Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Xử lí bentonit bằng axit hcl để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó...

Tài liệu Xử lí bentonit bằng axit hcl để tăng khả năng hấp phụ ion kim loại của nó

.DOC
30
204
96

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan

Tài liệu vừa đăng