Đang tải... (xem toàn văn)
Như ta đ• biết tên trái đất có nhiều loại khoáng sét tự nhiên. Một trong những khoáng sét có ứng dụng rộng r•i là Diatomit, thường được gọi là khoáng tảo cát. Đây là loại khoáng được hình thành do sự trầm tích của xác tảo Diatomit. Diatomit có cấu trúc rất xốp, thành phần chủ yếu của khoáng này là oxyt silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), ngoài ra còn có một số oxit khác với hàm lượng nhỏ như Fe2O3, CaO, MgO, TiO2, Na2O ...Cấu trúc xốp của khoáng phụ thuộc vào thành phần sắp xếp các loại oxit trong khoáng. Diatomite được chúng tôi nghiên cứu và ứng dụng là loại Diatomit Phú Yên, được khai thác từ tỉnh Phú Yên. I.2.2. Một vài tính chất của DA. Những kết quả nghiên cứu qua phân tích hoá học, nhiệt động học và phổ hồng ngoại, Rửngen đ• chỉ ra rằng thành phần chính của DA là SiO2 vô định hình đ• hidrat hoá, có lẫn một ít tạp chất kim loại. Khoáng này thuộc loại chất hấp phụ bởi vì nó được đặc trưng bởi sự có mặt của số lượng lớn các mao quản. Về phương diện hoá học DA chủ yếu là axit silixic, một loại vật liệu gần như trơ đối với tác dụng của hoá chất. Về phương diện cấu trúc vật lý, DA có thể tạo nên tập hợp hạt có độ xốp khá lớn (80 - 85%). Mặt khác, nhờ tính đa dạng của các phần tử có cấu trúc rỗng của khung DA , do đó chất hấp phụ chế tạo từ vật liệu DA có thể lưu trữ một lượng khá lớn chất khí, chất lỏng ...Hơn nữa nhờ tính trơ về phương diện hoá học nên có thể được sử dụng làm chất xúc tác, làm chất mang xúc tác và chất độn cho vật liệu compozit ... nhằm tăng độ bền cơ học, bền hoá học và bền nhiệt cho loại vật liệu này. Do vậy việc nghiên cứu DA có ý nghĩa không những về mặt lý thuyết mà cả về mặt ứng dụng.
Chơng I : Tổng quan I Những kiến thức cơ bản về khoáng sét tự nhiên. I.1. Giới thiệu chung về khoáng sét. Từ lâu khoáng sét đã đợc nghiên cứu và sử dụng nên việc phân loại khoáng sét có nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên cách phân loại thờng đợc sử dụng dựa vào cấu trúc và thành phần hoá học. - Khoáng sét vô định hình, trong đó có diatomite. - Khoáng sét tinh thể nh kaolinit, illit, montmorillonit, verculit I.1.1. Thành phần của khoáng sét. Theo phiên họp của Uỷ ban danh pháp quốc tế tổ chức tại Copenhagen năm 1960 thì khoáng sét là một loại silicat có cấu trúc lớp, đợc hình thành từ các tứ diện oxit silic liên kết với mạng bát diện. Hạt sét có kích thớc rất nhỏ, khi tác dụng với nớc thành vật liệu dẻo. Trong thành phần khoáng sét đều chứa các nguyên tố silic và nhôm nhng hàm lợng Al ít hơn Si. Ngoài ra còn có các nguyên tố khác nh Fe, Mg, K, Na, Ca .Tuỳ vào hàm lợng của chúng trong sét mà phân biệt các loại sét khác nhau. Hiện nay ngời ta đã biết hơn khoảng 40 loại khoáng sét. Để nhận biết nhanh từng loại khoáng sét , có thể dựa trên sự có mặt của 3 nguyên tố Al, Fe, Mg ngoài nguyên tố Si có trong thành phần của nó. Bảng 1: Phân loại khoáng sét dựa theo thành phần 3 nguyên tố chủ yếu Al, Fe và Mg. Sét trơng nở Sét không trơng nở Tên khoáng sét Nguyên tố có nhiều trong thành phần Tên khoáng sét Nguyên tố có nhiều trong thành phần Beidellit Al Illit K, Al(Fe, Mg ít) Montmorillonit Al(Mg , Fe 2+ ít) Glauconit K, Fe 2+ , Fe 3+ Nontronit Fe 3+ Chrolit Mg, Fe, Al Saponit Mg, Al Berthierin Fe 2+ ,Al (Mg ít) Vermiculit Mg, Fe 2+ (ít) Kaolinit Al I.1.2. Cấu trúc của khoáng sét . Khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp hai chiều. Các lớp trong cấu trúc cuả khoáng sét đợc hình thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản. Đơn vị thứ nhất là tứ diện SiO 4 và đơn vị thứ hai là bát diện MeO 6 , trong đó Me có thể là Al, Fe, Mg .(Hình 1) - 1 - a. : oxy b. : hydroxyl : silic : Me = Al, Mg, Fe . Hình 1 : Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO 4 (a) và đơn vị cấu trúc bát diện MeO 6 (b) Các tứ diện SiO 4 liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tử oxy theo không gian hai chiều. : Oxy : Silic Hình 2 : Mạng cấu trúc tứ diện SiO 4 Các nguyên tử oxy góp chung nằm trên một mặt phẳng và đợc gọi là oxy đáy. Các nguyên tử oxy đáy liên kết và sắp xếp sao cho tạo nên một lỗ 6 cạnh mà mỗi đỉnh của hình 6 cạnh này là nguyên tử oxy (Hình 3). k : Oxy đáy : Ion Silic Hình 3 : Sự sắp xếp lỗ sáu cạnh của oxy đáy trong mạng tứ diện Mạng cấu trúc bát diện đợc hình thành từ các đơn vị cấu trúc bát diện MeO 6 qua nguyên tử oxy theo không gian hai chiều(Hình 4). Hình 4: Mạng cấu trúc bát diện MeO 6 Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua oxy đỉnh chung, theo những quy luật trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc khác nhau nh cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1 và cấu trúc 2:1+1. - 2 - Trong cùng một nhóm, khoáng sét có thể lại đợc chia thành phân nhóm diocta hoặc triocta. ở dạng diocta, trong mạng lới bát diện cứ ba vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị chiếm giữ bởi cation hóa trị ba, còn một vị trí bỏ trống (hình 3b, 3d). Còn ở dạng tricta thì mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi một cation hóa trị hai (Hình 3a, 3c, 3e). 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 Hình 5. Các loại cấu trúc cơ bản của khoáng sét tự nhiên. ở nhóm khoáng sét 2:1 thì cấu trúc cơ bản gồm một mạng lới bát diện nằm giữa hai lới tứ diện. Đại diện cho nhóm này là montmorillionit, vermiculit . ở nhóm khoáng sét 2:1+1 thì cấu trúc lớp cơ bản gồm ngoài một lớp cấu trúc tơng tự nhóm 2:1 còn có thêm một mạng lới bát diện . Tiêu biêu cho nhóm này là chlorit. I.2. Giới thiệu về Diatomit (DA). I.2.1. Giới thiệu chung. Nh ta đã biết tên trái đất có nhiều loại khoáng sét tự nhiên. Một trong những khoáng sét có ứng dụng rộng rãi là Diatomit, thờng đợc gọi là khoáng tảo cát. Đây là loại khoáng đợc hình thành do sự trầm tích của xác tảo Diatomit. Diatomit có cấu trúc rất xốp, thành phần chủ yếu của khoáng này là oxyt silic (SiO 2 ), oxit nhôm (Al 2 O 3 ), ngoài ra còn có một số oxit khác với hàm lợng nhỏ nh Fe 2 O 3 , CaO, MgO, TiO 2 , Na 2 O .Cấu trúc xốp của khoáng phụ thuộc vào thành phần sắp xếp các loại oxit trong khoáng. Diatomite đợc chúng tôi nghiên cứu và ứng dụng là loại Diatomit Phú Yên, đợc khai thác từ tỉnh Phú Yên. - 3 - Si Hydroxyl trong Hydroxyl ngoài 7,19 Si Al Hydroxyl trong Hydroxyl ngoài 7,21 Si Mg, Fe 2+ 9,3 Si 14 2:1 + 1 Si Al 9,6 Si I.2.2. Một vài tính chất của DA. Những kết quả nghiên cứu qua phân tích hoá học, nhiệt động học và phổ hồng ngoại, Rửngen đã chỉ ra rằng thành phần chính của DA là SiO 2 vô định hình đã hidrat hoá, có lẫn một ít tạp chất kim loại. Khoáng này thuộc loại chất hấp phụ bởi vì nó đợc đặc trng bởi sự có mặt của số lợng lớn các mao quản. Về phơng diện hoá học DA chủ yếu là axit silixic, một loại vật liệu gần nh trơ đối với tác dụng của hoá chất. Về phơng diện cấu trúc vật lý, DA có thể tạo nên tập hợp hạt có độ xốp khá lớn (80 - 85%). Mặt khác, nhờ tính đa dạng của các phần tử có cấu trúc rỗng của khung DA , do đó chất hấp phụ chế tạo từ vật liệu DA có thể lu trữ một lợng khá lớn chất khí, chất lỏng .Hơn nữa nhờ tính trơ về phơng diện hoá học nên có thể đợc sử dụng làm chất xúc tác, làm chất mang xúc tác và chất độn cho vật liệu compozit . nhằm tăng độ bền cơ học, bền hoá học và bền nhiệt cho loại vật liệu này. Do vậy việc nghiên cứu DA có ý nghĩa không những về mặt lý thuyết mà cả về mặt ứng dụng. I.2.3. Thành phần hoá học. Thành phần hoá học của DA là rất phức tạp. Thành phần của mỗi loại khai thác ở các mỏ khác nhau là rất khác nhau. Bảng 2 chỉ ra thành phần hoá học của DA trong một số mỏ ở Việt Nam và thế giới. Bảng 2: Thành phần hoá học của một số DA STT DA(nk) SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO TiO 2 1 Lâm Đồng 64,83 18,60 2,55 1,40 0,99 0,217 2 Tuy An 66,78 15,62 2,55 0,71 0,61 0,33 3 Phú Yên 61,04 15,11 5,3 0,42 0,743 6,69 4 Kazaktan 89,40 2,1 5 Ethitopia 78,23 5,64 2,55 Qua bảng đó ta thấy rằng hàm lợng Fe 2 O 3 , CaO , TiO 2 (làm cho vật liệu kém trơ) của DA Phú Yên có thể chấp nhận đợc , còn hàm lợng Al 2 O 3 khá cao, hàm lợng SiO 2 lại thấp so với thế giới. Mặt khác từ phổ tán xạ Rơngen với các hạt có kích thớc khác nhau cho giản đồ tơng tự nhau, điều đó cho thấy thành phần khoáng nh nhau và các tạp chất nh kaolinit, monmorillonit, thạch anh . phân bố rất tinh trong DA. Đó là một khó khăn trong quá trình làm giàu khoáng. I.2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng DA ở Việt Nam. ở Việt Nam , khoáng DA tập trung nhiều ở miền Trung (Phú Yên, Lâm Đồng, Tuy An, Thuận Hải .), trong đó đáng chú ý là khoáng ở Phú Yên với trữ lợng rất lớn. Tuy nhiên, những sản phẩm cao cấp đi từ DA dùng để trợ lọc, chế tạo vật liệu siêu xốp cha đợc sản xuất trong nớc mặc dù nhu cầu sử dụng đã có và ngày càng lớn. Cùng với việc khởi động các nhà máy lọc - hoá dầu thì nhu cầu sử dụng chất xúc tác đi từ DA cũng rất lớn để xúc tác cho các quá trình - 4 - cracking, alkyl hoá, oligome hoá . Thăm dò sơ bộ cho thấy, chỉ tính riêng các tỉnh phía Nam, nhu cầu dùng bột trợ lọc dùng cho công nghệ tinh luyện đờng đã đến 400 - 500 tấn/năm, còn để lọc bia cũng cần đến khoảng 1000 tấn/năm. Nếu tính cho tất cả các ngành trên quy mô cả nớc thì nhu cầu sử dụng còn lớn hơn nhiều. Mấy năm gần đây Trung tâm KHTN và công nghệ quốc gia, Viện Hoá công nghiệp, Viện công nghệ thực phẩm, Bộ môn Hoá Hữu cơ - Trờng Đại học Bách Khoa . đã nghiên cứu, chế tạo thành công vật liệu trợ lọc xuất phát từ DA để lọc rợu bia, xử lý nớc . Công ty hoá chất Đà Nẵng đã sử dụng DA chuyển hoá hấp phụ từ mỏ DA Phú Yên để xử lý tái sinh dầu biến thế cho các thông số kỹ thuật dầu tái sinh đạt chất lợng cao. Khoáng DA đã đợc chuyển thành chất hấp phụ làm sạch các chất tan hữu cơ, các kim loại nặng và các vi khuẩn ra khỏi nớc thải. Zeolit tổng hợp từ DA làm xúc tác tốt cho các quá trình dehydrat hoá r- ợu thành alken, tổng hợp các alken từ metan .là các nguyên liệu của quá trình tổng hợp các polyme nh PE. Chính vì vậy, việc nghiên cứu DA Việt Nam để chế tạo ra các sản phẩm có giá trị cao, phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc là rất cần thiết và cấp bách. I.3. Giới thiệu về Zeolit I.3.1. Khái niệm và cấu trúc của Zeolit. Khái niệm và cấu trúc tinh thể của Zeolit Zeolit là các aluminosilicate tinh thể có cấu trúc lỗ xốp đặc biệt và rất đồng nhất cho phép chúng phân chia các phân tử theo hình dạng và kích thớc nhất định . Thành phần hoá học của Zeolit đợc biểu diễn nh sau: M 2/n O. Al 2 O 3. xSiO 2. yH 2 O Trong đó: M : Cation hoá trị n có khả năng trao đổi x : Tỷ số SiO 2 /Al 2 O 3 y : Số phân tử nớc kết tinh Giá trị x và y thay đổi trong khoảng rộng tuỳ thuộc vào thành phần và cấu trúc của Zeolit. Đơn vị cấu trúc cơ bản của Zeolit là tứ diện TO 4 (T = Al , Si) bao gồm cation đợc bao quanh bởi 4 ion O 2- . Nếu T là Si 4+ thì tứ diện SiO 4 trung hoà về điện tích, nếu T là các cation hoá trị 3, thờng là Al 3+ thì tứ diện AlO 4 - mang một điện tích âm. Đơn vị cấu trúc của Zeolit đợc mô tả nh hình 5. a. Tứ diện SiO 4 b. Tứ diện AlO 4 - Hình 6 : Đơn vị cấu trúc cơ bản của Zeolit . - 5 - O 2 - O 2 - O 2 - O 2 - O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- ; Si 4+ Al 3+ Sự thay thế đồng hình Si 4+ bằng Al 3+ trong tứ diện SiO 4 làm xuất hiện một điện tích âm ở AlO - 4 . Điện tích d đợc cân bằng bởi sự có mặt của cation M n+ (Na + , Ca 2+ , H + .), gọi là cation bù trừ điện tích khung, nó có thể trao đổi với các cation khác. Các tứ diện SiO 4 , AlO 4 liên kết với nhau qua cầu oxy tạo thành mạng lới tinh thể của Zeolit. Các tứ diện này đợc sắp xếp theo các trật tự khác nhau sẽ hình thành các đơn vị thứ cấp khác nhau. Mỗi loại cấu trúc đợc đặc trng bởi hình dạng và kích thớc mao quản , thành phần hoá học . Cấu trúc mao quản của Zeolit. Bản chất của các lỗ xốp và các mao quản nối liền trong Zeolit rất quan trọng và nó xác định tính chất vật lý, hoá học của Zeolit. Theo một số tác giả , trong Zeolit có 3 loại hệ thống mao quản: - Hệ thống mao quản một chiều: các mao quản không giao nhau, thuộc loại này có analcime (H6a). - Hệ thống mao quản hai chiều: Hình 7: Hệ thống mao quản 1 chiều Hình 8: Hệ thống mao quản 2 chiều trong analcime trong mordenite - Hệ thống mao quản 3 chiều: Các mao quản giao nhau. Hình 9. Hệ thống mao quản 3 chiều trong zeolit A. I.3.2. Phân loại zeolit. Có nhiều cách phân loại nhng thông thờng ngời ta phân loại theo nguồn gốc, kích thớc mao quản và theo thành phần hoá học. Phân loại theo nguồn gốc: Có 2 loại là zeolit tự nhiên và zeolit tổng hợp. Các zeolit tự nhiên kém bềm, luôn có xu hớng chuyển sang các pha khác bền hơn nh analcime hay feldspars. Tuy có nhiều loại nhng chỉ có một số có khả - 6 - năng ứng dụng và chúng cũng chỉ phù hợp với các ứng dụng cần khối lợng lớn, không yêu cầu độ tinh khiết cao. Khác zeolit tự nhiên, zeolit tổng hợp có cấu trúc đồng đều, tinh khiết, đa dạng về chủng loại (hơn 200 loại) đáp ứng khá tốt cho nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp. Phân loại theo kích thớc mao quản : Loại mao quản có đờng kính < 5 nh zeolit A. Loại mao quản có đờng kính 5 ữ 6 nh zeolit ZSM 5. Loại mao quản có đờng kính > 7 nh zeolit X, Y. Phân loại theo thành phần hoá học: Theo cách này, có 5 nhóm: Zeolit nghèo silic, zeolit trung bình silic, zeolit giàu silic, rây phân tử silic và zeolit biến tính. Zeolit giàu nhôm: là zeolit có tỉ số SiO 2 /Al 2 O 3 2và 3. Zeolit trung bình silic: là các zeolit có tỷ số SiO 2 /Al 2 O 3 = 4ữ5 và có thể tới 10 nh zeolit X, Y . Zeolit giàu silic: là các zeolit ZSM, tỷ số SiO 2 /Al 2 O 3 = 20ữ200. Rây phân tử silic: là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể hoặc tơng tự nh aluminosilicat nhng không có nhôm. Vật liệu này kị nớc và không chứa các cation bù trừ điện tích (không có tính chất trao đổi ion). Zeolit biến tính. Ví dụ: phơng pháp loại nhôm ra khỏi mạng tinh thể, thay vào đó là silic hoặc các nguyên tố khác, gọi là phơng pháp loại nhôm. Bảng 3: Phân loại zeolit theo tỷ số mol của các oxyt. Stt Tên gọi Công thức tổng quát n x y 1 A (1,00,2)M 2/n O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O tuỳ ý 2,0ữ2,3 6 2 X (1,00,2)M 2/n O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O 3 2,5ữ3,0 8 3 Y (0,90,2)Na 2 O. Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O 3 3,0ữ6,0 9 4 L (1,00,1)M 2/n O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O tuỳ ý 5,9ữ6,9 7 5 D (0,90,2)Na 2 O.(1-)K 2O .Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O 1 4,5ữ4,9 7 6 R (0,90,2)Na 2 O. Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O 1 2,45ữ3,65 7 7 S (0,90,2)Na 2 O. Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O 1 4,6ữ5,9 6ữ7 8 T (1,10,4)Na 2 O.(1-)K 2 O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O =0,1ữ0,8 6,4ữ7,4 8 9 Z K 2 O. Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O =0,1ữ0,8 2 3 10 E (0,90,1)M 2/n O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O tuỳ ý 2ữ2,05 4 Tỷ số SiO 2 /Al 2 O 3 tăng từ 2 ữ thì : 1. Tính biền nhiệt tăng từ 700 ữ 1300 o C - 7 - 2. Cấu trúc thay đổi từ vòng 4, 6, 8 đến vòng 5. 3. Tính chất bề mặt từ a nớc sang kị nớc. 4. Lực axit trên tâm axit tăng. 5. Dung lợng trao đổi ion giảm. I.3.3. Cấu trúc một số zeolit điển hình Cấu trúc của zeolit A. Zeolit A là loại zeolit tổng hợp, cấu trúc của nó có dạng mạng lới lập ph- ơng đơn giản nh kiểu liên kết trong tinh thể NaCl với các nút mạng là bát diện cụt. Zeolit A có công thức chung của một đơn vị NaA hoàn chỉnh là: Na 12 [(AlO 2 ) 6 (SiO 2 ) 12 ]. 27H 2 O Trong quá trình liên kết giữa các lồng sodalit với nhau, trong zeolit A sẽ tạo thành các hốc lớn và hốc nhỏ. Hốc lớn đợc coi là phần thể tích giới hạn bởi 8 lồng sodalit trong 1 ô mạng, còn hốc nhỏ là phần thể tích giới hạn bởi các sodalit. Mỗi hốc lớn còn thông với 6 hốc lớn bên cạnh qua các cửa sổ 8 cạnh . Ngoài ra, mỗi hốc lớn còn thông với 8 hốc nhỏ qua các cửa sổ 6 cạnh. Thể tích mỗi hốc lớn là 150() 3 và mỗi hốc nhỏ là 77() 3 . Sự thông giữa các hốc nhỏ và hốc lớn tạo ra các kênh dẫn. Việc tạo thành kênh làm tăng thể tích tự do của zeolit khoảng 50% so với tổng thể tích chung. Do độ xốp của zeolit A rất cao nên nó có thể hấp phụ đợc các chất có đờng kính nhỏ hơn đờng kính cửa sổ để vào các hốc hấp phụ của zeolit. Đây là hiện tợng tạo rây phân tử của zeolit A. Cấu trúc của zeolit X(Y) Trong cấu trúc của zeolit X(Y), các lồng sodalit có dạng bát diện cụt đợc sắp xếp theo kiểu tinh thể kim cơng. Mỗi nút mạng của zeolit X(Y) đều là các bát diện cụt và mỗi bát diện cụt đó lại liên kết với 4 bát diện khác ở mặt 6 cạnh thông qua liên kết cầu oxy. Số mặt 6 cạnh của bát diện cụt là 10, do vậy tồn tại 4 mặt 6 cạnh còn trống của mỗi bát diện cụt trong zeolit X(Y). Công thức hoá học đối với một ô mạng cơ sở của zeolit X(Y) : Zeolit X: Na 86 [(AlO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 ].260H 2 O Zeolit Y: Na 86 [(AlO 2 ) 56 (SiO 2 ) 136 ].260H 2 O Nh vậy, zeolit X nghèo silic hơn zeolit Y, mặc dù tổng cation Si 4+ và Al 3+ đều là 192. Cấu trúc của hai zeolit này hoàn toàn giống nhau. Bảng 4 . Dữ liệu cấu trúc cơ bản của một số zeolit thông dụng. Zeolit Nhóm SBU Kiểu đối xứng Đờng kính mao quản NaX(Y) 4 6-6 (*) , 4, 6, 6-2 Cubic 7,4 ; 2,2 - 8 - NaA 3 4-4, 4, 8, 6-2 Cubic 4,2 ; 2,2 NaP 1 1 4 (*) , 8 Tetragonal 3,1ì4,5 2,8ì4,8 Mordenite 6 5 -1 Orthorhombic 6,5ì7,0 2,6ì5,7 ZSM - 5 6 5 -1 Orthorhombic 5,3ì5,6 5,1ì5,5 Hình 10. Sự hình thành cấu trúc zeolit A, X (Y) từ các kiểu ghép nối khác nhau. I.3.4. Các tính chất cơ bản của zeolit. Tính chất trao đổi ion. Zeolit có khả năng trao đổi ion. Nhờ tính chất này mà ngời ta có thể đa vào cấu trúc của zeolit các cation có tính xúc tác nh : cation kim loại kiềm, cation kim loại chuyển tiếp(phức của Co , Cu , Mn .). Nguyên tắc là dựa trên sự trao đổi thuận nghịch giữa các cation trong dung dịch với các cation có trong thành phần zeolit. Trong zeolit, cation trao đổi là cation bù trừ điện tích (thờng là Na + ). 2 Na - Ze + Ba 2+ (dd) <=> 2 Ba-Ze + 2Na + Sau một thời gian nhất định quá trình trao đổi đạt trạng thái cân bằng. Cũng nh đối với khoáng sét, khả năng trao đổi của zeolit của đợc đặc trng bằng dung lợng trao đổi cation (capacity exchange cation, CEC). Do có cấu trúc không gian 3 chiều bền vững mà khi trao đổi ion các thông số mạng của zeolit không thay đổi, khung zeolit cũng không bị trơng nở. Đây là một tính chất đặc biệt quý giá mà nhựa trao đổi ion và các chất trao đổi ion khác - 9 - Lăng trụ 6 cạnh Nối qua mặt 4 cạnh Zeolit kiểu X (Y) Hốc lớn X 4 Nối qua mặt 6 cạnh Sodalit Zeolit kiểu A X 6 không có. Quá trình trao đổi ion thờng diễn ra trong dung dịch nên có thể dùng zeolit để xử lý nớc thải , chất phóng xạ . Ngời ta thờng hay sử dụng những zeolit có đờng kính cửa sổ nhỏ nh zeolit A, P . để làm chất trao đổi ion vì dung lợng trao đổi ion lớn và khả năng xúc tác thấp. Quá trình trao đổi ion phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhng chủ yếu là vào 6 yếu tố sau: - Bản chất cation trao đổi: Điện tích, kích thớc cation trong trạng thái hydrat hoá và đehydrat hoá. - Nhiệt độ môi trờng phản ứng. - Nồng độ cation trong dung dịch - Bản chất của anion kết hợp với cation trong dung dịch. - Dung môi hoà tan cation (thông thờng là nớc, có thể là dung môi hữu cơ). - Đặc điểm cấu trúc của zeolit. Sự trao dổi ion đợc thực hiện nhờ các cửa sổ mao quản, do đó đờng kính mao quản ảnh hởng lớn đến CEC. Bên cạnh dung lợng trao đổi, vận tốc trao đổi cation cũng phụ thuộc vào đ- ờng kính mao quản và kích thớc các cation. Vận tốc trao đổi lớn khi đờng kính mao quản lớn và kích thớc cation bé. Khi kích thớc cation lớn hơn đờng kính mao quản thì chỉ có sự trao đổi chậm xảy ra trên bề mặt zeolit . Tính chất hấp phụ. Hấp phụ là hiện tợng bề mặt, đó là sự chất chứa các chất khí hoặc các chất tan lên bề mặt phân cách hai pha, trên bề mặt vật rắn. Chất hấp phụ hấp phụ các chất khác càng mạnh khi bề mặt của nó càng phát triển. Diện tích tơng ứng với 1gam chất hấp phụ đợc gọi là bề mặt riêng. Các chất rắn xốp có cấu trúc lỗ rỗng có bề mặt riêng rất lớn, thậm chí có thể đạt tới hàng nghìn m 2 /g nh đối với than hoạt tính, silicagel, zeolite . Theo phân loại của IUPAC, rây phân tử thờng có đờng đẳng nhiệt hấp phụ loại I. Hấp phụ đơn lớp đôi khi đợc dùng để biểu diễn dung lợng của rây phân tử. Diện tích mặt ngoài của những tinh thể rây phân tử chỉ bằng khoảng 1% tổng diện tích bề mặt (tức là bề mặt trong chiếm hơn 90%). Vì vậy, hiện tợng khuyếch tán và hấp phụ xảy ra chủ yếu ở hệ thống mao quản. Với những dạng đề hydrat, việc tồn tại các cation ở hệ thống mao quản có ảnh hởng đến dung l- ợng hấp phụ. Rây phân tử là những chất hấp phụ có độ chọn lọc và dung lợng cao có thể do hai lí do: Chúng tách các phân tử dựa trên cơ sở kích thớc và cấu hình của phân tử so với kích thớc và dạng hình học của cửa sổ mao quản. Rây phân tử là chất hấp phụ phân cực nên dễ dàng tơng tác với những phân tử có mô men lỡng cực vĩnh cửu. Hấp phụ là một trong những tính chất quan trọng của zeolit. Xuất phát từ những đặc điểm về cấu trúc mà các aluminosilicat vô định hình không thể có đ- - 10 -
