ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
––––––––––––***––––––––––––

VŨ LÊ SONG THƯƠNG

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG KHOÁNG BENTONIT TRONG XỬ
LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
––––––––––––***––––––––––––

Vũ Lê Song Thương

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG KHOÁNG BENTONIT TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM

Chuyên ngành: Kĩ thuật môi trường
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


Hà Nội, 27 tháng 12 năm 2015
Học viên

Vũ Lê Song Thương


MỤC LỤC
Chương 1 – TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về bentonit .......................................................................................3
1.1.1. Cấu tạo ........................................................................................................3
1.1.2. Tính chất của bentonit ................................................................................7
1.1.3. Các phương pháp tinh chế và biến tính bentonit ......................................14
1.1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bentonit ...............................................21
1.2.Tổng quan về nước thải dệt nhuộm .................................................................24
1.2.1. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và tác động ..............................................24
1.2.2. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ..........................................28
Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU...........................34
2.1. Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................34
2.1.1. Bentonit thuộc mỏ Tam Bố ......................................................................34
2.1.2. Loại thuốc nhuộm được sử dụng ..............................................................35
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................37
2.2.1. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm ....................................................................37
2.2.2. Phương pháp tinh chế bentonit bằng ngâm, lắng gạn tự nhiên ................37
2.2.3. Phương pháp biến tính và hoạt hóa bentonit ............................................39
2.2.4. Các phương pháp phân tích khoáng bentonit Tam Bố .............................41
2.2.5. Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và hình thái của vật liệu hấp phụ.............54
2.2.6. Khả năng hấp phụ của bentonit với nước thải dệt nhuộm........................55
Chương 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................58
3.1.Thành phần hoá học: ........................................................................................58
3.2. Thành phần khoáng vật:..................................................................................60

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét ....................................................................3
Hình 1.2. Mạng tứ diện ...............................................................................................4
Hình 1.3. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện ................................4
Hình 1.4. Mạng cấu trúc bát diện ................................................................................4
Hình 1.5. Các loại cấu trúc của khoáng sét .................................................................5
Hình 1.6. Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc của Montmorillonit .........................6
Hình 1.7. Cấu trúc của montmorillonit .....................................................................11
Hình 1.8. Sự phân tách các hạt Na–montmorillonit trong nước ...............................20
Hình 2.1. Cấu tạo của phân tử xanh metylen………………..……………………..36
Hình 2.2. Mương dẫn nước thải của làng liên tục đổi màu trong ngày vì hóa chất..37
Hình 2.3. Cốc đựng dung dịch huyền phù bentonit………………………………..38
Hình 2.4.Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir..............................................................52
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf……………….………………………….52
Hình 2.6. Đường hấp phụ đẳng nhiệt……………………………..………………….53
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của lgA vào lgCn Frendlich………………….…………..53
Hình 2.8. Sơ đồ thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua…………………………….........55
Hình 3.1.Đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ nitơ của mẫu TN5/2 và BT 6 (trục "X"
– áp suất tương đối P/Po, trong đó P – áp suất đo, Po – áp suất bão hòa, trục "Y" –
lượng khí hấp thụ bởi một gram vật liệu hấp phụ)…………………………………64
Hình 3.2. Tương quan giữa chỉ số CEC và thành phần MMT trong mẫu bentonit
Lâm Đồng………………………………………………………………………….68
Hình 3.3.Đường chuẩn trắc quang hấp phụ xanh metylen. .......................................69
Hình 3.4.Thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế. ......70
Hình 3.5. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen theo nhiệt độ .........................................71
Hình 3.6. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH ..............72
Hình 3.7.Đồ thị tìm các hằng số trong phương trình Langmuir ...............................73


Hình 3.8. Đường hấp phụ đẳng nhiệt xanh metylen trên bentonit tinh chế theo thực nghiệm.

Hình 3.27. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh metylen trên bentonit–H .............95
Hình 3.28. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen theo nhiệt độ của bentonit B–H20. .....97
Hình 3.29. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH. ...........98
Hình 3.30. Đồ thị tìm các hằng số trong phương trình Langmuir. ...........................99
Hình 3.31. Đồ thị tìm hằng số trong phương trình Frendlich .................................100
Hình 3.32. Đường hấp phụ đẳng nhiệt xanh metylen trên bentonit B–H20 theo thực
nghiệm. ....................................................................................................................101
Hình 3.33. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho quá trình hấp phụ xanh
metylen trên bentonit B–H20. .................................................................................102
Hình 3.34. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich cho quá trình hấp phụ xanh
metylen trên bentonit B–H20 ..................................................................................102
Hình 3.35. Đường chuẩn của phương pháp COD ...................................................104
Hình 3.36. Giá trị COD của nước thải khi cho bentonit tinh chế ...........................105
Hình 3.37. Giá trị COD của nước thải khi cho bentonit biến tính H2SO4 ..............106
Hình 3.38. Giá trị COD của nước thải khi cho bentonit biến tính Na2CO3 ............107


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Các thông số đặc trưng của bentonit – Ca và bentonit – Na được biến tính
bằng H2SO4 ...............................................................................................................18
Bảng 1.2. Một số lĩnh vực sử dụng bentonit (ở Mỹ, Nga) ........................................22
Bảng 1.3.Tổn thất thuốc nhuộm khi nhuộm các loại xơ sợi[23]...............................25
Bảng 1.4 Nồng độ thuốc nhuộm trong nước sông là kết quả của thuốc nhuộm thải
loại bởi công nghiệp dệt nhuộm ................................................................................26
Bảng 1. 5. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nước thải ngành dệt – nhuộm ............27
Bảng 2.1. Chất lượng nước thải do các hộ dệt nhuộm thải ra ...................................36
Bảng 2.2. Thể tích và % thể tích của từng khu vực lắng gạn....................................39
Bảng 3.1. Danh sách mẫu thu thập .................................................................................... 58
Bảng 3.2. Thành phần hoá học của mẫu sét bentonit Tam Bố..................................59
Bảng 3. 3. Thành phần hóa học một số mẫu khoáng sét bentonit Việt Nam ............59

H2SO4 ........................................................................................................................92
Bảng 3.26. Kết quả hấp phụ Nitơ của một số mẫu bentonite ...................................93
Bảng 3.27. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit–H theo thời gian ...........95
Bảng 3.28. Hàm lượng MMT và diện tích bề mặt của bentonit ...............................95
Bảng 3.29. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit–H tại các nhiệt độ xác
định. ..........................................................................................................................96
Bảng 3.30. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH............98
Bảng 3.31. Bảng khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ xanh metylen của bentonit B–H20 tại
nhiệt độ 250C .............................................................................................................99
Bảng 3.32. Khảo sát sự phụ thuộc của q vào nồng độ xanh metylen cân bằng
(C)theo phương trình đẳng nhiệt đã tìm được .........................................................101
Bảng 3.33. Bảng pha dung dịch chuẩn COD và độ hấp thụ ở 600 nm ...................103
Bảng 3.34. Với bentonit tinh chế ............................................................................105
Bảng 3.35. Với bentonit biến tính H2SO4 ...............................................................106
Bảng 3.36. Với bentonit biến tính Na2CO3 .............................................................107


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Bentonit – Ca: bentonit canxi (bentonit kiềm thổ)
Bentonit – Na : bentonit kiềm
BT: bentonit tinh chế
B –H : bentonit biến tính axit
B – H10, B – H20, B – H30: bentonit biến tính bằng axit H2SO4 10, 20, 30%
B –Na2CO3 : bentonit hoạt hóa Na2CO3
CEC: dung lượng trao đổi cation (Cation – exchange capacity)
MMT,mont : montmorillonite
MB: xanh metylen
meq: mili đương lượng
mđl : mili đương lượng
SEM : hiển vi điện tử quét

con người và môi trường, hệ sinh thái. Đã có nhiều đề tài nghiên cứu trên trong và
ngoài nước nhằm đưa ra các công nghệ thích hợp xử lý nước thải nhuộm trong đó

1


tập trung loại bỏ thành phần gây màu là các loại thuốc nhuộm. Việc tìm kiếm các
vật liệu hấp phụ mới trên cơ sở sử dụng các tài nguyên hiện có ở Việt Nam nhằm xử
lý ô nhiễm môi trường nước là nhiêm vụ cần thiết và cấp bách. Với ý tưởng sử dụng
nguồn tài nguyên bentonit phong phú, sẵn có, rẻ tiền để điều chế các vật liệu biến
tính có khả năng hấp phụ chất màu trong nước, tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận
văn là : “ Nghiên cứu, ứng dụng khoáng bentonit cho xử lý nước thải dệt
nhuộm”
Mục tiêu nghiên cứu:
Xác định tính chất, đặc điểm của bentonit tự nhiên và biến tính và khả năng
hấp phụ màu ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm.
Nội dung nghiên cứu:
Tổng quan về bentonit và nước thải dệt nhuộm.
Phương pháp biến tính bentonit.
Khả năng hấp phụ của bentonit tinh chế và biến tính đối với xanh metylen và
nước thải dệt nhuộm.

2


Chương 1 – TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
1.1.1. Cấu tạo
Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên mà thành phần chính là
montmorillonit có công thức hóa học tổng quát Al2O3.4SiO2.nH2O, và thêm một số


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 [24].

4


a) Cấu trúc 1:1 triocta

b) Cấu trúc 1:1 diocta

c) Cấu trúc 2:1 triocta

d) Cấu trúc 2:1 diocta

e) Cấu trúc 2:1+1
Hình 1.5. Các loại cấu trúc của khoáng sét
Nhóm khoáng sét 1:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới tứ diện liên
kết với một mạng lưới bát diện. Đại diện cho nhóm này là kaolinit, … (hình 5a, 5b).
Nhóm khoáng sét 2:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới bát diện nằm
giữa hai mạng lưới tứ diện. Đại diện cho nhóm này là montmorillonit, vermiculite,
… (hình 5c, 5d).
Nhóm khoáng sét 2:1+1, cấu trúc lớp cơ bản gồm ngoài một lớp cấu trúc
tương tự nhóm 2:1, còn thêm một mạng lưới bát diện (hình 5e). Đại diện cho nhóm
này là clorit.

5


ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới của mont xuất hiện chủ yếu ở mạng
bát diện do sự thay thế đồng hình của ion Al3+ bằng ion Mg2+ ứng với tỉ lệ Mg : Al ~
1 : ( 4 – 5 ). Điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế ion Si4+ bởi ion Al3+ ứng với
tỉ lệ Al : Si ~ 1 : (15 – 30 ). Vì vậy điện tích âm của mạng phân bố sâu trong lớp cấu
trúc mà không nằm ở bề mặt ngoài của lớp cấu trúc nên năng lượng liên kết của các
cation trao đổi nằm ở giữa các lớp. Với các lớp cấu trúc mạng thấp, các cation có
thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng điện tích âm và có thể trao đổi với các
cation khác tạo ra khả năng biến tính mont. Lượng cation trao đổi của mont. dao
động trong khoảng 0,7 – 1,2 mdlg/g. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng
không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng theo hướng trục c.
Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được gọi là khoảng cách
cơ bản có thể thay đổi từ 10 A0 trong mont đehydrat hoàn toàn đến ~ 20 A0 tùy
thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp. khoảng cách
này có thể tăng đến ~ 30 A0 khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân
cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome, các polyme vô cơ, các phân tử hữu
cơ…[14, 24, 46].
1.1.2. Tính chất của bentonit
1.1.2.1. Tính chất lý – hóa của bentonit
Bentonit là khoáng sét kết mềm hình thành từ quá trình phong hoá tro núi
lửa, tương đối mền và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần
của Fe trong cấu trúc khoáng. Tính chất đặc trưng của bentonit là khả năng tạo

7


thành huyền phù khi tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15
lần so với khối lượng sét khô và khả năng trao đổi cation cao.
Sự thay thế Si4+ bằng các cation có hoá trị thấp hơn làm cho lớp sét mang
điện tích âm trên bề mặt các lớp sét, điện tích này được cân bằng bởi một số cation
khác như K+, Na+, Mg2+, Ca2+ định vị trong khoảng không gian giữa lớp. Các cation

Diện tích bề mặt kết hợp với bề mặt cơ bản của đơn vị TOT mở rộng được gọi là bề
mặt lớp xen giữa (interlayer surface) khi nó tương ứng với các lớp sắp xếp liên tiếp
hoặc là bề mặt ngoài khi nó tương ứng với bề mặt cơ bản bên ngoài của tinh thể. Diện
tích bề mặt trong và diện tích bề mặt ngoài chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của
MMT. Mặt khác, cấu trúc tuần hoàn của tinh thể MMT bị gián đoạn ở các cạnh, nơi
mà điện tích đền bù của chúng phá vỡ bởi phân tử nước và proton hấp phụ [49]. Do
sự gián đoạn này, điện tích bề mặt phụ thuộc vào pH và khả năng phản ứng với các
cation, anion và phân tử trung hoà (hữu cơ, vô cơ) tạo thành các liên kết hoá học.
1.1.2.2. Dung lượng cation trao đổi.
Khả năng trao đổi cation là một đặc tính quan trọng của bentonit. Dung
lượng cation trao đổi biểu thị khả năng của montmorilonit – khoáng vật chính nằm
trong thành phần bentonit, hấp phụ nước và các ion trao đổi. Số lượng tổng ion trao
đổi được xác định bằng tổng số các ion mang điện tích dương (Na+, K+, Ca2+, Mg2+
và có thể cả Fe2+ và Fe3+) trên bề mặt tập ô mạng cơ sở montmorilonit. Số lượng
điện tích có ảnh hưởng lớn đến đại lượng này và về phần mình nó phụ thuộc vào
một loạt các yếu tố:
1– Đại lượng điện tích của tập có thể tăng do sự thay thế Si4+ bởi Al3+. Phản ứng
này xảy ra trong lớp tứ diện của tập có công thức [AlxSi4– xO10].
2– Sự thay đổi đại lượng điện tích do thay thế không đủ bù trừ cation Al3+ và
Fe3+ bởi cation Mg2+ trong lớp bát diện của tập.
3– Đặc điểm cấu trúc các lớp của ô mạng cơ sở cũng ảnh hưởng đến đại lượng
điện tích. Điện tích bổ sung có thể xuất hiện khi một phần các tứ diện bị xoay 1800
sao cho đỉnh của các tứ diện với oxy dạng vòng lại xoay vào phía trong của lớp nằm
giữa các tập cơ sở. Quá trình bù trừ điện tích này có thể xảy ra do sự tham gia bổ
sung của cation vào cấu trúc khoáng vật.
4– Đại lượng điện tích của các khoáng vật sét còn có thể liên quan mật thiết với
độ phân tán của chúng. Trên bề mặt các hạt sét thường tồn tại các điện tích “bề mặt”
chưa được bù trừ. Do đó việc xay nhỏ các tập hợp hạt sét đến một kích cỡ xác định
có thể làm tăng khả năng hấp phụ của sét montmorilonit.


 Nước liên kết hấp phụ, về cơ bản chỉ có lớp phân tử;
 Nước liên kết hóa học ở dạng ion hydroxyl trong hydrat và tinh thể hydrate.

10


Số lượng và tính chất của nước bị ràng buộc trong đất sét phụ thuộc vào đặc
điểm cấu trúc của hóa tinh thể của khoáng sét, lý hóa và điều kiện nhiệt động lực
học.Nhóm khoáng vật smectite bao gồm: montmorillonit, beidelite, nontronite và
vài khoáng vật ít phổ biến khác. Khoáng vật nhóm smectite có cấu trúc mạng tinh
thể nhiều lớp đặc trưng (hình.1.7). Ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp. Hai lớp ngoài (lớp
dưới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si) O4 và được gọi là lớp tứ diện. Giữa
chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát
diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện [SiO4]– và nhóm hydroxyt [OH]–.
Bình thường các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị ba hoặc ba cation
hoá trị hai.
Trong trường hợp đầu thì gọi là lấp đầy hai mặt tám (dioctaedr), trường hợp
sau là ba mặt tám (trioctaedr). Ba lớp cấu tạo thành một tập mang điện tích âm do
sự thay thế các nguyên tố hoá trị ba (Al, Fe) trong lớp giữa octaedr bằng các nguyên
tố hoá trị hai (Mg, Fe) hoặc Si hoá trị bốn bằng Al hoá trị ba trong lớp tứ diện. Điện
tích âm trên bề mặt của mỗi tập còn có thể có được do các phản ứng thay thế chẳng
những trong lớp bát diện mà còn trong các lớp tứ diện và còn do các nguyên nhân
khác nữa.

Hình 1.7. Cấu trúc của montmorillonit

11


Do bề mặt của các tập mang điện tích âm, trên bề mặt chúng có thể phân bố


lên bề mặt pha rắn. Lớp phân tử này bám chặt lên bề mặt của pha rắn do lực phân tử
Van der Waals, hoặc do bão hòa các hóa trị tự do của bề mặt pha rắn. Lực Van der
Waals gọi là hấp phụ lý học; lực bám do bão hòa các hóa trị tự do là hấp phụ hóa
học, thực chất là phản ứng bề mặt và tạo ra các liên kết rất chắc.
Hấp phụ là sự “bám dính” của các nguyên tử, ion, hoặc phân tử từ một chất
khí, chất lỏng trên bề mặt vật liệu. Quá trình này tạo ra một lớp màng của chất bị
hấp phụ (adsorbate) trên bề mặt của chất hấp phụ. Sự hấp thụ là quá trình tập trung
vật chất lên bề mặt phân cách pha , trong khi giải hấp là quá trình đảo ngược của
hấp phụ. Hấp phụ là kết quả tác động của năng lượng bề mặt. Nếu việc hấp dẫn các
phân tự bị hấp phụ lên bề mặt chất rắn có bản chất vật lý thì gọi là hấp phụ vật lý
(physisorption). Thường lực hấp dẫn trong hấp phụ vật lý là lực Val der Waals, là
lực yếu và quá trình hấp phụ có thể bị giải hấp. Trong trường hợp khi lực hấp phụ
chính là lực hóa học thì quá trình hấp phụ gọi là quá trình hấp phụ hóa học
(chemisorption), lực hấp phụ hóa học thường lớn (liên kết đồng hóa trị, liên kết ion
…. ) và quá trình giải hấp phụ thường khó xảy ra. Hấp phụ cũng có thể xảy ra do
lực hút tĩnh điện. Trao đổi ion là loại hấp phụ hóa học thuận nghịch trong đó các ion
có trong dung dịch có thể trao đổi với các ion cùng điện tích nằm trong bề mặt của
chất hấp phụ.
Hấp phụ hiện diện trong nhiều hiện tượng vật lý, sinh học và hóa học trong
tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Từ "hấp phụ"
được đặt ra vào năm 1881 bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Kayser (1853– 1940).
Các vật liệu hấp phụ có thể là vật liệu có trong tự nhiên hoặc vật liệu tổng hợp nhân
tạo.
Montmorillonit có một bề mặt riêng khá lớn và sự di chuyển dễ dàng của các
ion trong không gian giữa các lớp, tạo nên khả năng trao đổi cation đáng kể (80 –
150 mmolđl/100g). Các phân tử có cực được hấp phụ cả hai bề mặt ngoài và trong,
các phân tử không phân cực chỉ hấp phụ ở bề mặt ngoài.

13