BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------------
NGUYỄN ĐĂNG THỦY
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LÀM GIÀU BENTONIT
CỔ ĐỊNH - THANH HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TUYỂN THỦY CYCLON VÀ SỬ DỤNG SẢN PHẨM
TRONG LĨNH VỰC BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG
Chuyên nghành:
Mã số:
Hóa Vô Cơ
60.44.25.
LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. THÂN VĂN LIÊN
HÀ NỘI - 2008
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, em đã
nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo, bàn bè và người thân.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến thầy giáo TS.
Thân Văn Liên, người thầy luôn động viên, giúp đỡ, hướng dẫn em ngay từ
những ngày đầu làm luận văn cao học cho đến khi hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Trung tâm Công Nghệ Xử lý
quặng - Viện Công Nghệ - Xạ hiếm, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam,
quý thầy cô giáo thuộc Khoa Sau Đại Học, Khoa Hóa Học – Trường Đại Học
1.3. Khả năng biến tính của montmorillonite.....................................14
1.3.1. Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhômsilicat.................14
1.3.2. Biến tính làm biến đổi cấu trúc lớp nhôm silicat.....................16
1.4. Sự hấp phụ của các ion kim loại nặng từ môi trường nước của
bentonite................................................................................................16
1.4.1. Cơ chế hấp phụ..........................................................................16
1.4.2. Khả năng hấp phụ......................................................................17
1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại
nặng.......................................................................................................17
1.4.3.1. Ảnh hưởng của pH.................................................................17
1.4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ.........................................................18
1.4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian.......................................................18
1.4.3.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt bentonite và điều kiện khuấy
trộn........................................................................................................19
1.4.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ bentonite/dung dịch (tỷ lệ R/L)...........19
1.4.3.6. Ảnh hưởng của các chất điện li trong môi trường nước.......19
1.5. Những ứng dụng của bentonite....................................................19
1.5.1. Bentonite làm chất hấp phụ......................................................19
1.5.2. Bentonite dùng để chế tạo dung dịch khoan............................20
1.5.3. Bentonite dùng làm chất độn, chất màu...................................20
1.5.4. Bentonite dùng trong công nghiệp rượu, bia............................21
1.5.5. Bentonite dùng trong công nghệ tinh chế nước.......................21
1.5.6. Ứng dụng Bentonite trong ngành năng lượng nguyên tử........21
1.5.7. Trong nanoclays........................................................................22
1.5.8. Ứng dụng trong xử lý chất thải.................................................22
1.5.9. Một số ứng dụng khác của Bentonite.......................................22
Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU23
2.1. Thực nghiệm.................................................................................23
3.1.4. Khả năng trương nở của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa......45
3.1.5. Tính dẻo của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa........................45
3.2. Kết quả nghiên cứu làm giàu bentonite Cổ Định – Thanh hóa. .46
3.2.1. Làm giàu bằng phương pháp tuyển thủy cyclone....................46
3.2.1.1. Cơ sở của phương pháp.........................................................46
3.2.1.2. Sơ đồ công nghệ tuyển thủy cyclon đối với Bentonite Cổ
Định – Thanh Hóa................................................................................48
3.2.2. Hoạt hóa bentonite Cổ Định – Thanh Hóa bằng tác nhân
Na2CO3................................................................................................52
3.2.3. Nghiên cứu sự phân bố của montmorillonite trong các cấp hạt
khác nhau..............................................................................................56
3.3. Kết quả nghiên cứu sự hấp phụ của bentonite............................57
3.3.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ.................................58
3.3.2. Kết quả nghiên cứu sự hấp hấp phụ của bentonite tự nhiên và
bentonite đã được hoạt hóa với kim loại nÆng vµ nguyªn tè phãng x¹
urani......................................................................................................59
3.3.2.1. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe2+, Mn2+, và UO22+ trên
bentonit tự nhiên (ký hiệu mẫuA) và trên bentonit đã hoạt hóa ( ký
hiệu mẫu B). Mẫu này được hoạt hóa bởi Na2CO3 % thời gian 60 phút
...............................................................................................................59
3.3.2.1.1. Hấp phụ ion Fe2+ trên bentonit tự nhiên và trên bentonit đã
hoạt hóa.................................................................................................59
3.3.2.1.2. Hấp phụ ion Mn2+ trên bentonit tự nhiên và trên bentonit đã
hoạt hóa.................................................................................................62
3.3.3.1.3. Hấp phụ ion UO22+ trên bentonit tự nhiên và bentonit đã
hoạt hóa.................................................................................................64
3.3.4. Hấp phụ đồng thời các ion sắt và mangan của bentonit..........69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................70
MB
Methylene
Xanh metylen
XRD
X – ray diffraction
Nhiễu xạ tia X
Sw
Bentonite Wyoming (USA)
DTA
Differential thermal analysis
Phân tích nhiệt vi
phân
DTG
Differential thermogravimetry analysis
Phân tích trọng
lượng nhiệt vi phân
Hình 2.3 Máy đo trắc quang.................................................................31
Bảng 2.2: Mối liên hệ mật độ quang D và nồng độ Fe2+...................31
Hình2.4: Đường chuẩn Fe....................................................................32
Bảng 2.3. Quan hệ giưa mật độ quang D và nồng độ Mn2+..............33
Hình2.5: Đường chuẩn Mn..................................................................34
Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Uran...........35
Hình2.6: Đường chuẩn U.....................................................................36
Hình 2.7: Máy xác đinh độ ẩm của mẫu..............................................37
Hình 2.8: Đường đẳng nhiệt Lăng mua...............................................39
Bảng3.1. Thành phần cấp hạt của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa.. 41
Bảng3. 2.Thành phần cấp hạt của bentonite........................................41
(Phân tích bằng phương pháp Pipet – bộ môn vật lý đất ViênTNNH).
...............................................................................................................41
Bảng 3.3. Quan hệ giữa thành phần cấp hạt với các tính....................42
chất lý hóa học liên quan.....................................................................42
Bảng3.4. Độ ẩm và hàm lượng montmorillonite.................................42
trong các mẫu bentonite......................................................................42
Bảng 3.5.Thành phần khoáng vật của bentonite.................................42
Cổ Định – Thanh Hóa..........................................................................43
Bảng3.6. Thành phần hóa học bentonite Cổ Định – Thanh Hóa........43
Bảng 3.7. Một số tính chất khác của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa
...............................................................................................................44
Bảng 3.8. Bảng phân loại tính dẻo của đất..........................................46
Hình 3.1: Máy tuyển thủy cyclon........................................................48
Hình3.2 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite nguyên khai.....49
Hình3.3: Sơ đồ công nghệ làm giầu Bentonite bằng phương pháp
tuyển thủy cyclon.................................................................................50
Hình3.4 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite qua tuyển.........51
Hình 3.13: Đường đẳng nhiệt hấp thụ Mn...........................................63
Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm hấp phụ UO22+ trên bentonite.........64
Hình 3.14: Đường đẳng nhiệt hấp thu Uran dang Langmua và dạng xử
lý............................................................................................................65
Bảng 3.17: Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Fe2+, Mn2+, UO22+ trên bentonit tự nhiên (A).................................66
Hình 3.15: Các đường đẳng nhiệt trao đổi ion trên bentonit tự nhiên67
Bảng 3.18: Số liệu thực nghiệm về đường đẳng nhiệt trao đổi ion
Fe2+, Mn2+, UO22+ trên bentonit đã hoạt hóa (B)...........................67
Hình 3.16:. Các đường đẳng nhiệt trao đổi ion trên bentonit đã hoạt
hóa.........................................................................................................68
Bảng 3.19: Hàm lượng Fe và Mn sử lý...............................................69
Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1: Thành phần nguyên tố cơ bản của sét ( không kể Si)..........4
Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét...............................................5
Hình 1.2: Mạng tứ diện..........................................................................5
Hình 1.3: Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện..........5
Hình 1.4: Mạng cấu trúc bát diện..........................................................6
Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét...........................................6
Hình 1.6: Mẫu bentonite a. Mẫu bentonite tinh đã được nghiền sơ bộ,
b. Mẫu nguyên khai................................................................................8
Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể sét montmorillonite theo Alexandre và
Dubois (2000).......................................................................................11
Hình 1.8: Cấu trúc của MMT 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
Bảng 3.7. Một số tính chất khác của bentonite Cổ Định – Thanh Hóa
...............................................................................................................44
Bảng 3.8. Bảng phân loại tính dẻo của đất..........................................46
Hình 3.1: Máy tuyển thủy cyclon........................................................48
Hình3.2 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite nguyên khai.....49
Hình3.3: Sơ đồ công nghệ làm giầu Bentonite bằng phương pháp
tuyển thủy cyclon.................................................................................50
Hình3.4 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite qua tuyển.........51
Bảng 3.9: Tỷ lệ thu hồi bentonite tinh qua máy tuyển thủy cyclon....51
Hình3.5: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ thu hồi, hàm lượng
montmorillonite....................................................................................52
Bảng 3.10: Hàm lượng MMT thu được khi hoạt hóa.........................53
Hình3.6: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc giữa hàm lượng
montmorillonite và hàm lượng dung dịch Na2CO3............................54
Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M1)........................................................................................................55
Hình3.8 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M2)........................................................................................................55
Hình3.9 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
M3)........................................................................................................55
Hoạt hóa bentonite Cổ Định bằng tinh thể Na2CO3..........................55
Hình3.10 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite đã hoạt hóa(mẫu
A2)........................................................................................................56
Bảng 3.11: Hàm lượng bentonite lọt qua các loại dây........................56
Bảng 3.12: Độ ẩm và hàm lượng MMT lọt qua các dây....................56
Hình3.11: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ thu hồi hàm lượng57
montmorillonite và cỡ dây..................................................................57
Bảng 3.13. Mối liên hệ giữa nồng độ trong dung dịch lọc và thời gian
tế như: khoan thăm dò khoáng sản, đặc biệt là công nghiệp dầu khí dùng để pha
chế dung dịch khoan và công nghệ chế biến dầu mỏ; để chế tạo các vật liệu tẩy
trắng, để chế tạo các vật liệu hấp phụ dùng cho mục đích xử lý môi trường, dùng
làm sạch dầu thực vật và một số chế phẩm h÷u cơ, dùng làm vật liệu lắng gạn,
dùng trong công nghiệp chế tạo chất xúc tác, trong ngành giấy, cao su, trong
ngành đúc luyện kim và gần đây là ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu nano
composit v.v...
Theo số liệu của tổng cục mỏ địa chất, ở Việt Nam có một số mỏ bentonite
với trữ lượng tương đối lớn đã được phát hiện, thăm dò và khai thác, đó là mỏ
bentonite kiềm Bình Thuận với trữ lượng dự kiến khoảng 150 triệu tấn; bentonite
Di Linh - Lâm Đồng với trữ lượng khoảng 20 triệu tấn; bentonite Phú Yên với
trữ lượng ước tính khoảng 20 đến 30 triệu tấn; bentonite Cổ Định - Thanh Hóa
với trữ lượng ước tính khoảng 30 đế 40 triệu tấn. Tuy vậy thị trường tiêu thụ và
phạm vi ứng dụng của bentonite Việt Nam ở trong nước cũng như phôc vụ xuất
khẩu lại rất hạn chế. Công tác nghiên cứu về công nghệ khai thác và chế biến các
loại sản phẩm bentonite trong nước còn ở mức độ thấp, lý do có thể do những
nguyên nhân sau: Thứ nhất, nhu cầu thùc tại của nền công nghiệp nội địa về
bentonite chưa lớn, ngành công nghiệp khai thác khoáng nước ta chưa thật phát
triển. Thứ hai, đối với bentonite, khai thác và chế biến thô th× không khó lắm,
nhưng chế biến tinh là cả một vấn đề, đòi hỏi phải đầu tư lớn về quy mô, đủ hiện
1
đại về mặt công nghệ, đảm bảo có thể sản xuất các sản phẩm thỏa mãn các yêu
cầu cụ thể của từng ngành công nghiệp và từng lĩnh vực áp dụng. Tuy nhiên là
một nước có tiềm năng về bentonite, có nhu cầu gia tăng về các loại sản phẩm
của nó, thì cần thiết phải có nhiều nghiên cứu về bentonite Việt Nam hơn nữa.
Trong các lĩnh vực ứng dụng của bentonite thì ứng dụng để xử lý môi
trường là một trong những lĩnh vực được quan tâm nhiều. Trong việc bảo vệ môi
trường, bảo vệ sinh thái thì việc xử lý chất thải, chất độc làm giảm hàm lượng
- Làm giàu, làm sạch bentonite Cổ Định – Thanh Hóa bằng phương pháp tuyển
thủy xyclone để nâng cao hàm lượng montmorillonite.
- Hoạt hóa bentonite Cổ Định – Thanh Hóa bằng Na2CO3.
- Thö nghiÖm sản phẩm để hấp phụ nước có nhiểm sắt, mangan và urani.
Luận văn gồm có các nội dung sau:
-
Mở đầu.
-
Chương 1: Tổng quan.
-
Chương 2: Thùc nghiÖm và phương pháp nghiên cứu.
-
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
-
Kết luận và hướng phát triển.
-
Tài liệu tham khảo.
3
Glauconit
Nontronit
Fe3+
Celadonit
Saponit
Mg, Al
Clorit
Vermiculit
Mg, Fe2+, Al, (ít Fe3+)
Berthierin
Nguyên tố có nhiều
trong thành phần
K, Al, (ít Fe, Mg)
K, Fe3+, Fe2+
K, Fe2+, Mg, Fe3+, Al
Mg, Al, Fe
Fe2+, Al3+, (ít Mg)
Kaolinit (7,2Å)
a) Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4
b) Đơn vị cấu trúc bát diện MeO6
Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét
Hình 1.2: Mạng tứ diện
Hình 1.3: Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện
Tương tự như mạng tứ diện, mạng bát diện được tạo thành từ các bát diện
qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều.
5
Hình 1.4: Mạng cấu trúc bát diện
Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua các oxi đỉnh theo
những quy luật trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc tinh thể
khác nhau: Cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1 và cấu trúc 2:1 + 1.
a) Cấu trúc 1:1 triocta
b) Cấu trúc 1:1 diocta
c) Cấu trúc 2:1 triocta
d) Cấu trúc 2:1 diocta
7
(a)
(b)
Hình 1.6: Mẫu bentonite a. Mẫu bentonite tinh đã được nghiền sơ bộ, b. Mẫu nguyên khai.
1.2.1. Thành phần hóa học của bentonite
Bentonite là một nguồn khoáng vật sét phân tán rộng rãi và hàm lượng lớn
trong tự nhiên. Chính vì bentonite quan trọng trong công nghiệp, nên chúng
được sử dụng với số lượng lớn, trong cả giá trị lẫn số lượng sản xuất hàng năm,
bentonite là một trong số khoáng chất được khai thác nhiều trên thế giới .
Bentonite là nguồn khoáng sét thiên nhiên, được cấu tạo chủ yếu từ
khoáng vật sét thuộc nhóm smectic. Thành phần chính của bentonite là
montmorillonite (MMT), ngoài ra còn có một số khoáng chất khác như: quartz,
cristobate, feldspar, calcite, halite, zeolite, mica, kaoline,… đôi khi người ta còn
gọi khoáng bentonite là khoáng montmorillonite. Công thức đơn giản nhất của
montmorillonite là: Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nữa tế bào đơn vị cấu trúc. Công
thức lý tưởng của montmorillonite là: Si 8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc.
Tuy nhiên, thành phần hóa học của montmorillonite luôn khác nhau với thành
phần biểu diễn theo lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại
như: Al3+, Fe2+, Mg2+,…với silic trong tứ diện.
8
Như vậy thành phần hóa học của montmorillonite với sự có mặt của Si, Al
là
beidilite
{[Si3,67Al0,33]Al2O10(OH)2.nH2O.M0,33. M = Na, K hoặc Ca}, nontronite
{[Si3,67Al0,33]Fe2O10(OH)2.M0,33.
M
=
Na,
K
hoặc
Ca}
và
saponite
{[Si3,67Al0,33]Mg3O10(OH)2.M0,33. M = Na, K hoặc Ca} trong đó chỗ tứ diện có sự
thay thế đồng hình.
Cấu trúc tinh thể MMT được chỉ ra trong hình 1.7 mạng tinh thể của
MMT gồm có lớp hai chiều trong đó lớp Al2O3 (hoặc MgO) bát diện nằm ở trung
tâm giữa hai lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi của
lớp tứ diện cũng thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí
với bốn nguyên tử oxi định vị ở 4 góc của tứ diện. Nguyên tử Al hoặc Mg trong
Copyright: Tài liệu đại học ©