Đề tài Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên Bentonit Bình Thuận

1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục ..................................... ........................................................................ 3 MỞ ðẦU................................. ........................................................................ 3 PHẦN NỘI DUNG ................ ........................................................................ 5 Chương I: TỔNG QUAN VỀ BENTONIT I.1 Thành phần khống và thành phần hĩa học của Bentonit .............................. 5 I.2 Cấu trúc của montmorilonit . ........................................................................ 6 I.3 Khả năng biến tính của Bentonit ................................................................. 11 I.3.1 Biến tính giữ nguyên lớp nhơm silicat ................................................. 11 I.3.2 Biến tính làm biến đổi cấu trúc lớp của nhơm silicat............................ 12 I.3.3 Tính chất cấu trúc hấp phụ................................................................... 13 I.4 Khả năng hấp phụ và tách loại Mn2+ trong dung mơi nước bằng Bentonit .. 14 I.4.1 Cơ chế hấp phụ............. ...................................................................... 14 I.4.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ.................................................. 14 I.4.3 Khả năng hấp phụ- ðối tượng hấp phụ ................................................ 15 I.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng...... 15 a. Ảnh hưởng của pH ..... ...................................................................... 15 b. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 16 c. Ảnh hưởng của thời gian ................................................................... 16 d. Ảnh hưởng của kích thước hạt, điều kiện khuấy trộn......................... 16 e.Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ :( m/V ) ........................ ...................................................................... 16 I.5 Những ứng dụng chủ yếu của Bentonit ....................................................... 17 I.5.1 Bentonit dùng làm chất hấp phụ........................................................... 17 I.5.2 Bentonit dùng để chế tạo các dung dịch khoan..................................... 18 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 2 I.5.3 Bentonit dùng làm chất độn, chất màu ................................................. 18 I.5.4 Bentonit dùng trong cơng nghiệp rượu, bia.......................................... 18 I.5.5 Bentonit dùng trong cơng nghiệp tinh chế nước................................... 18 I.5.6 Bentonit được dùng vào một số ứng dụng khác.................................. 19 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM II.1 Dụng cụ- hĩa chất ............... ...................................................................... 20 II.2 Thành phần hĩa học của mẫu quặng sử dụng để nghiên cứu....................... 20 II.3 Phương pháp nghiên cứu.... ...................................................................... 21 II.3.1 Phương pháp trắc quang phân tích Magan ........................................ 21 II.3.2 Phương pháp xác định hấp dung của Mangan trong dung dịch ......... 22 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN III.1. Xác định nồng độ Mn2+ trong dung dịch .................................................. 25 III.2. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ.................................................. 26 III.3. Ảnh hưởng của khối lượng Bentonit dùng để hấp phụ.............................. 28 III.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ .................................................. 29 III.5. Ảnh hưởng của pH............ ...................................................................... 31 III.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ m/V ................................... ...................................................................... 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO.... ...................................................................... 35 PHỤ LỤC ............................... ......................................................................P1 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 3 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lý do chọn đề tài Bentonit là một loại khống sét, tồn tại trong tự nhiên, cĩ cấu trúc lớp, cĩ diện tích bề mặt lớn nên cĩ khả năng hấp phụ từ mơi trường nhiều chất vơ cơ và hữu cơ. ðặc biệt là các chất cĩ độc tính đối với con người, động vật, thực vật. Ví dụ: các kim loại nặng (Pb, Hg, As…), các chất phĩng xạ, các chất hữu cơ (phênol, dẫn xuất halogen…) Theo [1] xét về mặt dinh dưỡng mangan là nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày từ 30-50 gµ /kg trọng lượng cơ thể. Nhưng nếu hàm lượng lớn lại gây độc hại cho con người. Mangan gây độc mạnh với nguyên sinh chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hồn, phổi, ngộ độc nặng gây tử vong. Mangan đi vào mơi trường nước do quá trình rửa trơi, xĩi mịn và do các chất thải cơng nghiệp luyện kim, acquy, phân hĩa học… Theo [3] tiêu chuẩn WHO quy định trong nước uống hàm lượng mangan khơng quá 0,1 mg/l. ðể xác định hàm lượng mangan cĩ thể sử dụng các phương pháp phân tích hĩa học. ðể tách các ion kim loại nặng khỏi mơi trường nước người ta cĩ thể dùng nhiều phương pháp khác nhau: kết tủa, oxi hố- khử, điện hố, hấp phụ, chiết, trao đổi ion, hấp phụ bằng vi sinh vật…Trong đĩ hấp phụ các kim loại nặng bằng các chất hấp phụ khác nhau như: than hoạt tính, các khống sét cĩ nguồn gốc tự nhiên…được sử dụng khá phổ biến. Bentonit là loại vật liệu cĩ khả năng hấp phụ tốt các tác nhân độc hại trên nên được sử dụng phổ biến làm chất hấp phụ làm sạch nước. Ngồi ra, bentonit cịn được sử dụng để tẩy màu, chế dung dịch khoan, trong cơng nghiệp giấy… Nước ta cĩ trữ lượng bentonit tương đối lớn, ở một số mỏ như Di Linh-Lâm ðồng, Thuận Hải - Bình Thuận… Do đĩ, việc nghiên cứu khả năng sử dụng nguồn tài nguyên này để phục vụ cho nền kinh tế quốc dân là rất quan trọng. Mặc khác, hiện nay nguy cơ nhiễm mangan là rất lớn. Do đĩ, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ của bentonit đối với mangan là một điều được nhiều nhà làm khoa học quan PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 4 tâm. ðặc biệt trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các vật liệu hấp phụ tự nhiên (chẳng hạn bentonit) để loại bỏ các kim loại nặng là một nghiên cứu mới. Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp phụ của bentonit là một điều cần thiết. Vì vậy, tơi chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên Bentonit Bình Thuận”. 2 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trên bentonit Bình Thuận. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ: nồng độ bentonit, nồng độ Mn2+ trong dung dịch nước, pH của dung dịch hấp phụ, thời gian hấp phụ, tỷ lệ thể tích của dung dịch hấp phụ và khối lượng bentonit dùng để hấp phụ. 3 ðối tượng nghiên cứu Khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ. 4 Giả thuyết khoa học Nếu đề tài nghiên cứu thành cơng, kết quả nghiên cứu sẽ cĩ thể ứng dụng vào trong thực tiễn để loại bỏ mangan trong nước sinh hoạt. 5 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trong dung dịch nước trên bentonit Bình Thuận. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của mangan trong dung dịch nước trên bentonit. 6 Phạm vi nghiên cứu Do giới hạn về thời gian nên tơi chỉ nghiên cứu khả năng hấp phụ mangan trên bentonit Bình Thuận và ảnh hưởng của pH, nồng độ, dung mơi, thời gian đến quá trình hấp phụ. 7 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu. - Phương pháp thực nghiệm. - Phương pháp thống kê số liệu. - Phương pháp phổ UV-VIS. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 5 PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BENTONIT I.1 THÀNH PHẦN KHỐNG VẬT VÀ THÀNH PHẦN HĨA HỌC CỦA BENTONIT Theo [9] bentonit là nguồn loại khống sét tự nhiên, cĩ thành phần chính là montmorilonit. Vì vậy cĩ thể gọi bentonit theo thành phần chính là montmorilonit. Cơng thức đơn giản nhất của montmorilonit Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Cơng thức lý tưởng của montmorilonit là Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần của montmorilonit luơn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do cĩ sự thay thế đồng hình của các ion kim loại như Al3+, Fe2+, Mn2+… vào vị trí Si4+ trong tứ diện SiO4 và của Al3+ trong bát diện AlO6. Như vậy, thành phần hĩa học montmorilonit với sự cĩ mặt Si, Al và O, cịn cĩ các nguyên tố khác như: Fe, Zn, Mg, Na, K…ngồi ra cịn cĩ các nguyên tố vi lượng khác như:Ti, Tl,… trong đĩ cĩ tỷ lệ Al2O3: SiO2 từ 1:2 đến 1:4. Ngồi thành phần chính là montmorilonit, trong bentonit thường cịn chứa một số khống sét khác như hectorit, saponit, zeolite, mica, kaoline, beidilite, nontronite… và một số khống phi sét: canxi, pirit, manhetit, các muối kiềm và một số chất hữu cơ khác. Mẫu quặng bentonit nguyên khai được chỉ ra trong hình 1.1, mẫu quặng bentonit đã qua tinh chế được chỉ ra trong hình 1.2. Màu sắc của khống vật cũng khác nhau phụ thuộc vào thành phần nguyên tố của nĩ trong khống vật sét sử dụng. (a) (b) Hình 1.1. Mẫu quặng bentonit nguyên khai PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 6 Hình 1.2. Mẫu quặng bentonit đã qua tinh chế I.2 CẤU TRÚC CỦA MONTMORILONIT I.2.1 Dạng khơng gian của montmorilonit Theo [10 ] cơng thức phân tử chung của montmorilonit được biết thơng thường là 2 4-y x 4 10 2(M .nH O)(Al Mg )Si O (OH)x+ , trong đĩ M+ = Na+, K+, Mg2+, hay Ca2+, trong điều kiện lý tưởng, x = 0,33 Trong cơng thức của montmorilonit, các nguyên tử Si nằm ở tâm mạng tứ diện, cịn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện (trong trường hợp mạng nhơm silicat là trung hịa điện). Cơng thức khai triển của montmorilonit được trình bày như hình 1.3 (a) (b) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 7 (c) Hình 1.3.Cơng thức khai triển khơng gian của montmorilonit lý tưởng I.2.2 Cấu trúc tinh thể của montmorilonit Các loại khống sét đều được cấu tạo từ những tấm tứ diện SiO4 ( hình 1.4a) và những tấm bát diện MeO6, với Me là các nguyên tố Al, Mg, Fe… ( hình 1.4 b) Hình 1.4 (a) đơn vị cấu trúc tứ diện (b) đơn vị cấu trúc bát diện Các tấm tứ diện được liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tử oxi theo khơng gian hai chiều của hai nguyên tử oxi gĩp chung nằm trên mặt phẳng và cịn được gọi là oxi đáy. Các oxi đáy liên kết và sắp xếp với nhau tạo thành một “lỗ” sáu cạnh, ở mỗi đỉnh của sáu cạnh là nguyên tử oxi và được gọi là oxi đỉnh. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 8 Hình 1.5. Mạng tứ diện Hình 1.6. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi đáy trong mạng tứ diện Giống như mạng tứ diện, mạng bát diện được tạo thành từ các bát diện qua nguyên tử oxi theo khơng gian hai chiều. Hình 1.7. (a) đơn vị cấu trúc tứ diện (b) đơn vị cấu trúc bát diện Cấu trúc tinh thể của montmorilonit được chỉ ra trong hình 1.8, mạng tinh thể của montmorilonit gồm cĩ lớp hai chiều trong đĩ lớp Al2O3 (hoặc MgO) bát diện nằm ở trung tâm giữa hai lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử oxi vì thế nguyên tử oxi ở lớp bát diện cũng thuộc lớp tứ diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên tử oxi định vị ở 4 gốc của tứ diện. Nguyên tử Al hoặc Mg trong lớp bát diện thì phối trí với 6 nguyên tử oxi hoặc nhĩm hydroxyl (OH) định vị ở 6 gĩc PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 9 của bát diện đều. Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một đơn vị cơ sở của nanoclay. Bề dày của tiểu cầu cĩ kích thước khoảng 1nm và chiều dài của tiểu cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn nm. Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thường gọi là khoảng cách “van de Van”, là khoảng khơng gian giữa hai lớp sét. Sự hình thành nanoclay trong tự nhiên cĩ sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hố trị 4 trong lớp tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hố trị 3 và nguyên tử Al hố trị 3 trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử cĩ hố trị 2 như Fe và Mg. Sự thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu cầu sét mang điện tích âm. ðiện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim loại kiềm và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Na+ và Ca2+) chiếm giữ khoảng cách khơng gian giữa các lớp này. Như vậy, khả năng trao đổi cation của montmorilonit là tương đương với điện tích của các lớp. Những ion nằm giữa các lớp này cĩ thể thay thế bằng cation hữu cơ. Khi thay thế ion vơ cơ giữa các lớp sét bằng các ion hữu cơ làm cho sét thích hợp với polymer hữu cơ. Sự thay thế đồng hình bên trong mạng tinh thể bằng các nguyên tố khác nhau hoặc thay đổi ở các vị trí khác nhau đưa đến cĩ nhiều loại khống chất đất sét montmorilonit, notronite, saponite, hectorite….. Trong hình 1.3 cho thấy sự thay thế đồng hình của một số ion Al, Fe, Mg…trong tứ diện và bát diện, cũng như khoảng cách của lớp sét. Khoảng cách của một lớp montmorilonit được chỉ ra trong hình 1.3 là khoảng 9,5A0 ( Grim, 1953), cịn khoảng cách của sét khơ (làm khơ ở 700C) là 12,6 A0 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 10 Hình 1.8: Cấu trúc của montmorilonit cho thấy hai lớp tứ diện trộn lẫn với một lớp bát diện. Những chấm đen chỉ ra vị trí của sự thay thế đồng hình trong bát diện và tứ diện. (Grim, 1953). I.3 KHẢ NĂNG BIẾN TÍNH CỦA BENTONIT I.3.1 Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhơm silicat ðặc trưng cơ bản của bentonit là tính chất trao đổi, tính chất đĩ cĩ được là do: - Sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện và Al3+ bằng Mg2+ trong mạng lưới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm trên bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm trên bề mặt càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi ion càng lớn. - Khả năng trao đổi của lớp nhơm silicat cịn phụ thuộc vào hĩa trị và bán kính cation. Cation hĩa trị thấp dễ trao đổi hơn cation hĩa trị cao theo dãy sau: Me+> Me2+> Me3+ ðối với các cation cùng điện tích, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn cĩ thể sắp xếp theo trật tự sau: 0,96nm Khoảng cách - d PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 11 Li+>Na+>K+>Cu2+>Fe2+>Al3+ Tuy nhiên khả năng trao đổi của nhơm silicat chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích âm bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới. Bề mặt của bentonit gồm bề mặt trong và bề mặt ngồi. - Khả năng trao đổi ion bề mặt ngồi phản ánh kích thước tinh thể, phụ thuộc vào sự đứt gãy liên kết và sự khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn. - Khả năng trao đổi bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trên mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nĩ phụ thuộc vào lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thì khả trao đổi càng lớn. Theo [8], dung lượng trao đổi cation dao động từ 80-150mgđl/100g. Dung lượng trao đổi anion dao động từ 15-40 mgđl/100g. Ngồi ra sự trao đổi ion của bentonit cịn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử hyđro trong các nhĩm hyđroxyl của montmorilonit. Theo [8], trong một số nghiên cứu thì đỉnh của các tứ diện SiO2 hướng ra phía ngồi của lớp cấu trúc. Ở đỉnh này nguyên tử oxi bị thay thế bởi các nhĩm hyđroxyl và các nhĩm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết giữa các lớp và gĩp phần vào sự cân bằng điện tích. Trong cấu trúc của montmorilonit cịn cĩ các nhĩm hydroxyl khác nữa nằm ở đỉnh của các bát diện Al2O3. Trong sáu đỉnh của bát diện cĩ hai đỉnh là nhĩm OH cịn bốn đỉnh kia là oxi được chỉ ra trong hình 1.9 O Si OH OO OH OO Al O Si O O O Al O OO H (I) (II) (III) Hình 1.9. Sự định hướng của các nhĩm OH trong montmorillonit PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 12 Trong đĩ nhĩm hyđroxyl của liên kết Si-OH (I) khơng cĩ khả năng trao đổi hidro. Nhĩm hyđroxyl của liên kết Al-OH (II) cĩ tính axit yếu nên khả năng trao đổi yếu. Nhĩm hyđroxyl trong liên kết Si-O-Al (III) cĩ tính trao trao đổi mạnh nên cĩ tính quyết định đến trao đổi cation H+. I.3.2 Biến tính làm biến đổi cấu trúc lớp của nhơm silicat Khống bentonit tự nhiên chứa nhiều tạp chất như các muối canxi (CaCO3), đolomit (MgCO3), một số oxit như: Fe2O3, FeO, TiO… và các tạp chất khác. Khi dùng các tác nhân hố học (acid, kiềm) để hồ tan các chất cĩ trong khung xốp, loại bớt các kim loại kiềm, kiềm thổ cĩ trong mạng tinh thể tạo thành hệ thống lỗ xốp mới hoặc phá huỷ cấu trúc cũ (hoạt hố bằng kiềm) để hình thành cấu trúc mới xốp hơn. Theo nhiều kết quả nghiên cứu trên bentonit cho biết: - Việc hoạt hố bằng kiềm sẽ mạnh nhất là ở nhiệt độ cao và nĩ dễ làm phá vỡ cấu trúc cũ, do vậy khả năng hấp phụ và xúc tác của bentonit sẽ mất. - Riêng hoạt hố bentonit bằng axit mạnh với nồng độ, nhiệt độ và thời gian thích hợp nĩ sẽ loại bỏ tạp chất trong khung xốp của bentonit nhưng khơng phá vỡ cấu trúc khơng gian của nĩ. Các axit vơ cơ thường được sử dụng để hoạt hố bentonit là axit HCl, H2SO4. Khi được xử lý bằng axit thì sẽ sinh ra những tâm acid. Các cation bù trừ nằm trong lớp cấu trúc bị loại ra và được thay thế bởi ion H+ của axit để trung hồ điện tích âm trên nhơm. Ion H+ định vị trên nhơm nhưng do cĩ độ linh động cao nên nĩ dẽ dàng tác kích vào các liên kết Al-O và Si-O (do bán kính nguyên tử Al lớn hơn bán kính nguyên tử Si) nên một phần liên kết Al-O bị đứt hình thành nên các tâm acid Bronsted và tâm acid Lewis. Quá trình hình thành tâm acid được đưa ra trong hình 1.10. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 13 Hình 1.10. Quá trình tạo tâm acid khi cĩ xử lý acid I.3.3 Tính chất cấu trúc hấp phụ Chính vì bentonit cĩ cấu trúc lớp và độ phân tán cao cho nên cĩ cấu trúc xốp phức tạp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc lỗ xốp cĩ ảnh hưởng rất lớn đến tính hấp phụ của các chất, đặc trưng của nĩ là tính chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ cĩ phân tử nào cĩ đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta sử dụng các điều kiện hoạt hĩa sao cho cĩ thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất. ðây cũng là điểm khác nhau giữa bentonit và chất hấp phụ khác. Do sự dư hĩa trị trên các nguyên tử của các nút tinh thể cho nên bentonit là một chất hấp phụ phân cực và vì vậy nĩ sẽ ưu tiên hấp phụ các chất phân cực. Tuy nhiên bentonit vẫn cĩ khả năng hấp phụ các chất khơng phân cực do lực VandeWalls và tương tác hấp phụ chủ yếu là tương tác cảm ứng. Bề mặt bentonit cĩ diện tích tương đương lớn bao gồm bề mặt ngồi và bề mặt trong. Bề mặt trong bao gồm bề mặt của các lớp nhơm silicat chồng lên nhau và được ngăn cách bằng các cation kim loại đền bù điện tích trên bề mặt lớp bentonit. Bề mặt ngồi được xác định bởi bề mặt của các mao quản chuyển tiếp. Các mao quản này được tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonit và cĩ kích thước khoảng 40-90A0. Diện tích của bề mặt ngồi phụ thuộc vào kích thước của các hạt bentonit, hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngồi càng lớn. Khả năng trao đổi ion lớn cùng với khả năng hấp phụ tốt mà ta cĩ một loại vật liệu xử lý kim loại nặng rất hiệu quả từ bentonit. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 14 I.4 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LOẠI ION Mn2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG BENTONIT BÌNH THUẬN. I.4.1 Cơ chế hấp phụ Các ion kim loại nặng cĩ thể được hấp phụ trên bề mặt bentonit hoặc trong các khe giữa các lớp. Cơ chế hấp phụ cĩ thể bao gồm cả cơ chế hấp phụ vật lý và hấp phụ hĩa học. Bentonit cĩ thể hấp phụ kim loại nặng theo hai cách khác nhau: a. Hấp phụ các cation vào khe giữa các lớp: do bentonit cĩ cấu trúc lớp, lại cĩ thể cĩ sự thay thế các ion Al3+và Si4+ trong mạng lưới của bentonit bằng các ion cĩ điện tích dương bé hơn là do mạng lưới mang điện tích âm, đồng thời trên bề mặt của các lớp cĩ thể cĩ tồn tại các nhĩm OH cĩ khả năng trao đổi ion H+ đối với các cation cĩ mặt trong dung dịch nước. Việc hấp phụ các cation vào trong khe giữa các lớp phụ thuộc vào kích thước của khe trống, kích thước của các cation, bản chất của cation. b. Hấp phụ các cation trên bề mặt của các hạt bentonit: lúc này, các cation cĩ tham gia hình thành các phức chất cầu nội thơng qua nhĩm Si-O và Al-O tại bề mặt của bentonit. Ở đây cĩ cả sự trao đổi ion và hấp phụ bằng lực VandeWalls. Vì vậy dung lượng hấp phụ trong trường hợp này phụ thuộc nhiều vào điện tích bề mặt của bentonit. Cả hai điều kiện hấp phụ trên thực hiện tốt trong mơi trường axit. I.4.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ Hấp phụ là một quá trình tự diễn biến, vì vậy quá trình hấp phụ luơn kèm theo sự giảm năng lượng tự do của hệ, ∆G (∆F) < 0 . Do kết quả của sự định cư trên bề mặt của các phân tử chất bị hấp phụ nên số bậc tự do của chúng giảm và do đĩ entropi của hệ giảm (hệ chuyển tự vơ trật tự sang cĩ trật tự). Theo nhiệt động học thì: - Nếu quá trình đẳng tích:∆F=∆U-T∆S - Nếu quá trình đẳng áp: ∆G =∆H -T∆S PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 15 Hai hàm F và S đều giảm, do đĩ U cũng phải giảm. Do vậy, quá trình hấp phụ luơn toả nhiệt. Hấp phụ xảy ra kèm theo quá trình toả nhiệt nên quá trình hấp phụ xảy ra tốt khi nhiệt độ thấp. Do ion kim loại được sonvat hĩa tốt vì vậy để cho ion kim loại được hấp phụ chúng phải mất một phần lớp vỏ hydrat của chúng. Quá trình đehydrat này địi hỏi năng lượng. Năng lượng của quá trình đehydrat hĩa được cung cấp bởi sự hấp phụ tỏa nhiệt. Sự loại bỏ nước khỏi ion là quá trình thu nhiệt, do giá trị năng lượng tự do oG∆ âm nên sự thu nhiệt của quá trình đesolvat vượt quá nhiệt độ do sự hấp phụ phát ra. I.4.3 Khả năng hấp phụ - ðối tượng bị hấp phụ Do bentonit là vật liệu xốp cĩ cấu trúc lớp, chúng cĩ các điện tích bù trừ trong mạng lưới nên cĩ khả năng hấp phụ các ion kim loại. Khả năng hấp phụ của bentonit phụ thuộc vào điện tích âm bề mặt và lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Bentonit cĩ thể hấp phụ tốt các ion kim loại nặng, khả năng hấp phụ các ion là khác nhau. Nĩ phụ thuộc vào điện tích và bán kính ion. Ion cĩ điện tích cĩ giá trị thấp dễ trao đổi hơn ion cĩ hĩa trị cao. Theo [6] đối với các cation cùng hĩa trị, bán kính càng nhỏ (kể cả vỏ solvat) thì khả năng trao đổi càng lớn cĩ thể sắp xếp theo trật tự sau: Trong dung dịch nước, thứ tự hấp phụ ưu tiên là: - Cation hố trị 1: Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+ - Cation hố trị 2: Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+ - Anion hố trị 1: F-<Cl-<Br-<NO3-<I- I.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng a. Ảnh hưởng của pH pH của dung dịch nước là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hấp phụ của kim loại trên bentonit. Sự hấp phụ của ion kim loại giảm khi pH giảm thấp bởi vì nhĩm Al-O và Si-O được nhận nhiều hơn một proton, vì vậy chúng lưu giữ kim loại kém hơn. Tác động này mạnh đối với Cu, Pb, Cd và kém rõ rệt đối với những kim loại khác. Nhưng nếu pH cao quá nĩ sẽ làm giảm bề mặt điện tích âm trên bề PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 16 mặt đất sét, mà sự hấp phụ xảy ra chủ yếu do sự thu hút ion kim loại của các bề mặt điện tích âm này nhờ lực culong. Khi pH tăng cao quá ( pH>5) dung lượng tích điện âm trên bề mặt của bentonit giảm đi, dẫn đến khả năng hấp phụ kém đi. b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hấp phụ kim loại. Do quá trình hấp phụ là tỏa nhiệt nên khi nhiệt độ tăng thì khơng cĩ lợi cho quá trình hấp phụ, sự hấp phụ thuận lợi khi nhiệt độ thấp, nhưng các ion kim loại trong dung dịch nước bị bao phủ bởi các lớp sonvat, vì vậy để hấp phụ lớp sonvat này phải bị phá vỡ, quá trình phá vỡ này thuận lợi khi nhiệt độ tăng. Như vậy trong quá trình hấp phụ nhiệt độ cĩ ảnh hưởng trái ngược nhau, tăng nhiệt độ thì thuận lợi cho sự phá vỡ lớp sonvat bao bọc ion, làm dễ dàng hơn cho sự hấp phụ ion, nhưng khơng thuận lợi về mặt nhiệt động học của quá trình hấp phụ. Nếu nhiệt độ quá thấp thì quá trình hấp phụ thuận lợi về mặt động học nhưng mà nếu nhiệt độ thấp quá thì lớp sonvat bao bọc kim loại khơng bị phá bỏ nên sự hấp phụ khĩ xảy ra. Cho nên nhiệt độ trong quá trình hấp phụ cần cĩ giá trị thích hợp để cho sự hấp phụ xảy ra tốt nhất. c. Ảnh hưởng của thời gian Thời gian cĩ ảnh hưởng mạnh đến dung lượng hấp phụ của bentonit. Với nồng độ và thể tích ion kim loại, khối lượng của bentonit xác định đến khoảng thời gian nào đĩ dung lượng hấp phụ của bentonit khơng thay đổi. Thời gian đĩ là thời gian đạt cân bằng hấp phụ được thiết lập. d. Ảnh hưởng của kích thước hạt, điều kiện khuấy trộn Sự hấp phụ tăng với sự tăng diện tích bề mặt, tức là diện tích tiếp xúc giữa ion kim loại và chất hấp phụ. Vì vậy để cho sự hấp phụ kim loại đạt kết quả tốt kích thước hạt phải thật nhỏ, mịn. Mặt khác ta biết rằng bentonit là khống sét nĩ cĩ đặc điểm là dẻo và dính nên trong dung dịch nĩ thường bám kết lại với nhau, làm giảm khả năng hấp phụ, vì vậy phải tiến hành khuấy để chúng phân tán đều vào dung dịch nước, làm cho sự tiếp xúc giữa ion kim loại và bentonit tốt hơn. e. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất bị hấp phụ và thể tích dung dịch hấp phụ: m/V PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 17 Tỷ lệ khối lượng chất bị hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của ion kim loại trên bentonit, với mỗi kim loại cĩ một tỷ lệ xác định là tối ưu, phụ thuộc vào nồng độ của kim loại, bản chất chất hấp phụ, nhiệt độ, nồng độ, nồng độ các chất điện ly và thời gian hấp phụ. f. Ảnh hưởng của các chất điện ly trong mơi trường nước Ảnh hưởng của chất điện ly đối với sự hấp phụ của bentonit với các ion khác nhau là khác nhau. Nhưng, nĩi chung nồng độ các chất điện ly trong dung dịch tăng khả năng hấp phụ bị giảm đi. Do sự tạo phức của các chất điện ly với các ion kim loại, sự thủy phân, ảnh hưởng của sự khuếch tán đến ion kim loại. I.5 NHỮNG ỨNG DỤNG CHỦ YẾU CỦA BENTONIT Trên thế giới việc ứng dụng bentonit vào cơng nghiệp là khá đa dạng, phong phú và rất hữu ích I.5.1 Bentonit dùng làm chất hấp phụ Bentonit được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều nghành cơng nghiệp như : - Trong cơng nghiệp lọc dầu lượng bentonit được sử dụng rất lớn bao gồm bentonit tự nhiên và bentonit đã hoạt hĩa. Lượng bentonit tự nhiên tiêu tốn cho quá trình lọc dầu là 25% lượng dầu phải lọc cùng với một lượng bentonit đã hoạt hĩa bằng 10% khối lượng dầu. - Trong cơng nghiệp tinh chế thực vật để sản xuất dầu mỡ, bơ, xà phịng, việc sử dụng bentonit làm chất hấp phụ là ưu việt hơn hẳn phương pháp khác là phương pháp rửa kiềm. Lượng bentonit mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5% so với lượng dầu tinh chế. Ngồi ra phương pháp bentonit cịn cĩ mức hao phí dầu thấp do tránh được phản ứng thủy phân. - Trong cơng nghiệp hĩa than bentonit được sử dụng để tinh chế benzen thơ và các bán sản phẩm khác. - Với tư cách là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, bentonit cịn được sử dụng rộng rãi để sản xuất nhiên liệu lỏng tổng hợp, sản xuất các chất màu sản xuất các vitamin,… PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 18 I.5.2 Bentonit dùng để chế tạo các dung dịch khoan Bentonit cĩ thể tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì vậy cùng với sự phát triển của ngành thăm dị và khai thác dầu, lượng bentonit được sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng, ngày nay ở Mỹ nĩ chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonit của nước này. I.5.3 Bentonit cịn dùng phổ biến làm chất độn, chất màu (trắng) Trong cơng nghiệp sản xuất các vật liệu tổng hợp, một lượng của bentonit được sử dụng trong cơng nghiệp xà phịng, cơng nghiệp sản xuất vải sợi. Việc sử dụng bentonit trong vài thập kỹ gần đây cũng đã làm thay đổi đáng kể ngành cơng nghiệp giấy. Trước kia giấy thường chiếm 55% xenlulo và hàm lượng kaolin trong giấy nguyên chất khơng vượt quá 45%. Nếu trộn thêm 10% bentonit kiềm (cation trao đổi là kim loại kiềm, chủ yếu là Na+) vào kaolin cĩ thể nâng hàm lượng chất độn này lên 60% với 20% bentonit đến 64% và nếu dùng 100% bentonit thì chất độn lên tới 84%, nghĩa là làm giảm hàm lượng xenlulo cần cĩ trong giấy đi ba lần. I.5.4 Trong cơng nghiệp rượu bia Việc sử dụng bentonit hoạt hĩa làm chất hấp phụ đã làm giảm 30-40 chi phí cơng nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang. Bentonit hấp phụ khơng chỉ các axit hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ khơng mong muốn trong quá trình lên men mà cịn cả các ion sắt và đồng tác nhân gây ra bệnh hả rượu. Chất hấp phụ bentonit lại khơng làm mất đi hương vị của rượu. I.5.5 Bentonit trong cơng nghiệp tinh chế nước Ở nhiều vùng chưa cĩ nhà máy nước trên thế giới việc sử dụng bentonit để làm sạch các nguồn nước mặt như nước sơng ngịi, kênh mương và các nguồn giếng khoan cĩ ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bentonit đồng thời làm kết tủa các vẫn đục thay cho việc dùng phèn đắt hơn nhiều lại cĩ khả năng hấp phụ hàng loạt các ion gây độc và một lượng lớn các vi khuẩn, chất hữu cơ cĩ trong nước. Là một chất trao đổi ion cĩ trong tự nhiên. Bentonit cĩ khả năng khử tính cứng của nước với giá thành tương đối rẻ. Khả năng lắng cặn lơ lửng trong nước, đồng thời với tác dụng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 19 trao đổi ion và chất hữu cơ, trong đĩ cĩ các khuẩn gây bệnh tạo ra giá trị đặc biệt của bentonit trong xử lý nước. I.5.6 Một số ứng dụng khác Cũng từ đặc tính của bentonit: tính trương nở mạnh, tính dẻo người ta cịn sử dụng bentonit trong cơng trình thủy lợi, đê điều, mương máng và những cơng sự phịng thủ bằng đất. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao bentonit được làm tác nhân liên kết trong sản xuất đạn và làm khuơn đúc. ðiều đặc biệt bentonit cịn làm phụ gia trong thuốc tiêu hĩa thức ăn cho động vật, với vai trị tăng thời gian lưu trữ thức ăn trong cơ quan tiêu hĩa giúp tiêu hĩa thức ăn và giúp điều tiết axit. Bentonit cịn được sử dụng làm chất chống ẩm bằng cách sấy khơ là do đặc tính hút ẩm cịn lại mà nĩ cĩ ứng dụng này (bentonit cĩ khả năng hút lượng nước gấp 10 lần khối lượng chúng) Theo [8] do những ứng dụng phong phú của bentonit mà trên thế giới người ta cĩ nhu cầu khai thác và sử dụng rất lớn. Năm 1995 lượng sản phẩm từ bentonit được ước lượng tương đối chính xác là 9,8 triệu tấn trong đĩ Mỹ là nước sử dụng bentonit thuần Na nhiều nhất. Các nước khác như Hi Lạp, Thổ Nhĩ Kỳ, ðức cùng với Mỹ tiêu thụ khoảng 84% tổng sản lượng bentonit trên tồn thế giới, trong đĩ Autralia đĩng gĩp một nửa số này. Năm 1985 tổng sản lượng bentonit và sét ước tính khoảng 1452 triệu tấn bentonit và 4445 triệu tấn sét dùng để hồ vải. Giá thành của bentonit vào năm 1997-1998 là khoảng 98USD/tấn sau đĩ do nhu cầu thay đổi hàng năm mà giá bentonit dao động từ 50-250USD/tấn. Ở Việt Nam hiện cĩ các mỏ cĩ lưu trữ lớn như Tam Bố-Di Linh-Lâm ðồng, Thuận Hải – Bình Thuận, ở Gia Quỳ, Long ðất- ðồng Nai. Trong đĩ mỏ Tam Bố - Di Linh- Lâm ðồng được ước tính cĩ trữ lượng lên tới 24.106 m3 và được tiến hành thăm dị tỉ mỉ, bắt đầu khai thác trên quy mơ cơng nghiệp. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 20 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM II.1 DỤNG CỤ- HĨA CHẤT Các dụng cụ và hố chất được sử dụng trong quá trình làm thực nghiệm được lấy từ phịng thí nghiệm của khoa Hố Học trường ðH ðồng Tháp. II.1.1 Dụng cụ - Máy đo quang - Máy khuấy từ - Ống nghiệm, bình cầu, đèn cồn và các thiết bị cần thiết khác trong quá trình tiến hành thí nghiệm. II.1.2 Hĩa chất - Bentonit - Tinh thể mangan sunfat MnSO4.H2O - Axit sunfuric - Tinh thể kali persunfat K2S2O8 - Tinh thể bạc nitrat AgNO3 - Một số hĩa chất khác phục vụ cho nhu cầu phân tích định lượng các ion mangan. II.2. THÀNH PHẦN HĨA HỌC CỦA MẪU QUẶNG SỬ DỤNG ðỂ NGHIÊN CỨU Thành phần Hàm lượng % SiO2 65,5-76,5 Al2O3 6,71-11,81 Fe2O3 1,44-2,27 FeO 0,21-0,75 MgO 1,05-2,13 CaO 3,29-8,32 K2O 0,62-1,92 Na2O 1,35-2,4 Một số khác 10-11,3 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 21 II.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.3.1 Phương pháp trắc quang phân tích mangan Cĩ nhiều phương pháp xác định mangan trong dung dịch, do điều kiện về dụng cụ thí nghiệm và hĩa chất nên tơi chọn phương pháp trắc quang, phương pháp này cho kết quả chính xác cao và tương đối nhanh. Nguyên tắc: Oxi hĩa Mn2+ thành MnO4- theo phản ứng sau: 2+ 2- - 2- + 2 8 2 4 42Mn + S O + 8H O = 2MnO + SO + 1610 H5 (1) Phản ứng xảy ra trong mơi trường axit H2SO4, HNO3. Cĩ chất xúc tác là AgNO3 Theo [2], - 4 2+ 2_ 2 8 2- 4 O MnO Mn O S O SO E =1,51 V E =2,01 V Ta cĩ hằng số cân bằng phản ứng là: 10(5.2,01-2.1,51) 1191,50,059 OK =10 =10 Giá trị k rất lớn, nên xem như phản ứng xảy ra hồn tồn theo chiều tạo ra Mn2+ và rất nhanh, phù hợp với quá trình thực nghiệm. Theo [2], phản ứng (1) làm xuất hiện màu hồng của ion MnO4-. ðộ nhạy vào khoảng 5.10-5 ion-g/l Mn2+. * Xây dựng đường chuẩn Lấy 9 cốc chịu nhiệt loại 50 ml, cho vào mỗi cốc lần lượt các thể tích sau: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50 ml dung dịch chuẩn MnSO4 0,01 mg/l. Thêm vào mỗi cốc 2 ml HNO3 đặc, 2ml AgNO3, cho vào nước lọc 0,5g amonipersunfat, đun sơi đến 10 phút, để nguội cho vào bình định mức 100ml, định mức tới vạch bằng nước cất và đem đo mật độ quang ở bước sĩng 523nmλ = với dung dịch so sánh là nước cất. * Xác định nồng độ của Mn2+ trong mẫu Lấy một thể tích xác định sau cho khi định mức thì nồng độ khơng nằm ngồi đường chuẩn vào cốc chịu nhiệt 100ml, thêm 2 ml HNO3 đặc, 2ml H3PO4 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 22 (1:4), nhỏ từng giọt AgNO3 cho đến khi kết tủa hết Cl-, thêm 1-2ml AgNO3 nữa, để lắng lọc. Thêm 0,5 g amonipersunfat vào nước lọc, đun đến gần sơi khoảng 10 phút, để nguội, cho vào bình định mức 100ml, định mức đến vạch bằng nước cất, đo mật độ quang ở bước sĩng 523nm. Từ kết quả đo mật độ quang kết hợp với đường chuẩn ta xác định hàm lượng Mn2+ cĩ trong mẫu. X = C* 100/V X - hàm lượng mangan ( mg/l ) C - nồng độ sắt tìm từ đường chuẩn V - thể tích mẫu lấy xác định II.3.2 Phương pháp xác định hấp dung của Mn2+ trong dung dịch * Phương pháp xác định hấp dung của Mn2+: Mơ tả thí nghiệm: dung dịch Mn2+ cĩ nồng độ khác nhau nằm trong vùng từ 0,05g/l đến 5g/l được chuẩn bị bằng cách hịa tan MnSO4.H2O trong nước rồi axit hĩa bằng axit đến pH = 4. Cân 2g bentonit cho vào các bình nĩn chứa 50 ml dung dịch chứa Mn2+ với nồng độ khác nhau. ðậy kín bình và cho vào máy khuấy với tốc độ 140 vịng/phút trong thời gian 3h. Sau đĩ lấy ra lọc trên phễu thủy tinh bằng giấy lọc. Các dung dịch đầu và dung dịch lọc tương ứng được đem phân tích trắc quang theo phương pháp nêu trên. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phịng. Lượng ion được hấp phụ bởi bentonit (mg/g) được xác định từ sự chênh lệch nồng độ trước và sau khi hấp phụ. Dung lượng hấp phụ được tính theo cơng thức sau: ( )OC -C .V a = m     Trong đĩ a: là dung lượng hấp phụ bentonit. Co: nồng độ ion kim loại dung dịch đầu. C: nồng độ ion kim loại dung dịch sau khi cân bằng được thiết lập. m: khối lượng bentonit dùng để hấp phụ. V: thể tích dung lượng hấp phụ. Các số liệu thực nghiệm được xử lý theo phương trình đẳng nhiệt Lăng mua PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 23 * Xử lý số liệu hấp phụ đẳng nhiệt theo phương trình Lăng mua Cĩ nhiều phương trình hoặc thực nghiệm hoặc lý thuyết đã được đưa ra để mơ tả sự hấp phụ như phương trình Frenlich, phương trình Lăng mua, phương trình Gip, phương trình Sitkopki. Ở đây tơi chọn phương trình Lăng mua để tính tốn các thơng số vì nĩ đơn giản và phù hợp với số liệu thực nghiệm Phương trình Lăng mua: A=a*b*C/(1+b*C) A: lượng chất bị hấp phụ trên 1g chất hấp phụ a: lượng chất bị hấp phụ cực đại mg/g b: hằng số C: nồng độ lúc cân bằng Dạng đồ thị của phương trình Lăng mua: phương trình Lăng mua cĩ thể viết thành: A= a*C/(C+1/b) - Nếu C<<1/b tức là nồng độ rất nhỏ, A= a*C*b: nghĩa là A tỉ lệ bậc nhất vào C, đường biểu diễn là đường thẳng - Nếu C>>1/b thì A= a: A=a: nghĩa là đại lượng hấp phụ là hằng số, đường biểu diễn là đường thẳng song song với trục hồnh - Vùng nồng độ trung gian thì đường biểu diễn là đường cong. Hình II.1 Hình II.2 ðường hấp phụ đẳng nhiệt Dạng tuyến tính của phương trình Lăng mua ðể tính các thơng số ta viết phương trình dưới dạng khác: a*b*C/A=1+b*C PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 24 C/A=1/b*a+1/a Theo phương trình này C/A phụ thuộc bậc nhất vào C đường biểu diễn cắt trục tung tại M ta cĩ: OM=1/a*b tagα =1/a Từ hai phương trình này ta tính được các thơng số, từ đĩ đánh giá khả năng hấp phụ qua a. Các giá trị hấp dung cực đại ở phần sau tính theo cơng thức này. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 25 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN III.1 XÁC ðỊNH NỒNG ðỘ Mn2+ TRONG DUNG DỊCH - Lập đường chuẩn cho phép xác định Tiến hành thí nghiệm: lấy 9 cốc chịu nhiệt loại 50 ml, cho vào mỗi cốc lần lượt các thể tích sau: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50 ml dung dịch chuẩn MnSO4.H2O 0,01 mg/l. Thêm vào mỗi cốc 2 ml HNO3 đặc, 2ml AgNO3, cho vào nước lọc 0,5g amonipersunfat, đun sơi đến 10 phút, để nguội cho vào bình định mức 100ml, định mức tới vạch bằng nước cất và đem đo mật độ quang ở bước sĩng 523nmλ = với dung dịch so sánh là nước cất. - Kết quả quan hệ mật độ quang D và nồng độ Mn2+ Bảng 3.1: Quan hệ mật độ quang D và nồng độ Mn2+ STT Mn (mg/l) D 1 0.05 0,034 2 0.1 0.037 3 0.25 0.045 4 0.5 0.052 5 1 0.074 6 2 0.121 7 3 0.158 8 4 0.2 9 5 0.233 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 26 Hình 3.1. Sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Mn2+ (g/l) trong dung dịch nước-chưa chuẩn hố Nhận thấy: đồ thị là một đường thẳng, mật độ quang tuân theo định luật Lambe-Bie, sau khi chuẩn hố ta thu được đồ thị và phương trình đường thẳng sau Hình 3.2 Sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Mn2+ (g/l) trong dung dịch nước đã chuẩn hố * Nhận xét: Trong khoảng nồng độ của Mn2+ từ 0,05 đến 5mg/l thì mật độ quang của dung dịch tuân theo định luật Lambe-Bie, như vậy trong quá trình xác định nồng độ của Mn2+ trong dung dịch nước ta cần đưa về khoảng nồng độ trên. III.2 XÁC ðỊNH THỜI GIAN ðẠT CÂN BẰNG HẤP PHỤ Mơ tả thí nghiệm: pha các dung dịch Mn2+ 2g/l .Lấy 9 bình nĩn, cân vào mỗi bình 2g bentonit, cho vào mỗi bình 50 ml dung dịch Mn2+ với nồng độ như trên, đậy kín cho vào máy khuấy với tốc độ 140 vịng/ phút trong thời gian khuấy khác nhau: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4 h sau những khoảng thời gian trên, lấy dung dịch PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 27 ra lọc với giấy lọc và tiến hành xác định nồng độ của dung dịch, hấp dung của bentonit được xác định theo cơng thức: a = (Co – C).V/m Trong đĩ: a là hấp dung của dung dịch ( mg/ml ); Co- nồng độ của dung dịch ban đầu trước khi lắc; C- nồng độ của dung dịch sau khi lắc; m- khối lượng của bentonit Kết quả khảo sát sự phụ thuộc giữa hấp dung của Mn2+ vào thời gian được đưa ra trong bảng 3.2 và hình 3.3. Bảng 3.2. Mối quan hệ giữa mật độ quang và thời gian đạt cân bằng hấp phụ Hình 3.3. ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hấp dung vào thời gian * Nhận xét: - Khi thời gian hấp phụ thay đổi từ 0,5 đến 4 h, lượng Mn2+ trong dung dịch bị hấp phụ biến đổi tỉ lệ thuận theo thời gian. - Hiện tượng thực nghiệm thu được giải thích như sau: Quá trình hấp phụ là phản ứng cân bằng trao đổi ion: Ca2+ (bentonit) + Mn2+aq
Ca2+aq + Mn2+ (bentonit) Thời gian khuấy ( h ) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Nồng độ cân bằng (g/.l) 1.97 1.92 1.824 1.713 1.628 1.567 1.568 1.568 Mn2+ Hấp dung A ( mg/g) 1 2.66 5.86 9.56 12.4 14.43 14.44 14.44 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 28 Sự chênh lệch hĩa thế của các ion ngồi dung dịch và trong các khe xốp trong bentonit là động lực thúc đẩy quá trình trao đổi ion xảy ra. Lúc đầu khi nồng độ Mn2+ trong dung dịch cao, cân bằng chuyển dịch sang phải. ðến một thời gian nào đĩ (3h), khi hĩa thế của các ion Ca2+, Mn2+ trong và ngồi bentonit bằng nhau, phản ứng đạt đến giá trị cân bằng, khi đĩ lượng ion Mn2+ bị hấp phụ là cực đại ở nhiệt độ và thời gian khảo sát. - Ngồi ra các ion Mn2+ cịn bị hấp phụ vật lý trong khe xốp trung hịa điện trên bề mặt bentonit. Quá trình này đơn giản là sự khuếch tán ion từ dung dịch vào trong lỗ xốp chứa nước, lượng ion kim loại cĩ thể khuếch tán vào những lỗ xốp này là một hằng số ở điều kiện nồng độ, nhiệt độ khảo sát. - Vậy thời gian 3h là thời gian tối ưu cho sự hấp phụ của Mn2+ được đưa ra trong bảng 3.2 và hình 3.3 và hình 3.4. III.3. ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG BENTONIT DÙNG ðỂ HẤP PHỤ Tiến hành thí nghiệm: Lấy 6 bình nĩn, cho vào mỗi bình 0,25; 0,5; 1; 2; 3g bentonit sau đĩ cho tiếp 50 ml các dung dịch Mn2+cĩ nồng độ 1g/l. Tiến hành trên máy khuấy từ với tốc độ 140 vịng/phút trong thời gian 3h. Lấy dung dịch ra đem lọc bằng giấy lọc và xác định nồng độ Mn2+ trong dung dịch. Xác định hấp dung của dung dịch theo cơng thức: A = (Co – C ).V/m Kết quả sự phụ thuộc hấp dung vào khối lượng bentonit được đưa ra trong bảng 3.3 và hình 3.4. Bảng 3.3. Kết quả sự phụ thuộc hấp dung vào khối lượng bentonit Khối lượng bentonit (g) 0,25 0,5 1 2 3 Nồng độ cân bằng Mn2+ (g/l) 0.97 0.92 0.706 0.408 0.106 Hấp dung ( mg/g) 6 8 14.7 14.8 14.9 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 29 Hình 3.4. ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hấp dung vào khối lượng bentonit * Nhận xét: - Khi tăng nồng độ bentonit từ 0,25g/50ml thì hấp dung và hiệu suất hấp phụ đều tăng. Nhưng nếu tiếp tục tăng nồng độ bentonit lên nữa thì cả hiệu suất hấp phụ và hấp dung đều khơng tăng do lượng cation trao đổi trong bentonit đã đủ. - Từ đồ thị ta nhận thấy khối lượng bentonit tốt nhất dùng để hấp phụ 50 ml Mn2+ 1g/l là 1g. III.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ðỘ CHẤT BỊ HẤP PHỤ Tiến hành thí nghiệm bằng cách pha những nồng độ của Mn2+ khác nhau: 2;1,5; 1; 0,5; 0,25; 0,1 g/l. Lấy 6 bình nĩn, cho vào mỗi bình 2g bentonit sau đĩ cho tiếp 50ml các dung dịch Mn2+ cĩ nồng độ tương ứng nêu trên. Lắc trên máy khuấy từ với tốc độ 140 vịng/phút trong thời gian 3h. Lấy dung dịch ra đem lọc bằng giấy lọc và xác định nồng độ Mn2+ trong dung dịch. Xác định hấp dung của dung dịch theo cơng thức: A= (Co – C ).V/m. Kết quả mật độ quang do ảnh hưởng của nồng độ chất hấp phụ được đưa ra trong bảng 3.4 và hình 3.5. Bảng 3.4 Sự phụ thuộc của hấp dung A vào nồng độ của dung dịch Mn2+ C0 ( g/l ) 2 1.5 1 0.5 0.25 0.1 C ( g/l ) 0.976 0.981 0.592 0.2219 0.0147 0.004 A ( mg/g) 25,6 25.95 20.4 13.905 9.2 4.8 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 30 Hình 3.5. Mối quan hệ giữa hấp dung và nồng độ dung dịch Mn2+ * Nhận xét: Từ bảng ta nhận thấy rằng đường trao đổi đẳng nhiệt cĩ dạng đường Langmuir: . . (*) 1 . a b CA b C = + Trong đĩ: A là hấp dung. a: lượng chất bị hấp phụ cực đại hay hấp dung cực đại phụ thuộc vào bản chất chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và nhiệt độ b : hằng số C: nồng độ cân bằng Từ cân bằng trao đổi ion: Na+, K+ (bentonit ) + Mn2+aq
Na+, K+ aq + Mn2+ (bentonit) Sự trao đổi ion này phụ thuộc vào bản chất bentonit, nhiệt độ, sự khuếch tán ion kim loại và kích thước lỗ xốp trên bề mặt vật liệu. Ở những điều kiện khảo sát chỉ cĩ nồng độ ion kim loại thay đổi, tương ứng với nồng độ cân bằng hấp phụ thay đổi. Do đĩ: + Với những nồng độ ion kim loại nhỏ ( C nhỏ ) bC<<1 hấp dung tăng tuyến tính theo C đồ thị cĩ dạng đường thẳng, do sự khuếch tán của ion kim loại trong trường hợp này hầu như khơng bị biến đổi. + Khi bC đáng kể so với 1, nồng độ khuếch tán ảnh hưởng lớn đến sự khuếch tán ion kim loại, A tăng theo C cĩ dạng đường cong. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 31 + C lớn, ion lớp sonvat hĩa kim loại lớn, sự khuếch tán ion kim loại vào trong lỗ xốp bị hạn chế. Hơn nữa tổng lượng ion cĩ thể trao đổi khơng vượt quá tổng lượng ion bù trừ trong cấu trúc mạng bentonit. Như vậy, khi C tăng đến một giá trị nào đĩ A sẽ đạt đến một giá trị cực đại. Từ đồ thị ta thấy khi nồng độ của dung dịch Mn2+ 1,5g/l thì hấp dung đạt giá trị cực đại 25,95 mg/g III.5 ẢNH HƯỞNG CỦA pH Mơ tả thí nghiệm: Lấy 5 bình nĩn, cân vào mỗi bình 1g bentonit sau đĩ lần lượt cho vào mỗi bình 50ml dung dịch Mn2+ 1,5 g/l. ðiều chỉnh pH về các mức sau: 2; 3; 4; 5; 6. Sau đĩ cho lắc trên máy khuấy từ với tốc độ 140 vịng/phút trong 3h. Lấy dung dịch ra đem lọc bằng giấy lọc và xác định nồng độ Mn2+ trong dung dịch. Xác định hấp dung của dung dịch theo cơng thức: A = (Co – C ).V/m Kết quả sự phụ thuộc hấp dung vào pH của dung dịch được đưa ra trong bảng 3.5 và hình 3.6. Bảng 3.5. Kết quả sự phụ thuộc hấp dung vào pH pH 2 3 4 5 6 Nồng độ cân bằng hấp phụ ( g/l) 1.09 0.984 0.812 0.876 0.992 Hấp dung mg/g 20. 5 25,8 34.4 31.2 25,4 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 32 Hình 3.7. Mối quan hệ giữa hấp dung và pH Nhận xét: - Khi tăng pH từ 2 đến 4 thì hấp dung tăng nhưng nếu tiếp tục tăng pH từ 4 đến 6 thì giá trị hấp dung giảm - Hấp dung cực đại tại pH = 4 là 35,4mg/g III 6. ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ THỂ TÍCH DUNG DỊCH HẤP PHỤ VÀ KHỐI LƯỢNG BENTONIT : V/m Mơ tả thí nghiệm: Lấy 9 bình nĩn, cân vào mỗi bình 1g bentonit sau đĩ lần lượt cho vào mỗi bình 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 ml dung dịch Mn2+ 1g/l. Sau đĩ cho lắc trên máy khuấy từ với tốc độ 140 vịng/phút trong 3h. Lấy dung dịch ra đem lọc bằng giấy lọc và xác định nồng độ Mn2+ trong dung dịch. Xác định hấp dung của dung dịch theo cơng thức: A= (Co – C ).V/m Kết quả của sự thay đổi hấp dung vào tỷ lệ V/m được đưa ra trong bảng 3.6 và hình 3.7. Bảng 3.6. Sự thay đổi hấp dung A đối với Mn2+ với các tỉ lệ V/m khác nhau. Vl(ml) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ccb(g/l) 0.114 0.475 0.632 0.65 0.715 0.719 0.756 0.771 0.825 A (mg/g) 8.86 10.5 12 13.98 15.4 16.86 18.6 18.3 18.7 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 33 V/m Hình 3.7. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ mg/g trên bentonit vào tỷ lệ V/m. Nhận xét: - Hấp dung của dung dịch tỷ lệ thuận với tỷ lệ V/m - Hấp dung của Mn2+ đạt giá trị cực đại khi tỷ lệ V/m = 70 là - 18,6mg/g. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 34 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua kết quả thực nghiệm tơi rút ra một số kết luận sau: 1. Bentonit Bình Thuận cĩ thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ để tinh chế Mn2+ trong dung dịch nước 2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của bentonit Bình Thuận phụ thuộc vào các yếu tố: thời gian hấp phụ, khối lượng bentonit dùng hấp phụ, nồng độ Mn2+ trong dung dịch, pH của dung dịch, tỷ lệ khối lượng V/m. 3. ðiều kiện tối ưu trong quá trình hấp phụ như sau: o Thời gian khuấy trộn: 3h o Nồng độ bentonit 1g/50ml o pH=4 o Nồng độ Mn2+ trong dung dịch là: 1,5 g/l o Tỷ lệ V/m: 70 o Hấp dung cực đại là: 34,4 (mg/g) 4. Quá trình hấp phụ Mn2+ trên Bentonit tuân theo phương trình đẳng nhiệt của LangMuir. KIẾN NGHỊ Qua quá trình nghiên cứu tác giả thấy vật liệu bentonit cĩ tính chất hấp tốt, đây là một loại vật liệu tiềm năng để cĩ thể nghiên cứu hấp phụ khơng chỉ kim loại Mn2+ mà cịn cĩ thể hấp phụ các kim loại nặng khác và các chất hữu cơ….mà khơng gây ơ nhiễm mơi trường, cĩ nhiều trong tự nhiên. Từ đĩ cĩ thể chế tạo ra loại vật liệu cĩ thể ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt cũng như nước thải cơng nghiệp………. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. ðặng ðình Bạch-Nguyễn Văn Hải (2006), Giáo trình Hố Học Mơi Trường, Nxb Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội. 2. Nguyễn Tinh Dung (2007), Hố Học Phân Tích-Phần II: Các Phản Ứng Ion Trong Dung Dịch Nước, Nxb Giáo Dục. 3. Lê ðức, Trần Khắc Hiệp (2004), Một số phương pháp phân tích mơi trường, NXB ðH Quốc Gia Hà Nội. 4. Lê Tự Hải- Nghiên cứu tách loại Cd2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ bentonit Thuận Hải- Tạp chí Hĩa Học Ứng Dụng số 62, 2007. 5. Hồng Nhâm (1999), Hĩa Học Vơ Cơ tập III, Nxb Giáo Dục, Hà Nội 6. Nguyễn Hữu Phú (2006), Hĩa Lý và Hĩa Keo- NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 7. Nguyễn Hữu Phú (1998), Hấp Phụ và Xúc Tác Trên Bề Mặt Vật Liệu Vơ Cơ Mao Quản, Nxb Khoa Học và Kỹ Thuật. 8. Phạm Trung Tính (2003), Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng (Fe2+, Mn2+ và UO22+ ) trên Bentonit Di Linh- Lâm ðồng đã hoạt hĩa, khĩa luận tốt nghiệp, ðH Quốc Gia Hà Nội, Trường ðH Khoa Học Tự Nhiên. 9. Vương Văn Trường (2004), Khảo sát sự hấp thu các ion Mn2+ và Fe2+ trên Bentonit trong dung dịch nước- khĩa luận tốt nghiệp, ðH Quốc Gia Hà Nội, Trường ðH Khoa Học Tự Nhiên. 10. Nguyến Thị Thu (2002), Hĩa Keo, NXB ðH Sư Phạm Hà Nội 11. ðào ðình Thức (2002), Nguyên tử và Liên Kết Hĩa Học- NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial ::