Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Trêng ®¹i häc vinh
Khoa ho¸ häc
--------o0o--------
xö lÝ bentonit b»ng axit HCl ®Ó t¨ng kh¶
n¨ng hÊp phô ion kim lo¹i cña nã.
Kho¸ luËn tèt nghiÖp ®¹i häc
Chuyªn ngµnh: Ho¸ v« c¬
Ngêi híng dÉn: Ts. NguyÔn hoa Du
Ngêi thùc hiÖn: nguyÔn Lan Anh
Vinh, 2006.
Lêi c¶m ¬n
Víi lßng biÕt ¬n s©u s¾c em xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù híng dÉn, gióp
®ì chØ b¶o tËn t×nh cña thÇy gi¸o híng dÉn TS. NguyÔn Hoa Du.
Em còng xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy c« gi¸o bé m«n Hãa v« c¬,
c¸c thÇy c« vµ c¸n bé khoa Hãa, c¸c anh chÞ häc viªn cao häc, phßng thÝ
nghiÖm chuyªn ®Ò hãa v« c¬, phßng thÝ nghiÖm hãa h÷u c¬, phßng thÝ nghiÖm
1
hãa ph©n tÝch trêng §¹i Häc Vinh cïng toµn thÓ b¹n bÌ gia ®×nh ®· gióp ®ì,
®éng viªn vµ t¹o mäi ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho em hoµn thµnh b¶n luËn v¨n nµy.
Vinh, ngµy 5 th¸ng 5 n¨m 2006
Sinh viªn
NguyÔn Lan Anh
2
Môc lôc
Më ®Çu.
PhÇn 1:Tæng quan.
1.1. Giíi thiÖu vÒ kho¸ng vËt sÐt.
1.2. CÊu tróc vµ ph©n lo¹i ®Êt sÐt.
1.2.1. CÊu tróc.
1.2.2. Ph©n lo¹i.
1.3. Sù thay thÕ vµ sù tÝch ®iÖn trong m¹ng líi cña sÐt.
1.3.1. Sù thay thÕ ion.
1.3.2. Sù tÝch ®iÖn trong m¹ng líi sÐt.
1.4. Mét sè tÝnh chÊt cña kho¸ng sÐt.
1.4.1. TÝnh tr¬ng në.
1.4.2. TÝnh trao ®æi ion.
1.4.3. TÝnh hÊp phô.
1.5. Sù h×nh thµnh t©m axit trong kho¸ng sÐt.
1.6. §Êt sÐt ®îc ho¹t ho¸ b»ng axit.
1.6.1. C¸c ph¬ng ph¸p ho¹t ho¸.
1.6.1.1. Ph¬ng ph¸p ho¹t ho¸ nhiÖt ®é.
1.6.1.2. Ph¬ng ph¸p ho¹t ho¸ ho¸ häc.
1.6.2. BiÕn ®æi thµnh phÇn vµ cÊu tróc cña sÐt khi ho¹t ho¸.
1.6.2.1. Sù biÕn ®æi vÒ thµnh phÇn.
1.6.2.2. Sù biÕn ®æi vÒ cÊu tróc.
1.6.3. §é axit vµ ho¹t tÝnh xóc t¸c cña sÐt ®îc ho¹t ho¸ axit.
1.6.3.1. §é axit.
1.6.3.2. Ho¹t tÝnh xóc t¸c cña sÐt ®îc ho¹t ho¸ axit.
PhÇn 2: Thùc nghiÖm vµ th¶o luËn kÕt qu¶.
2.1. Ho¸ chÊt vµ dông cô.
2.1.1. Ho¸ chÊt.
2.1.2. Dông cô.
2.2. ChuÈn bÞ dung dÞch.
4
6
6
7
7
8
11
11
12
13
13
14
14
15
16
16
16
17
17
17
18
18
18
18
20
20
20
20
20
2.3. Thùc nghiÖm vµ th¶o luËn kÕt qu¶.
21
2.3.1. ChuÈn bÞ nguyªn liÖu bentonit.
21
2.3.2. Kü thuËt thùc nghiÖm.
21
2.3.2.1. Nguyªn t¾c thÝ nghiÖm.
21
2.3.2.2. Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp thô cña bentonit sau khi xö lý. 22
2.3.3. Kh¶o s¸t ®iÒu kiÖn xö lý bentonit b»ng axit.
23
2.3.3.1. ¶nh hëng nång ®é axit
23
2.3.3.2 ¶nh hëng tû lÖ khèi lîng r¾n / láng
25
2.3.3.3. ¶nh hëng cña thêi gian ho¹t ho¸.
26
2.3.4.TÝnh n¨ng hÊp phô cña bentonit sau khi ®îc ho¹t ho¸ b»ng HCl
28
KÕt luËn.
33
Tµi liÖu tham kh¶o.
34
3
Më §Çu
Xö lý ion kim lo¹i trong níc vµ níc th¶i c«ng nghiÖp lµ mét vÊn ®Ò rÊt
quan träng, bëi lÏ c¸c chÊt nµy tuy chiÕm khèi lîng kh«ng nhiÒu nhng hËu
qu¶ ®äc h¹i cña chóng lµ rÊt lín vµ khã gi¶i quyÕt. HiÖn nay ngêi ta ®· sö
dông mét sè ph¬ng ph¸p ®Ó xö lÝ chóng nh ph¬ng ph¸p kÕt tña ho¸ häc, ph¬ng
ph¸p mµng, ph¬ng ph¸p trao ®æi ion. Tuy nhiªn nh÷ng ph¬ng ph¸p nµy thêng
cã gi¸ thµnh cao, kh«ng hiÖu qu¶ vÒ kinh tÕ vµ phøc t¹o vÒ kü thuËt. Trong bèi
c¶nh ®ã, ph¬ng ph¸p hÊp phô lµ mét lùa chän thÝch hîp. Mét sè chÊt hÊp phô
nh: than cñi, than bïn, than ho¹t tÝnh, ®· ®îc sö dông cho môc ®Ých nµy. Trong
sè c¸c vËt liÖu dïng ®Ó xö lÝ m«i trêng nãi chung vµ kim lo¹i nãi riªng th×
Bentonit lµ mét vËt liÖu ®îc dïng nhiÒu. Lîng bentonit ®îc sö dông lµm vËt
liÖu hÊp phô, ®Æc biÖt lµ ®Ó xö lÝ níc vµ níc th¶i chiÕm tû lÖ rÊt cao, v× nã cã
s½n, rÎ tiÒn vµ tÝnh n¨ng hÊp phô tèt. Ngoµi ra bentonit cßn ®îc sö dông ®Ó xö
lÝ níc cã chøa c¸c nguyªn tè phãng x¹, ®Æc biÖt lµ níc th¶i sau qu¸ tr×nh lß
ph¶n øng h¹t nh©n.
ChÝnh v× vËy, víi môc ®Ých nghiªn cøu c¸c kho¸ng tù nhiªn thµnh c¸c chÊt
hÊp phô ®Ó lµm s¹ch níc, chóng t«i ®· chän ®Ò tµi: “Xö lý bentonit b»ng axit
HCl ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng hÊp phô ion kim lo¹i cña nã”.
§Ò tµi sÎ thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô sau:
- Kh¶o s¸t c¸c ®iÒu kiÖn xö lÝ bentonit tù nhiªn b»ng axit HCl.
- X¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp phô cña Bentonit sau khi ho¹t ho¸ vµ tríc khi
ho¹t ho¸.
4
5
PhÇn 1: Tæng quan lý thuyÕt
1.1. Giíi thiÖu vÒ kho¸ng vËt sÐt.
Kho¸ng vËt sÐt lµ mét nhãm c¸c kho¸ng vËt sau:
Kaolinit(Al2O3.2SiO2.2H2O). Montmorillonit hay cßn gäi lµ Bentonit
(Al2O3.4SiO2.nH2O), chóng chiÕm trªn 70% hçn hîp sÐt.
Ngoµi ra trong thµnh phÇn cña kho¸ng sÐt cßn cã c¸c lo¹i t¹p kho¸ng
nh G¬tit(Fe(OH)3), th¹ch anh, trïng th¹ch…vµ mét sè hîp chÊt h÷u c¬ do vi
sinh vËt ph©n hñy. Bªn c¹nh ®ã tÊt c¶ c¸c lo¹i kho¸ng sÐt ®Òu cã chøa nguyªn
tè silic ®ång thêi nh«m , ngoµi ra cßn cã c¸c nguyªn tè Fe, Mg…vµ mét lîng
nhá Na, Ca….
VÒ øng dông cña ®Êt sÐt, chóng cã vai trß quan träng trong nhiÒu lÜnh
vùc nh: s¶n suÊt ®å gèm, xim¨ng, c«ng nghiÖp thùc phÈm, xö lý níc, chÊt xóc
t¸c trong ph¶n øng h÷u c¬, chÕ biÕn dÇu má…
Kho¸ng sÐt chñ yÕu Kaolinit vµ ®îc t¹o nªn do qu¸ tr×nh phong ho¸ cña
phenspat orthoclazo:
2K[AlSi3O8] + 2H2O + CO2 = Al2O3.2SiO2.2H2O + 4SiO2 + K2CO3
§Êt sÐt thêng cã mµu tõ x¸m xanh ( g©y nªn bëi c¸c hîp chÊt h÷u c¬ )
®Õn n©u ( g©y nªn bëi oxid s¾t). Cã lo¹i ®Êt sÐt cã mµu tr¾ng. Mét sè lo¹i ®Êt
sÐt kh¸c cã mµu ®Ëm g©y nªn bëi c¸c oxit cña s¾t vµ mangan, ®îc dïng ®Ó
lµm chÊt mµu v« c¬, vÝ dô nh son ch¼ng h¹n.
Cao lanh tinh khiÕt cã mµu tr¾ng, sê thÊy mÞn. §Êt sÐt dïng ®Ó lµm ®å
gèm kh¸c víi cao lanh ë chç dÎo vµ chøa nhiÒu t¹p chÊt h¬n, khi nhµo trén víi
níc, ®Êt sÐt t¹o thµnh khèi nh·o ®Ô t¹o h×nh vµ h×nh ®îc gi÷ nguyªn sau khi
sÊy kh«. Lo¹i ®Êt sÐt cã nhiÖt ®é nãng ch¶y trªn 1650 0C gäi lµ ®Êt sÐt chÞu
löa.
Níc ta cã má cao lanh ë BÝch Nh«i vµ Tö L¹c ( H¶i D¬ng), má ®Êt sÐt
chÞu löa ë Tróc Th«n (H¶i D¬ng), Thîng C¸t ( Hµ B¾c) vµ Tuyªn Quang.
1.2. CÊu tróc, ph©n lo¹i ®Êt sÐt.
1.2.1. CÊu tróc.
C¸c lo¹i kho¸ng sÐt ®Òu ®îc cÊu t¹o tõ nh÷ng khèi tø diÖn SiO4(h×nh
1.1a) vµ khèi b¸t diÖn MeO6 víi Me lµ c¸c nguyªn tè Al, Mg, Fe (h×nh 1.1b).
6
H×nh 1.1.
(a) §¬n vÞ cÊu tróc tø diÖn
(b) §¬n vÞ cÊu tróc b¸t diÖn
C¸c khèi tø diÖn liªn kÕt thµnh m¹ng tø diÖn qua nguyªn tè oxi theo
kh«ng gian hai chiÒu cña hai nguyªn tè oxi gãp chung n»m trªn mÆt ph¼ng vµ
cßn ®îc gäi lµ oxi ®¸y. C¸c oxi ®¸y liªn kÕt vµ s¾p xÕp víi nhau t¹o nªn mét
“lç” s¸u c¹nh, ë mçi ®Ønh cña s¸u c¹nh nµy lµ mét nguyªn tö oxi vµ ®îc gäi lµ
oxi ë ®Ønh.
H×nh 1.2. M¹ng tø diÖn
H×nh 1.3. Sù s¾p xÕp “lç” s¸u c¹nh cña oxi ®¸y trong m¹ng tø diÖn.
Gièng nh m¹ng tø diÖn , m¹ng b¸t diÖn ®îc t¹o thµnh tõ c¸c b¸t diÖn
qua nguyªn tö oxi theo kh«ng gian hai chiÒu.
7
H×nh 1.4. (a) §¬n vÞ cÊu tróc tø diÖn; (b) §¬n vÞ cÊu tróc b¸t diÖn trong
kh«ng gian cña líp Aluminat vµ silicat.
1.2.2. Ph©n lo¹i.
M¹ng tø diÖn vµ m¹ng b¸t diÖn liªn kÕt nhau qua oxi ë ®Ønh theo nh÷ng
quy luËt trËt tù nhÊt ®Þnh t¹o ra nh÷ng cÊu tróc tinh thÓ kh¸c nhau nh cÊu tróc
1:1; 2:1; 2:1+1.
Trong cïng mét nhãm, kho¸ng sÐt cã thÓ chia thµnh nhãm diocta vµ
triocta.
Ph©n nhãm diocta, trong m¹ng b¸t diÖn cø 3 vÞ trÝ t©m b¸t diÖn th× cã 2
vÞ trÝ chiÕm bëi ion hãa trÞ 3 (Al3+), cßn 1 vÞ trÝ bá trèng.
Ph©n nhãm triocta, trong m¹ng tinh thÓ th× mçi vÞ trÝ t©m b¸t diÖn bÞ
chiÕm bëi ion hãa trÞ 2 (Mg2+).
H×nh 1.5. Liªn kÕt tø diÖn vµ b¸t diÖn qua anion oxi.
Nhãm kho¸ng sÐt 1:1.
Cã cÊu tróc c¬ b¶n gåm mét m¹ng líi tø diÖn liªn kÕt víi mét m¹ng líi
b¸t diÖn.
8
§¹i diÖn cho nhãm nµy lµ nhãm kaolinit, halloyit. Kaolinit cã c«ng thøc
lý tëng lµ {Al2Si2O5(OH)4}.
H×nh 1.6.
(a) CÊu tróc 1:1 triocta
(b) CÊu tróc 1:1 diocta
H×nh 1.7. CÊu tróc kh«ng gian cña kaolinit.
Nhãm kho¸ng sÐt 2:1.
9
Mét líp cÊu tróc gåm mét m¹ng líi b¸t diÖn n»m gi÷a hai m¹ng líi tø
diÖn, gi÷a c¸c líp lµ c¸c lo¹i cation trao ®æi vµ níc hÊp phô.
§¹i diÖn cho nhãm nµy lµ nhãm Montmorillonit, vermiculit.
Montmorillonit
cã
c«ng
thøc
hãa
häc
lý
tëng
lµ
(Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O.
H×nh 1.8.
(a) CÊu tróc 2:1 triocta
(b) CÊu tróc 2:1 diocta
Nhãm kho¸ng sÐt 2:1+1.
Cã cÊu tróc líp gåm bªn ngoµi mét líp cÊu tróc t¬ng tù nhãm 2:1 cßn
thªm mét m¹ng líi b¸t diÖn.
§¹i diÖn cho nhãm nµy lµ nhãm Clorit.
H×nh 1.9. CÊu tróc 2:1+1.
10
H×nh 1.10. CÊu tróc kh«ng gian kho¸ng Clorit.
1.3. Sù thay thÕ vµ sù tÝch ®iÖn trong m¹ng líi cña sÐt.
1.3.1. Sù thay thÕ ion.
TÝnh chÊt cña sÐt phô thuéc rÊt nhiÒu vµo sù thay thÕ ®ång h×nh cña c¸c
cation n»m trong líp cÊu tróc.
- ë líp tø diÖn: ion Si4+ trong mét sè trêng hîp ®îc thay thÕ ®ång h×nh
bëi ion Al3+.
- ë líp b¸t diÖn: ion Mg2+ cã thÓ bÞ thay thÕ bëi nh÷ng ion cã hãa trÞ 2
vµ 1 nh Fe2+, Ni2+, Li+. §èi víi ion Al3+ cã thÓ bÞ thay thÕ bëi nh÷ng ion cã ho¸
trÞ 2 vµ 3 nh Fe3+, Cr3+, Zn2+, Mn2+.
1.3.2. Sù tÝch ®iÖn trong m¹ng líi cña sÐt.
Khi cã sù thay thÕ ®ång h×nh x¶y ra víi nh÷ng ion kh«ng c©n b»ng vÒ
®iÖn tÝch th× trªn c¸c líp tø diÖn vµ b¸t diÖn sÏ xuÊt hiÖn ®iÖn tÝch d¬ng hoÆc
©m.
- NÕu cation thay thÕ vµ cation bÞ thay thÕ cã cïng hãa trÞ th× ®iÖn tÝch
m¹ng líi sÏ trung hßa.
§¹i diÖn cho c¸c lo¹i kho¸ng sÐt nµy lµ talc (2:1), kaolinit (1:1), clorit
(2:1+1). VÝ dô ion Al3+ bÞ thay thÕ bëi ion Fe3+.
11
- NÕu cation thay thÕ cã hãa trÞ thÊp h¬n th× m¹ng líi sÏ mang ®iÖn tÝch
©m.
VÝ dô: Trong Montmorillonit
§iÖn tÝch ©m xuÊt hiÖn ë m¹ng líi b¸t diÖn lµ do sù thay thÕ ®ång h×nh
cña ion Al3+ bëi ion Mg2+ øng víi tØ lÖ Mg:Al =1:(4-5).
§iÖn tÝch ©m xuÊt hiÖn ë m¹ng líi tø diÖn do sù thay thÕ ion Si4+ bëi ion
Al3+ øng víi tØ lÖ Al:Si =1:(15-30).
Tïy thuéc vµo sè lîng vµ cac lo¹i cation thay thÕ mµ m¹ng líi kho¸ng
sÐt mang ®iÖn tÝch ©m cao hay thÊp. §iÖn tÝch ©m trong m¹ng sÏ ®îc bï trõ
bëi c¸c cation n»m gi÷a c¸c líp lµm ¶nh hëng rÊt ®¸ng kÓ ®Õn tÝnh chÊt xóc
t¸c cña kho¸ng sÐt.
1.4. Mét sè tÝnh chÊt cña kho¸ng sÐt.
1.4.1. TÝnh tr¬ng në.
Kho¶ng c¸ch c¬ b¶n gi÷a c¸c líp trong kho¸ng sÐt cã thÓ bÞ thay ®æi,
nã phô thuéc vµo lîng níc liªn kÕt n»m ë kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c líp. ë
®ã tån t¹i c¸c cation vµ nÕu n¨ng lîng solvat hãa ®ñ lín ®Ó th¾ng lùc hót gi÷a
c¸c líp th× kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c líp t¨ng lªn vµ lµm sÐt bÞ tr¬ng në.
Tuy nhiªn tÝnh tr¬ng në cña mçi lo¹i kho¸ng sÐt cã kh¸c nhau vµ nã
phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè:
- Phô thuéc vµo ®Æc ®iÓm vµ nång ®é c¸c cation líp cÊu tróc. Mçi
cation hydrat hãa bëi tõ 3 ®Õn 6 ph©n tö níc. Do vËy lîng níc hÊp phô vµo
gi÷a c¸c líp cã kh¸c nhau vµ kho¶ng c¸ch t¨ng lªn cã kh¸c nhau. Ngoµi ra
nÕu nång ®é cation thÊp th× ®iÖn tÝch cña líp sÏ thÊp vµ sù tr¬ng në sÏ chËm
l¹i.
- Bªn c¹nh ®ã yÕu tè ®é bÒn liªn kÐt gi÷a c¸c líp sÐt còng ¶nh hëng lín
®Õn tÝnh tr¬ng në cña sÐt:
+ Trong Montmorillonit, liªn kÕt gi÷a hai líp sÐt lµ liªn kÕt vanderwaals
yÕu g©y ra bëi d·y –OsiO-, chÝnh v× thÕ níc hay c¸c chÊt láng ph©n cùc kh¸c
dÔ dµng thÊm vßa m¹ng tinh thÓ lµm cho kho¶ng c¸ch gi÷a hai líp sÐt còng dÔ
dµng bÞ gi·n ra. §©y lµ nguyªn nh©n g©y nªn hiÖn tîng tr¬ng në m¹nh rÊt ®Æc
trng cña kho¸ng sÐt Montmorillonit.
+ ë kaolinit, cã sù h×nh thµnh liªn kÕt hidrogen gi÷a c¸c líp lµm m¹ng
tÞnh thÓ cña kaolinit trë nªn ch¸c ch¾n vµ t¬ng ®èi æn ®Þnh nªn kh¶ n¨ng tr¬ng
në kh«ng ®¸ng kÓ.
12
+ Riªng ®èi víi clorit, c¸c líp cña cÊu tróc nèi nhau b»ng lùc hót tÜnh
®iÖn bÒn ch¾c nªn nã ®îc sÕp vµ kho¸ng kh«ng tr¬ng në.
1.4.2. TÝnh trao ®æi ion.
Sù trao ®æi ion cña sÐt víi ion dung dÞch bªn ngoµi chñ yÕu x¶y ra t¹i
líp cÊu tróc. Sù trao ®æi ion ®îc thùc hiÖn hoµn troµn khi cho sÐt ph©n t¸n
trong dung dÞch muèi cã nång ®é thÝch hîp. TÝnh axit cña ®Êt sÐt cã ®îc lµ
nhê vµo sù trao ®æi ion nµy.
Cã hai nguyªn nh©n g©y nªn kh¶ n¨ng trao ®æi:
- Sù xuÊt hiÖn ®iÖn tÝch ©n trong m¹ng líi cÊu tróc sÏ ®îc bï trõ b»ng
c¸c cation trao ®æi. Dung lîng trao ®æi ion phô thuéc vµo sè lîng ®iÖn tÝch ©m
trªn bÒ mÆt. Sè lîng cation cµng lín th× dung lîng trao ®æi cµng lín.
- Trong tinh thÓ cña sÐt tån t¹i c¸c nhãm OH. Nguyªn tö H trong nhãm
nµy trong ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh cã thÓ tham gia ph¶n øng trao ®æi.
Kh¶ n¨ng trao ®æi ion cña sÐt cßn phô thuéc vµo hãa trÞ vµ b¸n kÝnh cña
c¸c cation trao ®æi, c¸c cation cã hãa trÞ nhá dÔ trao ®æi h¬n c¸c cation cã hãa
trÞ lín theo thø tù M+ > M2+ > M3+. §èi víi c¸c cation cã cïng hãa trÞ, b¸n
kÝnh cation cµng nhá th× kh¶ n¨ng trao ®æi ion cµng lín. Kh¶ n¨ng trao ®æi ion
®îc xÕp theo thø tù: Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+.
So víi mét sè sÐt nh kaolinit cã kh¶ n¨ng trao ®æi ion yÕu, clorit khã
trao ®æi ion th× Montmorillonit cã kh¶ n¨ng trao ®æi ion rÊt m¹nh, ë ®ã ®iÖn
tÝch ©m cña m¹ng n»m s©u trong líp cÊu tróc nªn n¨ng lîng liªn kÕt gi÷a c¸c
cation trao ®æi n»m ë gi÷a c¸c líp víi líp líp cÊu tróc cña m¹ng thÊp, c¸c
cation nµy cã thÓ chuyÓn ®éng tù do gi÷a c¸c mÆt ph¼ng tÝch ®iÖn ©m vµ cã
thÓ trao ®æi víi c¸c cation kh¸c.
Nhê cã tÝnh chÊt trao ®æi ion nµy mµ ngêi ta cã thÓ biÕn tÝnh
Montmorillonit ®Ó t¹o ra nh÷ng mÉu cã tÝnh chÊt xóc t¸c, hÊp phô vµ c¸c tÝnh
chÊt hãa lý hoµn toµn kh¸c nhau tïy thuéc vµo môc ®Ých sö dông chóng.
1.4.3. TÝnh hÊp phô.
Sau khi ho¹t hãa, th«ng thêng trªn bÒ mÆt kho¸ng sÐt lu«n xuÊt hiÖn
®ång thêi c¸c tam axit Bronxtet vµ t©m axit Lewis ( trªn Al 3+ trong m¹ng líi
cßn mét obital trèng ), ®Æc biÖt lµ t¹i c¸c cation ph©n cùc hoÆc t¹i nh÷ng
proton ë líp trung gian thÓ hiÖn tÝnh axit Bronxtet kh¸ m¹nh. ChÝnh nh÷ng
nh÷ng t©m nµy lµ n¬i x¶y ra c¸c ph¶n øng vµ còng lµ n¬i cã kh¶ n¨ng hÊp phô
c¸c chÊt ph©n cùc hay c¸c chÊt h÷u c¬.
13
1.5. Sù h×nh thµnh t©m axit trong kho¸ng sÐt .
Nh÷ng t©m axit ®îc sinh ra do qu¸ tr×nh xö lý axit. C¸c cation bï trõ
n»m trong líp cÊu tróc bÞ lo¹i ra vµ ®îc thay thÕ bëi ion H+ cña axit ®Ó trung
hßa ®iÖn tÝch ©m trªn nh«m. Ion H+ ®Þnh vÞ trªn nh«m nhng do cã ®é linh
®éng cao nªn nã dÔ dµng t¸c kÝch vµo c¸c liªn kÕt Al-O vµ Si-O ( do b¸n kÝnh
nguyªn tö Al lín h¬n b¸n kÝnh nguyªn tö cña Si ) nªn mét phÇn liªn kÕt Al-O
bÞ ®øt h×nh thµnh nªn c¸c t©m axit Lewis.
H×nh 1.11 Qu¸ tr×nh h×nh thµnh t©m axit khi cã xö lý axit.
Khi cã qu¸ tr×nh xö lý nhiÖt x¶y ra (kho¶ng 2000C) cã thÓ x¶y ra qu¸
tr×nh ®ehdrat hãa ®Ó h×nh thµnh c¸c t©m axit trÇn trôi.
14
H×nh 1.12: Qóa tr×nh h×nh thµnh t©m axit khi cã sö lý nhiÖt.
1.6. §Êt sÐt ho¹t hãa b»ng axit .
1.6.1 C¸c ph¬ng ph¸p ho¹t hãa.
§Êt sÐt ®îc xö lý lµm chÊt xóc t¸c vµ chÊt mang do cã 2 u ®iÓm lµ: diÖn
tÝch bÒ mÆt lín vµ kh¼ n¨ng trao ®æi ion cao. Tuy nhiªn ë sÐt tù nhiªn c¸c lç
xèp bÞ lÊp ®Çy c¸c t¹p chÊt vµ níc hÊp phô, do vËy viÖc lo¹i bá t¹p chÊt tr¶ l¹i
cÊu tróc kh«ng gian xèp cña sÐt sÏ lµm t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c kh¼ n¨ng hÊp
phô vµ tÝnh tÈy mµu cña sÐt.
§Ó ho¹t hãa c¸c kho¸ng sÐt ngêi ta thêng ¸p dông mét sè ph¬ng ph¸p
sau:
- Ph¬ng ph¸p nhiÖt.
- Ph¬ng ph¸p ho¹t ho¸ hãa häc.
1.6.1.1. Ph¬ng ph¸p ho¹t hãa nhiÖt.
Dùa trªn nguyªn t¾c lµ dïng nhiÖt ®Ó t¸ch níc hÊp phô, ph©n hñy c¸c
t¹p chÊt cã trong khung xèp cña kho¸ng ®Ó lµm t¨ng bÒ mÆt riªng, t¨ng ®é bÒn
c¬ häc nguyªn liÖu cho nhng kh«ng ph¸ hñy cÊu tróc kh«ng gian cña nã. Ho¹t
hãa nhiÖt chØ lµ gian ®o¹n ®Çu cña qu¸ tr×nh ho¹t hãa hãa häc.
15
1.6.1.2. Ph¬ng ph¸p ho¹t hãa hãa häc.
Nguyªn t¾c cña ph¬ng ph¸p nµy lµ dïng c¸c t¸c nh©n ho¸ häc (axit,
kiÒm) ®Ó hßa tan c¸c t¹p chÊt cã trong khung xèp, lo¹i bít c¸c kim lo¹i kiÒm,
kiÒm thæ cã trong m¹ng líi tinh thÓ t¹o thµnh hÖ thèng lç xèp míi hoÆc ph¸
hñy cÊu tróc cò (ho¹t hãa b»ng kiÒm) ®Ó h×nh thµnh cÊu tróc míi xèp h¬n.
Theo nhiÒu kÕt qu¶ nghiªn cøu trªn sÐt cho biÕt:
- ViÖc ho¹t hãa b»ng kiÒm m¹nh nhÊt lµ ë nhiÖt ®é cao vµ nã dÔ lµm
ph¸ vì cÊu tróc cò, do vËy kh¶ n¨ng hÊp phô vµ xóc t¸c cña sÐt sÏ mÊt.
- Riªng ho¹t hãa sÐt b»ng axit m¹nh víi nång ®é, nhiÖt ®é vµ thêi gian
thÝch hîp nã sÏ lo¹i bá t¹p chÊt trong khung xèp cña sÐt nhng kh«ng ph¸ vì
cÊu tróc kh«ng gian cña nã. C¸c axit v« c¬ thêng ®îc sö dông ®Ó ho¹t hãa sÐt
lµ axit HCl, H2SO4.
Còng theo nhiÒu kÕt qu¶ nghiªn cøu th× ho¹t tÝnh xóc t¸c cña sÐt ®¹t gi¸
trÞ cao nhÊt khi 40% - 60% c¸c oxit kim lo¹i trong m¹ng sÐt Al 3+, Mg2+ ®·
chuyÓn ra ngoµi khèi sÐt mµ khung tinh thÓ khãang sÐt vÉn b¶o toµn.
VÒ ®Æc ®iÓm cña ho¹t hãa hãa häc lµ thµnh phÇn vµ tû lÖ c¸c nguyªn tè
trong cÊu tróc tinh thÓ thay ®æi rÊt nhiÒu, còng qua viÖc theo dâi thµnh phÇn
hãa häc nµy cã thÓ gióp ta ®Þnh híng cho viÖc xö lý c¸c chÊt hÊp phô ®¹t ®iÒu
kiÖn c«ng nghÖ tèi u: t¨ng diÖn tÝch bÒ mÆt chÊt hÊp phô, t¹o hÖ thèng lç xèp
theo yªu cÇu vµ gi÷ nguyªn cÊu tróc ban ®Çu cña khung sÐt.
1.6.2. Sù biÕn ®æi thµnh phÇn vµ cÊu tróc kho¸ng sÐt khi ho¹t ho¸.
1.6.2.1. Sù biÕn ®æi vÒ thµnh phÇn.
Trong qu¸ tr×nh ho¹t hãa, c¸c proton H + cña axit sÏ t¸c dông lªn c¸c
cation trao ®æi vµ cation t©m tø diÖn, b¸t diÖn. Tuy nhiªn, tïy tõng ®iÒu kiÖn
ho¹t hãa nh nång ®é axit, nhiÖt ®é, thêi gian ho¹t hãa mµ kh¶ n¨ng t¸c dông
còng nh hiÖn qu¶ t¸c dông cña proton cã kh¸c nhau. Ngoµi ra qua c¸c nghiªn
cøu còng cho thÊy c¸c cation trao ®æi (thêng lµ Na+, K+, Ca2+…).
R.Mok©y cho r»ng khi gho¹t hãa sÐt b»ng axit ë nhiÖt ®é phßng th× hÇu
nh c¸c cation n»m ë vÞ trÞ th« trªn bÒ mÆt nh Ca2+, Mg2+, K+ vµ Na+ bÞ t¸ch ra
khái sÐt nhng kh«ng thÓ t¸ch nh«m ra khái líp trung t©m.
Díi t¸c dông cña axit nãng, nguyªn tö nh«m ë líp trung t©m cã thÓ t¸ch
ra khái líp cÊu tróc vµ cµng t¸ch ra nhanh ë nhiÖt ®é cao vµ víi nång ®é axit
t¨ng dÇn. Riªng phÇn tr¨m khèi lîng cña SiO2 t¨ng dÇn vµ tû lÖ thuËn víi lîng
16
axit ®Õn mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh th× cÊu tróc m¹ng tinh thÓ chuyÓn dÇn sang v«
®Þnh h×nh. Cã nghÜa lµ silic kh«ng hoµn toµn bÞ t¸ch ra khái m¹ng líi kho¸ng
sÐt khi ho¹t hãa axit.
KÕt qu¶ viÖc lo¹i bá c¸c cation kim lo¹i còng nh t¹p chÊt lµm cho sÐt
trë nªn xèp h¬n, do vËy bÒ mÆt thÓ tÝch riªng cña sÐt t¨ng lªn ®¸ng kÓ.
Sù lo¹i ®i c¸c cation trao ®æi vµ nh÷ng cation cÊu tróc trong líp tø diÖn,
b¸t diÖn x¶y ra trong qu¸ tr×nh ho¹t hãa axit phô thuéc vµo ®é m¹nh axit, lîng
axit sö dông, nhiÖt ®é ho¹t hãa vµ thêi gian ho¹t hãa.
1.6.2.2. BiÕn ®æi vÒ cÊu tróc.
1.6.3. §é axit vµ ho¹t tÝnh xóc t¸c cña sÐt ®îc ho¹t hãa axit..
Nh ®· nãi khi thay ®æi c¸c cation ®a vµo thµnh phÇn cña cña sÐt vµ b»ng
sö lý nhiÖt th× cã thÓ thay ®æi ®îc b¶n chÊt cña c¸c trung t©m axit trªn kho¸ng
sÐt. §é axit cña sÐt sau khi ho¹t hãa axit sÏ t¨ng lªn ®¸ng kÓ, nguyªn nh©n lµ
do sù g¾n kÕt c¸c ion Hydro vµo c¸c vÞ trÝ mµ c¸c cation bï trõ ®iÖn tÝch lo¹i
ra trong qu¸ tr×nh t¸c dông cña proton vµo cÊu tróc cña m¹ng sÐt.
Qóa tr×nh di chuyÓn cña c¸c cation b¸t diÖn ra khái m¹ng líi kho¸ng
sÐt díi t¸c dông cña axit ®îc gi¶i thÝch nh sau: cø mét trong hai nguyªn tö
nh«m b¸t diÖn cña tÕ bµo sÐt bÞ lo¹i ra sÏ mang theo hai nhãm hydroxyl,
nguyªn tö nh«m cßn l¹i sÏ chuyÓn tõ cÊu h×nh b¸t diÖn sang cÊu h×nh tø diÖn
víi bãn nguyªn tö oxi cßn l¹i. Cã nghÜa lµ mét nguyªn tö nh«m cã ho¸ trÞ ba
sÏ phèi trÝ víi bèn nguyªn tö oxi, lóc ®ã sÏ g©y ra ®iÖn tÝch ©m cho m¹ng líi,
proton H+ cña axit kÕt hîp vµo ®Î trung hßa ®iÖn tÝch ©m ®ã vµ chÝnh nh÷ng
ion H+ nµy lµ nguån gèc cña ®é axit bÒ mÆt v× vËy mµ g©y ra ho¹t tÝnh xóc t¸c.
Tuy nhiªn ®é axit bÒ mÆt sÏ ®¹t ®Õn mét gi¸ trÞ cùc ®¹i t¹i mét tû lÖ
khèi lîng axit/sÐt nhÊt ®Þnh tïy theo lo¹i kho¸ng sÐt, nhiÖt ®é ho¹t hãa vµ axit
sö dông. nÕu vît qu¸ ®iÒu kiÖn tèi u nµy th× ®é axit bÒ mÆt cña sÐt sÏ gi¶m
xuèng, ®iÒu nµy cã thÓ gi¶i thÝch lµ do c¸c líp trong cÊu tróc cña sÐt bÞ ph¸
hñy dÇn vµ lµm mÊt dÇn ®iÖn tÝch trªn c¸c líp vµ v× thÕ kh¶ n¨ng gi÷ proton H +
cña sÐt gi¶m xuèng dÉn ®Õn gi¶m nhanh ®é axit bÒ mÆt.
C¸c t©m axit h×nh thµnh trªn bÒ mÆt sÐt trong qu¸ tr×nh ho¹t hãa gåm
t©m axit Bronxtet vµ t©m axit Lewis.
Nh vËy sù chÕ ho¸ sÐt b»ng axit lµm t¨ng diÖn tÝch bÒ mÆt, thÓ tÝch lç
xèp vµ ®ång thêi lµm t¨ng c¸c t©m xóc t¸c. Do vËy ngêi ta cã thÓ ®iÒu chØnh
cÊu tróc cña m¹ng ®Êt sÐt cho tõng lo¹i ph¶n øng xóc t¸c cô thÓ b»ng c¸ch
17
chän nång ®é axit vµ nhiÖt ®é ho¹t hãa tèi u sao cho ph¶n øng ®¹t ®îc hiÖu
suÊt mong muèn.
PhÇn 2: Thùc nghiÖm vµ th¶o luËn kÕt qu¶.
2.1. Ho¸ chÊt vµ dông cô.
2.1.1. Ho¸ chÊt.
- Axit HCl ®Ëm ®Æc 36,7% (PA).
- Axit sunfosalixilic (PA).
- Muèi Fe2(S04)3.8H20 (PA) – Liªn X«.
- Na2h2Y.2H2O (PA).
2.1.2. Dông cô.
- Pipet.
- M¸y l¾c.
- Buret.
- B×nh tam gi¸c.
- Gi¸ ®ì.
- PhÓu thuû tinh.
- Tñ sÊy.
- Cèc thuû tinh.
- GiÊy läc.
- Lß nung.
2.2. ChuÈn bÞ dung dÞch.
18
- C¸c dung dÞch HCl víi nång ®é t¬ng øng 10%, 15%, 20%,
25% ®îc pha tõ dung dÞch HCl ®Ëm ®Æc 36,7% dùa vµo tû khèi d cña nã (d
cña HCl 36,7 % = 1,188).
+ Dung dÞch HCl 10%( d=1,05): §Ó chuÈn bÞ 500 ml axit HCl 10% cÇn
pha 113ml dung dÞch HCl 36,7 % vµo 387 ml níc.
+ Dung dÞch HCl 15%(d=1.075): §Ó chuÈn bÞ 500 ml axit HCl 15% cÇn
pha 170 ml dung dÞch HCl 36,7 % vµo 330 ml níc.
+ Dung dÞch HCl 20%(d=1,1): §Ó chuÈn bÞ 500 ml axit HCl 20% cÇn
pha 226ml dung dÞch HCl 36,7 % vµo 274 ml níc.
+ Dung dÞch HCl 25%(d=1,125): §Ó chuÈn bÞ 500 ml axit HCl 25% cÇn
pha 283ml dung dÞch HCl 36,7 % vµo 217 ml níc.
+ Dung dÞch EDTA 0,01M: Cho 10g EDTA vµo 100 ml níc. Sau ®ã
thªm rîu etylic cho ®Õn khi ngõng t¸ch kÕt tña, läc lÊy kÕt tña, röa kÕt tña
b»ng rîu etylic, ete. SÊy kh« kÕt tña trong kh«ng khÝ 12 giê råi cho vµo tñ sÊy
ë nhiÖt ®é 80 0C tíi träng lîng kh«ng ®æi, ®Ó nguéi trong b×nh hót Èm. Ta cã
khèi lîng cña nã M=372,24 dvc.
C©n chÝnh x¸c 1,861 g EDTA thu ®îc cho vµo b×nh ®Þnh møc 500ml
pha níc cÊt tíi v¹ch thu ®îc dung dÞch EDTA 0,01 M.
- Dung dÞch Fe3+: C©n chÝnh x¸c 8,634g Fe2(SO4)3 .8H2O, hoµ tan vµo níc cã 10ml H2SO4 ®Ëm ®Æc. Sau ®ã chuyÓn vµo b×nh ®Þnh møc 1000ml, cho níc cÊt tíi v¹ch ta ®îc dung dÞch Fe3+0,1mg/ml.
- Dung dÞch ®Öm ®îc pha chÕ b»ng c¸ch cho 0,3 g glycocol vµo 40ml
dung dÞch H2SO4 20%, ta ®îc dung dÞch ®Öm cã pH=2-3.
2.3. Thùc nghiÖm vµ th¶o luËn kÕt qu¶.
2.3.1. ChuÈn bÞ nguyªn liÖu Bentonit.
§Êt sÐt ®îc lÊy t¹i : C«ng ty g¹ch èp l¸t Trung §«.
NhËn d¹ng bªn ngoµi: ®Êt sÐt cã mµu tr¾ng s¸ng, c¸c h¹t ®Êt mÞn, Ýt bôi bÈn vµ
Ýt c¸t, khi cho vµo níc ®Êt sÐt nhuyÔn vµ dÎo.
Xö lý s¬ bé ®Êt sÐt: Kho¸ng sÐt ®îc sÊy kh«, nghiÒn mÞn, khuÊy trong
níc b»ng m¸y khuÊy tõ. G¹n bá phÇn bôi bÈn ë trªn vµ lãp c¸t ë díi. Dung
dÞch huyÒn phï ®îc ®Ó l¾ng trong 24 giê, g¹n läc kÕt tña sÊy kh«, nghiÒn mÞn
®îc bét bentonit.
2.3.2.Kü thuËt thùc nghiÖm.
2.3.2.1. Nguyªn t¾c thÝ nghiÖm.
19
§Ó kh¶o s¸t ¶nh hëng cña mét yÕu tè nµo ®ã ®Õn hiÖu qu¶ xö lÝ
Bentonit, chóng t«i thùc hiÖn thÝ nghiÖm víi mét lo¹t mÉu, trong ®ã yÕu tè
kh¶o s¸t ®îc biÕn thiªn, c¸c yÕu tè kh¸c ®îc gi÷ kh«ng ®æi vµ nh nhau ë c¸c
mÉu.
Sau khi thùc hiÖn qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ bentonit b»ng axit th× tiÕn hµnh
thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp thô ion Fe 3+ , tõ ®ã ®¸nh gi¸ ®îc hiÖu qu¶
xö lÝ Bentonit.
2.3.2.2. Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp phô cña Bentonit sau
khi xö lÝ.
- LÊy bentonit sau khi ®îc ho¹t ho¸ b»ng axit cho t¸c dông víi dung dÞch
s¾t(III) theo tû lÖ nh sau: 20g bentonit ho¹t ho¸ axit trong 100ml dung dÞch
Fe3+. L¾c hçn hîp dung dÞch s¾t – bentonit trong 3 giê ®ång hå, nh»m môc
®Ých: Cô thÓ ë ®©y lµ ion Fe3+ ®i vµo trong cÊu tróc cña ®Êt sÐt thay thÕ ion Al 3+
vµ Mg2+.
- Läc dung dÞch sau khi l¾c, lÊy phÇn níc läc chuÈn ®é b»ng EDTA víi
chÊt chØ thÞ axit sunfosalixilic. Cho hai giät axit sunfosalixilic vµo dung dÞch
cÇn chuÈnth× dung dÞch chuyÓn sang mµu ®á. §iÒu kiÖn chuÈn ®é ë pH=2-3.
Nhá tõ tõ tõng giät EDTA vµo cho tíi khi mÊt mµu ®á th× dõng chuÈn ®é.
- LÊy vµo 3 b×nh tam gi¸c mçi b×nh 5ml níc läc ®Ó chuÈn ®é.
- ¸p dông ph¬ng tr×nh chuÈn ®é:
CFe.VFe = CEDTA .VEDTA
- Ta tÝnh ®îc nång ®é s¾t khi cha hÊp phô vµ sau khi ®· hÊp phô.
CFe =CEDTA.VEDTA/VFe = 0,01.VEDTA/5 (ml)
- Nång ®é s¾t ban ®Çu lµ:
C0(Fe) =
7,3.0,01
5
= 0,0146 M
- Lîng ion kim lo¹i s¾t ®îc hÊp phô bëi bentonit ®îc x¸c ®Þnh tõ sù chªnh
lÖch nång ®é tríc vµ sau hÊp phô. Dung lîng hÊp phô ®îc tÝnh theo c«ng thøc
sau:
a = (Co - C). V (mol/g)
m
- Trong ®ã: a lµ dung lîng hÊp phô cña bentonit (mol/g), C0 lµ nång
®é ion Fe3+ trong dung dÞch ®Çu (mol/l), C lµ nång ®é ion Fe 3+ khi
c©n b»ng ®îc thiÕt lËp (mol/l), m lµ khèi lîng bentonit dïng ®Ó hÊp
phô(g), V lµ thÓ tÝch dung dÞch ion kim lo¹i ®· dïng (l).
20
- Xem thêm -