Nghiên cứu công nghệ làm giàu bentonit cổ định thanh hoá bằng phương pháp tuyển thuỷ cyclon và sử dụng sản phẩm trong l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------------

NGUYỄN ĐĂNG THỦY

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LÀM GIÀU BENTONIT
CỔ ĐỊNH - THANH HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TUYỂN THỦY CYCLON VÀ SỬ DỤNG SẢN PHẨM
TRONG LĨNH VỰC BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG
Chuyên nghành:
Mã số:

Hóa Vô Cơ
60.44.25.

LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. THÂN VĂN LIÊN

HÀ NỘI - 2008


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, em đã
nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo, bàn bè và người thân.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến thầy giáo TS.
Thân Văn Liên, người thầy luôn động viên, giúp đỡ, hướng dẫn em ngay từ
những ngày đầu làm luận văn cao học cho đến khi hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Trung tâm Công Nghệ Xử lý
quặng - Viện Công Nghệ - Xạ hiếm, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam,
quý thầy cô giáo thuộc Khoa Sau Đại Học, Khoa Hóa Học – Trường Đại Học

Vinh đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt thời gian học cao học và
hoàn thành luận văn này. Cùng với quý thầy cô ở phòng chụp XRD, phân tích
nhiệt, EDX, phân tích thành phần khoáng vật ở các trường và các viện đã
giúp em trong quá trình đo đạc kết quả.
Em cũng gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô và Ban giám đốc Trung tâm
Giáo Dục Thường Xuyên Cẩm Thủy, Huyện Cẩm Thủy, Tỉnh Thanh Hóa là
cơ quan chủ quản đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để em được học cao học
hoàn thành luận văn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn cha mẹ kính mến đã tạo điều kiện
về vật chất và tinh thần cho con hoàn thành học vấn của mình, xin cảm ơn,
anh chị em trong gia đình, những người bạn thân đã giúp đỡ em về tin học và
những vấn đề khác trong suốt thời gian theo học cao học và hoàn thành luận
văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 12 năm 2008

Nguyễn Đăng Thủy


MỤC LỤC
Chương I: TỔNG QUAN......................................................................4
1.1. Thành phần và cấu trúc của khoáng sét tự nhiên..........................4
1.1.1.Thành phần khoáng sét................................................................4
1.1.2. Cấu trúc của khoáng sét..............................................................5
1.2. Giới thiệu về bentonite...................................................................7
1.2.1. Thành phần hóa học của bentonite.............................................8
1.2.2. Cấu trúc của montmorillonite.....................................................9
1.2.3. Tinh chất hấp phụ của bentonite...............................................11
1.2.4. Sản xuất và xuất khẩu bentonite trên thế giới..........................12
1.2.5. Giá cả và nhu cầu về bentonite.................................................13

1.3. Khả năng biến tính của montmorillonite.....................................14
1.3.1. Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhômsilicat.................14
1.3.2. Biến tính làm biến đổi cấu trúc lớp nhôm silicat.....................16
1.4. Sự hấp phụ của các ion kim loại nặng từ môi trường nước của
bentonite................................................................................................16
1.4.1. Cơ chế hấp phụ..........................................................................16
1.4.2. Khả năng hấp phụ......................................................................17
1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại
nặng.......................................................................................................17
1.4.3.1. Ảnh hưởng của pH.................................................................17
1.4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ.........................................................18
1.4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian.......................................................18
1.4.3.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt bentonite và điều kiện khuấy
trộn........................................................................................................19


1.4.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ bentonite/dung dịch (tỷ lệ R/L)...........19
1.4.3.6. Ảnh hưởng của các chất điện li trong môi trường nước.......19
1.5. Những ứng dụng của bentonite....................................................19
1.5.1. Bentonite làm chất hấp phụ......................................................19
1.5.2. Bentonite dùng để chế tạo dung dịch khoan............................20
1.5.3. Bentonite dùng làm chất độn, chất màu...................................20
1.5.4. Bentonite dùng trong công nghiệp rượu, bia............................21
1.5.5. Bentonite dùng trong công nghệ tinh chế nước.......................21
1.5.6. Ứng dụng Bentonite trong ngành năng lượng nguyên tử........21
1.5.7. Trong nanoclays........................................................................22
1.5.8. Ứng dụng trong xử lý chất thải.................................................22
1.5.9. Một số ứng dụng khác của Bentonite.......................................22
Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU23
2.1. Thực nghiệm.................................................................................23

2.2. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm và hóa chất.....................................24
2.2.1. Dụng cụ và thiết bị....................................................................24
2.2.2. Hoá chất.....................................................................................25
2.3. Phương pháp nghiên cứu.............................................................25
2.3.1. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của bentonite. 25
2.3.1.1. Xác định hàm SiO2................................................................25
2.3.1.2. Xác định hàm Fe2O3.............................................................26
2.3.1.3. Xác định hàm lượng Al2O3...................................................26
2.3.1.4. Xác định MgO và CaO..........................................................26
2.3.2. Nguyên lý của nhiễu xạ tia X...................................................27
2.3.2.1. Hiện tượng nhiễu xạ...............................................................27
2.3.2.2. Phương trình Bragg................................................................27


2.3.2. Phương pháp EDX nghiên cứu thành phần của nguyên tố trong
bentonite................................................................................................29
2.3.3. Phương pháp tiến hành hoạt hóa quặng...................................30
2.3.5. Phương pháp xác định sắt, mangan, uran trong dung dịch......30
2.3.5.1.Phương pháp trắc quang phân tích sắt....................................31
2.3.5.2.Xác định mangan bằng phương pháp trắc quang...................33
2.3.5.3. Phương pháp trắc quang phân tích uran................................35
2.3.6. Cách xác định độ ẩm của mẫu..................................................37
2.3.7. Phương pháp xác định hấp phụ của kim loại nặng và uran trên
bentonit và xử lý số liệu thực nghiệm.................................................37
Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................40
3.1. Nghiên cứu thành phần cấp hạt của bentonite Cổ Định – Thanh
Hóa........................................................................................................40
3.1.1. Thành phần cấp hạt (Particte Size)...........................................40
3.1.2. Thành phần khoáng vật của bentonite......................................42
3.1.3. Thành phần hóa học của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa......43

3.1.4. Khả năng trương nở của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa......45
3.1.5. Tính dẻo của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa........................45
3.2. Kết quả nghiên cứu làm giàu bentonite Cổ Định – Thanh hóa. .46
3.2.1. Làm giàu bằng phương pháp tuyển thủy cyclone....................46
3.2.1.1. Cơ sở của phương pháp.........................................................46
3.2.1.2. Sơ đồ công nghệ tuyển thủy cyclon đối với Bentonite Cổ
Định – Thanh Hóa................................................................................48
3.2.2. Hoạt hóa bentonite Cổ Định – Thanh Hóa bằng tác nhân
Na2CO3................................................................................................52
3.2.3. Nghiên cứu sự phân bố của montmorillonite trong các cấp hạt
khác nhau..............................................................................................56


3.3. Kết quả nghiên cứu sự hấp phụ của bentonite............................57
3.3.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ.................................58
3.3.2. Kết quả nghiên cứu sự hấp hấp phụ của bentonite tự nhiên và
bentonite đã được hoạt hóa với kim loại nÆng vµ nguyªn tè phãng x¹
urani......................................................................................................59
3.3.2.1. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe2+, Mn2+, và UO22+ trên
bentonit tự nhiên (ký hiệu mẫuA) và trên bentonit đã hoạt hóa ( ký
hiệu mẫu B). Mẫu này được hoạt hóa bởi Na2CO3 % thời gian 60 phút
...............................................................................................................59
3.3.2.1.1. Hấp phụ ion Fe2+ trên bentonit tự nhiên và trên bentonit đã
hoạt hóa.................................................................................................59
3.3.2.1.2. Hấp phụ ion Mn2+ trên bentonit tự nhiên và trên bentonit đã
hoạt hóa.................................................................................................62
3.3.3.1.3. Hấp phụ ion UO22+ trên bentonit tự nhiên và bentonit đã
hoạt hóa.................................................................................................64
3.3.4. Hấp phụ đồng thời các ion sắt và mangan của bentonit..........69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................70

HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................72


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Từ đầy đủ

MMT

Montmorillonite

Na – MMT

Natri – montmorillonite

Ca – MMT

Canxi – montmorillonite

CEC

Cation exchnged capacities

Nghĩa

Dung lượng trao
đổi cation

MB

Methylene

Xanh metylen

XRD

X – ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

Sw

Bentonite Wyoming (USA)

DTA

Differential thermal analysis

Phân tích nhiệt vi
phân

DTG

Differential thermogravimetry analysis

Phân tích trọng
lượng nhiệt vi phân

TG

Thermogaravimetry

Phân tích trọng
lượng nhiệt


Danh mục hình vẽ
Bảng 1.1: Thành phần nguyên tố cơ bản của sét ( không kể Si)..........4
Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét...............................................5
Hình 1.2: Mạng tứ diện..........................................................................5
Hình 1.3: Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện..........5
Hình 1.4: Mạng cấu trúc bát diện..........................................................6
Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét...........................................6
Hình 1.6: Mẫu bentonite a. Mẫu bentonite tinh đã được nghiền sơ bộ,
b. Mẫu nguyên khai................................................................................8
Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể sét montmorillonite theo Alexandre và
Dubois (2000).......................................................................................11
Hình 1.8: Cấu trúc của MMT cho thấy hai lớp tứ diện trộn lẫn với một
lớp bát diện. Những chấm đen chỉ ra vị trí của sự thay thế đồng hình
trong hình bát diện và tứ diện (Grim 1953).........................................11
Bảng 1.2. Sản lượng bentonite của các nước trên thế giới và sự xuất
khẩu, số liệu năm 2002.........................................................................13
Bảng 2.1. Thành phần hóa học bentonite Cổ Định – Thanh Hóa.......23
Hình 2.1 Nhiễu xạ tia X theo mô hình bragg......................................28
Hình 2.2. (a) Mô hình cấu trúc lớp vỏ electron, (b) Mô hình minh họa
...............................................................................................................29
cho sự tạo thành tia X..........................................................................29

Hình 2.3 Máy đo trắc quang.................................................................31
Bảng 2.2: Mối liên hệ mật độ quang D và nồng độ Fe2+...................31
Hình2.4: Đường chuẩn Fe....................................................................32
Bảng 2.3. Quan hệ giưa mật độ quang D và nồng độ Mn2+..............33
Hình2.5: Đường chuẩn Mn..................................................................34


Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Uran...........35
Hình2.6: Đường chuẩn U.....................................................................36
Hình 2.7: Máy xác đinh độ ẩm của mẫu..............................................37
Hình 2.8: Đường đẳng nhiệt Lăng mua...............................................39
Bảng3.1. Thành phần cấp hạt của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa.. 41
Bảng3. 2.Thành phần cấp hạt của bentonite........................................41
(Phân tích bằng phương pháp Pipet – bộ môn vật lý đất ViênTNNH).
...............................................................................................................41
Bảng 3.3. Quan hệ giữa thành phần cấp hạt với các tính....................42
chất lý hóa học liên quan.....................................................................42
Bảng3.4. Độ ẩm và hàm lượng montmorillonite.................................42
trong các mẫu bentonite......................................................................42
Bảng 3.5.Thành phần khoáng vật của bentonite.................................42
Cổ Định – Thanh Hóa..........................................................................43
Bảng3.6. Thành phần hóa học bentonite Cổ Định – Thanh Hóa........43
Bảng 3.7. Một số tính chất khác của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa
...............................................................................................................44
Bảng 3.8. Bảng phân loại tính dẻo của đất..........................................46
Hình 3.1: Máy tuyển thủy cyclon........................................................48
Hình3.2 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite nguyên khai.....49
Hình3.3: Sơ đồ công nghệ làm giầu Bentonite bằng phương pháp
tuyển thủy cyclon.................................................................................50
Hình3.4 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite qua tuyển.........51

Bảng 3.9: Tỷ lệ thu hồi bentonite tinh qua máy tuyển thủy cyclon....51
Hình3.5: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ thu hồi, hàm lượng
montmorillonite....................................................................................52
Bảng 3.10: Hàm lượng MMT thu được khi hoạt hóa.........................53


Hình3.6: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc giữa hàm lượng
montmorillonite và hàm lượng dung dịch Na2CO3............................54
Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M1)........................................................................................................55
Hình3.8 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M2)........................................................................................................55
Hình3.9 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M3)........................................................................................................55
Hoạt hóa bentonite Cổ Định bằng tinh thể Na2CO3..........................55
Hình3.10 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
A2)........................................................................................................56
Bảng 3.11: Hàm lượng bentonite lọt qua các loại dây........................56
Bảng 3.12: Độ ẩm và hàm lượng MMT lọt qua các dây....................56
Hình3.11: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ thu hồi hàm lượng57
montmorillonite và cỡ dây..................................................................57
Bảng 3.13. Mối liên hệ giữa nồng độ trong dung dịch lọc và thời gian
hấp thụ...................................................................................................58
Bảng 3.14. Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion Fe2+
trên bentonit tự nhiên (A) và bentonit đã hoạt hóa (B).......................59
Hình 3.12: Đường đẳng nhiệt hấp phụ ion Fe2+ trên bentonit tự nhiên
(A) và....................................................................................................61
bentonit đã qua hoạt hóa (B)................................................................61
Bảng 3.15. Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Mn2+ trên bentonit tự nhiên (A) và bentonit đã hoạt hóa (B)............62

Hình 3.13: Đường đẳng nhiệt hấp thụ Mn...........................................63
Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm hấp phụ UO22+ trên bentonite.........64


Hình 3.14: Đường đẳng nhiệt hấp thu Uran dang Langmua và dạng xử
lý............................................................................................................65
Bảng 3.17: Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Fe2+, Mn2+, UO22+ trên bentonit tự nhiên (A).................................66
Hình 3.15: Các đường đẳng nhiệt trao đổi ion trên bentonit tự nhiên67
Bảng 3.18: Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Fe2+, Mn2+, UO22+ trên bentonit đã hoạt hóa (B)...........................67
Hình 3.16:. Các đường đẳng nhiệt trao đổi ion trên bentonit đã hoạt
hóa.........................................................................................................68
Bảng 3.19: Hàm lượng Fe và Mn sử lý...............................................69

Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1: Thành phần nguyên tố cơ bản của sét ( không kể Si)..........4
Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét...............................................5
Hình 1.2: Mạng tứ diện..........................................................................5
Hình 1.3: Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện..........5
Hình 1.4: Mạng cấu trúc bát diện..........................................................6
Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét...........................................6
Hình 1.6: Mẫu bentonite a. Mẫu bentonite tinh đã được nghiền sơ bộ,
b. Mẫu nguyên khai................................................................................8
Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể sét montmorillonite theo Alexandre và
Dubois (2000).......................................................................................11


Hình 1.8: Cấu trúc của MMT cho thấy hai lớp tứ diện trộn lẫn với một
lớp bát diện. Những chấm đen chỉ ra vị trí của sự thay thế đồng hình

trong hình bát diện và tứ diện (Grim 1953).........................................11
Bảng 1.2. Sản lượng bentonite của các nước trên thế giới và sự xuất
khẩu, số liệu năm 2002.........................................................................13
Bảng 2.1. Thành phần hóa học bentonite Cổ Định – Thanh Hóa.......23
Hình 2.1 Nhiễu xạ tia X theo mô hình bragg......................................28
Hình 2.2. (a) Mô hình cấu trúc lớp vỏ electron, (b) Mô hình minh họa
...............................................................................................................29
cho sự tạo thành tia X..........................................................................29
Hình 2.3 Máy đo trắc quang.................................................................31
Bảng 2.2: Mối liên hệ mật độ quang D và nồng độ Fe2+...................31
Hình2.4: Đường chuẩn Fe....................................................................32
Bảng 2.3. Quan hệ giưa mật độ quang D và nồng độ Mn2+..............33
Hình2.5: Đường chuẩn Mn..................................................................34
Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Uran...........35
Hình2.6: Đường chuẩn U.....................................................................36
Hình 2.7: Máy xác đinh độ ẩm của mẫu..............................................37
Hình 2.8: Đường đẳng nhiệt Lăng mua...............................................39
Bảng3.1. Thành phần cấp hạt của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa.. 41
Bảng3. 2.Thành phần cấp hạt của bentonite........................................41
(Phân tích bằng phương pháp Pipet – bộ môn vật lý đất ViênTNNH).
...............................................................................................................41
Bảng 3.3. Quan hệ giữa thành phần cấp hạt với các tính....................42
chất lý hóa học liên quan.....................................................................42
Bảng3.4. Độ ẩm và hàm lượng montmorillonite.................................42
trong các mẫu bentonite......................................................................42


Bảng 3.5.Thành phần khoáng vật của bentonite.................................42
Cổ Định – Thanh Hóa..........................................................................43
Bảng3.6. Thành phần hóa học bentonite Cổ Định – Thanh Hóa........43

Bảng 3.7. Một số tính chất khác của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa
...............................................................................................................44
Bảng 3.8. Bảng phân loại tính dẻo của đất..........................................46
Hình 3.1: Máy tuyển thủy cyclon........................................................48
Hình3.2 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite nguyên khai.....49
Hình3.3: Sơ đồ công nghệ làm giầu Bentonite bằng phương pháp
tuyển thủy cyclon.................................................................................50
Hình3.4 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite qua tuyển.........51
Bảng 3.9: Tỷ lệ thu hồi bentonite tinh qua máy tuyển thủy cyclon....51
Hình3.5: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ thu hồi, hàm lượng
montmorillonite....................................................................................52
Bảng 3.10: Hàm lượng MMT thu được khi hoạt hóa.........................53
Hình3.6: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc giữa hàm lượng
montmorillonite và hàm lượng dung dịch Na2CO3............................54
Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M1)........................................................................................................55
Hình3.8 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M2)........................................................................................................55
Hình3.9 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M3)........................................................................................................55
Hoạt hóa bentonite Cổ Định bằng tinh thể Na2CO3..........................55
Hình3.10 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
A2)........................................................................................................56
Bảng 3.11: Hàm lượng bentonite lọt qua các loại dây........................56


Bảng 3.12: Độ ẩm và hàm lượng MMT lọt qua các dây....................56
Hình3.11: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ thu hồi hàm lượng57
montmorillonite và cỡ dây..................................................................57
Bảng 3.13. Mối liên hệ giữa nồng độ trong dung dịch lọc và thời gian

hấp thụ...................................................................................................58
Bảng 3.14. Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion Fe2+
trên bentonit tự nhiên (A) và bentonit đã hoạt hóa (B).......................59
Hình 3.12: Đường đẳng nhiệt hấp phụ ion Fe2+ trên bentonit tự nhiên
(A) và....................................................................................................61
bentonit đã qua hoạt hóa (B)................................................................61
Bảng 3.15. Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Mn2+ trên bentonit tự nhiên (A) và bentonit đã hoạt hóa (B)............62
Hình 3.13: Đường đẳng nhiệt hấp thụ Mn...........................................63
Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm hấp phụ UO22+ trên bentonite.........64
Hình 3.14: Đường đẳng nhiệt hấp thu Uran dang Langmua và dạng xử
lý............................................................................................................65
Bảng 3.17: Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Fe2+, Mn2+, UO22+ trên bentonit tự nhiên (A).................................66
Hình 3.15: Các đường đẳng nhiệt trao đổi ion trên bentonit tự nhiên67
Bảng 3.18: Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Fe2+, Mn2+, UO22+ trên bentonit đã hoạt hóa (B)...........................67
Hình 3.16:. Các đường đẳng nhiệt trao đổi ion trên bentonit đã hoạt
hóa.........................................................................................................68
Bảng 3.19: Hàm lượng Fe và Mn sử lý...............................................69



MỞ ĐẦU
Bentonite là một loại khoáng vật công nghiệp, được cấu thành chủ yếu từ
các khoáng vật sét thuộc nhóm smectit bao gồm montmorillonite và một số
khoáng khác. Chính cấu trúc, thành phần hóa học, khả năng trao đổi cation lớn,
các bề mặt giữa lớp có đặc điểm hydrat hóa bất thường và đôi khi có khả năng
làm thay đổi hành vi lưu biến của các chất lỏng một cách mạnh mẽ, cho nên
bentonite có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, ví dụ trong các lĩnh vực kinh

tế như: khoan thăm dò khoáng sản, đặc biệt là công nghiệp dầu khí dùng để pha
chế dung dịch khoan và công nghệ chế biến dầu mỏ; để chế tạo các vật liệu tẩy
trắng, để chế tạo các vật liệu hấp phụ dùng cho mục đích xử lý môi trường, dùng
làm sạch dầu thực vật và một số chế phẩm h÷u cơ, dùng làm vật liệu lắng gạn,
dùng trong công nghiệp chế tạo chất xúc tác, trong ngành giấy, cao su, trong
ngành đúc luyện kim và gần đây là ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu nano
composit v.v...
Theo số liệu của tổng cục mỏ địa chất, ở Việt Nam có một số mỏ bentonite
với trữ lượng tương đối lớn đã được phát hiện, thăm dò và khai thác, đó là mỏ
bentonite kiềm Bình Thuận với trữ lượng dự kiến khoảng 150 triệu tấn; bentonite
Di Linh - Lâm Đồng với trữ lượng khoảng 20 triệu tấn; bentonite Phú Yên với
trữ lượng ước tính khoảng 20 đến 30 triệu tấn; bentonite Cổ Định - Thanh Hóa
với trữ lượng ước tính khoảng 30 đế 40 triệu tấn. Tuy vậy thị trường tiêu thụ và
phạm vi ứng dụng của bentonite Việt Nam ở trong nước cũng như phôc vụ xuất
khẩu lại rất hạn chế. Công tác nghiên cứu về công nghệ khai thác và chế biến các
loại sản phẩm bentonite trong nước còn ở mức độ thấp, lý do có thể do những
nguyên nhân sau: Thứ nhất, nhu cầu thùc tại của nền công nghiệp nội địa về
bentonite chưa lớn, ngành công nghiệp khai thác khoáng nước ta chưa thật phát
triển. Thứ hai, đối với bentonite, khai thác và chế biến thô th× không khó lắm,
nhưng chế biến tinh là cả một vấn đề, đòi hỏi phải đầu tư lớn về quy mô, đủ hiện
1


đại về mặt công nghệ, đảm bảo có thể sản xuất các sản phẩm thỏa mãn các yêu
cầu cụ thể của từng ngành công nghiệp và từng lĩnh vực áp dụng. Tuy nhiên là
một nước có tiềm năng về bentonite, có nhu cầu gia tăng về các loại sản phẩm
của nó, thì cần thiết phải có nhiều nghiên cứu về bentonite Việt Nam hơn nữa.
Trong các lĩnh vực ứng dụng của bentonite thì ứng dụng để xử lý môi
trường là một trong những lĩnh vực được quan tâm nhiều. Trong việc bảo vệ môi
trường, bảo vệ sinh thái thì việc xử lý chất thải, chất độc làm giảm hàm lượng

của chúng xuống dưới mức cho phép là một việc làm thiết thực có lợi ích trực
tiếp đến sức khỏe của người dân. Có nhiều phương pháp làm giảm hàm lượng
các kim loại nặng, các chất hữu cơ, các cặn bã,…trong nước thải, nước ngầm
như: Phương pháp hóa học, phương pháp điện hóa, phương pháp kết tủa, phương
pháp trao đổi ion, phương pháp sinh học. Tùy theo từng trường hợp cụ thể 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. Việc dùng các chất có diện tích
bề mặt riêng lớn như bùn hoạt tính, than hoạt tính, silicagen, các khoáng sét để
hấp phụ các kim loại và các chất bẩn khác làm giảm hàm lượng của chóng trong
nước là một trong những phương pháp được biết đến từ lâu – phương pháp hấp
phụ hay được sử dụng. Trong số các vật liệu dùng để xử lý môi trường nói chung
và xử lý kim loại nặng nói riêng thì bentonite là một vật liệu được dùng nhiều.
Lượng bentonite được sử dụng làm vật liệu hấp phụ đặc biệt xử lý nước và nước
thải, chiếm tỷ lệ rất cao, chẳng hạn lên tới 25 – 26 % mức tiêu thụ bentonite của
Mỹ và có khuynh hướng ngày càng tăng. Bentonite được sử dụng nhiều trong
lĩnh vực xử lý môi trường vì nó sẵn có, rẻ tiền và có tính năng hấp phụ tốt. Ngoài
ra bentonite còn được sử dụng đÓ xử lý nước có chứa các nguyên tố phóng xạ
đặc biệt là nước thải sau quá trình lò. Việc nghiên cứu chế biến bentonite để làm
vật liệu hấp phụ là một việc làm thiết thực nhằm góp phần vào việc sử dụng
nguồn tài nguyên của đất nước một cách hợp lý và nâng cao giá trị bentonite của
2


nước ta. Tất cả những điều vừa trình bày trên đã nói lên ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cũng như lý do tác giả lựa chon đề tài: “Nghiên cứu công nghệ làm
giàu bentonite Cổ Định bằng phương pháp tuyển thủy cyclone và sử dụng sản
phẩm bentonite đã xử lý trong lĩnh vực bảo vệ môi trường”. Mục tiêu nghiên cứu
của luận văn này là:
- Xác định thành phần khoáng vật, thành phần hoá học và một số tính chất
khác của bentonite Cổ Định, Thanh Hoá lấy tữ bãi A.

- Làm giàu, làm sạch bentonite Cổ Định – Thanh Hóa bằng phương pháp tuyển
thủy xyclone để nâng cao hàm lượng montmorillonite.
- Hoạt hóa bentonite Cổ Định – Thanh Hóa bằng Na2CO3.
- Thö nghiÖm sản phẩm để hấp phụ nước có nhiểm sắt, mangan và urani.
Luận văn gồm có các nội dung sau:
-

Mở đầu.

-

Chương 1: Tổng quan.

-

Chương 2: Thùc nghiÖm và phương pháp nghiên cứu.

-

Chương 3: Kết quả và thảo luận.

-

Kết luận và hướng phát triển.

-

Tài liệu tham khảo.

3

Chương I: TỔNG QUAN
1.1. Thành phần và cấu trúc của khoáng sét tự nhiên
1.1.1.Thành phần khoáng sét
Khoáng sét có chứa các nguyên tố chính là silic (Si) và nhôm (Al), nhưng
hàm lượng nhôm ít hơn silic. Ngoài ra, còn có các nguyên tố khác như sắt (Fe),
magiê (Mg), kali (K), natri (Na), canxi (Ca),… tùy theo hàm lượng có mặt của
chúng mà ta có các loại sét khác nhau.
Bảng 1.1: Thành phần nguyên tố cơ bản của sét ( không kể Si)

Sét trương nở
Tên khoáng sét

Sét không trương nở

Nguyên tố có nhiều
trong thành phần

Tên khoáng sét

Beidellit

Al

Illit

Montmorillonit

Al (ít Mg, Fe2+)

Glauconit

Nontronit

Fe3+

Celadonit

Saponit

Mg, Al

Clorit

Vermiculit

Mg, Fe2+, Al, (ít Fe3+)

Berthierin

Nguyên tố có nhiều
trong thành phần
K, Al, (ít Fe, Mg)
K, Fe3+, Fe2+
K, Fe2+, Mg, Fe3+, Al
Mg, Al, Fe
Fe2+, Al3+, (ít Mg)

Kaolinit (7,2Å)

Al

Halloysit(10,1Å)

Al

Seppiolit

Ma, Al

Palygoskit

Mg, Al

Talc

Mg, Fe2+

Hiện nay người ta đã biết gần 40 loại khoáng sét khác nhau. Có thể nhận
biết nhanh từng loại khoáng dựa trên sự có mặt của ba nguyên tố Al, Fe, Mg
ngoài nguyên tố Si theo bảng 1.1 trong thành phần của nó.

4


1.1.2. Cấu trúc của khoáng sét
Bằng cách chụp SEM và TEM các hạt khoáng sét, người ta thấy các hạt
sét có cấu trúc dạng mỏng nhưng dài và rộng. Tất cả đều được tạo ra từ các tứ
diện SiO44− và một lớp bát diện MeO6 , với Me là các kim loại Al, Fe, Mg…

a) Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4

b) Đơn vị cấu trúc bát diện MeO6

Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét

Hình 1.2: Mạng tứ diện

Hình 1.3: Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện

Tương tự như mạng tứ diện, mạng bát diện được tạo thành từ các bát diện
qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều.
5


Hình 1.4: Mạng cấu trúc bát diện

Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua các oxi đỉnh theo
những quy luật trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc tinh thể
khác nhau: Cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1 và cấu trúc 2:1 + 1.

a) Cấu trúc 1:1 triocta

b) Cấu trúc 1:1 diocta

c) Cấu trúc 2:1 triocta

d) Cấu trúc 2:1 diocta

e) Cấu trúc 2:1+1
Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét

6


Nhóm khoáng sét 1:1.
Cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng
lưới bát diện. Đại diện cho nhóm này là kaolinit, … (hình 1.5a, 1.5b).
Nhóm khoáng sét 2:1
Cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới bát diện nằm giữa hai mạng lưới tứ
diện. Đại diện cho nhóm này là montmorillonite, vermiculite, … (hình 1.5c,
1.5d).
Nhóm khoáng sét 2:1+1
Cấu trúc lớp cơ bản gồm ngoài một lớp cấu trúc tương tự nhóm 2:1, còn
thêm một mạng lưới bát diện (hình 1.5e). Đại diện cho nhóm này là clorit.
Trong cùng nhóm, khoáng sét có thể được chia thành phân nhóm: diocta
và triocta. Đối với dạng diocta, trong mạng bát diện cứ ba vị trí tâm bát diện thì
có hai vị trí bị chiếm bởi ion hoá trị 3 (ví dụ như Al 3+), còn một vị trí bỏ trống.
Còn dạng triocta thì mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi một ion hoá trị 2
(thường là Mg2+).

1.2. Giới thiệu về bentonite
Bentonite có tên gọi từ sự hình thành nham thạch benton ở Wyoming, Mỹ
và nó có tên này từ năm 1897. Montmorillonite – hạt sét có tên gọi của thị trấn
Montmorillion ở Pháp.
Mẫu quặng bentonite nguyên khai và bentonite tinh đã được nghiền sơ bộ
lấy từ Cổ Định – Thanh Hóa trong hình 1.6 màu sắc của mẫu quặng bentonite
cũng khác nhau phô thuộc vào thành phần nguyên tố trong khoáng vật sét sử
dụng.

7


(a)

(b)

Hình 1.6: Mẫu bentonite a. Mẫu bentonite tinh đã được nghiền sơ bộ, b. Mẫu nguyên khai.

1.2.1. Thành phần hóa học của bentonite
Bentonite là một nguồn khoáng vật sét phân tán rộng rãi và hàm lượng lớn
trong tự nhiên. Chính vì bentonite quan trọng trong công nghiệp, nên chúng
được sử dụng với số lượng lớn, trong cả giá trị lẫn số lượng sản xuất hàng năm,
bentonite là một trong số khoáng chất được khai thác nhiều trên thế giới .
Bentonite là nguồn khoáng sét thiên nhiên, được cấu tạo chủ yếu từ
khoáng vật sét thuộc nhóm smectic. Thành phần chính của bentonite là
montmorillonite (MMT), ngoài ra còn có một số khoáng chất khác như: quartz,
cristobate, feldspar, calcite, halite, zeolite, mica, kaoline,… đôi khi người ta còn
gọi khoáng bentonite là khoáng montmorillonite. Công thức đơn giản nhất của
montmorillonite là: Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nữa tế bào đơn vị cấu trúc. Công
thức lý tưởng của montmorillonite là: Si 8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc.
Tuy nhiên, thành phần hóa học của montmorillonite luôn khác nhau với thành
phần biểu diễn theo lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại
như: Al3+, Fe2+, Mg2+,…với silic trong tứ diện.

8


Như vậy thành phần hóa học của montmorillonite với sự có mặt của Si, Al

còn có các nguyên tố khác Mg, Fe, Na, Ca,…ngoài ra còn có một số nguyên tố vi
lượng khác như: Ti,… trong đó tỷ lệ của Al2O3:SiO2 dao động từ 1:2 đến 1:4.

1.2.2. Cấu trúc của montmorillonite
Khoáng sét xuất hiện trong tự nhiên với sự biến thiên trong thành phần
phụ thuộc trên nhóm của họ và nguồn gốc của chúng. Công thức phân tử chung
của MMT được biết thông thường là: (M+x.nH2O)(Al2-yMgx)Si4O10(OH)2, trong
đó M+ là cation trao đổi giữa lớp, M+ = Na+, K+, Mg2+ hay Ca2+ (Brindley &
Borowwn,1980), trong điều kiện lý tưởng x = 0,33 [19]. Sét được sử dung cho
điều chế nanoclay thuộc nhóm sét smectic, được biết là phyllosilicate 2:1 mà
thành phần chung nhất là MMT {Si4[Al1,67Mg0,33]O10(OH)2.nH2O.M = Na, K hoặc
Ca} và hectorit {Si4[Mg2,7Li0,3]O10(OH)2.M0,4.M = Na} trong đó chỗ bát diện có
sự

thay

thế

đồng

hình.

Nhóm

sét

smectic

khác

là

beidilite

{[Si3,67Al0,33]Al2O10(OH)2.nH2O.M0,33. M = Na, K hoặc Ca}, nontronite
{[Si3,67Al0,33]Fe2O10(OH)2.M0,33.

M

=

Na,

K

hoặc

Ca}

và

saponite

{[Si3,67Al0,33]Mg3O10(OH)2.M0,33. M = Na, K hoặc Ca} trong đó chỗ tứ diện có sự
thay thế đồng hình.
Cấu trúc tinh thể MMT được chỉ ra trong hình 1.7 mạng tinh thể của
MMT gồm có lớp hai chiều trong đó lớp Al2O3 (hoặc MgO) bát diện nằm ở trung
tâm giữa hai lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi của
lớp tứ diện cũng thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí
với bốn nguyên tử oxi định vị ở 4 góc của tứ diện. Nguyên tử Al hoặc Mg trong

lớp bát diện thì phối trí với 6 nguyên tử oxi hoặc nhóm hydroxyl định vị ở sáu
góc của bát diện đều. Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét
hoặc một đơn vị cơ sở của nanoclay. Bề dày của tiểu cầu có kích thước khoảng
1nm và chiều dài của tiểu cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nanomet.
Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét sắp xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng
9


cách giữa các lớp, khoảng cách này được gọi là khoảng cách “Van Der Waals”,
là khoảng không gian giữa hai lớp sét. Sự hình thành nanoclay trong tự nhiên có
sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si có hóa trị 4 trong lớp tứ diện được thay thế
bởi một phần nguyên tử Al hóa trị 3. Nguyên tử Al hóa tri 3 trong lớp bát diện
thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hóa trị 2 như Fe và Mg. Sự
thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu cầu sét
mang điện tích âm. Điện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim loại kiềm
và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Na + và Ca2+) chiếm giữa khoảng không gian
giữa các lớp. Những ion nằm giữa lớp này có thể thay thế bằng cation hữu cơ.
Khi thay thế ion vô cơ giữa lớp sét bằng ion hữu cơ làm cho sét thích hợp với
polymer hữu cơ. Sự thay thế đồng hình bên trong mạng tinh thể bằng các nguyên
tố khác nhau hoặc thay đổi ở các vị trí khác nhau đưa đến có nhiều loại khoáng
chất đất sét montmorillonite: MMT, nontronite, saponite, hectorite, sauconite,
beidellite, volkhonskoite, pimelite.
Trong hình 1.8 cho thấy sự thay thế đồng hình của một số ion Al, Fe, Mg,
…trong tứ diện và bát diện, cũng như khoảng cách của lớp sét. Khoảng cách của
một lớp MMT đã chỉ ra trong hình 1.8 là 9,5 Å (Grim, 1953), còn khoảng cách
của d(001) của sét khô ( làm khô ở 70oC) là 12,6 Å.

10