Nội dung

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM -----

----- BÙI VĂN THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC HÀ NỘI - 2012 VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM -----

----- BÙI VĂN THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Hoá Vô cơ Mã số: 62.44.25.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Lê Bá Thuận 2. TS. Thân Văn Liên HÀ NỘI - 2012 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lê Bá Thuận và TS. Thân Văn Liên. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Bùi Văn Thắng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành tới PGS. TS. Lê Bá Thuận và TS. Thân Văn Liên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy, cô và anh chị ở Trung tâm Chế biến Quặng phóng xạ - Viện Công nghệ Xạ hiếm, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tận tính giúp đỡ tôi trong việc đo đạt, đóng góp ý kiến, hỗ trợ thiết bị và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Công nghệ Xạ hiếm, Ban Giám đốc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam và Ban Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hoá học, Trường Đại học Đồng Tháp đã bố trí thời gian, hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án của mình. Cuối cùng, tôi cảm ơn quý thầy, cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này. Tác giả Bùi Văn Thắng iii MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ xii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN 3 1.1. BENTONIT 3 1.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hoá học 3 1.2.2. Cấu trúc của montmorillonit 3 1.3.3. Tính chất của bentonit 5 1.3.3.1. Khả năng trao đổi ion 5 1.3.3.2. Tính chất hấp phụ 6 1.3.3.3. Tính trương nở 6 1.3.4. Ứng dụng của bentonit 8 1.2. BENTONIT BIẾN TÍNH BẰNG CÁC TÁC NHÂN KIM LOẠI 8 1.2.1. Bentonit biến tính bằng cation kim loại 9 1.2.2. Bentonit biến tính bằng polyoxocation kim loại 9 1.2.3. Sự hình thành bentonit biến tính và các yếu tố ảnh hưởng 10 1.2.4. Bentonit biến tính bởi tác nhân La, Al, Fe, Al/La, Al/Fe 12 1.2.4.1. Bentonit biến tính lantan 12 1.2.4.2. Bentonit biến tính nhôm 13 1.2.4.3. Bentonit biến tính sắt 14 1.2.4.4. Bentonit biến tính nhôm/lantan 16 1.2.4.5. Bentonit biến tính nhôm/sắt 17 1.3. TÍNH CHẤT CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 18 iv 1.4. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 19 1.4.1. Hiện tượng phú dưỡng 20 1.4.2. Ảnh hưởng của phú dưỡng 21 1.4.3. Bentonit biến tính là vật liệu hấp phụ phốtpho hiệu quả 22 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG BENTONIT BÌNH THUẬN 24 1.6. MỘT SỐ KẾT LUẬN CHÍNH RÚT RA TỪ TỔNG QUAN 26 1.7. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 27 Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1. HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 28 2.1.1. Hoá chất 28 2.1.2. Dụng cụ 28 2.1.3. Thiết bị 28 2.1.4. Mẫu quặng sử dụng trong nghiên cứu 28 2.2. XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG TRAO ĐỔI CATION CỦA BENTONIT 2.3. THỰC NGHIỆM ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH 2.3.1. Điều chế vật liệu B90-La và B40-La 2.3.2. Điều chế vật liệu BAl, BFe, BAlLa và BAlFe 2.3.2.1. Điều chế dung dịch polyoxocation kim loại 2.3.2.2. Điều chế bentonit biến tính bằng polyoxocation kim loại 29 29 29 30 31 32 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 32 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 32 2.4.2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X 33 2.4.3. Phương pháp xác định bề mặt riêng BET 33 2.4.4. Phương pháp hiển vi điệt tử quét 33 2.4.5. Phương pháp phổ hồng ngoại 33 2.4.6. Phương pháp ICP-AES 34 2.5. KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH 34 v 2.6. KHẢO SÁT HẤP PHỤ PHỐTPHO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 2.6.1. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 35 35 2.6.2. Thử nghiệm hấp phụ phốtpho của nước hồ phú dưỡng bằng vật liệu bentonit biến tính trong cột 2.7. XỬ LÝ HỒ HOÀ MỤC BẰNG VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH 2.8. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ 2.8.1. Động học hấp phụ 2.8.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 2.8.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và các tham số nhiệt động học Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. ĐẶC TRƯNG CỦA BENTONIT BÌNH THUẬN 3.2. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN 3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu B90-La và B40-La 3.2.1.1. Ảnh hưởng thời gian trao đổi và tỉ lệ LaCl3/bentonit 3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH 3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 3.2.1.4. Ảnh hưởng của phần trăm huyền phù bentonit 3.2.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của bentonit biến tính lantan 35 36 37 37 39 40 42 42 46 46 46 49 51 52 54 3.2.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 54 3.2.2.2. Tính chất bề mặt 55 3.2.2.3. Phổ FTIR 55 3.2.3. Kết luận về quá trình điều chế bentonit biến tính lantan 3.3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH NHÔM VÀ SẮT 3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAl và BFe 3.3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ MCl3/bentonit 3.3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch polyoxocation 3.3.1.3. Ảnh hưởng nhiệt độ của quá trình biến tính 3.3.1.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol OH-/M3+ 56 57 57 57 59 61 63 3.3.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của vật liệu BAl và BFe 65 3.3.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 65 vi 3.3.2.2. Tính chất bề mặt 65 3.3.2.3. Phổ FTIR 66 3.3.3. Kết luận về quá trình điều chế vật liệu BAl, BFe 3.4. NGHÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH Al/La VÀ Al/Fe 3.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu BAlLa, BAlFe 3.4.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ AlCl3/MCl3 3.4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ (Al +M )/bentonit 3+ 3+ 3.4.1.3. Ảnh hưởng của thời gian già hoá dung dịch polyoxocation 3.4.1.4. Ảnh hưởng nhiệt độ của quá trình biến tính 3.4.1.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol OH /(Al +M ) - 3+ 3+ 3.4.2. Đánh giá đặc tính lý hoá của vật liệu BAlLa và BAlFe 67 68 68 68 70 72 74 75 77 3.4.2.1. Thành phần hoá học và diện tích bề mặt 77 3.4.2.2. Tính chất bề mặt 77 3.4.2.3. Phổ FTIR 78 3.4.3. Kết luận về quá trình điều chế vật liệu BAlLa, BAlFe 79 PHỤ PHỐTPHO CỦA VẬT LIỆU BENTONIT BIẾN TÍNH 80 3.5. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HẤP 3.5.1. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phốtpho của bentonit biến tính 3.5.1.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 3.5.1.2. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ 3.5.1.3. Ảnh hưởng của pH 3.5.1.4. Động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 3.5.1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ 3.5.1.6. Các tham số nhiệt động học hấp phụ phốtpho trên bentonit biến tính 3.5.1.7. Ảnh hưởng của một số ion cản 80 80 81 82 84 86 90 93 3.5.1.8. Khả năng lưu giữ phốtpho của bentonit biến tính 94 3.5.1.9. Cơ chế hấp phụ phốtpho của bentontie biến tính 94 3.5.2. Thành phần hoá học và tính chất bề mặt của vật liệu sau khi hấp phụ 97 3.5.3. Kết luận về khả năng hấp phụ phốtpho trong dung dịch nước tổng hợp bằng vật liệu bentonit biến tính 99 vii 3.6. KHẢO SÁT HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 99 3.6.1. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 100 3.6.2. Khảo sát hấp phụ phốtpho của nước hồ bị phú dưỡng 102 3.6.3. Khảo sát hấp phụ phốtpho trong nước hồ của vật liệu bằng cột 104 3.6.4. Kết luận về khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu trong phòng thí nghiệm 106 3.7. XỬ LÝ HỒ HOÀ MỤC BẰNG VẬT LIỆU B90-La 107 3.7.1. Thời gian khảo sát 107 3.7.2. Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục trước khi xử lý 107 3.7.2.1. Phân tích một số chỉ tiêu lý hoá 107 3.7.2.2. Nồng độ kim loại có trong nước và bùn đáy hồ Hoà Mục trước khi xử lý 108 3.7.3. Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục sau khi phun bằng B90-La 109 3.7.3.1. Chất dinh dưỡng 109 3.7.3.2. Yếu tố pH 115 3.7.3.3. Nhiệt độ 3.7.3.4. DO và chất hữu cơ 3.7.3.5. Nồng độ kim loại trong nước và bùn đáy hồ Hoà Mục sau khi xử lý 3.7.4. Thành phần loài và mật độ tảo trước và sau khi xử lý hồ Hoà Mục bằng vật liệu B90-La 3.7.4.1. Thành phần loài 116 117 118 119 119 3.7.4.2. Mật độ tảo 121 3.7.5. Kết luận về quá trình xử lý toàn hồ Hoà Mục bằng vật liệu B90-La 122 KẾT LUẬN 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 PHỤ LỤC viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ CEC Dung lượng trao đổi cation MMT Montmorillonit Bent Bentonit Bình Thuận Bent-La Bentonit Bình Thuận biến tính lantan B90 Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit B40 Bentonit Bình Thuận 40% montmorillonit B90-La Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính lantan B40-La Bentonit Bình Thuận 40% montmorillonit biến tính lantan BAl Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm BFe Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính sắt BAlLa Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm/lantan BAlFe Bentonit Bình Thuận 90% montmorillonit biến tính nhôm/sắt XRD Nhiễu xạ tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét EDX Tán xạ năng lượng tia X BET Phương pháp hấp phụ BET ICP-OES Phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng plasma FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại PHT Phốtpho hoà tan TP Tổng phốtpho TN Tổng nitơ XL Xử lý SBET Diện tích bề mặt riêng tính theo phương trình BET Vp Tổng thể tích lỗ xốp ĐC Đối chứng