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

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

ii


LƯU VIỆT HÙNG

ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
St

Chữ viết tắt

1.

AFM

2.

BO

3.

BTNMT

Chữ viết đầy đủ
Hiển vi lực nguyên tử.
Bentonite tự nhiên bình thuận.
Bộ tài nguyên môi trường.

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

16.

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua.

17.

TMA

Trimethylammonium.

18.

UB

Nanobentonite.

19.

XRD

Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen.

Khối phổ plasma cảm ứng.

Chụp ảnh hiển vi điện tử quét.
Tiêu chuẩn Việt Nam.

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
...........................................................................3

sét

tự

nhiên

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
...........................................................................................8

Bentonite

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
....................................................11

biến

tính

vật

liệu

khoáng

sét

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
.................................................................17
1.5. Một số phương pháp
.........................................17

chính

để

sét
tổng

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

và
hợp

vật

bentonite
liệu

nano


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
v


Bảng 3.21: Kết quả thực nghiệm .................................................................................67

vi


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


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, C 0 =
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, hydromic a (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
7