Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng khoáng bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng khoáng bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Vũ Lê Song Thương
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu, Ứng Dụng Khoáng Bentonit Trong Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về bentonit
• 1.2. Tính chất của bentonit
• 1.3. Các phương pháp tinh chế và biến tính bentonit
• 1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bentonit
• 1.5. Tổng quan về nước thải dệt nhuộm
• 1.6. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và tác động
• 1.7. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Bentonit thuộc mỏ Tam Bố
• 2.3. Loại thuốc nhuộm được sử dụng
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm
• 2.6. Phương pháp tinh chế bentonit bằng ngâm, lắng gạn tự nhiên
• 2.7. Phương pháp biến tính và hoạt hóa bentonit
• 2.8. Các phương pháp phân tích khoáng bentonit Tam Bố
• 2.9. Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và hình thái của vật liệu hấp phụ
• 2.10. Khả năng hấp phụ của bentonit với nước thải dệt nhuộm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thành phần hoá học
• 3.2. Thành phần khoáng vật
• 3.3. Đặc trưng của bentonit tinh chế
• 3.4. Thành phần khoáng mẫu bentonit tinh chế theo phương pháp sa lắng
• 3.5. Thành phần hóa học mẫu bentonit tinh chế
• 3.6. Đặc điểm kết cấu của các mẫu sét Lâm Đồng
• 3.7. Phương pháp xác định nhanh hàm lượng khoáng MMT
• 3.8. Hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế
• 3.9. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của các mẫu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử và hiển vi điện tử truyền qua
• 3.10. Biến tính bentonit bằng ion natri
• 3.11. Lựa chọn điều kiện tối ưu hoạt hóa bentonite với Na2CO3
• 3.12. Thành phần hóa học của mẫu bentonite hoạt hóa Na2CO3
• 3.13. Thành phần khoáng vật mẫu bentonite hoạt hóa Na2CO3
• 3.14. Các đặc điểm kết cấu của bentonite biến tính natri
• 3.15. Hấp phụ xanh metylen trên bentonite hoạt hóa Na2CO3
• 3.16. Biến tính bentonit bằng H2SO4
• 3.17. Thành phần hóa học của Bentonite Tam Bố biến tính axit
• 3.18. Thành phần khoáng vật mẫu bentonite biến tính axit
• 3.19. Cấu trúc bề mặt của bentonite biến tính axit
• 3.20. Phân tích hiển vi điện tử quét mẫu bentonite biến tính axit H2SO4
• 3.21. Hấp phụ xanh metylen trên bentonite hoạt hóa H2SO4
• 3.22. Hấp phụ nước thải dệt nhuộm của bentonit
• 3.23. Dựng đường chuẩn cho phương pháp COD
• 3.24. Kết quả hấp phụ các chất trong nước thải dệt nhuộm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng khoáng bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm

Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên, chủ yếu chứa montmorillonit, có khả năng hấp phụ tốt. Ứng dụng của bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Nước thải từ ngành dệt nhuộm thường chứa nhiều chất ô nhiễm, đặc biệt là các loại thuốc nhuộm độc hại. Việc sử dụng bentonit không chỉ giúp loại bỏ màu sắc mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Đặc điểm và tính chất của bentonit trong xử lý nước thải

Bentonit có cấu trúc đặc biệt cho phép nó hấp phụ các ion và chất hữu cơ. Tính chất trao đổi cation cao giúp bentonit có khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy bentonit có thể hấp phụ đến 90% các chất màu trong nước thải.

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bentonit hiện nay

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bentonit có thể được sử dụng như một vật liệu hấp phụ hiệu quả trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình xử lý và cải thiện hiệu suất hấp phụ của bentonit.

II. Vấn đề ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và thách thức xử lý

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hóa chất độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc xử lý nước thải này là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học và kỹ sư môi trường.

2.1. Các thành phần ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm

Nước thải dệt nhuộm thường chứa các loại thuốc nhuộm, hóa chất tẩy rửa và các chất hữu cơ khác. Những chất này không chỉ gây ô nhiễm màu mà còn có thể gây hại cho sức khỏe con người và động thực vật.

2.2. Tác động của ô nhiễm nước thải đến môi trường

Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm có thể dẫn đến sự suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Các chất độc hại trong nước thải có thể tích tụ trong chuỗi thực phẩm, gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.

III. Phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm bằng bentonit

Việc sử dụng bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm đã cho thấy nhiều hứa hẹn. Các phương pháp xử lý bao gồm hấp phụ, lắng gạn và biến tính bentonit để tăng cường khả năng hấp phụ.

3.1. Quy trình hấp phụ nước thải dệt nhuộm bằng bentonit

Quy trình hấp phụ sử dụng bentonit có thể loại bỏ đến 90% các chất màu trong nước thải. Nghiên cứu cho thấy rằng thời gian tiếp xúc và nồng độ bentonit ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hấp phụ.

3.2. Biến tính bentonit để nâng cao hiệu quả xử lý

Biến tính bentonit bằng các hóa chất như Na2CO3 hoặc H2SO4 có thể cải thiện khả năng hấp phụ của nó. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bentonit biến tính có thể hấp phụ hiệu quả hơn so với bentonit tự nhiên.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm

Nghiên cứu cho thấy bentonit có khả năng hấp phụ cao đối với các chất ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng bentonit có thể giảm đáng kể nồng độ COD và màu sắc trong nước thải.

4.1. Kết quả thí nghiệm hấp phụ xanh metylen trên bentonit

Thí nghiệm hấp phụ xanh metylen cho thấy bentonit có thể hấp phụ đến 95% lượng thuốc nhuộm trong nước thải. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm.

4.2. So sánh hiệu quả giữa bentonit tự nhiên và biến tính

Kết quả cho thấy bentonit biến tính có hiệu quả hấp phụ cao hơn so với bentonit tự nhiên. Điều này cho thấy rằng việc biến tính bentonit là cần thiết để tối ưu hóa khả năng xử lý nước thải.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về ứng dụng khoáng bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm đã mở ra nhiều hướng đi mới. Việc tối ưu hóa quy trình xử lý và phát triển các loại bentonit biến tính sẽ là những bước quan trọng trong tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu bentonit trong xử lý nước thải

Nghiên cứu bentonit không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Việc phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong ứng dụng bentonit

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các loại bentonit biến tính mới và tối ưu hóa quy trình xử lý. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí trong xử lý nước thải dệt nhuộm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bentonit là khoáng sét tự nhiên thuộc nhóm smectit, với thành phần chính là montmorillonit, có khả năng trao đổi cation lớn và tính chất hấp phụ đặc trưng. Ở Việt Nam, bentonit có trữ lượng khoảng 100 triệu tấn, tập trung chủ yếu tại mỏ Tam Bố – Lâm Đồng và một số mỏ khác như Phú Yên, Thanh Hóa, An Giang. Tuy nhiên, hiện nay bentonit chủ yếu được khai thác và sử dụng dưới dạng thô, chưa được biến tính và ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Ngành công nghiệp dệt nhuộm là một trong những nguồn gây ô nhiễm nước nghiêm trọng, đặc biệt là do các loại thuốc nhuộm tổng hợp có độ bền cao, khó phân hủy sinh học, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định tính chất, đặc điểm của bentonit tự nhiên và biến tính, đồng thời đánh giá khả năng hấp phụ màu của bentonit ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Nghiên cứu tập trung vào bentonit khai thác tại mỏ Tam Bố, tỉnh Lâm Đồng, với phạm vi thời gian thực hiện từ 2013 đến 2015. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, tận dụng nguồn tài nguyên khoáng sét phong phú trong nước, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải dệt nhuộm, giảm thiểu tác động môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp dệt nhuộm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về khoáng sét montmorillonit và các tính chất vật lý – hóa học của bentonit, bao gồm:

• Cấu trúc khoáng montmorillonit: Là khoáng sét nhóm smectit có cấu trúc lớp 2:1, gồm một lớp bát diện (MeO6) kẹp giữa hai lớp tứ diện (SiO4), với khả năng thay thế đồng hình tạo điện tích âm trên bề mặt, được bù trừ bởi các cation trao đổi như Na+, Ca2+, Mg2+.

• Dung lượng trao đổi cation (CEC): Thể hiện khả năng hấp phụ và trao đổi ion của bentonit, dao động từ 30 đến 120 mgđl/100g, phụ thuộc vào thành phần khoáng và điều kiện biến tính.

• Tính chất trương nở và hấp phụ: Bentonit có khả năng trương nở lớn khi hấp thụ nước, đặc biệt bentonit chứa Na+ có khả năng trương nở cao hơn bentonit chứa Ca2+. Quá trình hấp phụ diễn ra qua các cơ chế vật lý (lực Van der Waals) và hóa học (liên kết ion, trao đổi cation).

• Phương pháp biến tính bentonit: Bao gồm hoạt hóa bằng dung dịch muối natri (Na2CO3), biến tính bằng axit vô cơ (H2SO4), nhằm tăng diện tích bề mặt, thể tích mao quản và khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Bentonit được lấy mẫu từ mỏ Tam Bố, Lâm Đồng; nước thải dệt nhuộm thực tế lấy tại làng lụa Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật phân tích khoáng vật XRD, XRF, phổ hấp thụ UV-Vis để xác định thành phần hóa học, khoáng vật và đánh giá hiệu suất hấp phụ xanh metylen (MB) và các chất ô nhiễm trong nước thải.

• Phương pháp tinh chế bentonit: Ngâm, lắng gạn tự nhiên để loại bỏ tạp chất, nghiền mịn đến kích thước <0,25 mm.

• Phương pháp biến tính bentonit: Hoạt hóa bằng Na2CO3 3% và biến tính bằng H2SO4 với các nồng độ 5% và 20%, nhằm tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ.

• Phân tích hấp phụ: Đánh giá hiệu suất hấp phụ xanh metylen và COD trong nước thải dệt nhuộm qua các điều kiện pH, nhiệt độ, thời gian, sử dụng các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich để mô tả quá trình hấp phụ.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ 2013 đến 2015, bao gồm thu thập mẫu, phân tích đặc tính bentonit, thực nghiệm hấp phụ và xử lý nước thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần khoáng và hóa học bentonit Tam Bố: Hàm lượng montmorillonit chiếm khoảng 30-40%, với các cation trao đổi chủ yếu là Ca2+ và Mg2+. Bentonit có dung lượng trao đổi cation trung bình khoảng 50-70 mgđl/100g.

2. Hiệu quả tinh chế và biến tính: Sau khi tinh chế và biến tính bằng Na2CO3 3% và H2SO4 5-20%, diện tích bề mặt bentonit tăng từ khoảng 90 m2/g lên đến 321 m2/g, thể tích mao quản tăng đáng kể, đặc biệt bentonit biến tính axit H2SO4 20% đạt diện tích bề mặt 321 m2/g.

3. Khả năng hấp phụ xanh metylen: Bentonit biến tính Na2CO3 đạt hiệu suất hấp phụ xanh metylen lên đến 85% ở pH 7 và nhiệt độ 25°C, trong khi bentonit biến tính H2SO4 đạt hiệu suất khoảng 80%. Bentonit tinh chế chưa biến tính có hiệu suất thấp hơn, khoảng 60-65%.

4. Xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế: Bentonit biến tính Na2CO3 và H2SO4 giảm chỉ số COD trong nước thải từ mức ban đầu 11.421 mg/L xuống còn khoảng 3.000-4.000 mg/L, tương ứng giảm 65-75%, vượt trội so với bentonit tinh chế chỉ giảm khoảng 50%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính bentonit bằng Na2CO3 và H2SO4 làm tăng đáng kể diện tích bề mặt và thể tích mao quản, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các phân tử thuốc nhuộm và chất ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen và giảm COD phản ánh rõ rệt sự cải thiện này. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu quả hấp phụ của bentonit biến tính trong nghiên cứu tương đương hoặc vượt trội so với các vật liệu hấp phụ tự nhiên khác.

Nguyên nhân chính là do sự thay thế cation Ca2+ bằng Na+ trong bentonit hoạt hóa, làm tăng khả năng trương nở và diện tích bề mặt, đồng thời quá trình biến tính axit làm tăng thể tích mao quản và loại bỏ tạp chất, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất hấp phụ theo pH, nhiệt độ và thời gian, cũng như bảng so sánh chỉ số COD trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất bentonit biến tính quy mô công nghiệp: Áp dụng phương pháp hoạt hóa bằng Na2CO3 3% và biến tính axit H2SO4 5-20% để sản xuất vật liệu hấp phụ chất lượng cao, phục vụ xử lý nước thải dệt nhuộm. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản.

2. Xây dựng hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng bentonit biến tính: Thiết kế và vận hành các bể hấp phụ với bentonit biến tính tại các khu công nghiệp dệt nhuộm, nhằm giảm nồng độ thuốc nhuộm và COD trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Mục tiêu giảm COD ít nhất 70% trong vòng 6 tháng đến 1 năm.

3. Nghiên cứu kết hợp bentonit với các phương pháp xử lý khác: Kết hợp bentonit hấp phụ với phương pháp sinh học hoặc hóa học để xử lý triệt để các chất ô nhiễm khó phân hủy, nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể. Thời gian nghiên cứu 1 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu môi trường.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho các doanh nghiệp dệt nhuộm: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ xử lý nước thải sử dụng bentonit biến tính, giúp doanh nghiệp áp dụng hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai 6 tháng, chủ thể là các cơ quan quản lý môi trường và hiệp hội ngành nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về khoáng bentonit và ứng dụng trong xử lý nước thải, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về vật liệu hấp phụ và công nghệ xử lý môi trường.

2. Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản: Tham khảo để phát triển sản phẩm bentonit biến tính có giá trị gia tăng, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

3. Các cơ sở sản xuất và xử lý nước thải dệt nhuộm: Áp dụng công nghệ hấp phụ bentonit biến tính để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu hấp phụ tự nhiên, thúc đẩy phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Bentonit là gì và tại sao nó được sử dụng trong xử lý nước thải?
   Bentonit là khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonit, với khả năng trao đổi cation và hấp phụ cao. Những tính chất này giúp bentonit hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là các phân tử thuốc nhuộm có điện tích dương như xanh metylen.

2. Phương pháp biến tính bentonit bằng Na2CO3 và H2SO4 có ưu điểm gì?
   Biến tính bằng Na2CO3 giúp chuyển bentonit kiềm thổ thành bentonit kiềm, tăng khả năng trương nở và diện tích bề mặt. Biến tính bằng H2SO4 làm tăng thể tích mao quản và loại bỏ tạp chất, nâng cao hiệu quả hấp phụ. Cả hai phương pháp đều cải thiện đáng kể khả năng xử lý nước thải.

3. Hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng bentonit biến tính đạt được như thế nào?
   Nghiên cứu cho thấy bentonit biến tính có thể giảm chỉ số COD trong nước thải từ hơn 11.000 mg/L xuống còn khoảng 3.000-4.000 mg/L, tương đương giảm 65-75%, đồng thời hấp phụ hiệu quả thuốc nhuộm xanh metylen với hiệu suất trên 80%.

4. Có thể áp dụng công nghệ này ở quy mô công nghiệp không?
   Có thể. Bentonit là nguồn tài nguyên phong phú, chi phí thấp, và các phương pháp biến tính đơn giản, phù hợp để triển khai quy mô công nghiệp nhằm xử lý nước thải dệt nhuộm tại các khu công nghiệp.

5. Ngoài xử lý nước thải dệt nhuộm, bentonit biến tính còn ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Bentonit biến tính được sử dụng trong sản xuất dung dịch khoan dầu khí, làm chất kết dính trong thức ăn chăn nuôi, xử lý môi trường rác thải, cải tạo đất, sản xuất vật liệu xây dựng và nhiều ngành công nghiệp khác nhờ tính chất hấp phụ và trao đổi ion ưu việt.

Kết luận

• Bentonit Tam Bố có thành phần montmorillonit khoảng 30-40%, dung lượng trao đổi cation trung bình 50-70 mgđl/100g, phù hợp để biến tính và ứng dụng trong xử lý nước thải.
• Biến tính bentonit bằng Na2CO3 và H2SO4 làm tăng diện tích bề mặt lên đến 321 m2/g, nâng cao hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm và giảm COD trong nước thải dệt nhuộm.
• Hiệu suất hấp phụ xanh metylen đạt trên 80%, giảm COD trong nước thải thực tế khoảng 65-75%, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao.
• Đề xuất triển khai sản xuất bentonit biến tính quy mô công nghiệp và xây dựng hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng vật liệu này trong 1-2 năm tới.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững.

Liên hệ các đơn vị khai thác bentonit và doanh nghiệp dệt nhuộm để triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời kêu gọi hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ biến tính bentonit nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về bentonit 1. Cấu tạo Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên mà thành phần chính là montmorillonit có công thức hóa học tổng quát Al2O3.nH2O, và thêm một số khoáng sét khác như saponit, nontronit, beidellit. Ngoài ra người ta còn phát hiện thấy trong bentonit còn có một số khoáng sét khác như kaolinit, clorit, mica và một số khoáng phi sét khác như canxit, pirit, manhetit … các muối kiềm và các chất hữu cơ.

Vì vậy bentonit được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit. Khi phân tích thành phần hóa học của mont ngoài nguyên tố Silic, nhôm người ta còn phát hiện thấy sự có mặt của các nguyên tố Fe, Ca, Mg, Ti, Na, K …[27, 31, 46]. Trong đó, hàm lượng nước n = 4 – 8, tỉ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1 – 2 đến 1 – 4. Thành phần hóa học của montmorillonit ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, tính chất và khả năng sử dụng chúng.

Xác định chính xác thành phần hóa học của bentonit là hết sức cần thiết nhằm định hướng biến tính chúng cho các mục đích sử dụng hiệu quả nhất [27, 31, 48]. * Cấu trúc montmorillonit. Cấu trúc của sét bằng cách chụp SEM và TEM các hạt khoáng sét, người ta thấy các hạt sét có cấu trúc dạng mỏng nhưng dài và rộng. Tất cả đều được tạo ra từ các tứ diện SiO44  và một lớp bát diện MeO6 , với Me là các kim loại Al, Fe, Mg… a) Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4 b) Đơn vị cấu trúc bát diện MeO6 Hình 1.

Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Mạng tứ diện Hình 1. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện Tương tự như mạng tứ diện, mạng bát diện được tạo thành từ các bát diện qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều Hình 1. Mạng cấu trúc bát diện Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua các oxi đỉnh theo những quy luật trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc tinh thể khác nhau: Cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1, và cấu trúc 2:1 + 1 [24].

4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] a) Cấu trúc 1:1 triocta b) Cấu trúc 1:1 diocta c) Cấu trúc 2:1 triocta d) Cấu trúc 2:1 diocta e) Cấu trúc 2:1+1 Hình 1. Các loại cấu trúc của khoáng sét Nhóm khoáng sét 1:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện. Đại diện cho nhóm này là kaolinit, … (hình 5a, 5b). Nhóm khoáng sét 2:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới bát diện nằm giữa hai mạng lưới tứ diện.

Đại diện cho nhóm này là montmorillonit, vermiculite, … (hình 5c, 5d). Nhóm khoáng sét 2:1+1, cấu trúc lớp cơ bản gồm ngoài một lớp cấu trúc tương tự nhóm 2:1, còn thêm một mạng lưới bát diện (hình 5e). Đại diện cho nhóm này là clorit. 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trong cùng nhóm, khoáng sét có thể được chia thành phân nhóm: diocta và triocta.

Đối với dạng diocta, trong mạng bát diện cứ ba vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị chiếm bởi ion hoá trị 3 ( ví dụ như Al3+), còn một vị trí bỏ trống. Còn dạng triocta thì mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi một ion hoá trị 2 (thường là Mg2+). Montmorillonit là aluminosillicat lớp tự nhiên có cấu trúc lớp 2 : 1, dạng điocta. Cấu trúc tinh thể của montmorillonit được cấu tạo gồm hai mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng bát diện ở giữa tạo nên một đơn vị tế bào cấu trúc cơ bản.

Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc của Montmorillonit Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ. Mỗi lớp cấu trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng trục a và b ( 2 chiều ). Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tự ngắt quãng ( trong không gian ) theo trục c, các lớp cation và nước hấp phụ tạo nên một mạng lưới trong không gian ba chiều của tinh thể montmorillonit. Chiều dày của một lớp cấu trúc của mont là 9,6 A0.

Nếu kể cả lớp cation trao đổi và nước hấp phụ thì chiều dày của lớp hấp phụ khoảng 15A0 [14, 20, 24]. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trong mạng lưới cấu trúc của mont thường xảy ra sự thay thế đồng hình của các cation. Ở mạng lưới bát diện chủ yếu là sự thay thế của cation Al3+ bởi cation Mg2+. Ở mạng lưới tứ diện, một phần không lớn cation Si4+ bị thay thế bởi cation Al3+ hoặc Fe3+.

Al có thể thay thế Si trong mạng lớn nhất là 10%. Sự thay thế này dẫn tới sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới. Điện tích đó được bù trừ bởi các cation nằm ở khoảng không gian giữa hai lớp. Đó là các cation Na+, K+, Ca2+, Fe2+… chúng bị hydrat bởi các phân tử nước ở khoảng giữa hai lớp cấu trúc.

Người ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới của mont xuất hiện chủ yếu ở mạng bát diện do sự thay thế đồng hình của ion Al3+ bằng ion Mg2+ ứng với tỉ lệ Mg : Al ~ 1 : ( 4 – 5 ). Điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế ion Si4+ bởi ion Al3+ ứng với tỉ lệ Al : Si ~ 1 : (15 – 30 ). Vì vậy điện tích âm của mạng phân bố sâu trong lớp cấu trúc mà không nằm ở bề mặt ngoài của lớp cấu trúc nên năng lượng liên kết của các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp. Với các lớp cấu trúc mạng thấp, các cation có thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng điện tích âm và có thể trao đổi với các cation khác tạo ra khả năng biến tính mont.

Lượng cation trao đổi của mont. dao động trong khoảng 0,7 – 1,2 mdlg/g. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng theo hướng trục c. Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được gọi là khoảng cách cơ bản có thể thay đổi từ 10 A0 trong mont đehydrat hoàn toàn đến ~ 20 A0 tùy thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp.

khoảng cách này có thể tăng đến ~ 30 A0 khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome, các polyme vô cơ, các phân tử hữu cơ…[14, 24, 46]. Tính chất của bentonit 1. Tính chất lý – hóa của bentonit Bentonit là khoáng sét kết mềm hình thành từ quá trình phong hoá tro núi lửa, tương đối mền và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe trong cấu trúc khoáng. Tính chất đặc trưng của bentonit là khả năng tạo 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] thành huyền phù khi tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15 lần so với khối lượng sét khô và khả năng trao đổi cation cao.

Sự thay thế Si4+ bằng các cation có hoá trị thấp hơn làm cho lớp sét mang điện tích âm trên bề mặt các lớp sét, điện tích này được cân bằng bởi một số cation khác như K+, Na+, Mg2+, Ca2+ định vị trong khoảng không gian giữa lớp. Các cation này liên kết lỏng lẻo với bề mặt lớp sét, do vậy montmorillonit có dung lượng trao đổi cation tương đối cao (100 meq/100 g), rất ít ảnh hưởng đến kích thước hạt. Khả năng trao đổi cation làm cho khoáng bentonit không chỉ trao đổi với các cation vô cơ, mà có liên kết với các phân tử hữu cơ như: điquat, paraquat, protein [28]. Các cation trao đổi giữa lớp khác nhau có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nước và tính chất trương nở của sét.

Khả năng trương nở trong nước của bentonit chứa Na lớn hơn bentonit chứa K, Ca hoặc Mg. Khi nước được xen vào mạng lưới khoáng sét là yếu tố quan trọng để điều khiển tính liên kết, huyền phù, nén và một số tính chất khác của montmorillonit. Đặc tính vật lý của bentonit ảnh hưởng bởi số lượng lớp nước nằm trong khoảng không gian giữa các lớp sét (chứa 1 lớp hay nhiều lớp nước). Nhiệt độ mất nước hấp phụ và nước nằm giữa lớp sét ở nhiệt độ thấp (100 – 200°C).

Mất nước cấu trúc bắt đầu từ 450 – 500°C và mất hoàn toàn ở 600 – 750°C. Tiếp tục nung đến 800 – 900°C dẫn đến cấu trúc tinh thể tan rã và tạo ra các chất mới như cristobalit, cordienrit, mullit,… phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc khoáng ban đầu. Khả năng hấp thụ và trương nở của montmorillonit nhanh chóng mất đi khi nung nóng đến nhiệt độ giới hạn, trong khoảng từ 105 đến 390oC, tuỳ thuộc vào cation trao đổi giữa lớp. Khả năng hấp phụ nước ảnh hưởng đến việc sử dụng và giá trị thương mại của bentonit [36, 47].

Đặc biệt, tính chất hoá học của bề mặt khoáng sét phụ thuộc vào cấu trúc của khoáng. Đơn vị cơ bản của MMT là một lớp mở rộng của tấm nhôm bát diện (O) kẹp giữa 2 tấm silic tứ diện (T), tạo thành đơn vị TOT. Sắp xếp chồng các đơn vị TOT tạo ra tinh thể MMT. Sự thay thế đồng hình trong tấm bát diện (hoặc trong tứ diện) làm cho cấu trúc dư thừa điện tích âm.

Cation trao đổi giữa lớp sét góp phần 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] đền bù điện tích thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc và giữ cho các lớp liên kết với nhau. Các cation này dễ dàng trao đổi bằng các cation khác có tương tác lớn hơn. Diện tích bề mặt kết hợp với bề mặt cơ bản của đơn vị TOT mở rộng được gọi là bề mặt lớp xen giữa (interlayer surface) khi nó tương ứng với các lớp sắp xếp liên tiếp hoặc là bề mặt ngoài khi nó tương ứng với bề mặt cơ bản bên ngoài của tinh thể. Diện tích bề mặt trong và diện tích bề mặt ngoài chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của MMT.

Mặt khác, cấu trúc tuần hoàn của tinh thể MMT bị gián đoạn ở các cạnh, nơi mà điện tích đền bù của chúng phá vỡ bởi phân tử nước và proton hấp phụ [49]. Do sự gián đoạn này, điện tích bề mặt phụ thuộc vào pH và khả năng phản ứng với các cation, anion và phân tử trung hoà (hữu cơ, vô cơ) tạo thành các liên kết hoá học. Dung lượng cation trao đổi. Khả năng trao đổi cation là một đặc tính quan trọng của bentonit.

Dung lượng cation trao đổi biểu thị khả năng của montmorilonit – khoáng vật chính nằm trong thành phần bentonit, hấp phụ nước và các ion trao đổi.