Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ của khoáng sét (Cao Lanh) ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng : Đề tài NCKH. QT.08.61

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI*
HỌC
KHOA HỌC
T ự• NHIÊN
•
•
•
idc'krkieie'k^crk

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÁP PHỤ Cu2+
CỦA KHOÁNG SÉT (CAO LANH) ỨNG DỤNG TRONG
XỬ LÝ NƯỚC Ồ NHIỄM KIM LOẠI NẶNG

MÃ SÓ: QT-08-61

CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI:

TS. Nguyễn Mạnh Khải

CÁC CÁN B ộ THAM GIA: ThS. Ngô Đức iMinh
CN. Nguyễn Xuân Huân
s v . Nguyễn Thị Luyến

____ Ĩ T

1

'ì - i y .

HÀ NỘI - 2008

ị


1. Báo cáo tóm tắt
a. Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ của khoáng sét (cao lanh)
ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng
M ã số: QT-08-61
b. Chủ trì đề tài: TS. Nguyễn Mạnh Khải
c. Các cán bộ tham gia:
1. ThS. Ngô Đức Minh, Viện Nông hóa Thổ nhưỡng
2. CN. Nguyễn Xuân Huân, Trường Đại học K hoa học Tự nhiên
3. s v . Nguyễn Thị Luyến, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu đặc tính hấp phụ của vật liệu hấp phụ
(khoáng sét) để ứng dụng trong công nghệ môi trường đặc biệt với xử lý kim
loại nặng trong nước với mức độ ô nhiễm thấp.
Nội dung nghiên cứu:
•

Nghiên cứu một số tính chất của khoáng sét tự nhiên.

•

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới sự hấp phụ kim loại nặng
của khoáng sét. Trong nghiên cứu này kim loại đồng (Cu) được
sử dụng như một nghiên cứu điển hình.

•

Áp dụng vào thực tể xử lý nước thải nhiễm đồng.

e. Các kết quả đạt được.
N ghiên cứu này khảo sát sự khử Cu(II) trong môi trường nước bởi
khoáng sét Trúc Thôn, Hải Dương (thành phần chủ yếu là kaolinite). Các thí
nghiệm được tiến hành để tìm hiểu sự ảnh hưởng của các yếu tố pH, thời
gian tương tác, nồng độ chất hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ. K ết quả cho
thấy sự hấp phụ Cu(II) bởi khoáng sét nghiên cứu diễn ra rất nhanh trong
thời gian đầu và tối đa trong khoảng 120 phút, động học quá trình hấp phụ
tuân thủ phương trình Lagergren với hằng số hấp phụ k từ 0,035 đến 0,097.
Đường cong hấp phụ Freundlich được chuyển dạng tuyến tính với hệ số
tương quan R -0,97-0,99 và các hằng số hấp phụ Freundlich Kp. từ 1,0541,162 m g'^g^L ", hệ số n từ 0,258-0,446. pH hấp phụ tối ưu từ 5,5 đến 6 . Kết

3


quả nghiên cứu cho thấy khoáng sét tự nhiên là chất hấp phụ tốt đối với
Cu(II) (>2,2 mg/g) trong môi trường nước, ứ n g dụng khoáng sét đê xử lý
nước ô nhiễm Cu2+ ở hàm lượng thấp đạt được hiệu suất xử lýtương đôi
cao.
f. Tình hình kinh phí của đề tài (hoặc dự án).
Tổng kinh phí được giao:

20.000.000 đồng

Kinh phí sử dụng:

20.000.000 đồng

Chi cho các khoản:

- Quản lý phí:

800.000 đồng

- Điện nước:

800.000 đồng

- Thông tin liên lạc:

200.000 đồng

- Công tác phí:

400.000 đồng

- Thuê khoán chuyên môn, chi khác:

17.800.000 đồng

KHOA QUÁN LÝ
___ __ ______ * - __________

CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI

TS. NGUYÊN MẠNH KHẢI

PGS.TS. NGUYÊN THỊ HÀ

C ơ QUAN CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI

PHÓ HJỀll IRƯÓNO

G3.I

■hn-.iịy/i
7 7

J

/
ị


2. Project sum m ary in English
a. Title: Adsorption o f Cu2+ on clay mineral (kaolinite) application for
w astew ater treatment,
Code: QT-08-61.
b. Project manager:

Dr. Nguyễn M ạnh Khải

c. Key contributors:
1. Msc. Ngô Đức Minh, Institution for Soil and fertilizer
2. Bsc. Nguyễn Xuân Huân, Hanoi University o f Science
3. Student. Nguyễn Thị Luyến, Hanoi University o f Science
d. Aims and objectives
Aims:
The aims o f this project was to investigate the adsorption characteristics o f
clay mineral (kaolinite) applying in the environmental technology with

speciation o f removal o f trace metal in polluted water.
Objectives:
• Investigate chemical and phisical characteristics o f studied clay
minerals
•

Investigate some factors effecte on adsorption capacity o f
studied clay minerals. The describle adsorption o f Cu2+ on clay
mineral was as a case study.

•

Application to remove Cu in a polluted water.

e. M ain results
D evelopm ent o f a variety o f improved and economical material has
received considerable attendtion for removal o f heavy metals from w ater
through adsorption. This study investigated the removal o f Cu (II) with
T ructhon’s clay minerals (mainly kaolinite) in aqueous environment. Batch
adsorption experim ents were carried out by considering various solution pH,
interaction tim e, adsorbent concentration. The adsorption was strongly
dependent on pH o f the environment. The adsorption was very fast initially

5


and maximum adsorption was observed within 120 min o f agitation for
Cu(II) and following Lagergren equation with adsorption rate constant (k)
yielded 0.035-0.097. The empirical Freundlich isotherm yielded linear plots
with R -0,97-0,99 and the values o f the coefficients, n was 0.258-0.446 and

Kp was 1.054-1.162 m g 1'ng ' 1Ln. The pH range o f 5.5-6.0 was found being
optimal for adsorbing o f Cu(II). The results showed that natural clay
minerals are good adsorbents for Cu(II) (>2.2 mg/g) in aqueous
environment.


MỤC LỤC
MỤC LỤ C........ ................................ .......... .............................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ H ÌN H .................................................................. 8
Danh mục các b ản g .............................................................................................. 8
Danh mục các hình............................................................................................... 8
MỞ ĐÀU.......... ........................................................................................................ 9
CHƯƠNG 1. MỘT SỐ VÁN ĐỀ CHƯNG.........................................................11
1.1. Sơ lược về quá trình hình thành khoáng s é t............................................ 11
1.2 . Cấu trúc và phân loại khoáng sé t.............................................................. 12
1.2.1. Giới thiệu cấu trúc khoáng sé t...........................................................12
1.2.2. Phân loại khoáng sét........................................................................... 14
1.3. Một số tính chất của khoáng sét................................................................ 16
1.3.1. Tính trương n ờ .....................................................................................16
1.3.2. Tính chất trao đổi cation.....................................................................17
1.3.3. Tính chất hấp phụ.............................................................................. 18
1.4. Cấu trúc chất hấp p h ụ .................................................................................20
1.4.1. Cấu trúc hóa học..................................................................................20
1.4.2. Cấu trúc xốp..................... ................ ...... ........................................... 20
1.5. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất hấp phụ của vật liệu sét...24
1.5.1. Bản chất của chất hấp p h ụ ................................................................. 24
1.5.2. Chất bị hấp p h ụ ................................................................................... 24
1.5.3. Nồng độ chất bị hấp phụ.....................................................................25
1.6 . Nhừng nghiên cứu và ứng dụng đất sét trên thế giới và trong nước ..25
CHƯƠNG 2 . PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u ....... .7..................7.............. 27

2.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................. 27
2.2. Phương pháp nghiên cứ u ........................................................................... 27
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u .........................................................30
3.1. Kẽt quả xác định một số đặc điểm của mẫu nghiên cứu........................30
3.2. Kết quả nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả
năng hấp phụ Cu2+ của sé t................................................................................. 30
3.2.1.Ảnh hưởng của thời g ian ................................ .................................30
3.2.2.
Ảnh hường cùa p H ........................................................................33
3.2.3 Ảnh hường của nồng độ Cu2+.............................................................34
3.2.4. Ảnh hường của TOC (Tổng các bo 1 hữu cơ)..................................36
3.3. Áp dụng vào thực tá xử lý nưức tírải nhiễm đ ồ n g ................................ 36
TAI LIỆU THAM K H Ả O ....................................................................................39
KẾT L U Ậ N ...............................................................................................................41


DANH MỤC CẤC BẢNG VÀ HÌNH
Danh mục các bảng
Bảng 1. Thành phần cấp hạt (%), hàm lượng các bon hữu cơ (OC),
dung tích trao đổi cation (CEC) của các mẫu nghiên cứu................................30
Bảng 2. .Biến đổi lượng Cu2+ hấp phụ theo thời gian bởi khoáng sé t............31
Bảng 3. Các tham số mô tả động học hấp phụ Cu2+ của khoáng s é t..............32
Bảng 4. Hằng số hấp phụ Freundlich của Cu2+ (Kp và n) với
các loại sét nghiên cứu...........................................................................................35

Danh mục các hình
Hình 1. Cấu trúc đơn vị cấu tạo nên khoáng s é t................................................ 12
Hình 2. Cấu trúc tứ diện......................................................................................... 13
Hình 3. Sự sắp xếp lỗ sáu cạnh cùa oxy đáy trong mạng tử diện.................... 13
Hình 4. Đơn vị cấu trúc không gian của lóp Aluminat và silicat.................... 13

Hình 5. Cấu trúc tấm tứ diện và bát diện m ontm orionit...................................15
Hình 6 . Cấu trúc không gian C hlorit....................................................................16
Hình 7. Động học quá trình hấp phụ Cu2+ bởi khoáng sét theo thời gian.....31
Hình 8 . Sự liên hệ giữa hàm lượng Cu2+ bị hấp phụ (ln(qe-qt)) và
thơi gian hấp p h ụ ...................................................................................................32
Hình 9. Anh hưởng của pH đến lượng Cu2+ bị hấp phụ bởi khoáng sét........ 33
Hình 10. Sự liên hệ nồng độ Cu2+ trong dung dịch cân bằng (mg/L) và
hàm lượng Cu2+ hấp phụ bời khoáng sét (m g/g)...............................................35
Hình 11. Ảnh hưởng của TOC đến khả năng hấp p h ụ ......................................36
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý xử lý Cu2^ trong n ư ớ c........................ ..................... 37

4


MỞĐẲU
Hiện nay, ô nhiễm kim loại nặng đang ngày càng được quan tâm. Đặc
biệt tình trạng ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam, hầu hết nước thải từ các
xí nghiệp: khai khoáng, luyện kim đen, luyện kim màu, mạ không được xử
lý hoặc xử lý chưa triệt để được xả thải trực tiếp làm cho nguồn tiếp nhận
như ao, hồ, nguồn nước ngầm bị ô nhiễm kim loại nặng.
Sự tích lũy kim loại nặng trong đất, cây trồng, ảnh hưởng đến sức
khỏe cộng đồng đang là mối quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới.
Chính vì vậy, cứ 2 năm 1 lần, Hội thảo Quốc tế về kim loại nặng ICO BTE,
viết tắt của ''''International Conference on the Biogeochemistry o f Trace
Elements ” được tổ chức. 9lh ICO BTE diễn ra Bắc Kinh, Trung Quốc vào
tháng 7/2007. Hội thảo đó thu hút hơn 500 nhà khoa học từ khoảng hơn 50
nước trên thẻ giới tới dự và thảo luận các vấn đề liên quan đến kim loại
nặng, sự tích lũy kim loại nặng trong đất và trong cây, ảnh hưưng cùa kim
loại nặng đến sinh vật và sức khỏe cộng đồng cũng như các công nghệ phân
tích, đánh giá, xử lý ô nhiễm kim loại nặng...

Ô nhiễm kim loại nặng đã gây nên những hậu auả nghiêm trọng tới
sức khỏe con người. Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng có thể tích tụ vào
cơ quan nội tạng như gan, thận, thẩn kinh, xương khớp gây nhiều căn bệnh
nguy hiểm như ung thư, thiếu máu, ngộ độc kim loại nặng... Có thể nói kim
loại nặng hủy hoại đời sống của động thực vật nói chung. Chính vì vậy việc
tìm ra giải pháp để xử lý kim loại nặng đang là mối quan tâm của toàn cầu.
Xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng bằng phương pháp hấp phụ trờ thành một
phương pháp có hiệu quả đang được nghiên cứu và ứng dụng ớ nhiều nước
trên thế giới.
Sét là một loại khoáng hầu như có mặt ở khắp nơi, nó co đặc tính hấp
phụ tự nhiên. Đã từ lâu trên thế giới, đặc biệt ở các nước tiên tiến người ta
đã nghiên cứu kỹ thành phần, cấu tạo, tính chất và những khả năng hấp phụ,
tẩy trắng cũng như hoạt tính xúc tác của nỏ. Kết quả cùa những công trình
này đã được ap dụng chc nhiều ngành công nghiệp quan trọng. Đặc í iệt ì
trong lĩnh vực hấp phụ.


Ở Việt Nam với đặc điểm là một nước nhiệt đới nên có nhiều loại
khoáng sét được hình thành và dễ tìm thấy. Một số vùng của Việt Nam có
nhiều khoáng sét và đang khai thác sử dụng như: Trúc Thôn (Hải Dương),
Nông Cống (Thanh Hóa), Đồng Hỷ (Thái Nguyên). Các khoáng sét được
khai thác hiện nay được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, trong đó phải kể
đến các loại hình như công nghiệp gốm, vật liệu xây dựng, công nghiệp
giấy...
Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm hiện nay đó
là nghiên cứu ứng dụng của khoáng trong xử lý ô nhiễm môi trường. Do đó
đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2* của khoáng sét (caolanh) ứng
dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng” được thực hiện với nội
dung chủ yếu dưới đây nhàm đánh giá hiệu quả hấp phụ kim loại nặng của
khoáng sét tự nhiên:

•

Nghiên cứu một số tính chất của khoáng sét tự nhiên.

•

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới sự hấp phụ kim loại nặng
của khoáng sét. Trong nghiên cứu này kim loại đồng (Cu) được
sử dụng như một nghiên cứu điển hình.

•

Áp dụng vào thực tế xử lý nước thái nhiễm đồng.

Báo cáo đề tài được chia làm 3 chương:
- Chương 1: Một số vấn đề chung (Tổng quan tài liệu)
- Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
- Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Sản phẩm khoa học của đề tài gồm 01 báo cáo khoa học, 0 1 bài báo
khoa học đăng trên tạp chí Khoa học tự nhiên và Công nghệ, và01sinh viên
bảo vệ thành công khóa luận tốt nghiệp cử nhân công nghệ.


CHƯƠNG 1. MỘT SỔ VẲN đ ẻ c h u n g
■

1.1. Sơ lược về quá trình hình thành khoáng sét
Trong thổ nhưỡng học người ta gọi sét là những hạt khoáng cỏ đường
kính nhỏ hơn 2 |im, không phân biệt thành phần hóa học [ 11; 15].
Khoáng sét nói chung sét và khoáng cao lanh là các loại quặng tàn dư

của các loại đá chứa pecmatit, granit, gabro và riolit, hay do đá phun trào
như axit như katophia, phenrit. Ngoài ra còn được hình thành do quá trình
thay đổi chất trao đổi đá gốc cộng sinh nhiệt dịch quacphorit [8 ].
Sự hình thành khoáng sét trong đất khá phức tạp và đã được nhiều nhà
khoa học quan tâm. Hamdi (1959), Rorbert và cộng sự (1974), Roesler và
Starke (1967) đều cho rằng khoáng sét được hình thành chù yếu bàng con
đường phong hóa các khoáng vật silicat và alumosilicat của các đá macma
[3].
Phong hóa được chia làm 3 loại vật lý, hóa học, sinh học [8 ; 11 ]:
• Phong hóa vật lý: Là quá trình phá hủy đá gốc do các yểu tố vật lý
như: cơ học, nhiệt độ, gió, m ưa... mà không làm thay đổi tính chất, thành
phần hóa học của nó. Qua thời gian dài, và biến đổi liên tục mà tạo ra các
mỏ sét nguyên sinh hay thứ sinh.
•
Phong hóa hóa học: Là quá trình phân hủy đất đá về cấu trúc,
thành phần hóa học do các yếu tố, quá trình hỏa học: quá trình hòa tan, quá
trình thủy phân, quá trình oxi hóa, ...
Ví dụ: Ở điều kiện pH = 8 - 9 trong quá trình thủy phân các chất đã
hình thành nên monthmorionit là chủ yếu.
• Phong hóa sinh học: Là quá trình phân hủy đá gốc và dẫn xuất của
nó do những vi khuẩn, thực vật, động vật tham gia. Đặc biệt là axit của rễ
cây làm phá hủy bề mặt ngoài cùa đất.
Kiểu phong hóa tàn dư và biến đôi chất '.rao đổi nhiệt dịch tạo nên các
mó sét tai chỗ fmỏ sét nguyên sinh). Nếu tiếp rạc phong hóa do các yếu


như mưa, nước, gió bão, làm lôi cuốn đi, lẳng đọng lại qua thời gian tạo nên
các mỏ sét thứ sinh. Một đặc điểm của sét thử sinh này là khả năng chịu lửa,
khó cháy [3].
1.2. Cấu trúc và phân loại khoáng sét

1.2.1. Giói thiệu cấu trúc khoáng sét
Sét là một hợp chất của silicat, mà thành phần chủ yếu cùa nó là SiC>2
sau đó là một số oxit kim loại AI 2 O 3 , Fe20 3, CaO, K 20 , Na 20 , T i0 2 và nước
liên kết.
Các loại khoáng sét đều được cấu tạo từ những tấm tứ diện S i0 44'
(hình 1a) và tấm bát diện MeƠ 6 với Me là các nguyên tố Al, Mg, Fe (hình
lb):

(b)

(a)

•

o

O xygen

#

o

Hydroxyl
AI, Mg, Fe

Sillic

Hình 1. Cấu trúc đơn vị cấu tạo nên khoáng sét
a) Đơn vị cấu trúc tử diện, (b) Đơn vị cấu trúc bát diện
Các cấu trúc đơn vị tứ diện liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tu

r>xi theo không gian hai chiều của hai nguyên tứ oxi góp chung nằm trên mặt
phẳng và còn được gọi là oxi đáy. Các oxi đáy liên kết và sắp xếp với nh ÌU
tạo nên một “lỗ” sáu cạnh, ở mỗi đỉnh của sáu cạnh nà> là một nguyên tư
oxi và được gọi là oxi ở đỉnh.


, A

^

A

„

A

Q<—

oxy day

ion silic

oxy dinh

Hình 2. Cấu trúc tứ diện

Ọ

Q

CrOL.oT
o ox
Ỗ

o
•

io n s ilic

o

o x y dá y

Hình 3. Sự sắp xếp lỗ sáu cạnh của oxy đáy trong mạng tứ diện
Giống như mạng tứ diện, mạng bát diện được tạo thành tư các bát diện
qua nguyên tử oxi theo không gian 2 chiều.

» - S i i ic

•

= A .

Hình 4. Đem vị cấu trúc không gian của lớp Aluminat và silicat
(a) Đơn vị cấu trúc tứ diện; (b) Đom vị cấu trúc bát diện


1.2.2. Phân loại khoáng sét
Mạng tứ diện và mạng bát diện liên kết nhau qua oxi ở đinh theo
những quy luật, trật tự nhất định tạo ra những cấu trúc tinh thể khác nhau

1:1; 2:1; 2:1+1. [15; 17].
* Nhóm khoáng Kaolinit ( Nhóm khoáng cấu trúc 1:1) [8]
Kaolinit có công thức phân tử Al2O 3.2 SiO 2.2 H 2O tương ứng với tỷ lệ
Si : AI = 1. Số phân tử nước có trong nó là 2, khoảng cách giữa các lớp tê
bào trong nó hẹp (khoảng 7,14Â), là hẳng số. Do cấu tạo và thành phần đó
làm cho Kaolinit không có khả năng trương nở, đồng thời khả năng hấp phụ
cũng kém.
Kaolinit được cấu tạo thành từng lớp, mỗi lớp gồm một tấm tứ diện
S 1 O 4 4' và một tấm bát diện [A l(O H )6]3', tấm tứ diện này quay các đỉnh về

phía lá bát diện. Ở vị trí đinh chung của tứ diện và bát diện, ion OH' của bát
diện được thay bằng ion o 2' của tứ diện. Bề dày của mồi lớp có thể từ 9,6Ả
đến 12Â tùy theo lượng nước chứa trong tinh thể.
Các tứ diện và bát diện liên kết lại với nhau tạo nên bộ khung của
khoáng sét là do liên kết cộng hóa trị qua cầu oxy.
Do cấu tạo như trên nên bề mặt cạnh nhau của hai lớp có hai nhóm ion
khác loại, một bề mặt bao gồm những ion tạo o ' (của tứ diện) và một bề
mặt bao gồm những ion OH' (của bát diện). Nhờ liên kết hydro mà giữ chặt
các lớp lại với nhau.
Kaolinit không hút nước vào khoảng không gian giữa mạng lưới tinh
thể vì nó không có kha năng trương nở. Trên bề mặt tinh thể, khi mạng lưới
bị bẻ gãy thì xuất hiện những hóa trị chưa bão hòa, vì vậy tinh thê có khả
năng hấp phụ ion từ dung dịch. Dung tích hấp phụ ion của khoáng kaolinit
rất thấp khoang 3 - 1 5 mgđl/lOOg khoáng.
* Nhóm khoáng M onthmorionit ( Nhóm khoáng cấu trúc 2:1 ) [8]
Công thức hóa học (Na,Ca )0 33(Al,Mg) 2SÌ4 0 10( 0 H) 2.nH 2o


Thông thường sản phẩm được tạo ra từ phong hóa của các loại đá
nghèo silicat. Montmorillonit là thành viên của nhóm smectit và là thành

phần chính trong bentonit.
Montmorionit cũng có cấu tạo lớp. Mỗi lớp của khoáng sét này gồm
có hai tứ diện cùng quay đỉnh về phía bát diện (Hình 5):

Hình 5. Cấu trúc tấm tứ diện và bát diện montmorionit
Tâm silic của tứ diện có thể thay thế bằng một phẩn bời Al3+ còn tâm
nhôm của bát diện có thể bị thay thế một phần bởi Fe3+, Mg 2^, Zn 2+, ... do
vậy toàn bộ khung của montmorionit mang điện âm. Các cation này có khả
năng trao đổi dễ dàng với cation khác nằm trong dung dịch khi cho tiếp xúc
với dung dịch chứa cation này.Dung tích trao đổi cation của khoáng
Montmorionit rất cao vào khoảng 150 mgđl/ lOOg khoáng.
* Nhóm khoáng Chlorite ( nhóm cấu trúc 2:1+1)[5]
Có cấu trúc lớp gồm bên ngoài một lớp cấu trúc tương tự nhóm 2:1
còn thêm một mạng lưới bát diện.
Đại diện cho nhóm này là nhóm Chlorite


Hình 6. Cấu trúc không gian Chlorit

Trong khoáng chlorite các tập ba lớp là 2:1, giống khoáng mica, xen
kẽ nhau được thêm vào lớp bát diện. Lớp bát diện thêm vào có thể là lóp
magiê hydrôxyt M g(OH) 2. Các khoáng clorit chủ yếu trùng với các hợp phần
cơ học lớn: buị và cát. Chúng hầu như không trương nước và dung tích trao
đổi cation không lớn.
Do thành phần và cấu tạo như vậy nên đất sét có nhiều đặc tính hấp
phụ tốt: độ xốp tương đối cao, bề mặt riêng lớn. Đồng thời trên mặt cua
khoáng sét có chứa nhiều trung tâm hoạt động có khả năng hấp phụ các chất
khác nhau: chất màu, ion vô cơ, ...
1.3. Một số tính chất của khoáng sét
Tính chất nổi bật của khoáng sét là tính trương nớ, tính chất trao đổi

cation, tính chất hấp phụ.
1.3.1. Tính trương nở
Tính trương nở là một tính chất rất quan trọng của đất sét. Đầu tiên,
đất sét hấp phụ nước lên trên các tâm hấp phụ giữa các lớp. Tuy nhiên ở đc
luôn tồn tại các cation. Nhờ khả năng hydrat hóa cua các ion nà)' mà nước


được hấp phụ rất đáng kể. Thể tích của đất sét khi bão hòa nước tăng khoảng
15- 20 lần so với thể tích ban đầu.
Tính trương nở của mỗi loại khoáng sét có khác nhau và nó phụ thuộc
vào nhiều yếu tố:
Phụ thuộc vào đặc điểm và nồng độ các cation ở lớp cấu trúc. Mỗi
cation hydrat hóa bởi từ 3 đến 6 phân tử nước, do vậy lượng nước hấp phụ
vào giữa các lớp có khác nhau và khoảng cách tăng lên có khác nhau. Ngoài
ra nếu nồng độ cation thấp thì điện tích của lớp sẽ thấp và sự trương nở sẽ
chậm lại.
Bên cạnh đó độ bền liên kết giữa các lớp khoáng sét cũng ảnh hường
lớn đến tính trương nở.
Trong Montmorillonit, liên kết giữa hai lớp sét là liên kết vandervvaals
yếu gây ra bởi dãy -OSÌO-, chính vì thế nước hay các chất lỏng phân cực
khác dễ dàng thấm vào mạng tinh thể làjn cho khoảng cách giữa hai lớp sét
cũng dễ dàng bị giãn ra. Đây là nguyên nhân gây nên hiện tượng trương nở
mạnh rất đặc trưng của khoáng sét Montmorillonit.
ở kaolinit, có sự hình thành liên kết hidrogen giữa các lớp làm mạng
tinh thể của kaolinit trở nên chắc chắn và tương đối ổn định nên khả năng
trương nở không đáng kể.
Riêng đối với clorit, các lớp của câu trúc nối nhau bằng lực hút tĩnh
điện bền chắc nên nó được xếp vào loại khoáng không trương nở.
1.3.2. Tính chất trao đổi cation
Sự trao đổi ion của sét với ion dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra tại

lớp cấu trúc. Sự trao đổi ion được thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tán
trong dung dịch muối có nồng độ thích hợp [5].
Theo nhiều nghiên cứu đã công bố, có hai nguyên nhàn gây nêr kh-*
năng trao đổi ion cùa đất sét:
•
Sự phá hủy mạng lưới tinh thể làm cho mộ: số liên kết bị phá
hủy dẫn đến sự mất cân băng về điện tích. Sự cân bang được thực hiên bởi


các cation hấp phụ. Việc thế bên trong cấu trúc của khoáng sét ờ hai lớp tứ
diện Si4+ có thể được thế bởi Al3+, ở lớp bát diện Al3+ có thể được thay thế
bằng Mg2+, Fe2+. Sự thay thế làm xuất hiện các điện tích dư trong tế bào cấu
trúc của khoáng sét. Các điện tích dư này chủ yếu được cân bằng bởi cation
hấp phụ.
•
Việc thế trực tiếp H* của nhóm OH' ngoài cùng, một số nhóm
hydroxyl bao quanh lớp vỏ của khoáng sét có thể bị phá hủy. Việccân bằng
lại cũng được thực hiện qua hấp phụ cation.
Các cation hấp phụ nói chung không liên kết thật chặt chẽ với mạng
lưới tinh thể vì thế dễ bị trao đổi bởi cation khác của dung dịch bên ngoài.
Khả năng trao đổi ion của sét còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính
của các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation
có hóa trị lớn theo thứ tự: M+ > M 2+> M3+.
Đối với các cation có cùng hóa trị, bán kính cation càng nhỏ thì khả
năng trao đổi ion càng lớn. Khả năng trao đổi ion được xếp theo thứ tự:
+

+

+

2 + 2 + 2 +

3-*-

Li > Na > K > Mg >Ca > Fe > AI .
So với một số sét như kaolinit có khả năng trao đổi ion yếu, clorit khó
trao đổi ion, thì Montmorillonit có tính chất trao đổi ion rất mạnh, ở đó điện
tích âm của mạng nằm sâu trong lóp cấu trúc nên năng lượng liên kết của
các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp với lớp cấu trúc của mạng thấp, các
cation này có thể chuyển động tự do giữa các mặt phảng tích điện âm và có
thể trao đổi với các cation khác.
Từ các quy luật trên có thể thấy rằng: nghiên cửu quá trình trao đổi
cation của đất có thể phần nào dự đoán cấu trúc khoáng, cũng nhờ sự có mặt
của các cation này trong đất có thể làm thay đổi tính chất của đất.
1.3.3. Tính chất hấp phụ
Tính chất hấp phụ cùa đất sét được quyết định bới đặc tính bề mặt và
cấu trúc xôp của chúng.

i


Do có cấu tạo tinh thể, độ phân tán cao nên đất sét có cấu trúc xốp rất
phức tạp và có bề mặt riêng lớn. cấ u trúc của lỗ xốp có ảnh hưởng rất lớn
tới tính chất hấp phụ của các chất hấp phụ tự nhiên cũng như nhân tạo.
A. V. Kitselop cho rằng:Ảnh hưởng của lỗ xốp tới tính chất vật thể xốp
lớn tới mức mà trong một số trường hợp nó lại chiếm ưu thế hơn bản chất
của bề mặt [2 ].
Để phân biệt các chất hấp phụ xốp theo cấu trúc lỗ xốp cùa sét.
A.V.Kisilop đã dựa trên các đường đẳng nhiệt hấp phụ và đề hấp phụ mà

phân ra làm 4 kiểu cấu trúc cơ bản:
• Chất hấp phụ không xốp: Có đặc điêm là hấp phụ hơi đa lớp phân tử,
đặc trưng của các chất lỏng thấm ướt, được biểu thị bằng đường đăng nhiệt
hình chữ s không có vòng trễ.
• Chất hấp phụ có lỗ trung đồng nhất đường đẳng nhiệt, có vòng trễ
không trùng lặp rộng, liên quan tới sự ngưng tụ mao quản của chất ở trạng
thái hơi trong các lỗ xốp lớn (>302 Ả).
• Chất hấp phụ có lỗ xốp nhỏ đồng nhất mà bán kính nhỏ hơn 20 - ^02
Ả. Đối với các chất khác nhau là khác nhau tùy kích thước phân tử của
chúng mà sự ngưng tụ mao quản có xảy ra hay không.
• Chất hấp phụ có lỗ xốp không đồng nhất, các đường đẳng nhiệt có
vòng trễ và khi áp suất tương đối tăng lên thì đường cong tăng lên khá mạnh.
Do sự dư thừa hóa trị trên các nút cũa mạng lưới tinh thể nên đất sét là
một chất hấp phụ phân cực.
Đất sét là chất hấp phụ phân cực nên nó sẽ ưu tiên hấp phụ các chất
hấp phụ phân cực. Tuy nhiên đất sét vẫn hấp phụ cả những chất hấp phụ
không phân cực. Khi đó, lực tương tác là lực Vanderwall và tươra; Idv nấp
phụ chù yếu là tương tác cảm ứng. Vì vậy, hấp phụ trên bề mặt là s ết hợp
đồng thời cùa hai quá trinh hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Né chất hấp
phụ vật lý chiếm ưu thế thì bề mặt riêng của chất hấp phụ đóng vai lò quan
trọng, còn hấp phụ hóa học chiếm un thế thì bề mặt t - nhiên đó' ệ vai trò
quan trọng.


Z.G. Zulefugarrob và S.M.Rasulop cho ràng: yếu tố gây nên đặc tính
hấp phụ của bề mặt đất sét rất khác với các yếu tố gây nên tính xúc tác và tẩy
trắng của nó. Tính chất hấp phụ của đất sét gắn liền với độ lớn của bề mặt
giữa các trung tâm hoạt động bề mặt của những lỗ xốp cho phép, còn tính
chât tẩy trắng và hoạt tính xúc tác của nó được gây nên bởi chính các trung
tâm hoạt động đó [ 11].

1.4. Cấu trúc chất hấp phụ
Thực tế các chất hấp phụ được sử dụng là các chất rắn xổp vì vậy nói
đến cấu trúc hấp phụ cần đề cập 3 dạng cấu trúc: c ấ u trúc hóa học, cấu trúc
xốp, và cấu trúc bề mặt.
Ỉ.4.Ỉ. Cấu trúc hóa hoc
Khi nói đến cấu trúc hóa học là nói đến thành phần hóa học cùa các
chất hấp phụ. Thành phần hóa học chù yếu là oxit kim loại hay thành phần
là cacbon. Một sổ chất hấp phụ ít sử dụng như chất hấp phụ có nguồn gốc
sinh học có thành phần phức tạp hom xuất phát từ cơ thể sống( diatomit).
Cấu trúc mạng chất rắn có thể giống cấu trúc tinh thể zeolit, graphit,
các dạng thù hình của oxit nhôm hay sắt hoặc cấu trúc lớp của một sổ loại
khoáng sét và dạng cấu trúc vô định hình.
Xác định cấu trúc tinh thể thường dùng các phương pháp quang phổ,
đặc biệt là quang phổ Rơnghen.
1.4.2. Cấu trúc xốp
Đặc trưng của các cấu trúc xốp bao gồm độ xốp hay thể tích rỗng, sự
phân bố kích thước mao quản theo độ lớn, diện tích bề mặt riêng, phân bố lỗ
theo độ lớn mao quản.

1.4.2.1. Độ xốp của chất hấp phụ
Trong một vật liệu xốp, thể tích của nó bao gổm hai phần: phần chất
rẩn và phần không gian rỗng, từ đỏ dẫn đến tỷ trọng thực và biểu kiến.


Theo mô hình mao quản ngẫu nhiên thì thể tích rỗng được tạo thành
từ những không gian nhỏ có hình dạng và kích thước ngẫu nhiên. Để tiện lợi
coi các không gian thành phần là các mao quản mà kích thước được đặc
trưng bởi bán kính của tiết diện tròn.
Theo UP AC (Hội hóa học quốc tế) có thể phân chia các mao quản
theo độ lớn của bán kính.

• Mao quản nhỏ có bán kính dưới 20Â (2nm).
• Mao quản trung bình nằm trong khoảng từ 20-500 Â.
• Mao quản lớn có kích thước >500Â.
Trong mỗi loại mao quản có cơ chế hấp phụ các chất ở dạng khác
nhau, tuân theo một số thuyết hấp phụ khác nhau.
Ta có thể sử dụng phương trình ngưng tụ mao quàn Kelvin để xác
định độ xốp và diện tích bề mặt của vùng mao quản trung bình.
Hấp phụ hơi nước trong vùng mao quản nhỏ cho phép xác định thể
tích mao quản nhỏ theo phương trình Dubinin.
Phương pháp BET thường được sử dụng để xác định diện tích bề mặt
riêng của chất hấp phụ như là một phương pháp chuẩn.

ỉ.4.2.3. Cẩu trúc bề m ặt chất hấp phụ
Do đặc thù cấu trúc xốp tỷ lệ giữa bề mặt và thể tích phần rắn trong
chất rắn rất lớn. Tại bề mặt các liên kết hóa học của chất răn trở nên mất liên
tục. Ở các vị trí mà liên kết hóa học bị đứt gãy có năng lượng lớn hơn so với
các vùng khác, để tồn tại được ờ đó sẽ hình thành các liên kết hóa học mới
có thành phần khác với màng chất rắn.
Một trường hợp chế tạo các chất hấp phụ luôn gần với oxy khí quyển
và hơi nước nên các liên kết hóa học hình thành trên bề mặt thường chứa
oxy. các nhỏm này thường được gọi là nhóm chức bề mặt vả tạo nên cấu trúc
bề mặt cùa chất hấp phụ.


Các nhỏm chức bề mặt thường có tính axit hay bazơ yếu, tùy thuộc
vào vị trí mà nó định vị và nguyên tử bên cạnh mà nó liên kết [19]. Các
nhóm chức bê mặt thường gặp là nhóm carboxyl, hydroxyl, carbonyl, axit
carboxylic..
Các nhóm chức bề mặt cũng là yếu tố quan trọng gây ra tính tích điện
của bê mặt chất rắn và vì vậy ảnh hưởng đến tương tác tĩnh điện của của hệ

trong môi trường nước.
Do các nhóm chức bề mặt có tính axit, bazơ nên trong môi trường
nước chúng sẽ phân ly tạo nên các tâm mạng điện, các ion trái dấu trong
dung dịch xung quanh tâm mang điện được phân bố lại với mật độ cao hơn,
ở gần thấp hom tạo thành lớp điện kép hay lớp khuếch tán Helmholz.
Theo Muller thì bề mặt chất hấp phụ chứa các tâm hấp phụ riêng biệt
có thế năng hấp phụ và mức độ phân ly khác nhau. Khi dung dịch thay đổi
pH và nồng độ ion thì mức độ phân ly của chất tan và điện tích bề mặt chất
hấp phụ cũng thay đổi.
Liên hệ với khoáng sét ta thấy: cấu trủc bề của sét khá phức tạp, mồi
loại khoáng sét có những đặc điểm cấu trúc bề mặt khác nhau nên tính chất
hấp phụ và khả năng trao đổi cation cũng khác nhau :
Khoáng kaolinit: có chứa các nhóm hydroxyl phân bố trên bề mặt, vì
vậy đặc trưng của kaolinit là khoáng mang điện tích âm. Đại lượng điện tích
này khá cố định và phụ thuộc vào pH môi trường; khi tăng pH làm tăng sự
phân ly các nhỏm trên bề mặt và điện tích âm tăng lên. Do liên kết hydroxyl
giữa các lớp lớn vì vậy bề măt riêng của kaolinit không cao (5-30m2/g), dung
tích trao đổi cation thấp ( 10mgđl/100 g khoáng)[ 8 ].
Khoáng montmorilonit: Sự khác nhau căn bản giữa montmorilonit và
kaolinit đó là giữa các lớp của montmorilonit không xuất hiện liên kết hydro,
điên tích âm không cao được bù trừ bẳng các cation phân bố trong khoảng
trống giữa các lớp. Montmorilonit có bề mặt riêng cao (400-80°m: 'g;, dung
tích trao đổi cation lớn khoáng 100mgđl/100 g khoáng [8 ].


1.5. Các yeu to chính ảnh hưởng đến tính chất hấp phu của vât liêu sét
ỉ.5.1. Bản chất của chất hấp phụ
Tính xốp của đất sét ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng hấp phụ của
nó. Đất sét có bề mặt phân cực nên ưu tiên hấp phụ các chất bị hấp phụ phân
cực và ít phân cực.

Khi có độ xốp tăng hay bề mặt riêng tăng thì khả năng hấp phụ tăng
lên. Khi giảm kích thước các lỗ, sự hấp phụ các phân tử của các cấu tử của
dung dịch dễ dàng thấm vào các lỗ.
Nấu như kích thước của lỗ nhỏ hơn kích thước của một cấu tử nào
trong dung dịch thì sự hấp phụ cùa các cấu từ này sẽ giảm xuống ngay cả
trong trường hợp bản chất hóa học cùa chất hấp phụ có lợi cho chất hấp phụ
cấu tử này. Lủc này cấu tạo xốp chiếm ưu thế hon bản chất bề mặt của chất
hấp phụ. Như vậy bên cạnh yếu tố hóa học còn yếu tố hình học có tác dụng
làm căng phân tử của chất hấp phụ.
1.5.2. Chất bị hấp phụ
Sự hấp phụ của các rượu và axit từ dung dịch không phân cực trên
những chất hấp phụ ưa nước, xốp như silicagen, allumosilicat đã được A.B.
Kuceleb và cộng tác viên nghiên cứu chỉ ra rằng:
Lượng chất hấp phụ cực đại giảm xuống với sự tăng của gốc cacbon,
còn thể tích chất hấp phụ là một hàng số (gốc cacbon mà càng lớn thì lượng
hấp phụ càng giảm trong khi thể tích chất bị hấp phụ không đổi).
Barchell và Silex giải thích: Sự giảm của đại lượng hấp phụ giới hạn
trong dãy đồng đẳng của rượu và axit do sự tăng của độ tan trong dãy đềng
đẳng. Đối với các chất dễ tan thì tương tác cua chất tan và dung môi là lớn
so với tương tác của nó với chất hấp phụ cho nên khó bi hấp phụ, còn những
chất khó tan thì tương tác của nó với dung môi là nhỏ hơn so với tương tác
cùa nó với chất hấp phụ cho nên dễ bị hâp phụ.


1.5.3. Nồng độ chất bị hấp phụ
Nông độ của chất bị hấp phụ càng tăng thì lượng chất bị hấp phụ càng
tăng, nhưng đên một nồng độ nào đó thì lượng chất bị hấp phụ coi như là
không đổi lúc đó nồng độ ít ảnh hưởng.
Kuceleb thiết lập công thức định lượng về sự phụ thuộc này [15]:

a m ì .k.B.x 2

a = ----------L— ------------ (1 4ì

1 + ( M 2. . - ! ) • * ,

Trong đó : a: nồng độ bề mặt của chất tan.
X 2: nồng độ chất tan trong dung dịch,
k, P: các hàng số.
ỉ . 6. Những nghiên cứu và ứng dụng đất sét trên thế giới và trong nước
Đất sét là sản phẩm của tự nhiên được hình thành từ nhiều giai đoạn,
nhiều quá trình khác nhau và đã được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất
công nghiệp, thủ công mỹ nghệ. Đất sét là một loại vật liệu có nhiều giá trị
thực tiễn.
Hiện nay đất sét được sử dụng trong các ngành :
•

Là thành phần của xi măng trong ngành xây dựng.

•

Là thành phần chủ yếu của sản xuất gốm-thủ công mỹ nghệ.

•

Là vật liệu kết dính.

Trên thế giới ở một số nước tiên tiến có kỹ thuật cao, đất sét đã được
nghiên cứu, sử dụng từ lâu trong nhiều ngành kỹ thuật quan trọng :
•

Đất sét dùng để tẩy trắng dầu thực vật.

•

Đất sét được dùng tái sinh dầu tuốcbin.

•

Đất sét được dùng như là một chất .nang xúc tác.


•

Ngoài ra còn được sử dụng như một chất độn.

•

Dùng xử lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh

hoạt.

Ở nước Việt Nam đất sét được dùng trong các lĩnh vực :
•

Là chất tẩy màu trong các loại thực vật.

•

Làm chất độn trong sản xuất xà phòng.

•

Làm chất mang xúc tác cho một số phản ứng quan trọng ví dụ :
Làm chất mang xúc tác V2O5 trong sản xuất axit H2SO4.

•

Là vật liệu cải tạo đất.

•

Là chất hấp phụ, chất lắng trong như trong công nghiệp sản
xuất giấy, cao su, vải sơn (limolium), phân bón, thuốc trừ sâu,
khai thác và chế biến dầu mỏ.

Ngoài ra đất sét còn được chủ ý với vai trò nền móng, chứng nhân
xác định sự có mặt của khoáng lỏng trong các ngành kiến trúc, địa chất công
trình, địa chất thăm dò [2 ].


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứ u
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Mầu sét được lấy tại mỏ sét Trúc Thôn, Xã Cộng Hòa, Huyện Chí
Linh, Tỉnh Hải Dương gồm các mẫu theo phân loại của khu mỏ M I-Sét
trắng loại 1, M2-Sét trắng loại 2, M3- Sét đỏ. Vị trí mỏ sét cách thủ đô Hà
Nội khoảng 50 km về phía Đông Bắc, cách thành phố Hải Dương khoảng 15
km về phía Bắc. Mỏ sét có trữ lượng khoảng 8 triệu tấn hiện đang khai thác
sản xuất sét thương mại. Sét có thành phần kaolinite lên đến trên 80%, hàm
lượng AI2O 3 chiếm khoảng 22%, S 1O 2 chiếm khoảng 66 %, tỷ lệ AI2O 3/S 1O 2

là 0,33. Đông thời mẫu M4 là Kaoline thương mại có nguồn gốc Trung Quốc
(cung cấp bởi công ty Hóa chất An Phú, Lê Thánh Tông, Hà Nội) cũng được
sử dụng trong nghiên cứu này để so sánh.
Mầu nước thải nhiễm đồng được lấy tại Làng nghề mạ kim loại Phùng
Xá - Thạch rhất- Hà Nội.
Các mẫu sau thí nghiệm được đem phân tích nồng độ Cu2+ bằng
phương pháp phổ hấp thụ nguyên từ (AAS).
2.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích một số chỉ tiêu lý hóa học cúa sét: Thành phần cơ giới cúa

mầu nghiên cứu được phân tích bằng phương pháp pipet sau khi xử lý mẫu
bàng H 20 2, hàm lượng các bon hữu cơ tổng số được xác định bằng phương
pháp Wakley-Black, dung tích hấp phụ cation được xác định bằng phương
pháp amoni axetat (pH = 7) [3].
- Các thí nghiệm về anh hưởng của thời gian, pH, nồng độ kim .loại
nặng đến khả năng hấp phụ của sét. Mỗi thí nghiệm đều được lặp lại 2 lần,
kết quả lấy giá trị trung bình của các lần lặp:
+ Thời gian hấp phụ: mẫu sét được lắc với dung dịch có nồng độ 50
mg Cu/L với tỷ lệ 1:50 (không chinh pH), sau các khoảng thời gian tí’ 5 phút
đến 180 phút, dung dịch được ly tâm (3000 vòng/phút), lọc và xác đinh nông
độ Cu bằng phương pháp quang phổ hấp phụ ngu>cn từ (AAS).