Tiểu Luận ứng dụng phương pháp trao đổi cation trong nghiên cứu chất hấp phụ chứa zeolit

Đề tài: ứng dụng phương pháp trao đổi cation trong nghiên cứu chất hấp phụ chứa zeolit

MỞ ĐẦU

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển và yêu cầu của con người ngày càng cao, th́ việc nghiên cứu t́m ra các vật liệu mới có khả năng ứng dụng rộng răi, mang lại hiệu quả kinh tế cao luôn được ưu tiên hàng đầu. V́ thế trong khoảng nửa thế kỷ gần đây, một loại vật liệu vô cơ đă được tổng hợp, đó là Zeolit.
Zeolit là các aluminosilicat tinh thể. Chúng thuộc họ vật liệu vi mao quản, có kích thước đồng đều, có bề mặt riêng và dung lượng trao đổi cation lớn, khả năng hấp phụ tốt, hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc cao, lại rất bền cơ bền nhiệt, đặc biệt là có thể tái sinh. Do vậy, các zeolit được ứng dụng rộng răi trong nhiều ngành công nghiệp, trong công nghiệp lọc-hoá dầu, tổng hợp hữu cơ, bảo vệ môi trường và nuôi trồng thuỷ hải sản.
Nhu cầu sử dụng Zeolit với số lượng ngày càng lớn cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp nói trên, đặt ra thách thức phải có những phương pháp sản xuất Zeolit với giá thành sản phẩm thấp hơn so với giá thành của các Zeolit ngoại nhập mà chất lượng không thua kém .
Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về nguồn khoáng sét tự nhiên, đặc biệt là các mỏ diatomit và cao lanh. Do đó sẽ là một lợi thế to lớn nếu tổng hợp thành công zeolit trên cơ sở nguồn khoáng vật trong nước, mà nguồn nguyên liệu này hầu như mới chỉ được sử dụng làm vật liệu xây dựng, nguyên liệu sản xuất gốm sứ, chất độn cho công nghiệp sản xuất giấy, sơn, cao su.
Hiện nay, nguồn nguyên liệu sản xuất zeolit đi từ diatomit và cao lanh đă được một số tác giả nghiên cứu, xong chưa xác định được điều kiện tối ưu cho quá tŕnh tổng hợp, trong bản đồ án này sẽ góp phần nghiên cứu phương pháp tổng hợp sản phẩm chứa zeolit Y từ diatomit và cao lanh. Đồng thời nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu tổng hợp được vào xử lư nước ô nhiễm.


CHƯƠNG I - TỔNG QUAN TÀI LIỆU.

I.1. Giới thiệu chung về khoáng sét tự nhiên.
I.1.1. Khái lược chung về khoáng sét tự nhiên.
Khoáng sét là loại khoáng vật có trong tự nhiên, với trữ lượng khá lớn thường tập trung thành từng mỏ. Các khoáng vật sét được tạo thành do kết quả của các quá tŕnh phong hoá, biến đổi hoá học.
Khoáng sét được h́nh thành từ các tứ diện oxyt silic sắp xếp thành mạng h́nh lục giác, liên kết với các mạng bát diện. Hạt sét có kích thước rất nhỏ, khi tác dụng với nước tạo thành vật liệu dẻo . Cách phân loại khoáng sét thường được sử dụng là dựa vào cấu trúc và thành phần hoá học .
Theo đó khoáng sét được chia ra :
- Khoáng sét vô định h́nh, tiêu biểu là nhóm allophan.
- Khoáng sét tinh thể bao gồm :
+ Loại 2 lớp : gồm một lớp tứ diện Si-O và một lớp bát diện Al- O, thuộc nhóm này có kaolinit, nacrit, dickit, halloysit.
+ Loại 3 lớp : thành phần cấu trúc gồm hai lớp tứ diện Si- O và phân bố giữa chúng là lớp diocta hoặc triocta, thuộc nhóm này có monmorilonit, sauconit, vemiculit, nontronit, saponit, illit.
+ Loại hỗn hợp lớp đều đặn, nh­ clorit.
+ Loại cấu trúc mạch, nh­ attapulgit, sepolit.
I.1.2. Thành phần và cấu trúc của khoáng sét tự nhiên.
I.1.2.1. Thành phần của khoáng sét tự nhiên.
Trong thành phần khoáng sét đều chứa các nguyên tố silic (Si) và nhôm (Al), nhưng hàm lượng Al Ưt hơn Si. Ngoài ra c̣n có các nguyên tố khác nh­ sắt (Fe), Magie (Mg), Kali (K), Natri (Na), Canxi (Ca) v.v . Tùy theo hàm lượng của chúng có mặt trong khoáng sét mà phân biệt các loại khoáng sét khác nhau (Bảng I.1) .
Thông thường, để nhận biết nhanh từng loại khoáng sét, người ta thường dựa vào sự có mặt của các nguyên tố Al, Fe, Mg (không kể Si) trong thành phần của nó .

[TABLE="width: 640, align: center"]
[TR]
[TD]
Tên khoáng sét

[/TD]
[TD]Nguyên tố có nhiều trong thành phần
[/TD]
[TD]Tên khoáng sét
[/TD]
[TD]Nguyên tố có nhiều trong thành phần
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Beidelit
Montmorilonit
Nontronit
Saponit
Vermiculit
[/TD]
[TD]Al
Al (Mg, Fe[SUP]2+[/SUP] Ưt )
Fe[SUP]3+[/SUP]
Mg, Al
Mg, Fe[SUP]2+[/SUP], Al (Fe[SUP]3+[/SUP] Ưt)
[/TD]
[TD]Kaolinit, haloysit
Sepiolit palygorskit
Ilit
Chlorit
Talc
[/TD]
[TD]Al
Mg, Al
K, Al (Fe, Mg Ưt)
Mg, Fe[SUP]2+[/SUP], Al
Mg , Fe , Al
Mg, Fe[SUP]2+[/SUP]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Bảng I.1. Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa theo
thành phần 3 nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si).
I.1.2.2. Cấu trúc của khoáng sét tự nhiên.
Khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp hai chiều. Các lớp trong cấu trúc của khoáng sét được h́nh thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản. Đơn vị thứ nhất là tứ diện SiO[SUB]4[/SUB], chúng liên kết với nhau thành mạng lưới tứ diện (H́nh 1) và đơn vị thứ hai là bát diện MeO[SUB]6[/SUB] (Me: Al, Fe, Mg, .), chúng liên kết với nhau thành mạng lưới bát diện (H́nh 2).






a) : Oxy; b) : Silic
H́nh 1. Đơn vị cấu trúc tứ diện (a) và mạng lưới cấu trúc tứ diện (b).
Các đơn vị cấu trúc cơ bản cùng loại liên kết với nhau qua nguyên tử oxy theo không gian hai chiều.

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]





a) : Hydroxyl ; b) : Me = Al, Fe, Mg, .
H́nh 2. Đơn vị cấu trúc bát diện (a) và mạng lưới cấu trúc bát diện (b).
Mạng lưới bát diện và mạng lưới tứ diện lại liên kết với nhau qua oxy đỉnh chung theo những quy luật trật tự nhất định, tạo ra những khoáng sét có cấu trúc khác nhau : cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1 và cấu trúc 2:1+1 . Trong nhóm khoáng sét 1:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện, chẳng hạn nh­ kaolinit, haloysit (H́nh 3a ,3b). Trong nhóm khoáng sét 2:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới bát diện nằm giữa hai mạng lưới tứ diện, chẳng hạn nh­montmorilonit, vermiculit (H́nh 3c, 3d). Đối với nhóm khoáng sét 2:1+1 th́ ngoài cấu trúc tương tự như nhóm 2:1 c̣n có thêm một mạng lưới bát diện, tiêu biểu là clorit (H́nh 3e).
Trong cùng một nhóm, khoáng sét lại được chia thành phân nhóm diocta hoặc triocta. ở dạng diocta, trong mạng lưới bát diện cứ ba vị trí tâm bát diện th́ có hai vị trí bị chiếm giữ bởi cation hóa trị ba, c̣n một vị trí bỏ trống (H́nh 3b, 3d), c̣n ở dạng triocta th́ mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi một cation hóa trị hai (H́nh 3a, 3c, 3e).



Mg

a) Cấu trúc 1:1 triocta b) Cấu trúc 1:1 điocta



c) Cấu trúc 2:1 triocta d) Cấu trúc 2:1 điocta




e) Cấu trúc 2:1+1
H́nh 3. Các loại cấu trúc cơ bản của khoáng sét tự nhiên.
I.1.3. Sơ lược về Diatomit .
Mét trong những loại khoáng đá xốp tồn tại trong tự nhiên là diatomit ( viết tắt là DA ) . DA là loại trầm tích xốp có nguồn gốc từ tảo diatomit đă từng tồn tại trong cả nước ngọt và nước mặn .
Nước ta và các nước trên thế giới đều khai thác DA ở các mỏ lộ thiên , do vậy nguyên liệu khai thác là một tập hợp gồm nhiều khoáng : DA , cát thạch anh , đất sét ( aluminosilicat ) , fenspat . Để có DA sạch cần phải có phương pháp xử lư . Trên thế giới phổ biến nhất là kết hợp các quá tŕnh cơ học , thuỷ cơ học với các quá tŕnh hoá học và xử lí nhiệt . Thực chất về phương diện cơ học và thuỷ cơ học là kết hợp sấy sơ bộ , nghiền sơ bộ khoáng nguyên khai rồi phân loại nhiều lần bằng phương pháp thuỷ lực , nhằm đạt được khoáng giàu DA . Sau đó chế biến hoá học và đặc biệt thông qua gia công nhiệt trong đó có mặt các vật trợ dung khác nhau . Mấy năm qua Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia , Viện hoá hoá công nghiệp , Viện công nghệ thực phẩm , trường Đại học Bách Khoa Hà Nội . đă nghiên cứu chế tạo vật liệu trợ lọc xuất phát từ DA để lọc bia , rượu , xử lí nước . Công ty Hoá chất Đà Nẵng đă sử dụng DA chuyển hoá hấp phụ từ mỏ DA Phú Yên để xử lí dầu biến thô cho các thông số kỹ thuật của dầu tái sinh đạt chất lượng . Khoáng DA đă chuyển thành chất hấp phụ làm sạch các chất hữu cơ và các vi khuẩn khỏi nước thải và cũng để xử nước thải một cách toàn diện . Một nét nổi bật đáng chú ư là sau một thời gian sử dụng có khả năng tái sinh lại chất hấp phụ .
Thành phần hoá học của DA là rất phức tạp . Đă xác định được thành phần hoá học của khoáng DA ở một số nơi của Việt Nam dạng nguyên khai và sau khi đă xử lư , so sánh với DA của thế giới ( Bảng I.2 ) .

[TABLE]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]DA
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]SiO[SUB]2[/SUB]
[/TD]
[TD]Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]
[/TD]
[TD]Fe[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]
[/TD]
[TD]CaO
[/TD]
[TD]MgO
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]1
2
[/TD]
[TD]Lâm Đồng
Nguyên khai
[/TD]
[TD]a
[/TD]
[TD]62,20
[/TD]
[TD]17,50
[/TD]
[TD]2,95
[/TD]
[TD]1,67
[/TD]
[TD]1,56
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]b
[/TD]
[TD]64,83
[/TD]
[TD]18,60
[/TD]
[TD]2,55
[/TD]
[TD]1,40
[/TD]
[TD]0,99
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]3
4
[/TD]
[TD]Tuy An
Nguyên khai
[/TD]
[TD]a
[/TD]
[TD]60,28
[/TD]
[TD]14,75
[/TD]
[TD]9,01
[/TD]
[TD]0,55
[/TD]
[TD]0,63
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]b
[/TD]
[TD]66,78
[/TD]
[TD]15,62
[/TD]
[TD]2,55
[/TD]
[TD]0,71
[/TD]
[TD]0,61
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]5
[/TD]
[TD]Tuy An sau xử lí

[/TD]
[TD]a
[/TD]
[TD]69,70
[/TD]
[TD]14,05
[/TD]
[TD]1,86
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]b
[/TD]
[TD]75,15
[/TD]
[TD]16,01
[/TD]
[TD]2,14
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]6
[/TD]
[TD]Phú Yên

[/TD]
[TD]a
[/TD]
[TD]36,00
[/TD]
[TD]16,00
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]b
[/TD]
[TD]45,00
[/TD]
[TD]23,00
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]7
[/TD]
[TD]Kontum
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]50,70
[/TD]
[TD]23,52
[/TD]
[TD]9,97
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]0,4
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]8
[/TD]
[TD]Vân Hoà
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]57,28
[/TD]
[TD]29,73
[/TD]
[TD]9,15
[/TD]
[TD]1,12
[/TD]
[TD]1,92
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]9
[/TD]
[TD]Kazastan
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]89,40
[/TD]
[TD]2,10
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]10
[/TD]
[TD]Etiopie
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]78,23
[/TD]
[TD]5,64
[/TD]
[TD]2,25
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]11
[/TD]
[TD]Ulianopxkaia
( Nga )
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]82,66
[/TD]
[TD]4,55
[/TD]
[TD]3,21
[/TD]
[TD]0,47
[/TD]
[TD]1,23
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]12
[/TD]
[TD]Nurnuski
( Acmeni )
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]95,11
[/TD]
[TD]0,15
[/TD]
[TD]0,23
[/TD]
[TD]0,6
[/TD]
[TD]0,2
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]13
[/TD]
[TD]Lompose ( Mỹ )
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]89,30
[/TD]
[TD]4,00
[/TD]
[TD]0,70
[/TD]
[TD]0,50
[/TD]
[TD]0,40
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Bảng I.2. Thành phần khoáng Diatomit ở Việt Nam và ở một số nơi trên
thế giới .
Qua bảng ta nhận thấy rằng hàm lượng Fe[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] có thể chấp nhận , nhưng thành phần có tác dụng làm cho vật liệu kém trơ , c̣n hàm lượng Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] lại khá cao , hàm lượng SiO[SUB]2[/SUB] lại thấp so với khoáng DA của thế giới . Mặt khác từ phổ tán xạ Rơnghen với những hạt có kích thước khác nhau cho giản đồ tương tự nhau , điều đó cho thấy thành phần khoáng nh­ nhau và các tạp chất nh­ caolinit , monimorillonit , thạch anh . phân bố rất tinh . Đó là một khó khăn trong quá tŕnh làm giàu khoáng .
Về phương diện hoá học DA bao gồm chủ yếu là axit silisic - một loại vật liệu gầnnh­ trơ đối với tác dụng của hoá chất .
Đứng về phương diện cấu trúc vật lư DA có thể tạo nên một tập hợp hạt có độ xốp từ 80-85% . Mặt khác nhờ tính đa dạng của các phần tử có cấu trúc rỗng của khung diatomit , do đó chất hấp phụ chế tạo từ vật liệu DA có thể lưu giữ được một lượng khá lớn chất khí và lỏng . Hơn nữa nhờ tính trơ về phương diện hoá học nên có thể được sử dụng làm chất xúc tác , chất mang xúc tác và chất độn cho vật liệu compozit . nhằm làm tăng độ bền cơ học và bền nhiệt cho loại vật liệu này .
I.1.4. Sơ lược về Cao lanh .
a. Thành phần hóa học.
Cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên ngậm nước mà thành phần chính là khoáng vật kaolinit, công thức hóa học đơn giản là Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB].2SiO[SUB]2[/SUB]. 2H[SUB]2[/SUB]O, công thức lư tưởng là Al[SUB]4[/SUB](Si[SUB]4[/SUB]O[SUB]10[/SUB]) (OH[SUB]8[/SUB]) với hàm lượng SiO[SUB]2[/SUB] = 46,54%. Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] = 39,5% và H[SUB]2[/SUB]O = 13,96% trọng lượng. Tuy nhiên, trong thực tế thành phần lư tưởng này thường rất Ưt gặp, v́ ngoài ba thành phần chính kể trên, thường xuyên có mặt Fe[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB], TiO[SUB]2[/SUB], MgO, CaO, K[SUB]2[/SUB]O, Na[SUB]2[/SUB]O với hàm lượng nhỏ. Ngoài ra, trong cao lanh nguyên khai c̣n chứa các khoáng khác nh­ haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, a - quartz, rutil, pyrit nhưng hàm lượng không lớn.
Trong các loại khoáng sét th́ kaolinit có hàm lượng Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] lớn nhất, thường từ 36,83 ¸ 40,22%; SiO[SUB]2[/SUB] có hàm lượng nhỏ nhất, từ 43,64 ¸ 46,90%; các oxyt khác chiếm từ 0,76 ¸ 3,93%, lượng nước hấp phụ bề mặt và lượng mất khi nung từ 12,79%, thậm chí chỉ bằng 10%. Tỷ số mol SiO[SUB]2[/SUB]/R[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] (R: Al, Fe) thay đổi từ 1,85 ¸ 2,94, trong đó tỷ số SiO[SUB]2[/SUB]/Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] thông thường từ 2,1 ¸ 2,4 và đôi khi có thể bằng 1,8.
b. Cấu trúc tinh thể.



[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]