Chế tạo vật liệu nano Bentonite bằng phương pháp bóc tách siêu âm ứng dụng xử lý Mn(II) trong môi trường nước (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LƯU VIỆT HÙNG

CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BENTONITE BẰNG
PHƯƠNG PHÁP BÓC TÁCH SIÊU ÂM ỨNG DỤNG
XỬ LÝ Mn(II) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

THÁI NGUYÊN - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LƯU VIỆT HÙNG

CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BENTONITE BẰNG
PHƯƠNG PHÁP BÓC TÁCH SIÊU ÂM ỨNG DỤNG
XỬ LÝ Mn(II) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Trà Hương

THÁI NGUYÊN - 2018

1


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Chế tạo vật liệu nano Bentonite bằng phương pháp
bóc tách siêu âm ứng dụng xử lý Mn(II) trong môi trường nước” là do bản thân tôi
thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu
trách nhiệm.
Thái nguyên, tháng 6 năm 2018
Tác giả luận văn

LƯU VIỆT HÙNG

Xác nhận

Xác nhận

của Trưởng khoa chuyên môn

của giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

PGS.TS. Đỗ Trà Hương

i


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Trà Hương, cô giáo trực
tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Hóa học, các
thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá
trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Hoá
lý - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và các bạn đã giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Luận văn này được hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí của Trung tâm Nghiên cứu
và Phát triển Công nghệ Tiên Tiến, địa chỉ văn phòng: Số 21, Ngõ 107 Đào Tấn,
Phường Ngọc Khánh, Quận Ba Đình, Thành phố Hà Nội thông qua sự cộng tác của
cử nhân Nguyễn Thanh Hải và Phùng Thị Oanh. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp
đỡ to lớn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đặng Văn Thành, Trường Đại học
Y - Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị của phòng thí nghiệm
Lý-Lý sinh y học và Dược trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu
của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và
những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái nguyên, tháng 6 năm 2018
Tác giả luận văn

LƯU VIỆT HÙNG

ii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Stt

Chữ viết đầy đủ

Chữ viết tắt

1.

AFM

Hiển vi lực nguyên tử.

2.

BO

3.

BTNMT

4.

CEC

Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity).

5.

EDX

Phổ tán sắc năng lượng.

6.

FT - IR

Phương pháp phổ hồng ngoại.

7.

HDBM

Hoạt động bề mặt.

8.

HDPyCl

hecxadecylpyridiniumchloride.

9.

HDTMA

Hecxadecyltrimethylammonium

10.

ICP – OES

11.

MMT

Montmorillonite.

12.

PTMA

Phenyltrimethylammonium.

13.

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam.

14.

SEM

15.

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam.

16.

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua.

17.

TMA

Trimethylammonium.

18.

UB

19.

XRD

Bentonite tự nhiên bình thuận.
Bộ tài nguyên môi trường.

Khối phổ plasma cảm ứng.

Chụp ảnh hiển vi điện tử quét.

Nanobentonite.
Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen.

iii

MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan ..................................................................................................................i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................... iii
Mục lục .........................................................................................................................iv
Danh mục bảng biểu ...................................................................................................... v
Danh mục hình vẽ .........................................................................................................vi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3
1.1. Giới thiệu về khoáng sét tự nhiên ........................................................................... 3
1.1.1. Đặc điểm chung của khoáng sét ................................................................... 3
1.1.2. Đặc điểm của các nhóm khoáng sét chính. .................................................. 4
1.1.3. Tính chất của khoáng sét tự nhiên ............................................................... 7
1.2. Giới thiệu về Bentonite ........................................................................................... 8
1.2.1. Thành phần hóa học ..................................................................................... 8
1.2.2. Tính chất của bentonite ................................................................................ 9
1.2.3. Nguồn tài nguyên bentonite ở Việt Nam ................................................... 10
1.3. Các phương pháp biến tính vật liệu khoáng sét .................................................... 11
1.3.1. Phương pháp nhiệt hóa ............................................................................... 11
1.3.2. Biến tính bằng axit/kiềm ............................................................................ 11
1.3.3. Hoạt hóa bentonite bằng các chất hoạt động bề mặt .................................. 12
1.3.4. Biến tính bằng phương pháp phủ bọc ........................................................ 13
1.3.5. Biến tính bằng phương pháp tạo cột chống ............................................... 14
1.3.6. Zeolit hóa ................................................................................................... 16
1.4. Ứng dụng của khoáng sét và bentonite ................................................................. 17
1.5. Một số phương pháp chính để tổng hợp vật liệu nano ......................................... 17
1.5.1. Phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal process) ....................................... 17

1.5.2. Phương pháp dung nhiệt (Solvothermal process) ...................................... 18
1.5.3. Phương pháp vi nhũ tương ......................................................................... 18
1.5.4. Phương pháp hóa siêu âm .......................................................................... 20

iv


1.6. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bentonite .......................................... 22
1.7. Tình hình nghiên cứu sử dụng nano bentonite dùng làm chất hấp phụ ................ 22
1.8. Giới thiệu mangan................................................................................................. 24
1.9. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu .................................................................. 24
1.9.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ................................................................ 24
1.9.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét .............................................................. 25
1.9.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua .................................................... 26
1.9.4. Kính hiển vi lực nguyên tử......................................................................... 26
1.9.5. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X ............................................... 27
1.9.6. Phương pháp phổ hồng ngoại .................................................................... 28
1.9.7. Định lượng Mn(II) bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis ....... 29
Chương 2. THỰC NGHIỆM .................................................................................... 30
2.1. Dụng cu, hóa chất ................................................................................................. 30
2.1.1. Dụng cụ ...................................................................................................... 30
2.1.2. Hóa chất ..................................................................................................... 30
2.1.3. Qui trình phân tích Mn (II). ....................................................................... 31
2.2. Chế tạo vật liệu nano Bentonite. ........................................................................... 32
2.3. Khảo sát đặc điểm bề mặt, cấu trúc, thành phần hóa học của vật liệu UB và BO. ..... 32
2.4. Lập đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II). ......................................................... 32
2.5. Xác định điểm đẳng điện của UB. ........................................................................ 34
2.6. So sánh hiệu suất hấp phụ Mn(II) của BO và UB. ............................................... 34
2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của ion Mn(II) của UB
theo phương pháp hấp phụ tĩnh. .................................................................................. 34

2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH. .............................................................................. 34
2.7.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. .................................................. 34
2.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu UB. ...................................... 35
2.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của các cation Mg(II), Ca(II), Na+. ................................ 35
2.7.5. Khảo sát ảnh hưởng của các anion................................................................ 35
2.7.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ . ............................................................. 35
2.7.7. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu. ....................................................... 36

v


2.8. Cơ chế hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB. .............................................................. 36
2.9. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của ion Mn(II) của UB
theo phương pháp hấp phụ động. ................................................................................. 36
2.9.1. Chuẩn bị cột hấp phụ. ................................................................................ 36
2.9.2. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ Mn(II) ................................................... 37
2.9.3. Tái sử dụng vật liệu .................................................................................... 38
2.10. Xử lý thử mẫu nước mặt chứa Mn(II) ................................................................ 38
2.10.1. Xử lý mẫu nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp tĩnh ....................... 39
2.10.2. Xử lý mẫu nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp động .................... 39
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 40
3.1. Đặc điểm hình thái bề mặt, cấu trúc, thành phần vật liệu nano Bentonite. .......... 40
3.2. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu UB. ........................................................... 46
3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Mn(II) theo
phương pháp hấp phụ tĩnh. .......................................................................................... 47
3.4.1. Ảnh hưởng của pH. .................................................................................... 47
3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian. ............................................................................ 49
3.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu UB. .................................................... 50
3.4.5. Ảnh hưởng của anion ................................................................................. 52
3.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................... 54

3.4.7. Ảnh hưởng của nồng độ đầu ...................................................................... 55
3.4.8. Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Mn(II) theo mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt Langmuir. .................................................................................................... 56
3.4.9. Khảo sát dung lượng hấp phụ Mn(II) theo mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt Freundlich. .................................................................................................. 57
3.4.10. Cơ chế hấp phụ......................................................................................... 59
3.4.11. Động học quá trình hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB ............................... 60
3.4.12. Nhiệt động lực học quá trình hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB. ............... 63
3.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của Mn(II) của UB
theo phương pháp hấp phụ động. ................................................................................. 65
3.5.1. Thí nghiệm với dung dịch Mn(II) tự pha. .................................................. 65
3.5.2. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ Mn(II). .................................................. 68
3.5.3. Tái sử dụng vật liệu .................................................................................... 70

vi


3.6. Xử lý thử mẫu nước mặt chứa Mn(II) .................................................................. 71
3.6.1. Xử lý nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp hấp phụ tĩnh......................... 71
3.6.2. Xử lý nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp hấp phụ động ....................... 72
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 74
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ........... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 77

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn Mn(II) ........................................................ 33

Bảng 3.1: Kết quả xác định điểm đẳng điện của vật liệu UB ..................................... 46
Bảng 3.2: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Mn(II) vào VLHP .............................. 47
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) ................................ 48
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) của UB .......... 49
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của khối lượng UB đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) ............. 50
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của ion Mg(II), Ca(II), Na+ đến dung lượng và hiệu suất
hấp phụ ...................................................................................................... 51
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của ion Cl-, NO3-, HCO3-, tới hiệu suất hấp phụ Mn(II)
của vật liệu UB .......................................................................................... 53
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Mn
(II) của UB ................................................................................................ 54
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Mn(II) đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ của UB ................................................................................. 55
Bảng 3.10: Dung lượng hấp phụ cực đại qmax và hằng số Langmuir b........................ 56
Bảng 3.11 : Dung lượng hấp phụ Mn(II) cực đại (qmax) của vật liệu UB và một
số vật liệu hấp phụ khác ............................................................................ 57
Bảng 3.12: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của lgq vào lgCcb trong quá trình hấp
phụ ion Mn(II) ........................................................................................... 58
Bảng 3.13: Các hằng số của phương trình Freundlich ................................................ 59
Bảng 3.14: Giá trị pH của dung dịch Mn(II) trước và sau khi hấp phụ ....................... 59
Bảng 3.15: Số liệu khảo sát động học hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB ...................... 60
Bảng 3.16. Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với Mn(II) ........................... 62
Bảng 3.17. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với Mn(II) ........................... 62
Bảng 3.18: Giá trị năng lượng hoạt hóa quá trình hấp phụ Mn(II) của UB ............... 63
Bảng 3.19: Kết quả tính KD tại các nhiệt độ khác nhau .............................................. 64
Bảng 3.20: Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ Mn(II) ...................... 64
Bảng 3.21: Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 67

v

Bảng 3.22: Các hằng số hấp phụ động ........................................................................ 68
Bảng 3.23: Kết quả giải hấp ion Mn(II) bằng HNO3 có nồng độ khác nhau .............. 69
Bảng 3.24: Khả năng hấp phụ ion Mn(II) của UB mới và UB tái sinh ....................... 70
Bảng 3.25: Hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) ứng với UB mới, UB tái sinh lần 1 và
UB tái sinh lần 2 ........................................................................................ 71
Bảng 3.26: Kết quả tách loại Mn(II) khỏi nước mặt .................................................... 72
Bảng 3.27: So sánh thời gian bảo vệ theo tính toán và theo thực nghiệm trên
nước mặt chứa Mn(II)................................................................................ 73

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Mạng cấu trúc tinh thể của phiến khối tứ diện oxit silic và phiến
khối bát diện gipxi [1] ............................................................................... 4
Hình1.2: Cấu trúc tinh thể của kaolinit [13] ............................................................... 5
Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể montmorilonit [13] .......................................................... 6
Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể illit [13] ............................................................................ 6
Hình 1.5: Ảnh chụp SEM oxit silic không phủ bọc (a) và phủ bọc (b)[13].............. 14
Hình 1.6: Lớp cơ sở của Montmorillonit được chèn bởi các chuỗi ankyl [28] ........ 15
Hình 1.7: Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước ..................................... 19
Hình 1.8: Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương .................................... 20
Hình 2.1: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) .......................................... 33
Hình 3.1: Ảnh SEM hình thái học bề mặt của BO .................................................... 40
Hình 3.2: Ảnh SEM hình thái học bề mặt của UB .................................................... 40
Hình 3.3a: Ảnh TEM của vật liệu UB ở chế độ phân giải thấp ............................... 41
Hình 3.3b: Ảnh TEM của vật liệu UB ở chế độ phân giải cao ................................. 41
Hình 3.4: Ảnh hiển vi lực nguyên tử AFM cuả UB .................................................. 42

Hình 3.5: Giản đồ XRD của BO (đen) và UB (màu đỏ) ........................................... 42
Hình 3.6: Phổ EDX của mẫu B0 ............................................................................... 43
Hình 3.7: Phổ EDX của mẫu UB .............................................................................. 44
Hình 3.8: Phổ FT-IR của vật liệu UB ....................................................................... 45
Hình 3.9: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vật liệu nano UB ............................. 46
Hình 3.10: Biểu đồ biểu diễn hiệu suất hấp phụ Mn(II) của UB và BO ........... 47
Hình 3.11: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) của UB ............... 48
Hình 3.12: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) của UB............ 49
Hình 3.13: Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) ........ 50
Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II), Na+ đến hiệu
suất hấp phụ Mn(II)................................................................................ 52
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của ion Cl-, NO3-, HCO3- đến hiệu suất
hấp phụ Mn(II) của VLHP ...................................................................... 53

vi


Hình 3.16: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Mn (II) vào nhiệt độ ...................... 54
Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của UB đối với Mn(II)................ 56
Hình 3.18: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Mn(II) ...................................... 56
Hình 3.19: Sự phụ thuộc của lgq vào lgCcb đối với sự hấp phụ ion Mn(II).............. 58
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 1 đối với Mn(II) ............................... 61
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 2 đối với Mn(II) ............................... 61
Hình 3.22. Sự phụ thuộc của lnKD vào 1/T ............................................................... 64
Hình 3.23: Đường cong thoát với chiều cao cột UB; Z = 26,5 mm, C0 =
25,02mg/L, pH = 7,0; F = 1,0616 m3/m2/h, thể tích UB = 3,0 mL ......... 65
Hình 3.24: Đường cong thoát với chiều cao cột UB; Z = 40 mm, C0 = 25,02
mg/L, pH = 7; F = 1,0616 m3/m2/h, thể tích UB = 4,5 mL ..................... 66
Hình 3.25: Đường cong thoát với chiều cao cột UB; Z = 53 mm, C0 = 25,02
mg/L, pH = 1,0; F = 1,0616 m3/m2/h, thể tích UB = 6,0 mL .................. 66

Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn t = f(Z) tại C/C0 = 0,001 và 0,05; C0 = 25.02 mg/L,
pH=1,0, F=1,0616 m3/m2/h .................................................................... 67
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn kết quả giải hấp ion Mn(II) bằng axit HNO3 ............... 69
Hình 3.28: Đường cong thoát của Mn(II) ứng với UB mới và UB tái sinh .............. 71
Hình 3.29: Kết quả xử lý nước mặt chứa Mn(II), C0 = 12,95 mg/L, pH = 7,0; Z
= 0,0265m; khối lượng UB = 1g; thể tích UB = 3mL ............................ 73

vii


MỞ ĐẦU
Quá trình công nghiệp hóa của đất nước ngày càng phát triển nhanh, các
nghành công nghiệp luyện kim, lọc hóa dầu, công nghiệp giấy, công nghiệp dệt
nhuộm, công nghiệp hóa chất phát triển nhanh chóng, các nhà máy xí nghiệp mọc
lên từng ngày. Cùng với sự ra đời và phát triển và tăng nhanh chóng số lượng các
nhà máy của các nghành công nghiệp thì các nhà máy này cũng thải ra một lượng
lớn chất thải độc hại, gây ô nhiễm môi trường nặng nề, ảnh hưởng trực tiếp đến sức
khỏe người dân đang sinh sống và để lại hậu quả lâu dài cho mai sau như: nhà máy
Vedan Đồng Nai, nhà máy Miwon Việt trì, Tungkuang Hưng Yên...Đặc biệt sự cố ô
nhiễm ở Khu công nghiệp Vũng Áng, Hà Tĩnh, nước ô nhiễm từ quá trình khí hóa
than trong quá trình luyện thép của Tập đoàn Fomusa - Đài Loan.
Có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng nước
ô nhiễm như: phương pháp như hấp phụ, trao đổi ion, điện hóa, lọc màng, hóa hơi,
oxy hóa, hấp thụ sinh học... Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi
và cho kết quả rất khả thi. Vật liệu hấp phụ có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng
hợp nhân tạo, trong đó hướng nghiên cứu các vật liệu hấp phụ nguồn gốc tự nhiên
hiện được nhiều nhà khoa học quan tâm do có nhiều ưu điểm như: giá thành xử lý
thấp, hấp phụ được đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử
dụng vật liệu hấp phụ và thu hồi kim loại, quy trình xử lý đơn giản, không gây ô
nhiễm môi trường thứ cấp.

Bentonite là nhóm sét chung cấu trúc thành phần lớp smectite (nhóm vật liệu
sét có đặc tính là khả năng trương nở nội tinh thể). Bentonite có rất nhiều ứng dụng
trong công nghiệp, nông nghiệp và bảo vệ môi trường. Các sét bentonite có thể
được phân loại theo thành phần khoáng vật nhóm smectit như bentonit Na,
bentonite Ca, Ag, K… vì tùy thuộc vào tính chất đặc trưng mà khả năng ứng dụng
của chúng cũng khác nhau. Gần đây có rất nhiều các nghiên cứu sử dụng bentonite
làm chất hấp phụ kim loại năng hoặc chất xúc tác cho quá trình quang hoá nhằm
khử một số chất hữu cơ, nitơ hay photpho... tham gia vào quá trình xử lý nước thải của
nhà máy.

1


Do đó, nghiên cứu chế tạo vật liệu theo hướng tận dụng các vật liệu có sẵn
trong tự nhiên kết hợp với các kỹ thuật nhằm tăng khả năng sử lý được các chất
thải, các ion kim loại nặng, các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải không
những đem lại lợi ích kinh tế, xã hội mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo
vệ môi trường. Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu là “Chế tạo vật
liệu nano Bentonite bằng phương pháp bóc tách siêu âm ứng dụng xử lý Mn(II)
trong môi trường nước”.
Trong đề tài chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chế tạo vật liệu nano bentonite từ bentonite tự nhiên Bình Thuận được hoạt
hóa bằng NaOH kết hợp với rung siêu âm 60 phút.
- Khảo sát một số đặc trưng hóa lý của nano bentonite bằng phương pháp
nhiễu xạ Rơnghen (XRD), chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử
truyền qua (TEM), hiển vi lực nguyên tử (AFM), phổ tán sắc năng lượng (EDX), phương
pháp phổ hồng ngoại (FT - IR).
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Mn(II) của vật liệu
nano bentonite theo phương pháp hấp phụ tĩnh và hấp phụ động.
- Thử nghiệm vật liệu nano bentonite xử lý mẫu mặt chứa Mn(II).

2


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về khoáng sét tự nhiên
Khoáng sét là các loại khoáng vật được hình thành trong tự nhiên từ các quá
trình phong hóa tại chỗ các khoáng vật silicat và nhôm silicat của đá magma và đá
biến chất hoặc được hình thành từ sản phẩm phong hóa trôi dạt đến các khu vực
lắng đọng để tạo thành trầm tích. Khoáng sét cũng có thể được hình thành theo
nhiều con đường khác, ví dụ như sự hydrat hoá các khoáng nguyên sinh silicat, sự
thuỷ nhiệt hoá các đá silicat, thuỷ nhiệt hoá các đá bazan, hoặc tổng hợp nhân tạo.
Thời kỳ chưa có các phương pháp phân tích hiện đại, khoáng sét được biết đến chủ
yếu dựa trên thành phần hóa học. Nó là hỗn hợp bao gồm SiO2, Al2O3, H2O và một
số oxit của kim loại kiềm và kiềm thổ, sắt, mangan, kẽm…, có kích thước hạt vài
micromet. Dựa vào thành phần hoá học, các tính chất hoá lý và đặc biệt là cấu trúc
tinh thể và cấu trúc lớp, hiện nay khoáng sét có hơn 100 loại khác nhau [7].
1.1.1. Đặc điểm chung của khoáng sét
Các khoáng sét có đặc điểm chung là cấu tạo lớp và sự thay thế đồng hình:
- Cấu tạo lớp của keo sét được hình thành do sự liên kết của phiến khối tứ
diện oxit silic và phiến khối bát diện gipxit. Trong đó, phiến oxit silic được tạo
thành do sự gắn liền các khối tứ diện oxit silic với nhau, mỗi khối tứ diện ở chính
giữa là một nguyên tử silic, bốn đỉnh là bốn nguyên tử oxi. Phiến gipxit được tạo
thành do sự gắn kết các khối bát diện với nhau, mỗi khối bát diện chính giữa có một
nguyên tử Al, xung quanh có sáu nguyên tử oxi hoặc sáu nhóm OH-, hay vừa oxi
vừa OH-.

- Hiện tượng thay thế đồng hình ở một số khoáng sét:
+ Là hiện tượng một số nguyên tố trong mạng lưới tinh thể của chúng bị các
nguyên tố khác bên ngoài thay thế. Chính vì thế mà tính chất của khoáng sét bị thay

đổi. Tuy nhiên, hình dạng của khoáng sét vẫn được giữ nguyên.
+ Điều kiện để hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra là ion thay thế phải có
bán kính nguyên tử tương đương với ion bị thay thế có trong cấu trúc của khoáng sét.

3


+ Quá trình thay thế giữa các ion có hóa trị khác nhau dẫn đến sự thay đổi về
mặt điện tích. Thường thì sự thay thế đồng hình sẽ làm cho keo sét mang điện tích
âm và có khả năng hấp phụ cation.

Hình 1.1: Mạng cấu trúc tinh thể của phiến khối tứ diện oxit silic
và phiến khối bát diện gipxi [1]
1.1.2. Đặc điểm của các nhóm khoáng sét chính.
Trong tự nhiên, có rất nhiều loại khoáng sét. Tuy nhiên, có vai trò quan
trọng nhất là các khoáng sét nhóm kaolinit, montmorilonit, hydromica (illit),
vermiculite, clorit.

- Nhóm kaolinit: gồm có keo kaolinit, halzulit, metahaluazit, dikkit và nakrit
+ Nhóm khoáng sét kaolinit có cấu trúc tinh thể loại hình 1:1, là sự kết hợp giữa
một lớp tứ diện oxit silic và một lớp bát diện gipxit.
+ Nhóm khoáng kaolinit có chủ yếu trong các mỏ cao lanh và đất sét, có công
thức hoá học là Al2Si2O5(OH)4. Tuy nhiên, haluazit lại có công thức là
Al2Si2O5(OH)4.2H2O bởi có sự tồn tại của nước trong mạng lưới tinh thể. Haluazit
khi bị hydrat hóa sẽ thành metahaluazit Al2Si2O5(OH)4.4H2O.
+ Khoảng cách giữa các lớp tinh thể không đổi bằng 7,2 A˚.
+ Rất ít xảy ra hiện tượng thay thế đồng hình trong mạng lưới tinh thể.
+ Lực liên kết giữa các lớp tinh thể trong kaolinit rất chặt nên không thể co
dãn để mở rộng khe hút nước và không có khả năng trương.
+ Khả năng hấp phụ của kaolinit thường thấp. Khả năng trao đổi cation

4


(Cation Exchange Capacity) CEC = 5-15 meq/100g.

Hình1.2: Cấu trúc tinh thể của kaolinit [13]

- Nhóm montmorilonit: gồm có montmorilonit; baydenlit; nontronit
+ Nhóm khoáng sét montmorilonit có cấu trúc tinh thể 2:1, gồm 2 lớp tứ diện
oxit silic ở hai bên và 1 lớp bát diện gipxit ở giữa.
+ Montmorilonit có công thức hóa học là Al2Si4O10(OH)2.nH2O. Còn baydenlit
là Al3Si3O9(OH)3.nH2O còn nontronit trong lớp bát diện của nó, ion Al3+ được thay
thế hoàn toàn bởi ion Fe3+ và nó có công thức là (Al, Fe)2Si4O10(OH)2.nH2O, tỷ lệ
Si: (Al, Fe) là 2:1.
+ Khoảng cách giữa các lớp tinh thể là từ 9,6 đến 21,4 A˚, phụ thuộc vào lượng
nước hút vào khe hở giữa các lớp tinh thể, khi hút nước vào thì montmorilonit sẽ
trương phình ra.
+ Ở nhóm montmorilonit, hiện tượng thay thế đồng hình diễn ra phổ biến: Al3+
thay thế Si4+ trong cấu trúc tứ diện của oxit silic, Fe2+ hay Mg2+ sẽ thay thế Al3+
trong cấu trúc bát diện gipxit.
+ Lực liên kết giữa các lớp tinh thể của montmorilonit kém chặt nên có thể dãn
nở khi hút thêm nước và cation.
+ Khả năng hấp phụ cation của nhóm này rất cao (CEC = 80-150 meq/100g).

5


Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể montmorilonit [13]
- Nhóm hydromica (illit): bao gồm hydromica trắng và đen và các dạng khác

của mica bị hydrat hóa.
+ Hydromica có cấu trúc tinh thể loại hình 2:1 như montmorilonit.
+ Công thức hóa học của illit là KAl2(Al.Si3O10)(OH)2.
+ Lực liên kết giữa các lớp tinh thể khá bền vững vì vậy khoáng sét có độ
trương thấp và khả năng hấp phụ không cao, khoảng 20-40 meq/100g.

Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể illit [13]

6


- Trong tự nhiên cũng thường gặp vermiculite gần giống hydromica, nhưng
lại có dung tích hấp phụ khá cao, CEC khoảng 60-150 meq/100g bởi điện tích cấu
trúc của vermiculit lại nhỏ hơn rất nhiều. Đặc điểm này giúp cho vermiculit có khả
năng co trương, cho phép một lượng lớn các phân tử nước cũng như các ion ngoại
lai xâm nhập vào khoảng trống giữa các lớp cấu trúc của chúng. Khả năng trương
nở cũng giúp cho vermiculit gia tăng được diện tích bề mặt trong và cung cấp thêm
nhiều vị trí hoạt động mà có khả năng hút giữ các ion kim loại.
- Clorit là nhóm khoáng sét có cấu trúc tinh thể 4 lớp loại hình 2:2 hay 2:1:1:
gồm 2 phiến tứ diện và 2 phiến bát diện (trong đó là 1 cầu bruxit).
- Ngoài ra phải kể đến một số khoáng sét cấu trúc hỗn hợp, trong mạng lưới
tinh thể của chúng xen kẽ các lớp bát diện của các khoáng vật khác nhau, phổ biến
là các loại illit-montmorillonit; kaolinit-clorit, vermiculit-clorit… [1]
1.1.3. Tính chất của khoáng sét tự nhiên
- Thành phần hạt: Nhìn chung kích thước các hạt đất sét nằm trong giới hạn
phân tán keo (<60 μm). Thành phần và kích thước hạt có tác dụng rất lớn đến khả
năng hấp phụ trao đổi ion, tính dẻo, độ co khi sấy cũng như diễn biến tính chất của
khoáng đó theo nhiệt độ nung [13].
- Khả năng trương nở thể tích: Tính chất này của đất sét chủ yếu là do cấu
trúc tinh thể của các đơn khoáng của nó quyết định. Các silicat 2 lớp (caolinit): sự

hấp phụ trao đổi cation trước hết và chủ yếu xảy ra ở các mặt cơ sở chứa SiO2 bên
ngoài của các cạnh tinh thể, đặc biệt là khi có sự thay thế đồng hình của Si4+ bằng
Al3+ hay Fe3+. Các silicat 3 lớp (montmorilonit) có đại lượng hấp phụ trao đổi ion
lớn do sự thay thế đồng hình xảy ra đồng thời cả trong lớp tứ diện và bát diện; khả
năng trương nở thể tích lớn do có kiểu cấu trúc dạng vi vảy chồng khít lên nhau, tạo
điều kiện cho các phân tử nước dễ bám chắc vào khoảng không gian giữa các gói
làm trương nở thể tích cúa nó lên so với thể tích lúc đầu khan nước [13].
- Tính dẻo: Khi nhào trộn với nước, đất sét sẽ tạo hỗn hợp dẻo có khả năng
tạo hình. Tính dẻo là do đất sét có cấu tạo dạng lớp, có khả năng trao đổi ion và hấp
thụ nước. Do có khả năng trao đổi ion nên khi gặp nước, đất sét sẽ bị hydrat hóa và
hình thành những lớp nước bao quanh các hạt đất sét. Các lớp nước càng xa đất sét
thì lực liên kết càng yếu, nhất là lớp nước tự do ngoài cùng. Màng nước này làm các
lớp đất sét trượt tương đối lên nhau dưới tác dụng của ngoại lực làm đất sét có tính dẻo.
7


- Tính co ngót: Độ co là độ giảm kích thước và thể tích của đất sét khi sấy khô
và nung. Độ co rút được tính bằng phần trăm so với kích thước ban đầu. Hiện tượng
co ngót thường đi đôi với các hiện tượng nứt, tách, cong vênh.
- Sự biến đổi cấu trúc khi nung: Đất sét là hệ đa khoáng nên khi gia nhiệt sẽ
xảy ra nhiều quá trình hóa lý phức tạp. Khi nung nóng xảy ra các hiên tượng chính
sau đây:
+ Biến đổi thể tích kèm theo mất nước lý học.
+ Biến đổi thành phần khoáng bao gồm mất nước hoá học, biến đổi cấu trúc
tinh thể khoáng cũ (kể cả biến đổi thù hình).
+ Các cấu tử phản ứng với nhau để tạo ra pha mới.
+ Hiện tượng kết khối.
1.2. Giới thiệu về Bentonite
1.2.1. Thành phần hóa học
Bentonite là đá sét kết mềm được hình thành từ quá trình phong hóa tro núi lửa.

Bentonite chứa chủ yếu các smectit và chúng chi phối các tính chất lí hóa học của
bentonite. Smectit là nhóm khoáng sét 2:1 trương nở có điện tích lớp trong khoảng
0,2 đến 0,6 trên mỗi đơn vị công thức [21]. Bentonite là loại sét tự nhiên có thành
phần chính là khoáng montmorillonite và thêm một số khoáng khác như saponite,
nontronite, beidellite. Ngoài ra người ta còn phát hiện thấy trong bentonite có
một số khoáng sét như kaolinite, clorite, mica và các khoáng phi sét như: calcite,
pyrite, magnetite, biolit… các muối kiềm và các chất hữu cơ. Nhóm montmorilonit
có công thức chung [(Al.M)2Si4O10](OH)2.nH2O, với M là nguyên tố kim loại Ca,
Mg, Fe, Na, K, … Phân tích thành phần hóa học của bentonite, ngoài nguyên tố chính
như silic, nhôm, người ta còn phát hiện thấy sự có mặt của các nguyên tố như Fe, Ca,
Mg, Na, K và hơn 30 nguyên tố hóa học khác ở dạng vi lượng như Ni, Ti, Mo, Zn,
Co, …, các độc tố như As, Hg, Pb ít phát hiện thấy. Do có đặc điểm cấu tạo và điều
kiện địa chất tạo thành các mỏ khác nhau nên các mỏ quặng bentonite thường có hàm
lượng montmorillonit khác nhau, theo các số liệu đã công bố cho thấy hàm lượng
montmorillonit trong bentonite có thể dao động trong một khoảng rộng, ví dụ ở điểm
mỏ bentonite kiềm Tuy Phong - Bình Thuận - Việt Nam hàm lượng montmorillonit
trong bentonite chỉ khoảng 15-20%, trong khi đó mỏ bentonite kiềm Wyoming ở Mĩ
có hàm lượng montmorillonit lên tới hơn 80% [13].

8


1.2.2. Tính chất của bentonite
- Tính dẻo: Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh
trong nước nên bentonite có tính nhớt và dẻo [13].
- Tính kết dính: Khi kết hợp với nước, bentonite có tính kết dính mạnh, ứng
dụng nhiều trong đời sống hàng ngày [13].
- Tính hấp phụ: Vì bentonite có cấu trúc xốp, có diện tích bề mặt lớn, độ phân
tán cao, nên dễ dàng hấp phụ các chất phân cực, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào
vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Vander Walls hoặc liên

kết hiđro [13].
- Tính trương nở: Khi kết hợp với nước, các phân tử phân cực hoặc các cation
bị hấp phụ vào khe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, làm tăng
thể tích của bentonite ban đầu. Độ trương nở là mức độ tang thể tích khi bị làm ướt
nước. Độ trương nở của bentonite phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề
mặt lớp sét. Mức độ trương nở còn phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, sự thay thế
đồng hình của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân
cực trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ
thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi [13].
- Tính co: Khi đem bentonite đi nung với nhiệt, nước trong bentonite sẽ bị
bay hơi, dẫn đến sự giảm thể tích.
- Tính trao đổi cation: Đặc trưng cơ bản của bentonite là khả năng trao đổi ion
do trên bề mặt của các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả
năng hấp phụ và trao đổi cation. Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế
đồng hình của các cation. Ví dụ như khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+
hoặc Fe3+ hoặc Al3+ trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+ thì
sự thay thế các ion điện tích cao này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự
thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên
bề mặt phiến sét. Đối với bentonite, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp
bát diện, ở giữa hai lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt
lớp sét là liên kết yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả
năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng
ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn
thì dung lượng trao đổi càng lớn [13].

9


- Tính trơ: Bentonite trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được.
Người ta dùng bentonite làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ

phẩm, làm chất lọc sạch và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong.
- Tính keo tụ lưu biến: Vì bentonite có tính nhớt, kết hợp với kích thước hạt
bé, lại phức tạp nên khi hấp thụ một lượng nước nhất định, bentonite có tính lưu biến.
1.2.3. Nguồn tài nguyên bentonite ở Việt Nam
Cũng như một số nước trên thế giới, tiềm năng khoáng sét bentonite ở
Việt Nam rất lớn, phân bố khắp các vùng miền từ Bắc vào Nam với đủ hai chủng
loại bentonite kiềm và kiềm thổ. Các địa phương có khoáng bentonite với trữ
lượng rất lớn, điển hình là Di Linh - Lâm Đồng, Cổ Định - Thanh Hoá, Tuy Phong
- Bình Thuận, Gia Huy - Bà Rịa Vũng Tàu, Kiên Bình - An Giang, Long Đất Đồng Nai... Trữ lượng và thành phần của khoáng sét bentonite Việt Nam đáp ứng
được cho sự triển khai các ứng dụng vào công nghiệp, nông nghiệp và góp phần
bảo vệ môi trường sinh thái. Trữ lượng bentonite ở Việt Nam đã có với các cấp,
cấp 1: 5.000.000 tấn, cấp 2: 42.000.000 tấn, tài nguyên dự báo: 350.760.000m3.
Một số mỏ Bentonite lớn tại Việt Nam như [13]:
- Mỏ Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng: trữ lượng là: 542.000 tấn, trong đó cấp 1
là: 389.000 tấn, cấp 2 là: 153.000 tấn, chất lượng bentonite khá tốt; điều kiện địa
chất thuỷ văn, địa chất công trình thuận lợi, đơn giản. Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét
bentonite dạng thấu kính, chiều dài thay đổi từ 400-840 m, chiều dày 1-7 m, diện
tích phân bố 2,36 km2. Hàm lượng khoáng vật montmorillonit trong sét bentonite
dao động từ 40-60 %. Hệ số độ keo (K) từ 0,29 - 0,42; dung tích trao đổi cation
(CEC) từ 25,01- 48,5 meq/100g, cá biệt đến 170 meq/100g. Các cation có khả năng
trao đổi chính là kiềm thổ (Ca2+, Mg2+).
- Mỏ Tuy Phong - Bình Thuận: đã được phát hiện tại Nha Mé, Vĩnh Hảo (huyện
Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận). Đây là loại bentonite kiềm natri. Thung lũng Nha Mé
với diện tích gần 10 km2 trong đó diện tích có bề dày thân quặng lớn hơn 1m chỉ
khoảng 2 – 4 km2. Chiều dày lớp bentonite tối đa 11m, trung bình là 3 - 4m. Trữ lượng
dự tính là 42.000.000 tấn. Nếu lấy tỉ lệ sét thu hồi từ quặng nguyên khai là 40% thì thu
được 17.000.000 tấn quặng giàu (tinh quặng). Thung lũng Vĩnh Hảo có chiều dày lớp
bentonite ở đây ước tính là 6m và trung bình là 2,6 m. Dự tính trên diện tích có triển
10

vọng của thung lũng Vĩnh Hảo có khoảng 33.000.000 tấn nguyên khai. Với hàm lượng
thu hồi 30% thì thu được 10.000.000 tấn quặng giàu. Hàm lượng montmorillonit từ 1020%. Hệ số độ keo từ 0,2 - 0,22. Dung tích trao đổi cation 15,62 - 19,67 meq/100g.
Khả năng trao đổi ion có thể là các cation kiềm (Na+, K+).
- Mỏ Cổ Định (Thanh Hoá): nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa. Sét
bentonite là sản phẩm thải trong quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit. Hàm
lượng montmorillonit nguyên khai 43,9%. Dung tích trao đổi cation 52,9 meq/100g,
trong đó chủ yếu là cation Ca2+ 20,3 meq/100g sét và Mg2+ 31,1 meq/100g sét. Theo
tạp chí địa chất loạt A, trong phạm vi Cheo Reo, Phú Túc và cao nguyên Vân Hòa
đã phát hiện 26 tụ khoáng, điểm quặng bentonite. Các mỏ bentonite khác nói chung
có trữ lượng ít, hàm lượng thấp và chưa được điều tra, đánh giá đầy đủ.
Từ các số liệu điều tra, nghiên cứu cho thấy nước ta có 2 loại bentonite
chính, đó là bentonite kiềm thổ (chứa các ion Ca2+, Mg2+ và bentonite kiềm, nhưng
hàm lượng montmorillonit không cao [13].
1.3. Các phương pháp biến tính vật liệu khoáng sét
1.3.1. Phương pháp nhiệt hóa
Phương pháp này nhằm nâng cao hoạt tính bề mặt các vật liệu hấp phụ được
nghiên cứu tương đồi rộng rãi, tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt và độ chọn
lọc cao. Tuy nhiên, biến tính bằng nhiệt cũng cần lưu ý đến khoảng giá trị nhiệt độ
để biến tính. Ở nhiệt độ cao sẽ làm mất nước trong cấu trúc, dẫn đến sự “đổ sập”
của cấu trúc lớp, dẫn đến sự giảm khả năng hấp phụ của khoáng sét tự nhiên,
thường thì nhiệt độ trên 500˚C sẽ dẫn tới hiện tượng này [13].
1.3.2. Biến tính bằng axit/kiềm
Hoạt hóa axit được biết đến là phương pháp xử lý các khoáng sét với các axit
vô cơ ở nồng độ cao và thường ở nhiệt độ cao. Các cation trao đổi được thay thế
bằng ion H+ và Al3+ và các cation khác thoát ra khỏi cấu trúc bát diện và tứ diện,
chỉ để lại các nhóm SiO4. Quá trình này nhìn chung làm tăng diện tích bề mặt và độ
axit của khoáng sét, đồng thời loại bỏ một số “chất bẩn” trong khoáng sét và hòa tan
một phần các lớp silicat bên ngoài. Sự thay đổi diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ hổng
của khoáng sét do quá trình hoạt hóa axit phụ thuộc vào từng loại khoáng sét cụ thể,

11


sự có mặt của các khoáng sét hay “phi khoáng” khác. Thành phần hóa học, các ion
có mặt trong các lớp khoáng sét, loại axit, nhiệt độ của quá trình hoạt hóa, thời gian
hoạt hóa là những yếu tố quan trọng tác động đến hiệu quả của quá trình hoạt hóa
axit. Sự hụt giảm lớp bát diện của montmorillonit được cho là nguyên nhân dẫn đến
các mức độ khác nhau về sự phân hủy cấu trúc và nó phụ thuộc riêng rẽ vào khả
năng kháng axit của khoáng. Trong phương pháp này các nhóm OH- trên bề mặt sẽ
bị triệt tiêu làm cho bề mặt mất đi hoạt tính vốn có. Ngược lại, để tăng hoạt tính cho
bề mặt diatomit phương pháp xử lý với kiềm lại đem lại sự cải thiện đáng kể về khả
năng hấp phụ các kim loại. Mặt khác, xử lý axit cũng có thể là con đường làm trơ
hóa – giảm khả năng hấp phụ của vật liệu. Khi xử lý diatomit với axit người ta thấy
khả năng hấp phụ trao đổi của diatomit giảm đáng kể [13].
1.3.3. Hoạt hóa bentonite bằng các chất hoạt động bề mặt
Khác với phương pháp biến tính nhiệt hay biến tính khoáng sét sử dụng axit
hoặc kiềm, phương pháp sử dụng các chất hoạt động bề mặt có khả năng tạo ra các bề
mặt mở rộng và làm cho tổng diện tích hữu dụng của bề mặt khoáng sét tăng lên đáng
kể. Thuật ngữ organoclay là để chỉ sản phẩm sinh ra khi hoạt hóa khoáng sét với một
chất hữu cơ đóng vai trò là chất hoạt động bề mặt.
Các chất hoạt động bề mặt thường được sử

dụng là HDPyCl, HDTMA

hay PTMA. Các chất hoạt động bề mặt này có thể hấp phụ và liên kết với bề mặt
ngoài của khoáng sét, đồng thời chúng cũng có khả năng xâm nhập vào khoảng
không giữa các lớp cấu trúc của khoáng sét.
Các thí nghiệm của An và Dultz [18] khi nghiên cứu sử dụng organobentonite
để xử lý cromat và asenat đã chứng minh rằng: một lượng lớn các anion vô cơ này
có thể bị hấp phụ vào bề mặt trong của khoáng sét (interlayer) cùng với các chất

hoạt động bề mặt. Dung tích trao đổi cation của khoáng sét được cải thiện rõ rệt khi
chúng được hoạt hóa với các chất hoạt động bề mặt. Kết quả thí nghiệm của
Guzman và cộng sự [33] cho thấy organo-montmorillonit có hiệu quả rất lớn để hấp
phụ Pb và Hg.
Thông thường, các khoáng sét 2:1 có khả năng trương nở hay được sử dụng để
chế tạo các organoclay do chúng thường có dung tích trao đổi cation lớn và có hiệu
quả xử lý tốt hơn so với các khoáng sét 1:1. Tuy nhiên, trong nghiên cứu của
Nguyễn Ngọc Minh và cộng sự [7] lại cho thấy hiệu quả hấp phụ của khoáng sét 1:1
12