nghiên cứu tổng hợp vật liệu bentonit biến tính ứng dụng hấp phụ photpho trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP





BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ





NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU
BENTONIT BIẾN TÍNH, ỨNG DỤNG HẤP
PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC







Mã số : B2010-20-23


Chủ nhiệm đề tài: Th.S Bùi Văn Thắng

Đồng Tháp – 11/2011


B
Ộ GIÁO DỤC V
À ĐÀO T
ẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP





BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ






NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU
BENTONIT BIẾN TÍNH, ỨNG DỤNG HẤP
PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC

Mã số : B2010-20-23



Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)



Th.S Bùi Văn Thắng




Đồng Tháp – 11/2011

i

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ
PHỐI HỢP CHÍNH
1. Danh sách những người tham gia đề tài
Họ và tên Đơn vị công tác
Trần Quốc Trị Khoa Hóa học - Trường Đại học Đồng
Tháp
2. Đơn vị phối hợp

Phòng thí nghiệm - Khoa Hóa
học, Trường Đại học Đồng Tháp
Ông Dương Huy Cẩn
Trung tâm xử lý quặng – Viện
Công nghệ Xạ - Hiếm – Hà Nội
Ông Thân Văn Liên



ii

DANH MỤC THÀNH VIÊN THAM GIA VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH……… i
MỤC LỤC………………………………………………………………………………….ii
DANH SÁCH CÁC BẢNG……………………………………………………………….vi
DANH MỤC CÁC HÌNH……………………………………………………………… vii
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………………… ix
THÔNG TIN VỀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU………………………………………… x
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1
2. Tính cấp thiết của đề tài 2
3. Mục tiêu của đề tài 3
4. Cách tiếp cận 4
5. Phương pháp nghiên cứu 4
6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 5
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6
1.1. Hiện tượng phú dưỡng 6
1.1.1. Khái niệm về hiện tượng phú dưỡng 6
1.1.2. Nguyên nhân và cơ chế 6
1.1.3. Phân loại trạng thái phú dưỡng 8

1.1.3.1. Phân loại theo hàm lượng phốtpho trong thủy vực 8
1.1.3.2. Phân loại theo mật độ tảo 8
1.1.3.3. Phân loại theo hiện tượng nở hoa của nước 9
1.1.4. Ảnh hưởng của hiện tượng phú dưỡng 10
1.1.4.1. Ảnh hưởng tích cực 10
1.1.4.2. Ảnh hưởng tiêu cực 10
1.1.5. Sinh lý dinh dưỡng, tầm quan trọng của tỉ lệ N:P và giới hạn dinh dưỡng 12
1.1.5.1. Sinh lý dinh dưỡng và tầm quan trọng của tỉ lệ N:P 12
1.1.5.2. Giới hạn dinh dưỡng 13
1.1.6. Các phương pháp xử lý phốtpho nhằm kiểm soát phú dưỡng 14
1.1.6.1. Các phương pháp kỹ thuật và vật lý 14
1.1.6.2. Các phương pháp sinh học 16
1.1.6.3. Các phương pháp hoá học 19
1.1.6.4. Bentonit biến tính bằng các cation kim loại (La, Al, Fe) là vật liệu hấp phụ
phốtpho hiệu quả 22
1.2. Giới thiệu về vật liệu bentonit biến tính 23
1.2.1. Tổng quan về bentonit 23
iii

1.2.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hoá học 23
1.2.1.2. Cấu trúc montmorillonit 23
1.2.1.3. Tính chất lý – hoá của bentonit 25
1.2.1.4. Một số ứng dụng của bentonit 27
1.2.2. Giới thiệu về vật liệu bentonit biến tính bằng kim loại 27
1.2.2.1. Bentonit biến tính với lantan 28
1.2.2.2. Bentonit biến tính với hỗn hợp Al/La 30
1.2.2.3. Bentonit biến tính với hỗn hơp Al/Fe 32
1.2.2.4. Ứng dụng bentonit biến tính hấp phụ loại bỏ phốtpho trong nước 35
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37
2.1. Hoá chất, dụng cụ, thiết bị sử dụng 37

2.1.1. Hoá chất 37
2.1.2. Dụng cụ 37
2.1.3. Thiết bị 37
2.1.4. Mẫu quặng sử dụng trong nghiên cứu 37
2.2. Phương pháp làm giàu quặng bentonit 38
2.3. Phương pháp điều chế vật liệu bentonit biến tính 40
2.3.1. Điều chế vật liệu bentonit biến tính với La 40
2.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và tỷ lệ LaCl
3
/Bent 41
2.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình điều chế 42
2.3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình điều chế 42
2.3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng trong dung dịch đến quá trình điều
chế 42
2.3.2. Điều chế vật liệu BAlLa 43
2.3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ (Al
3+
+La
3+
)/bentonit 44
2.3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch chống 45
2.3.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình điều chế 45
2.3.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ OH
-
/(Al
3+
+La
3+
) 45
2.3.3. Điều chế vật liệu BAlFe 45

2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu bentonit biến tính 45
2.5. Thử nghiệm loại bỏ phốtpho từ nước hồ với B90-La 47
2.6. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu bentonit và bentonit biến tính 49
2.6.1. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX – Engergy Dispersive analysis of
X-ray) 49
2.6.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 49
2.6.3. Phương pháp xác định bề mặt riêng theo phương pháp hấp phụ (BET) 49
iv

2.6.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quyét (SEM) 49
2.6.5. Phương pháp ICP-AES (Inductively coupled plasma atomic emission
spectroscopy) 50
2.6.6. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 50
2.7. Phương pháp hấp phụ 50
2.7.1. Động học hấp phụ 51
2.7.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 54
2.7.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và các tham số nhiệt động học 55
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56
3.1. Kết quả nghiên cứu quá trình làm giàu quặng bentonit Bình Thuận 56
3.2. Vật liệu bentonit biến tính với lantan 66
3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vật liệu bentonit biến tính với lantan 66
3.2.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ LaCl
3
/bentonit 66
3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH 69
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 71
3.2.1.4. Ảnh hưởng của phần trăm huyền phù sét 72
3.2.2. Một số đặc tính lý hoá của vật liệu 74
3.2.2.1. Tính chất bề mặt 74
3.2.2.2. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 75

3.2.2.3. Phổ FTIR 76
3.3. Vật liệu bentonit biến tính với hỗn hợp Al/La 77
3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAlLa 77
3.3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ AlCl
3
/LaCl
3
77
3.3.1.2. Ảnh hưởng của (Al
3+
+La
3+
)/bentonit 79
3.3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch chống 80
3.3.1.4. Ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình chống 80
3.3.1.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ OH
-
/(Al
3+
+La
3+
) 81
3.3.2. Đặc tính của vật liệu điều chế 83
3.3.2.1. Tính chất bề mặt 83
3.4. Vật liệu bentonit biến tính với hỗn hợp Al/Fe 85
3.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAlFe 85
3.4.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ AlCl
3
/FeCl
3

85
3.4.1.2. Ảnh hưởng của (Al
3+
+Fe
3+
)/Bent 88
3.4.1.3. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch chống 89
3.4.1.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ OH
-
/(Al
3+
+Fe
3+
) 91
3.4.2. Đặc tính của vật liệu điều chế 92
v

3.4.2.1. Tính chất bề mặt 92
3.4.2.2. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 93
3.4.2.3. Phổ FTIR 93
CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA VẬT LIỆU
BENTONIT BIẾN TÍNH VỚI MỘT SỐ ION KIM LOẠI 95
4.1. Khả năng hấp phụ phốtpho của bentonit biến tính 95
4.1.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ 95
4.1.2. Ảnh hưởng của pH 96
4.1.3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 97
4.1.4. Động học hấp phụ 100
4.1.5. Cơ chế hấp phụ 102
4.1.6. Tính chất bề mặt của vật liệu sau khi hấp phụ phốtpho 103
4.2. Thăm dò khả năng hấp phụ phốtpho của B90-La trên mẫu nước hồ Hoàn

Kiếm 104
4.2.1. Hiện trạng chất lượng nước hồ Hoàn Kiếm 104
4.2.2. Khả năng hấp phụ phốtpho trong nước hồ 105
4.2.3. Kết quả về hàm lượng chlorophyl a, thành phần và mật độ các loài tảo 107
4.2.4. Các yếu tố pH, DO, độ đục trong quá trình xử lý 107
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112
CÁC BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN CÔNG TRÌNH 129



vi
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Nồng độ phốtpho và trạng thái phú dưỡng của thủy vực 8
Bảng 1.2. Tương quan giữa mật độ tảo và trạng thái phú dưỡng 9
Bảng 1.3. Phân loại hiện tượng nở hoa nước dựa vào sinh khối tảo 9
Bảng 3.1. Kích thước hạt phụ thuộc vào thời gian nghiền và tỷ lệ bi 56
Bảng 3.2. Thành phần hoá học của sét Tuy Phong – Bình Thuận, bentonit Rajasthan (Ấn
Độ), Bentonit Wyoming (USA) 57
Bảng 3.3. Thành phần khoáng vật (% khối lượng) của 4 mẫu bentonit Tuy Phong – Bình
Thuận và bentonit Wyoming (USA) 58
Bảng 3.4. Thành phần hoá học của mẫu bentonit Bình Thuận nguyên khai và 4 mẫu
bentonit đã được làm giàu 59
Bảng 3.5. Thành phần khoáng vật của mẫu bentonit Bình Thuận trước, sau khi làm giàu và
mẫu bentonit Wyoming 60
Bảng 3.6. Thành phần nguyên tố (theo % khối lượng) của mẫu bentonit nguyên khai, các
mẫu bentonit đã làm giàu và mẫu bentonit Đài Loan (% MMT là 92,2%) 61
Bảng 3.7. Tính chất lý hoá của mẫu B90 và B40 64
Bảng 3.8. Giá trị d

001
của mẫu B90-La và B40-La với tỉ lệ LaCl
3
/Bent khác nhau 69
Bảng 3.9. Giá trị d
001
của mẫu B90-La và B40-La được điều chế với pH khác nhau 71
Bảng 3.10. Giá trị d
001
của mẫu B90-La và B40-La được điều chế ở nhiệt độ khác nhau. 72
Bảng 3.11. Giá trị d
001
của mẫu B90-La và B40-La được điều chế ở phần trăm huyền phù
khác nhau 73
Bảng 3.12. Tính chất lý hoá của mẫu bentonit và bentonit biến tính lantan 75
Bảng 3.13. Giá trị d
001
của các mẫu bentonit biến tính với hỗn hợp Al/La 77
Bảng 3.14. Tính chất lý hoá của mẫu bentonit và bentonit biến tính với Al/La 84
Bảng 3.15. Giá trị d
001
của các mẫu bentonit biến tính với hỗn hợp Al/La 87
Bảng 3.16. Tính chất lý hoá của mẫu bentonit và bentonit biến tính với Al/Fe 93
Bảng 4.1. Các thông số động học hấp phụ phốtphat trên bentonit biến tính 100
Bảng 4.2. Thông số động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 102
Bảng 4.3. Giá trị pH của dung dịch phốtpho trước và sau khi hấp phụ 103
Bảng 4.4. Thông số hấp phụ phốtpho trong nước hồ Hoàn Kiếm trên bentonit biến tính
lantan 106
Bảng 4.5. Nồng độ lantan và natri trong hồ trước và sau khi xử lý 107
Bảng 4.6. Sự thay đổi các yếu tố pH, DO, độ đục trong quá trình xử lý trên cột qua thời

gian 108

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Một số thủy vực bị phú dưỡng 6
Hình 1.2. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit 24
Hình 1.3. Cấu trúc 2 :1 của MMT 25
Hình 1.4. Sơ đồ mô tả quá trình điều chế La
3+
-MMT 30
Hình 2.1. Quy trình điều chế vật liệu Ben-La 40
Hình 2.2. Quy trình điều chế vật liệu BAlLa 43
Hình 2.3. Mô hình thử nghiệm xử lý nước hồ bằng vật liệu điều chế 48
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonit Bình Thuận nguyên khai 58
Hình 3.2. Giản đồ EDX của mẫu A) BT và B) BTA1 61
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonit nguyên khai và mẫu bentonit đã được
làm giàu 62
Hình 3.4. Giản đồ XRD của mẫu A) B90 và B) B40 63
Hình 3.5. Ảnh SEM của mẫu A) B90 và B) B40 64
Hình 3.6. Phổ hồng ngoại của mẫu B40 và B90 65
Hình 3.7. Hiệu suất lantan trao đổi (%) trên bentonit phụ thuộc thời gian ở các tỷ lệ
LaCl3/bentonit ban đầu khác nhau 66
Hình 3.8. Phổ XRD của các mẫu A) B90-La và B) B40-La với tỷ lệ LaCl
3
: bentonit khác
nhau 68
Hình 3.9. Giản đồ XRD các mẫu A) B90-La và B) B40-La điều chế ở khoảng pH khác
nhau 70

Hình 3.10. Giản đồ XRD của các mẫu A) B90-La và B) B40-La được điều chế ở khoảng
nhiệt độ khác nhau 71
Hình 3.11. Giản đồ XRD các mẫu A) B90-La và B) B40-La điều chế ở các tỷ lệ rắn/lỏng
khác nhau 72
Hình 3.12. Ảnh SEM của mẫu B90-La và B40-La 74
Hình 3.13. Phổ FTIR mẫu bentonit và bentonit biến tính với lantan 76
Hình 3.14. Giản đồ XRD các mẫu BAlLa với tỷ lệ AlCl
3
:LaCl
3
khác nhau 78
Hình 3.15. Giản đồ XRD các mẫu BAlLa với tỷ lệ (Al
3+
+ La
3+
)/bentonit khác nhau 79
Hình 3.16. Giản đồ phổ XRD của các mẫu BAlLa với thời gian già hoá dung dịch chống
khác nhau 80
Hình 3.17. Giản đồ XRD các mẫu BAlLa với nhiệt độ điều chế khác nhau 81
Hình 3.18. Giản đồ XRD các mẫu BAlLa với nhiệt độ điều chế với tỉ lệ OH
-
/(Al
3+
+La
3+
)82
Hình 3.19. Ảnh SEM của các vật liệu B90 và BAlLa 83
Hình 3.20. Phổ FTIR của mẫu bentonit và bentonit biến tính với hỗn hợp Al/La 85
viii

Hình 3.21. Giản đồ XRD của mẫu BAlFe với tỉ lệ Al
3+
/Fe
3+
khác nhau 86
Hình 3.22. Giản đồ XRD của mẫu BAlFe với tỉ lệ (Al
3+
+Fe
3+
)/bentonit khác nhau 88
Hình 3.23. Giản đồ XRD của mẫu BAlFe với thời gian già hoá dung dịch chống khác nhau
89
Hình 3.24. Giản đồ XRD của mẫu BAlFe với nhiệt độ điều chế khác nhau 90
Hình 3.25. Giản đồ XRD của mẫu BAlFe với tỉ lệ OH
-
/(Al
3+
+Fe
3+
) khác nhau 91
Hình 3.26. Ảnh SEM của A và B của mẫu B90, C và D của BAlFe 92
Hình 3.27. Phổ FTIR của mẫu bentonit và bentonit biến tính với hỗn hợp Al/Fe 94
Hình 4.1. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ phốtpho trên a) B40-La, b) B90
– La, c) BAlLa, d) BAlFe. 95
Hình 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ pH đến khả năng hấp phụ phốtpho trên a) B90, b) B40-
La, c) B90 – La, d) BAlLa, e) BAlFe 96
Hình 4.3. Dạng tuyến tính theo phương trình đẳng nhiệt Freundlich của hấp phụ phốtphat
trên A) B90-La; B) B90-La; C) BAlLa và D) BAlFe 98
Hình 4.4. Dạng tuyến tính theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir của hấp phụ phốtphat
trên A) B90-La; B) B90-La; C) BAlLa và D) BAlFe 99

Hình 4.5. Động học hấp phụ phốtphat trên bentonit biến tính sử dụng A) Dạng tuyến tính
của phương trình động học biểu kiến bậc 2; B) Dạng tuyến tính của phương trình Elovich
102
Hình 4.6. Ảnh SEM của các mẫu bentonit biến tính sau khi hấp phụ phốtpho 104
Hình 4.7. Biến thiên nồng độ phốtpho hòa tan trong quá trình xử lý trên cột theo thời gian
105
Hình 4.8. Phương trình động học biểu kiến bậc 2 đối với quá trình hấp phụ phốtpho trên
bentonit biến tính lantan với mẫu nước hồ Hoàn Kiếm. 106

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên gọi
Ben-La Bentonit Bình Thuận biến tính với LaCl
3

Cben-La Bentonit Lâm Đồng biến tính với LaCl
3

B90-La Bentonit 90% montmorillonit biến tính với LaCl
3

B40-La Bentonit 40% montmorillonit biến tính với LaCl
3

PILC Sét chống lớp xen giữa
MMT Montmorillonit
XRD X – rays Diffraction
SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét

EDX Engergy Dispersive analysis of X-ray
BET Brunauer-Emmett-Teller
ICP-AES Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy
FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại
Bent Bentonit
PHT Phốtpho hoà tan
TP Tổng phốtpho
TN Tổng nitơ
T Tấm silic tứ diện
O Tấm nhôm bát diện

x

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Đơn vị: TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu bentonit biến tính, ứng dụng hấp
phụ phốtpho trong nước.
- Mã số: B2010-20-23
- Chủ nhiệm: ThS. Bùi Văn Thắng
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Đồng Tháp
- Thời gian thực hiện: 1/1/2010 đến 30/12/2011
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu quy trình làm giàu khoáng bentonit, nhằm nâng cao hàm lượng
montmorillonit trong khoáng bentonit.
- Nghiên cứu điều chế vật liệu hấp phụ phốtpho trên nền bentonit Việt Nam
(bentonit Bình Thuận) biến tính La và hỗn hợp La/Al, Fe/Al.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu

(nồng độ P, pH, ion cạnh tranh, lực ion, độ muối, thời gian hấp phụ,…) trong phòng
thí nghiệm.
- Khảo sát khả năng hấp phụ phốtpho trong mẫu nước Hồ Hoàn Kiếm (Hà
Nội) trên vật liệu điều chế.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Đề tài cung cấp một số kiến thức tổng quan về bentonit, bentonit biến tính
với kim loại và ứng dụng hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước. Phương pháp CE
được sử dụng để làm giàu quặng sét trương nở có hiệu suất cao.
xi

- Vật liệu bentonit biến tính có thể được điều chế với quy mô lớn và ứng
dụng rộng rãi trong thực tế xử lý các thuỷ vực bị phú dưỡng.
4. Kết quả nghiên cứu:
Qua quá trình nghiên cứu điều chế vật liệu bentonite biến tính lantan, hỗn
hợp AlLa, AlFe và khảo sát ứng dụng hấp phụ phốtpho trong dung dịch. Chúng tôi
thu được một số kết quả sau:
1. Đã nghiên cứu công nghệ làm giàu bentonit Bình Thuận theo phương pháp
CE, với phương pháp này để làm giàu bentonit Bình Thuận cần hoà tan bentonit với
nước theo tỷ lệ 1 : 100 (1% huyền phù) để yên trong 24 giờ, tiếp tục khuấy 30 phút,
sau đó ly tâm. Sản phẩm thu được có hàm lượng montmorillonit tăng lên khoảng
90%.
2. Nghiên cứu điều chế thành công hai vật liệu B90-La và B40-La. Đã khảo
sát được ảnh hưởng của các yếu tố: tỉ lệ LaCl
3
/bentonit, thời gian phản ứng, pH,
nhiệt độ và phần trăm huyền phù đến các giá trị khoảng cách cơ bản, d
001
, từ đó xác
định được các điều kiện thực nghiệm thích hợp để điều chế vật liệu bentonit biến
tính lantan như sau:

B90-La B40-La
Tỉ lệ LaCl
3
/bentonit (mmol/g) 0,35 0,35
Thời gian (giờ) 24 24
pH 7 7
Nhiệt độ (
o
C) 70
o
C 90
o
C
Phần trăm huyền phù (%) 1 – 10%

1 – 10%

3. Điều chế thành công vật liệu BAlLa và BAlFe, cũng tiến hành khảo sát
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính. Kết quả phân tích XRD cho thấy,
khoảng cách lớp của vật liệu BAlLa có khoảng cách cơ bản là 18 – 19 Å, đối với
BAlFe có khoảng cách cơ bản là 17 – 18,3 Å lớn hơn nhiều so với bentonit ban đầu
(12,58 – 12,61 Å). Điều kiện điều chế thích hợp cho vật liệu BAlLa và BAlFe như
sau:
xii


BAlLa BAlFe
Tỉ lệ Al
3+

/M
3+
(La
3+
hoặc Fe
3+
) 5 2
Tỉ lệ (Al
3+
+M
3+
)/bentonit (mmol/g) 10 20
Thời gian già hoá dung dịch chống (ngày) 14 14
Nhiệt độ của quá trình chống (
o
C) 50 50
Tỉ lệ OH
-
/(Al
3+
+M
3+
) 2 2
4. Loại bỏ phốtpho là yếu tố quan trong để điều khiển phú dưỡng và hấp phụ
là quá trình xử lý có hiệu quả cao. Trong nghiên cứu này, bốn loại bentonit biến tính
bằng tác nhân vô cơ: B90-La, B40-La, BAlLa và BAlFe được điều chế, khảo sát
tính chất đặc trưng và ứng dụng hấp phụ phốtphat được tiến hành bằng kỹ thuật bể.
Kết quả cho thấy rằng, làm tăng lên đáng kể khoảng cách cơ bản, diện tích bề mặt
BET và tổng thể tích lỗ xốp, đều thuận lợi cho quá trình hấp phụ phốtphat. Khả
năng hấp phụ phốtphat được sắp xếp như sau: BAlFe > BAlLa ≈ B90-La > B40-La.

Tốc độ hấp phụ phù hợp với mô hình động học biểu kiến bậc 2 (R
2
> 0,99). Các dữ
kiện đường đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp tốt với cả hai mô hình Freundlich và
Langmuir. Nghiên cứu nhiệt động cho thấy quá trình hấp phụ là thu nhiệt và tự xảy
ra. Hấp phụ phốtphat trên tác nhân vô cơ chống bentonit tăng lên đáng kể theo pH,
chỉ ra rằng có xảy ra phản ứng trao đổi giữa anion trong dung dịch và OH
−
.
5. Khi khảo sát khả năng hấp phụ phốtpho trong nước hồ, với mẫu nước hồ
Hoàn Kiếm, nồng độ phốtpho ban đầu thấp (0,052 mg/L), sau xử lý nồng độ
phốtpho giảm còn khoảng 0,014 mg/L (B90-La). Khảo sát theo mô hình thử nghiệm
cho thấy, sau 6 giờ hiệu suất xử lý phốtpho với nước hồ Hoàn Kiếm đạt 70% (B90-
La).
5. Sản phẩm:
1. Lê Bá Thuận, Bùi Văn Thắng, Nguyễn Mạnh Trường, Trần Văn Sơn,
Thân Văn Liên (2010), Nghiên cứu hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước bằng vật
liệu bentonit biến tính lantan, Tạp chí Hoá học, T.48, 4C, 384 – 389.
xiii

2. Lê Bá Thuận, Bùi Văn Thắng, Trần Văn Sơn (2010), Nghiên cứu công
nghệ xử lý phú dưỡng nước hồ Hoàn Kiếm bằng vật liệu bentonit biến tính lantan,
Tạp chí Hoá học, T.48, 4C, 402 – 407.
3. Lê Bá Thuận, Bùi Văn Thắng, Trần Văn Sơn (2011), Nghiên cứu điều chế,
tính chất của vật liệu La/Al chống bentonit và ứng dụng hấp phụ phốtphat trong
nước. Phần I. Nghiên cứu điều chế, tính chất của vật liệu, Tạp chí Hoá học, T.49,
3A, 302 – 406.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:

Ngày tháng năm
Cơ quan chủ trì
(ký, họ và tên, đóng dấu)
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)



Bùi Văn Thắng


xiv

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Synthesis of modified bentonite material, application
phosphorous adsorption in water.
Code number: B2010-20-23
Coordinator: Master Bui Van Thang
Implementing institution: Dong Thap University
Duration: from January, 2010 to December, 2011.
2. Objective(s):
- A study enrichment technology in bentonite mineral, to improve the content
of montmorillonite in bentonite ore.
- Synthesis of modified bentonite (Binh Thuan bentonite) with La, Al/La,
Al/Fe for phosphorous adsorption in water.
- Investigation of factors affecting phosphorus adsorption capacity of the
material (P concentration, pH, competing ions, adsorption time,…) in the
laboratory.
- Investigation of phosphorus adsorption ability with Hoan Kiem Lake on the

modified bentonite material.
3. Creativeness and innovativeness:
- Project provides an overview of the bentonite, modified bentonite with
metal and application for phosphorus adsorption in water. CE method is used for
enriched ore-swelling clay with high performance.
- Modified bentonite can prepared on a large scale and widely used in
practice with eutrophication treatment.
4. Research results:
xv

Binh Thuan bentonite was studied to modify with Lantan, mixture AlLa,
AlFe. The process of phosphorus adsorption in water was done. The obtained
results showed that:
1. We studied the enriched technology in Binh Thuan bentonite by CE
method, in which we dissolve bentonite in water with ratio 1:100 (1% suspension).
After standing for 1 24 hours, the solution was mixed in 30 minutes and was
centrifuged. The abtained product have higher montmorillonit for 90%.
2. We studied successfully two materials B90-La and B40-La. The elements
as ratio laCl
3
/bentonite reaction’s time, pH, temperature and percent of suspension
were observed about their effect to the basic distance’s value, d
001
. We determined
the available conditions to prepare the modified bentonite with Lantan are:
B90-La B40-La
Ratio LaCl
3
/bentonit (mmol/g) 0,35 0,35
Time (hours) 24 24

pH 7 7
Temperature (
o
C) 70
o
C 90
o
C
Suspension percent (%) 1 – 10%

1 – 10%

3. We studied successfully BAlLa and BAlFe materials which were observed
with obove elements in the modified process. With the XRD analytics, the results
showed that has the layer distance of BAlLa material is 18-19 A
o
, of BAlFe
material is 17-18.3 A
o
. These distance is bigger the basic distance of original
xvi

bentonite (12.58-12.61 A
o
). The best conditions to preparing BAlLa and BAlFe are
display in following table:

BAlLa BAlFe
Ratio Al
3+

/M
3+
(La
3+
or Fe
3+
) 5 2
Ratio (Al
3+
+M
3+
)/bentonit (mmol/g) 10 20
Effect of time of pillaring solution (days)
14 14
The temperature of pillaring process (
o
C)
50 50
Ratio of OH
-
/(Al
3+
+M
3+
)
2 2
4. Phosphorus removal is effect way in controling the eutroplication and
adsorption is the high affect. In this study, 4 kinds of modified bentonite with
inorganic agent, B90-La, B40-La, BalLa and BAlFe were prepared, were observed
the characteristics and were evaluated the phosphorus removal by lake experiments.

The result showed that increasing clearly the basic distance, BET surface area and
total pore volume are also benefit in the phosphate adsorption. Their phosphate
adsorded capability were arranged in the order: BAlFe > BAlLa

B90-La > B40-
La. The rate of adsorption fits pseudo-second-order kinetic model (R
2
> 0.99). The
adsorption isotherm‘s datas fit well with both two models, Freunlich and Langmuir.
Thermodynamic studying showed that adsorption was endothermic and
spontameous in nature. The phosphate adsorption on inorganic agent pillared
bentonite increase significantly with pH. There is exchange reaction between anion
in solution and OH
-
.
xvii

5. We study the photphorus adsorption ‘s capability in the lake, with samples
come from Hoan Kiem Lake. The original photphorus concentration is low (0.052
mg/l). After adsorbing, phosphorus concentration decrease to about 0.014mg/l
(B90-La). With the experimental model’s test, the labour efficientcy of adsorbed
process is 70% (B90-La) after 6 hours.
5. Products:
1. Lê Bá Thuận, Bùi Văn Thắng, Nguyễn Mạnh Trường, Trần Văn Sơn,
Thân Văn Liên (2010), Nghiên cứu hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước bằng vật
liệu bentonit biến tính lantan, Tạp chí Hoá học, T.48, 4C, 384 – 389.
2. Lê Bá Thuận, Bùi Văn Thắng, Trần Văn Sơn (2010), Nghiên cứu công
nghệ xử lý phú dưỡng nước hồ Hoàn Kiếm bằng vật liệu bentonit biến tính lantan,
Tạp chí Hoá học, T.48, 4C, 402 – 407.
3. Lê Bá Thuận, Bùi Văn Thắng, Trần Văn Sơn (2011), Nghiên cứu điều chế,

tính chất của vật liệu La/Al chống bentonit và ứng dụng hấp phụ phốtphat trong
nước. Phần I. Nghiên cứu điều chế, tính chất của vật liệu, Tạp chí Hoá học, T.49,
3A, 302 – 406.
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:





1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Phốtpho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình sự sống đã biết.
Phốtpho vô cơ ở dạng phốtphat (PO
4
3-
) đóng vai trò quan trọng trong các phân tử
sinh học như ADN và ARN, trong đó nó là một trong những thành phần cấu tạo nên
cấu trúc của các phân tử này. Phốtpho là thành phần của một số men quan trọng
tham gia chuyển hóa protein, lipit, gluxit, hô hấp tế bào và mô, các chức năng của
cơ và thần kinh. Theo thuật ngữ sinh thái học, phốtpho thường được coi là chất dinh
dưỡng giới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của phốtpho điều
chỉnh tốc độ tăng trưởng của nhiều sinh vật. Trong các hệ sinh thái thuỷ sinh, sự dư
thừa phốtpho gây ra hiện tượng phú dưỡng (eutrophication) được quan tâm bởi các
nhà khoa học do hậu quả của hiện tượng phú dưỡng gây ra.
Hậu quả của hiện tượng phú dưỡng là sự tăng trưởng nhanh chóng của các
thực vật bậc thấp (tảo, vi tảo, vi khuẩn lam,…) và tạo ra biến đổi lớn trong hệ nước
thuỷ sinh, làm chất lượng nước bị suy giảm nghiêm trọng và ô nhiễm môi trường
xung quanh. Vì vậy việc loại bỏ phốtpho thừa trong nguồn nước là một biện pháp

hữu hiệu và lâu dài để có thể ngăn chặn tình trạng phú dưỡng của thuỷ vực [29].
Hiện nay các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu khả năng hấp phụ
phốtphat trên một số muối kim loại như muối lantan, nhôm và sắt đã được khảo sát,
nhưng chúng có những bất lợi nhất định. Muối lantan hấp phụ loại bỏ phốtpho trong
dung dịch nước nhưng chúng sẽ độc hại cho hệ thuỷ sinh nếu sử dụng chúng với
lượng dư. Trong khi đó nhôm và sắt có khả năng sinh ra ra ion hyđro (H
+
) cho hệ
thuỷ sinh, đặc biệt trong các hồ có độ kiềm thấp hoặc vừa phải, dẫn đến giảm mạnh
độ pH của nước, ảnh hưởng đến động thực vật trong nước [14,29]. Độc tính của các
nguyên tố này giảm đi đáng kể (gần như không còn) nếu kết hợp chúng vào trong
khoáng sét có độ trương nở cao, chẳng hạn bentonit. Khi các ion kim loại đó trao
đổi với các cation hiđrat trao đổi giữa lớp bentonit, các ion kim loại bị khoá vào
trong cấu trúc của bentonit [50]. Vật liệu này có khả năng hấp phụ phốtpho và giữ
chúng trong cấu trúc không cho phát sinh trở lại hệ nước, thực vật không thể hấp
thu phát triển [6].
2

Theo số liệu của Tổng cục Địa chất, ở Việt Nam có một 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 với trữ lượng tương đối lớn,
khoảng 150 triệu tấn, bentonit Bình Thuận (thuộc loại bentonit kiềm). Bên cạnh đó
còn có mỏ như bentonit Di Linh – Lâm Đồng (thuộc loại bentonit kiềm thổ) và một
số mỏ bentonit ở Phú Yên, Thanh Hoá, An Giang,… với trữ lượng bé hơn [1].
Hiện này có rất nhiều báo cáo khoa học nghiên cứu về bentonit biến tính và
chúng tôi sử dụng làm tài liệu tham khảo trong phần tổng quan (chương 1). Tại Việt
Nam, cũng có nhiều nghiên cứu đánh giá mức độ phú dưỡng và một số nghiên cứu
kiểm soát và xử lý tảo lam độc trên các thuỷ vực phú dưỡng. Nhưng chưa có nghiên
cứu nào sử dụng bentonit biến tính để loại bỏ phốtpho trong nước nhằm kiểm soát
sự bùng phát tảo lam, ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng trong các hồ nước.

2. Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam có rất nhiều thuỷ vực, đặc biệt là các ao hồ khép kín chưa được
quan tâm đúng mức, dẫn đến nhiều ao hồ phát sinh ô nhiễm và suy thoái mất dần
giá trị sử dụng. Hiện nay có rất nhiều hồ trên địa bàn cả nước như Hồ Hoàn Kiếm,
Hồ Thành Công, Hồ Tây, Hồ Bảy Mẫu (Hà Nội), Hồ Xuân Hương (Đà Lạt), Hồ
Văn Miếu (Đồng Tháp), một số vùng nuôi cá tra, cá ba sa ở một số Huyện của Tỉnh
Đồng Tháp, An Giang, Bến Tre,…đã bị tình trạng ô nhiễm dinh dưỡng (phú
dưỡng), dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh vật thuỷ sinh và cuộc sống
của cư dân sống xung quanh.
Vấn đề ô nhiễm môi trường nước của các ao, hồ là vấn đề bức xúc hiện nay
trong nước cũng như trên thế giới, ô nhiễm dinh dưỡng gây nên bởi một số vi khuẩn
lam (cyanobacteria), tảo lam độc (chẳng hạn Microcystis), tảo xanh (blue-green
algae), Sự ô nhiễm dinh dưỡng dẫn đến suy giảm hệ sinh thái nước, giảm chất
lượng nước, ảnh hưởng đến cảnh quan và cộng đồng dân cư.
Khi dinh dưỡng trong ao, hồ nước có lượng dư chất dinh dưỡng (thường hợp
chất của nitơ và phốtpho) thì một số loại thực vật phù du (phytoplankton) hấp thu
dưỡng chất phát triển mạnh (nở hoa) làm tăng độ đục của nước, ngăn cản ánh sáng
chiếu vào hệ nước để các sinh vật khác quang hợp. Khi chúng quang hợp tiêu thụ
3

một lượng lớn oxi hoà tan, dẫn đến sự thiếu hụt oxi hoà tan trong nước. Một số loại
vi khuẩn lam, tảo lam độc chết sẽ sinh ra các chất có độc tính (MC-LR, MC-RR,
MC-LY,…) ảnh hưởng đến động thực vật thuỷ sinh cũng như sức khoẻ con người
khi tiếp xúc với chúng. Biểu hiện dễ thấy của các hồ nước ô nhiễm dinh dưỡng là sự
nở hoa tảo (tạo váng, cụm,…), độ đục tăng, giảm độ pH, có thể dẫn đến chết cá (ở
Hồ Bảy Mẫu, một số ao ở Hà Tây trong năm 2007).
Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng
nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến sự ô nhiễm dinh dưỡng là do các hợp chất của
nitơ và phốtpho hoà tan. Lượng chất dinh dưỡng này do hoạt động của con người
gây ra như nước thải hộ gia đình; phân bón nông nghiệp; hợp chất tẩy rửa chứa

phốtpho, nitơ; xói mòn đất do nạn chặt phá rừng,…
Nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm đã được đưa ra như phương pháp vật lý,
phương pháp sinh học, phương pháp hoá học,… Một số tác giả chứng minh rằng
việc loại bỏ phốtpho hiệu quả hơn việc loại bỏ nitơ. Nhưng chưa thật sự đánh giá
đầy đủ về việc loại bỏ chất dinh dưỡng phốtpho trong dung dịch nước để xử lý hiện
tượng phú dưỡng.
Việt Nam phong phú về khoáng bentonit cũng như các nguyên tố đất hiếm
(lantan), nhôm, sắt. Nghiên cứu sử dụng bentonit tự nhiên biến tính lantan (Ben-
La), hỗn hợp Al/La (BAlLa), Al/Fe (BAlFe) là vật liệu hứa hẹn để loại phốtpho
trong nước nhằm giải quyết các vấn đề ô nhiễm dinh dưỡng.
Với lý do đó, chúng tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu
bentonit biến tính, ứng dụng hấp phụ phốtpho trong nước”, nhằm mục đích tổng
hợp vật liệu hấp phụ và khảo sát khả năng hấp phụ phốtpho trong nước nhằm ngăn
chặn sự bùng phát tảo lam độc hại ở thuỷ vực bị phú dưỡng. Đây là nghiên cứu cần
thiết để triển khai trên diện rộng cho các thuỷ vực có nguy cơ ô nhiễm dinh dưỡng.
3. Mục tiêu của đề tài
- Xây dựng quy trình làm giàu khoáng bentonit thiên nhiên nhằm nâng cao
hàm lượng montmorillonit trong khoáng bentonit.
- Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu bentonit biến tính lantan, hỗn hợp
Al/La, hỗn hợp Al/Fe. Xác định điều kiện tổng hợp tối ưu của vật liệu điều chế.
4

- Khảo sát quá trình hấp phụ phốtpho trong nước trên vật liệu Ben-La,
BAlLa, BAlFe.
- Khảo sát quá trình hấp phụ phốtpho trong mẫu nước hồ bị phú dưỡng.
4. Cách tiếp cận
- Đánh giá thành phần hoá học của khoáng bentonit và khảo sát khả năng
biến tính bentonit bằng lantan và hỗn hợp La/Al, Fe/Al.
- Lựa chọn điều kiện tổng hợp tối ưu để thu được vật liệu có khả năng hấp
phụ lớn nhất (d

001
, diện tích bề mặt,…).
- Thử nghiệm khả năng hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính trong phòng
thí nghiệm.
- Thử nghiệm hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính của mẫu nước thực tế.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết:
+ Thu thập, tổng hợp, nghiên cứu và phân tích các tài liệu có liên quan. Xây
dựng quy trình thực hiện.
+ Kế thừa, phát triển và vận dụng một số phương pháp làm giàu khoáng
bentonit, điều chế vật liệu, phương pháp hấp phụ phốtpho.
- Phương pháp thực nghiệm:
+ Tiến hành khảo sát quá trình làm giàu khoáng bentonit bằng phương pháp
CE.
+ Phương pháp điều chế vật liệu bentonit biến tính.
+ Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ phốtpho trên vật liệu
bentonit biến tính.
5

- Phương pháp phân tích, đánh giá:
+ Phân tích thành phần hoá học, cấu trúc, khoảng cách cơ bản, diện tích bề
mặt của vật liệu bằng các phương pháp phân tích lý hoá hiện đại như: EDX, XRD,
BET, SEM, FTIR, ICP-AES,…
+ Đánh giá khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu và khả năng giải hấp phụ
phốtpho trên thiết bị ICP-AES,…
6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quặng bentonit và bentonit biến tính với
một số ion kim loại như La, Al, Fe.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình điều chế bentonit biến tính và khảo sát ứng dụng làm chất hấp phụ phốtpho

trong nước tổng hợp và nước ô nhiễm phú dưỡng.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài cung cấp một số kiến thức tổng quan về bentonit, bentonit biến tính
với kim loại và ứng dụng hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước. Phương pháp CE
được sử dụng để làm giàu quặng sét trương nở có hiệu suất cao.
Vật liệu bentonit biến tính có thể được điều chế với quy mô lớn và ứng dụng
rộng rãi trong thực tế xử lý các thuỷ vực bị phú dưỡng.
6

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Hiện tượng phú dưỡng
1.1.1. Khái niệm về hiện tượng phú dưỡng
Phú dưỡng (eutrophication) là phát triển quá trình sinh học tự nhiên trong hồ,
ao, sông, biển,…do gia tăng chất dinh dưỡng (thường hợp chất của nitơ và phốtpho)
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 [20, 49]. Hình
1.1 cho thấy một số thuỷ vực bị phú dưỡng.

Hình 1.1. Một số thủy vực bị phú dưỡng
1.1.2. Nguyên nhân và cơ chế
Trong thực tế, hiện tượng phú dưỡng xảy ra do điều kiện tự nhiên của một số
thủy vực là không nhiều. Một số ít hồ bị phú dưỡng tự nhiên, nhưng đa số hồ khác
là do các hoạt động của con người [14]. Nguyên nhân chính gây hiện tượng phú