 3.34. Nồng độ PHT và một số chỉ tiêu lý hoá của nướ c hồ Hoà Mục trước khi
xử lý bằng B90-La

104

Bảng 3.35. Các tham số động học hấp phụ phốtpho của B90-La trong nước
hồ Hoà Mục theo mô hình cột với liều lượng dùng khác nhau
106

Bảng 3.36. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu lý hoá của nước hồ Hoà Mục 108

Bảng 3.37. Hàm lượng kim loại có trong nước hồ Hoà Mục trước khi phun B90-La 109

Bảng 3.38. Hàm lượng một số kim loại có trong mẫu bùn đáy hồ Hoà Mục

109

Bảng 3.39. Nồng độ kim loại của nước hồ Hoà Mục sau khi phun B90-La 118

Bảng 3.40. Hàm lượng kim loại của mẫu bùn đáy hồ Hoà Mục sau khi xử lý hồ 119


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể montmorillonit 4

Hình 1.2. Cấu trúc khoáng chất montmorillonit 4

Hình 1.3. Sơ đồ mô tả quá trình trương nở của bentonit 7

Hình 1.4. Sơ đồ mô tả sự trương nở hoàn toàn của bentonit 8

Hình 1.5. Mô hình thực nghiệm điều chế bentonit biến tính 11

Hình 1.6. Cấu trúc polyoxocation Al
13
13

Hình 1.7. Sơ đồ mô tả cấu trúc lớp và cấu trúc bóc lớp của bentonit biến tính 14

Hình 1.8. Cấu trúc bentonit biến tính bằng tác nhân polyoxocation Al
13
19

Hình 1.9. Một số thuỷ vực bị phú dưỡng 20

Hình 2.1. Quy trình điều chế vật liệu bentonit biến tính lantan 30

Hình 2.2. Quy trình điều chế vật liệu bentonit biến tính bằng polyoxocation kim koại 31

Hình 2.3. Mô hình thử nghiệm cột xử lý nước hồ 36

Hình 2.4. Hồ Hoà Mục 36

Hình 3.1. Ảnh SEM của mẫu a) B90 và b) B40 44

Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu a) B90 và b) B40 44

Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của mẫu a) B90 và b) B40
45

Hình 3.4. Phần trăm lantan clorua trao đổi (%) trên mẫu a) B90-Lax và b)
B40-Lax theo thời gian ở tỉ lệ LaCl
3
/bentonit khác nhau 47

Hình 3.5. Giản đồ phổ XRD của mẫu a) B90-Lax và b) B40-Lax điều chế với
tỉ lệ LaCl
3
/bentonit khác nhau 48

Hình 3.6. Giản đồ XRD của mẫu a) B90-LapHx và b) B40-LapHx điều chế ở
khoảng pH khác nhau 50

Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu a) B90-LaTx và b) B40-LaTx điều chế ở
khoảng nhiệt độ khác nhau 51

Hình 3.8. Giản đồ XRD của mẫu a) B90-Lax% và b) B40-Lax% điều chế ở
phần trăm huyền phù bentonit khác nhau 52

Hình 3.9. Ảnh SEM của mẫu a) B90-La và b) B40-La 55

Hình 3.10. Phổ FTIR của mẫu a) B90-La và b) B40-La 56


xiii

Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu a) BAl-Cx và b) BFe-Cx điều chế với tỉ lệ
MCl
3
/bentonit khác nhau
57

Hình 3.12. Giản đồ XRD của mẫu a) BAl-xd và b) BFe-xd điều chế với thời
gian già hoá dung dịch polyoxocation khác nhau 60

Hình 3.13. Giản đồ XRD của mẫu a) BAl-Tx và b) BFe-Tx điều chế ở nhiệt
độ của quá trình biến tính khác nhau
62

Hình 3.14. Giản đồ XRD của mẫu a) BAl-OH-x và b) BFe-OH-x điều chế với
tỉ lệ mol OH
-

/M
3+
khác nhau
63

Hình 3.15. Ảnh SEM của mẫu a) BAl và b) BFe 66

Hình 3.16. Phổ FTIR của mẫu a) BAl và b) BFe 66

Hình 3.17. Giản đồ XRD của mẫu a) BAlLa-x và b) BAlFe-x điều chế với tỉ
lệ AlCl
3
/MCl
3
khác nhau 68

Hình 3.18. Giản đồ XRD các mẫu a) BAlLa-Cx và b) BAlFe-Cx điều chế với
tỉ lệ (Al
3+
+M
3+
)/bentonit khác nhau
71

Hình 3.19. Giản đồ phổ XRD của mẫu a) BAlLa-xd và b) BAlFe-xd điều chế
với thời gian già hoá dung dịch polyoxocation Al/M khác nhau
72

Hình 3.20. Giản đồ XRD của mẫu a) BAlLa-Tx và b) BAlFe-Tx điều chế ở
nhiệt độ khác nhau

74

Hình 3.21. Giản đồ XRD của a) BAlLa-OH-x và b) BAlFe-OH-x điều chế ở tỉ
lệ mol OH
-
/(Al
3+
+M
3+
) khác nhau 75

Hình 3.22. Ảnh SEM của các vật liệu a) BAlLa và b)BAlFe 78

Hình 3.23. Phổ FTIR của mẫu a) B90, b) BAlLa và c) BAlFe 79

Hình 3.24. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ phốtpho của bentonit biến
tính theo thời gian
81

Hình 3.25. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ phốtpho của bentonit biến
tính vào pH dung dịch
82

Hình 3.26. Thành phần ion phốtphat trong dung dịch ở pH khác nhau 83

Hình 3.27. Động học hấp phụ phốtphat của bentonit biến tính: (a) Dạng
tuyến tính của phương trình động học biểu kiến bậc 2; b) Dạng tuyến
tính của phương trình Elovich
85

Hình 3.28. Dạng tuyến tính theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir của quá
trình hấp phụ phốtphat 87


xiv

Hình 3.29. Dạng tuyến tính theo phương trình đẳng nhiệt Freundlich của
quá trình hấp phụ phốtphat 88

Hình 3.30. Đồ thị biểu diễn lnK
C
qua 1/T của bentonit biến tính. 91

Hình 3.31. Phần trăm phốtpho bị hấp phụ giải phóng phụ thuộc vào pH. 94

Hình 3.32. Sự biến đổi pH dung dịch theo thời gian hấp phụ phốtpho trên vật
liệu bentonit biến tính. 95

Hình 3.33. Ảnh SEM của vật liệu sau khi hấp phụ phốtpho: (a) B40-La-P, b)
B90-La-P, c) BAl-P, d) BFe-P, e) BAlLa-P và f) BAlFe-P. 98

Hình 3.34. Dung lượng hấp phụ phốtpho của bentonit biến tính lantan theo
thời gian trong điều kiện khuấy liên tục với dung dịch nước tổng hợp. 100

Hình 3.35. Phương trình động học biểu kiến bậc 2 áp dụng cho quá trình hấp
phụ phốtpho trên bentonit biến tính lantan với dung dịch nước tổng hợp. 100

Hình 3.36. Sự phụ thuộc của lnk vào lnW. 101

Hình 3.37. Sự biến đổi nồng độ PHT trong thí nghiệm đối chứng và thí

nghiệm xử lý với tỉ lệ B90-La:P khác nhau theo thời gian. 102

Hình 3.38. Dung lượng hấp phụ phốtpho của B90-La theo thời gian trong điều
kiện khuấy liên tục với nước hồ Hoà Mục ở liều lượng dùng khác nhau. 103

Hình 3.39. Phương trình động học biểu kiến bậc 2 áp dụng cho quá trình hấp phụ
phốtpho trong nước hồ Hoà Mục trên B90-La với liều lượng dùng khác nhau. 103

Hình 3.40. Sự biến đổi nồng độ PHT trong cột đối chứng và cột xử lý với tỉ lệ
B90-La:P là 230:1, 340:1 và 450:1. 105

Hình 3.41. Dung lượng hấp phụ phốtpho biểu kiến theo theo thời gian của
nước hồ Hoà Mục với tỉ lệ B90-La:P là 230:1, 340:1 và 450:1. 105

Hình 3.42. Phương trình động học biểu kiến bậc 2 áp dụng cho quá trình hấp phụ
phốtpho của B90-La với nước hồ Hoà Mục ở liều lượng dùng khác nhau.
106

Hình 3.43. Nồng độ PHT của khu vực xử lý và đốt chứng 2 ngày trước khi xử
lý và 12 ngày sau khi xử lý
109

Hình 3.44. Nồng độ PHT của khu vực xử lý và cột đối chứng trong thời gian
thử nghiệm 110

Hình 3.45. Biến đổi giá trị TP (mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm 111


xv

Hình 3.46. Biến đổi giá trị N-NH
4
+
(mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối
chứng trong thời gian thử nghiệm. 112

Hình 3.47. Biến đổi giá trị N–NO
3
-
(mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối
chứng trong thời gian thử nghiệm. 112

Hình 3.48. Nồng độ N-NO
2
-
(mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm 113

Hình 3.49. Biến đổi giá trị TN (mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm 113

Hình 3.50. Tỷ số TN/TP theo thời gian xử lý. 114

Hình 3.51. Nồng độ Chl a (
µg/l
) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm 114

Hình 3.52. Giá trị pH của các khu vực xử lý và đối chứng 2 ngày trước khi

xử lý và 12 ngày sau khi xử lý
115

Hình 3.53. Giá trị pH của khu vực xử lý và khu vực đối chứng trong thời
gian thử nghiệm 116

Hình 3.54. Nhiệt độ của nước hồ Hoà Mục trong khu vực xử lý và khu vực đối
chứng trong thời gian thử nghiệm 116

Hình 3.55. Nồng độ oxi hoà tan (DO) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm 117

Hình 3.56. Biến động BOD (mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm 117

Hình 3.57. Biến động COD (mg/l) của khu vực xử lý và khu vực đối chứng
trong thời gian thử nghiệm
118

Hình 3.58. Biến đổi thành phần loài tảo của nước hồ Hoà Mục trước và sau
khi xử lý bằng B90-La: a) khu vực xử lý, b) khu vực đối chứng. 102

Hình 3.59. Biến đổi mật độ tảo của nước hồ Hoà Mục trước và sau khi xử lý
bằng B90-La: a) khu vực xử lý, b) khu vực đối chứng. 121

Hình 3.60. So sánh mật độ tảo ở khu vực đối chứng và khu vực xử lý hồ Hoà
Mục bằng B90-La. 122

1

MỞ ĐẦU
Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm sét smectit. Thành phần
chính của bentonit là khoáng chất montmorillonit, ngoài ra còn có một số khoáng chất
khác như quartz, cristobalit, fenspat, biotit, kaolinit, illit, pyroxene, zircon, canxit,v.v
Chính do cấu trúc, thành phần hoá học, khả năng trao đổi cation lớn, với lớp xen giữa
có đặc tính hiđrat hoá, cho nên bentonit có các tính chất rất đặc trưng của khoáng sét
trương nở như: khả năng trao đổi ion, trương nở, hấp phụ, kết dính, trơ, nhớt và
dẻo,v.v Do những tính chất quý này mà bentonit có tiềm năng ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp. Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp người ta còn dùng
bentonit làm vật liệu hấp phụ, chế tạo tác nhân xúc tác trong chuyển hoá chất hữu cơ,
trong công nghiệp dầu khí và ứng dụng trong xử lý môi trường.
Nước ta có nguồn quặng bentonit rất phong phú được phát hiện ở nhiều nơi.
Theo số liệu của Tổng cục Địa chất, ở Việt Nam có số lượng mỏ bentonit với trữ
lượng tương đối lớn đã được phát hiện, thăm dò và khai khác. Trong đó mỏ bentonit
Tuy Phong – Bình Thuận thuộc loại bentonit kiềm, với trữ lượng tương đối lớn,
khoảng 150 triệu tấn. Bên cạnh đó, mỏ quặng bentonit Di Linh – Lâm Đồng thuộc
loại bentonit kiềm thổ và một số mỏ bentonit khác ở Phú Yên, Thanh Hoá, An
Giang,v.v. với trữ lượng bé hơn [1, 4, 5, 9]. Mặc dù vậy, bentonit ở nước ta mới được
khai thác trong phạm vi nhỏ và chủ yếu dưới dạng thô, sử dụng làm vật liệu gốm, vật
liệu xây dựng, chế tạo dung dịch khoan,v.v Hiện nay, bentonit hoạt hoá và biến tính
sử dụng làm vật liệu hấp phụ ở nước ta chỉ mới nghiên cứu với lượng nhỏ và kết quả
chưa được triển khai thực tế. Vì vậy việc nghiên cứu, sử dụng loại tài nguyên quý giá
này và biến nó thành vật liệu sử dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực khác nhau của
nền kinh tế quốc dân là nhiệm vụ của các nhà khoa học nước nhà.
Biến tính bentonit bằng tác nhân kim loại hoặc tác nhân polyoxocation kim
loại thu được loại vật liệu có cấu trúc lỗ xốp vi mao quản – mao quản trung bình
[48, 50, 69, 72]. Bentonit biến tính được tạo thành khi trao đổi cation hiđrat lớp
giữa của bentonit với cation kim loại hoặc polyoxocation kim loại. Các

polyoxocation kim loại này được sinh ra do sự thuỷ phân bằng bazơ của các muối
kim loại như Al, Fe, Ga, Cr, Ti,v.v. [16, 42, 98, 105, 125, 135]. Tính chất bentonit
biến tính có thể được khống chế bởi điều kiện điều chế, kết hợp với tính chất sẵn có

2

của lớp nhôm silicat tự nhiên làm cho bentonit biến tính bằng tác nhân kim loại
hoặc polyoxocation kim loại có nhiều tính chất thú vị. Vật liệu bentonit biến tính có
tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ bởi vì số tâm hoạt động
tăng, diện tích bề mặt cao và độ xốp nằm trong vùng lỗ xốp vi mao quản – mảo
quản trung bình. Ngoài ra, tâm axit Bronsted và Lewis làm cải thiện độ bền nhiệt và
tăng chiều rộng lỗ xốp mở ra cơ hội ứng dụng vật liệu này trong chuyển hoá chất
hữu cơ và trong hấp phụ [59, 73, 91, 155].
Phú dưỡng là sự phát triển quá trình sinh học tự nhiên trong hồ, ao, sông,
biển,v.v. do gia tăng chất dinh dưỡng thường là các hợp chất của nitơ và phốtpho làm
thúc đẩy sự phát triển của tảo, thực vật thuỷ sinh và tạo ra những biến động lớn trong
hệ sinh thái nước, làm chất lượng nước bị suy giảm và ô nhiễm môi trường. Phốtpho
là yếu tố quan trọng gây nên phú dưỡng của thuỷ vực, dẫn đến nhiều cách xử lý phú
dưỡng dựa vào khả năng kiểm soát nồng độ phốtpho. Nhiều nhà nghiên cứu [24, 37,
55, 110, 152] cho rằng, kiểm soát phốtpho đạt hiệu quả cao hơn kiểm soát nitơ, không
giống như nitơ, nguồn phốtpho sinh học không có sẵn trong không khí.
Bentonit là khoáng đất sét có sẵn, rẻ tiền và hàm lượng phong phú trong tự
nhiên. Bề mặt bentonit mang điện tích âm cao thường được cân bằng bằng cation kim
loại kiềm và kim loại kiềm thổ (tiêu biểu là Na
+
và Ca
2+
). Những cation này có thể
được thay thế bằng tác nhân kim loại đóng vai trò tác nhân biến tính làm tăng khoảng
cách lớp xen giữa của bentonit. Nhiều tác nhân kim loại bao gồm Al [63, 71], Zr [42],

Fe [32, 155], La [55, 130], Cr [105, 135], Ti [53, 77] và Ga [36, 42] được sử dụng
nhiều trong thời gian qua. Bentonit biến tính có khả năng hấp phụ hiệu quả các dạng
phốtpho trong nước và lưu giữ chúng ở giữa lớp sét, không cho phát sinh trở lại cột
nước nên thực vật thuỷ sinh không thể hấp thu phát triển [55, 148, 152].
Việc tìm kiếm các vật liệu hấp phụ mới trên cơ sở sử dụng các tài nguyên
hiện có ở Việt Nam nhằm xử lý ô nhiễm môi trường nước là nhiệm vụ cần thiết và
cấp bách. Với ý tưởng sử dụng nguồn tài nguyên bentonit phong phú, sẵn có, rẻ tiền
ở nước ta để điều chế các vật liệu bentonit biến tính có khả năng hấp phụ phốtpho
trong nước, nhằm kiểm soát ngăn chặn phú dưỡng, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu
cho luận án là: “Nghiên cứu điều chế, tính chất của vật liệu bentonit biến tính và
ứng dụng hấp phụ phốtpho trong nước”.

3

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. BENTONIT
1.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hoá học
Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit. Thành phần
chính của bentonit là khoáng chất montmorillonit (MMT), ngoài ra còn có một số
khoáng chất khác như quartz, cristobalit, fenspat, biotit, kaolinit, illit, pyroxene,
zircon, canxit,v.v Đôi khi người ta còn gọi khoáng bentonit là MMT. Công thức
đơn giản nhất của MMT (Al
2
O
3
.4SiO
2
.nH
2
O) ứng với nửa đơn vị cấu trúc. Công

thức lý tưởng của MMT là Si
8
Al
4
O
20
(OH)
4
cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên,
thành phần hoá học của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn theo lý thuyết do
có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại như Al
3+
, Fe
2+
, Mg
2+
,v.v. với Si
4+

trong tấm tứ diện và Al
3+
trong tấm bát diện [4, 11, 143]. Bentonit xuất hiện trong
tự nhiên với sự biến thiên trong thành phần phụ thuộc vào nhóm và nguồn gốc của
chúng. Công thức phân tử chung của MMT được biết thông thường là
(M
+
x
.nH
2
O)(Al

4-y
Mg
x
)Si
8
O
20
(OH)
4
.nH
2
O, trong đó M
+
là cation trao đổi lớp giữa
(M
+
là Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
,v.v.), trong điều kiện lý tưởng, x = 0,33 [4, 8, 35].
Như vậy thành phần hoá học của MMT với sự có mặt của Si, Al, còn có các
nguyên tố khác Mg, Fe, Na, Ca,v.v. ngoài ra còn một số nguyên tố vi lượng khác
như: Ti, Tl,v.v Trong đó tỉ lệ của Al
2
O

3
:SiO
2
dao động từ 1:2 đến 1:4.
1.1.2. Cấu trúc của montmorillonit
Đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể MMT được chỉ ra trong Hình 1.1. Mạng
tinh thể của MMT gồm có lớp hai chiều trong đó tấm Al
2
O
3
(hoặc MgO) bát diện ở
trung tâm giữa hai tấm SiO
2
tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi
của tấm tứ diện cũng thuộc tấm bát diện. Nguyên tử Si trong tấm tứ diện thì phối trí
với 4 nguyên tử oxy định vị ở bốn góc của tứ diện. Nguyên tử Al (hoặc Mg) trong
tấm bát diện thì phối trí với 6 nguyên tử oxy hoặc nhóm hyđroxyl (OH) định vị ở 6
góc của bát diện đều. Ba tấm này chồng lên nhau hình thành một lớp cơ sở của
MMT. Bề dày của lớp này có kích thước khoảng 0,96 nm (9,6Å), chiều dài và chiều
rộng của lớp thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm [4, 9, 22].

4

Trong tự nhiên, những lớp cơ sở của MMT xếp chồng lên nhau tạo thành
khoảng không giữa các lớp này, thường được gọi là ‘khoảng cách lớp xen giữa’ [4,
22, 35]. Trong tự nhiên, MMT thường có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá
trị 4 trong tấm tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên
tử Al hoá trị 3 trong tấm bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có
hoá trị 2 như Fe và Mg. Sự thiếu hụt điện tích dương trong lớp cơ sở, dẫn đến bề
mặt của các lớp mang điện tích âm. Điện tích âm này được cân bằng bởi các cation

kim loại kiềm và kiềm thổ hiđrat (chẳng hạn như Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Mg
2+
,v.v.) chiếm
giữ khoảng không gian giữa các lớp này.

Hình 1.1. Đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể montmorillonit.

Hình 1.2. Cấu trúc khoáng chất montmorillonit.
Trong Hình 1.2 cho thấy sự thay thế đồng hình của một số ion Al
3+
, Fe
3+
,
Mg
2+
,v.v. trong tấm tứ diện và tấm bát diện, cũng như khoảng cách lớp của MMT.
Bề dày của một lớp cơ sở của MMT đã chỉ ra trong Hình 1.2 là 9,6Å [4, 22, 51],

5

còn khoảng cách lớp d
001
của sét khô (làm khô ở 70
o

C) là 12 – 16Å tuỳ thuộc vào
cation trao đổi và số lượng phân tử nước hấp phụ lớp xen giữa [4, 35, 51].
1.1.3. Tính chất của bentonit
Do thành phần khoáng chất chính của bentonit là MMT có cấu trúc gồm các
lớp cơ sở liên kết với nhau bằng liên kết hiđro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại ở
lớp xen giữa nên bentonit có các tính chất đặc trưng như: trương nở, hấp phụ, trao
đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo, trơ,v.v Trong đó, tính chất quan trọng nhất của
bentonit là trao đổi ion, hấp phụ và khả năng trương nở [4, 9, 116, 119, 143].
1.1.3.1. Khả năng trao đổi ion
Quá trình trao đổi cation là khả năng thay đổi cation hấp phụ trên bề mặt lớp
bentonit. Các ion trao đổi (Na
+
, K
+
, Ca
2+
,v.v.) nằm trong lớp xen giữa của bentonit có
thể được thay thế bởi ion kim loại chuyển tiếp, các ion kim loại đất hiếm và một số
cation khác. Bản chất của hiện tượng này là do các cation nằm trong không gian lớp
xen giữa (ion trung hoà điện tích âm của lớp sét) không cố định vị trí trong mạng lưới
và do đó nếu được ngâm trong môi trường điện li, quá trình trao đổi xảy ra giữa các
cation bên ngoài dung dịch và các cation trao đổi nằm ở lớp xen giữa của bentonit.
Các cation này có thể được thay thế bằng cation bất kỳ qua quá trình trao đổi đơn
giản [4, 9, 85, 102]. Với các cation phức lớn, mức độ trao đổi ion được giới hạn bởi
kích thước giới hạn của cation phức. Bảng 1.1 cho biết dung lượng trao đổi cation
(CEC) của một số loại khoáng sét. Từ bảng này cho thấy CEC của nhóm khoáng sét
smectit lớn hơn nhiều so với các loại khoáng sét khác [12, 22, 27, 82, 116].
Bảng 1.1. Dung lượng trao đổi cation (CEC) của một số loại khoáng sét [116]
Khoáng sét CEC (mlđlg/100g) Khoáng sét smectit CEC (mlđlg /100g)
Kaolinit 3 – 15 Montmorillonit 80 – 150

Halloysit.4H
2
O 40 – 50 Vermiculit 100 – 150
Illit 10 – 40 Beidellit 60 – 120
Chlorit 10 – 40 Nontronit 60 – 120
Pyrophyllit 0 Hectorit 60 – 120
Talc 0 Saponit 60 – 120

6

1.1.3.2. Tính chất hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt, cấu trúc
lỗ xốp và kích thước hạt của chúng [4, 9, 27]. Bentonit có cấu trúc tinh thể và độ
phân tán cao, cho nên có cấu trúc lỗ xốp phức tạp và có diện tích bề mặt lớn. Cấu
trúc lỗ xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính hấp phụ của các chất hấp phụ, đặc trưng của
bentonit là tính chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có những phân tử nào có đường kính
đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta có thể hoạt
hoá hoặc biến tính sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách các chất. Đây
cũng là điểm khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác [4, 9, 14, 15].
Do sự dư hoá trị 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 Van de Van và
tương tác hấp phụ chủ yếu là tương tác cảm ứng. Bentonit có diện tích bề mặt tương
đối lớn bao gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong. Bề mặt trong bao gồm bề mặt của các
lớp cơ sở chồng lên nhau và được ngăn cách bằng các cation kim loại bù đắp điện
tích trên bề mặt bentonit. Bề mặt ngoài được xác định bởi bề mặt của các mao quản
chuyển tiếp. Các mao quản này được tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonit với
nhau và có kích thước khoảng hàng trăm Å. 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 đổi ion càng 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 [4, 11, 13, 147].
1.1.3.3. Tính trương nở
Bentonit có cấu trúc lớp hai chiều cho nên chúng có khả năng hấp phụ lượng
lớn nước vào khoảng không gian lớp, ở bề mặt ngoài và sau đó bóc tách, làm mất
cấu trúc lớp của chúng và vì vậy chúng có thể tồn tại ở dạng lá rất mỏng [9, 122,
134]. Khi nước bị hấp phụ vào giữa các lớp sẽ làm tăng khoảng cách lớp (giá trị
d
001
) gây ra sự trương nở. Quá trình trương nở xảy ra thuận nghịch, chủ yếu là do sự
hiđrat cation lớp xen giữa của sét. Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất của
khoáng sét, tác nhân trương nở, cation trao đổi ở lớp xen giữa, điện tích lớp và vị trí

7

của điện tích lớp (điện tích nằm ở tấm bát diện hoặc tấm tứ diện) [85, 102, 123].
Khi bentonit và nước trộn lẫn nhau, phân tử nước thâm nhập vào lớp xen giữa, dẫn
đến cation trao đổi bắt đầu khuếch tán ra bề mặt lớp được mô tả trong Hình 1.3.
~
+
~ +
~
+
~
+
H
2
O
Na
+
H

2
O
Na
+
Na
+
H
2
O

Hình 1.3. Sơ đồ mô tả quá trình trương nở của bentonit.
Để quá trình trương nở hiệu quả, năng lượng giải phóng bởi sự hyđrat hoá của
các cation (hoặc lớp) phải đủ vượt qua lực hút giữa các lớp liền kề (chẳng hạn như
liên kết hiđro). Với khoáng sét kiểu 2:1, khả năng trương nở phụ thuộc vào sự hyđrat
cation lớp xen giữa và điện tích lớp. Khoáng sét với cấu trúc kiểu 2:1 và có điện tích
lớp thấp (talc và pyrophyllit) có số lượng cation nằm ở lớp xen giữa thấp, do đó khả
năng trương nở kém. Ngược lại, với khoáng sét có điện tích cao (bentonit) có lực
tương tác tĩnh điện giữa lớp điện tích âm và cation lớp xen giữa cho nên khả năng
trương nở dễ dàng với cation lớp xen giữa hoá trị thấp và giảm khi cation đa hoá trị.
Vì vậy, bentonit với lớp xen giữa chứa chủ yếu các ion Li
+
, Na
+
có khả năng trương
nở cao [4, 9, 22, 123]. Sự di chuyển của cation của lớp xen giữa ra bên ngoài và phân
tử nước đi vào (sự khuếch tán) và sự di chuyển của nước vào trong không gian giữa
các lớp sét (sự thẩm thấu) làm thúc đẩy quá trình tách lớp cho đến khi các lớp sét
được bóc tách hoàn toàn chỉ ra trong Hình 1.4.
Hàm lượng nước ở lớp xen giữa tăng khi áp suất tăng, một hay nhiều lớp nước
có thể hình thành ở lớp xen giữa. Khoảng cách lớp (giá trị d

001
) tăng lên đột ngột khi
bentonit chứa 2 lớp nước ở lớp xen giữa. Trong điều kiện thích hợp, các lớp cơ sở của
bentonit có thể được ngăn cách bởi hàng trăm Å phân tử nước. Trong thực tế, lớp cơ

8

sở của Na
+
-MMT trong dung dịch loãng bị bóc tách hoàn toàn (bóc lớp). Khi nồng độ
huyền phù bentonit thấp thì dung dịch huyền phù tồn tại dạng gel, xuất hiện khi nồng
độ của chúng nhỏ hơn 2% (tính theo khối lượng), do hình thành các định hướng mặt
– cạnh và cạnh – cạnh tạo ra cấu trúc bóc lớp [9, 65, 96, 116].
H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2

O
H
2
O
H
2
O
~
+
~
+
~
+
~
+
~
+
~
+
~
+
~
+

Hình 1.4. Sơ đồ mô tả sự trương nở hoàn toàn của bentonit.
1.3.4. Ứng dụng của bentonit
Trên thế giới việc ứng dụng bentonit vào những ngành công nghiệp là khá đa
dạng và phong phú. Bentonit được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
làm chất hấp phụ, chế tạo dung dịch khoan, làm chất độn, chất màu trong công
nghiệp sản xuất các vật liệu tổng hợp, công nghiệp rượu, bia; trong công nghiệp tinh

chế nước,v.v Ngoài những ứng dụng rộng rãi như vừa nên trên của bentonit, các
ứng dụng mới của bentonit đã và đang được tìm ra nhiều loại vật liệu mới được chế
tạo từ chúng. Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã sử dụng khoáng
bentonit kiềm với thành phần chính là Na-MMT làm các vật liệu gốc để điều chế
vật liệu bentonit biến tính bởi các tác nhân kim loại.
1.2. BENTONIT BIẾN TÍNH BẰNG CÁC TÁC NHÂN KIM LOẠI
Bentonit tự nhiên chưa biến tính ứng dụng trong hấp phụ và xúc tác đạt hiệu
quả thấp [4, 11, 43], để sử dụng cho các ứng dụng này, bentonit cần được biến tính.
Bentonit biến tính làm tăng độ xốp, bền nhiệt, diện tích bề mặt và số lượng tâm hoạt