Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit tới đặc trưng của vật liệu và khả năng hấp phụ chất phóng xạ U, Th và kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu. Kết quả cho thấy ở chế độ hoạt hóa nhiệt dao động trong khoảng 500^oC trong thời gian 2 giờ thì vật liệu vừa hấp phụ có hiệu quả các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng, vừa đảm bảo tính kinh tế khi vật liệu được đưa vào sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Vật liệu hấp phụ dùng để xử lý nước thải công nghiệp nói chung và nước thải chứa phóng xạ nói riêng đòi hỏi cần phải có dung lượng trao đổi ion lớn và có độ bền trong môi trường nước. Đối với vật liệu hấp phụ được chế tạo trên nền khoáng sét bentonit có tính chất trương nở mạnh và khả năng tạo ra huyền phù bền và dễ tan trong nước nên cần phải nghiên cứu chế độ hoạt hóa bentonit bằng phương pháp nhiệt để thu nhận được vật liệu vừa có khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng có hiệu quả vừa có độ bền cao trong môi trường nước.

Quá trình hoạt hóa bằng tác nhân nhiệt đối với khoáng sét bentonit là quá trình xử lý vật lý trong đó vật liệu được nung ở nhiệt độ cao. Đối với từng loại vật liệu khoáng sét, sự biến đổi trong cấu trúc và thành phần của chúng khi hoạt hóa bằng các nhiệt độ khác nhau Hơn nữa quá trình hoạt hóa nhiệt cũng giúp loại bỏ tạp chất và nước đi kèm theo khoáng sét. Trong giai đoạn làm mất nước, những chất hấp phụ và nước cùng với các tạp chất được loại bỏ khỏi khoáng sét. Kết quả làm giảm trọng lượng và tăng diện tích bề mặt của khoáng sét, cung cấp nhiều vị trí cho hấp phụ và từ đó làm tăng khả năng hấp phụ của khoáng sét. Tiếp tục tăng nhiệt độ hoạt hóa sẽ dẫn đến việc tách các nhóm hydroxit (OH-). Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung sẽ phá cấu trúc của vật liệu khoáng sét và làm giảm diện tích bề mặt của vật liệu.

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit tới đặc trưng của vật liệu và khả năng hấp phụ chất phóng xạ U, Th và kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu, từ đó lựa chọn được chế độ nhiệt tối ưu để chế tạo vật liệu hấp phụ có tính cạnh tranh trên thị trường về mặt kinh tế và hiệu quả xử lý môi trường.

Sử dụng vật liệu khoáng sét bentonit vùng Bình Thuận đã được làm giàu tới hàm lượng montmorillonit trên 70% để nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ và kim loại nặng. Vật liệu khoáng sét bentonit được sử dụng trong nghiên cứu này có kích thước 1-2 mm. Kết quả phân tích thành phần hóa học của vật liệu được trình bày trong bảng 1.

Cho 20g vật liệu khoáng sét bentonit vào chén nung bằng gốm, cho chén nung cùng vật liệu vào lò nung. Tiến hành nung vật liệu ở các giá trị nhiệt độ 100, 200, 300, 400, 500 và 600⁰C trong khoảng thời gian 2 giờ. Khi đạt được thời gian nung, lấy vật liệu ra khỏi lò nung và làm nguội trong khoảng 2-3 giờ và cất trong bình kín để phục vụ các nghiên cứu tiếp theo.

Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa (nung) tới khả năng hấp phụ kim loại của vật liệu, đã tiến hành làm thí nghiệm về khả năng hấp phụ của nguyên tố phóng xạ U, Th và kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu được nung ở các nhiệt độ 100, 200, 300, 400, 500 và 600^oC.

Pha dung dịch U, Th, Fe và Mn ở nồng độ 4,0 g/L. Lấy 100 mL các dung dịch mẫu cho vào các bình hình nón 250 mL. Cho vào mỗi bình 2 g vật liệu bentonit đã được nung ở các chế độ nhiệt khác nhau và lắc bằng máy lắc với tốc độ 140 vòng/phút tới khi đạt bão hòa (sau khoảng 3,5 giờ). Sau đó lọc dung dịch bằng giấy lọc trên phễu thuỷ tinh. Phần dung dịch sau khi lọc trong được đưa đi phân tích hàm lượng U, Th, Fe, Mn bằng phương pháp ICP-MS và phương pháp đo quang.

Lượng ion kim loại được hấp phụ bởi vật liệu được xác định từ sự chênh lệch nồng độ ion kim loại trước và sau khi hấp phụ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

A = [(Co – C).V]/m

Trong đó:

A: dung lượng hấp phụ của vật liệu;

Co: nồng độ ion kim loại trong dung dịch ban đầu;

C: nồng độ ion kim loại khi cân bằng được thiết lập;

V: thể tích dung dịch kim loại;

m: khối lượng vật liệu dùng để hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt độ hoạt hóa tới đặc điển của vật liệu khoáng sét bentonit về diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp của vật liệu được trình bày trong Bảng 2. 

Kết quả về diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp của các vật liệu có nhiệt độ nung khác nhau có thể giải thích như sau: Tại thời điểm đầu nhiệt độ khi nung lên đến 400⁰C, kích thước lỗ xốp của vật liệu giảm do loại bỏ được nước hấp phụ và hình thành lỗ xốp có kích thước trung (kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng ở giữa khoảng 2 nm và 50 nm) và nhỏ (bán kính hiệu dụng <2 nm). Khi tiếp nâng nhiệt độ hơn 400⁰C sẽ làm tăng kích thước lỗ xốp do phân tử nước ở giữa các lớp cấu trúc của vật liệu khoáng sét bentonit được loại bỏ và khoảng trống giữa các lớp bị sập, các hạt tiến lại gần nhau hơn và bắt đầu hình thành sự tích tụ. Đây là kết quả của việc chuyển đổi lỗ xốp có kích thước nhỏ và trung để tạo thành lỗ xốp có kích thước lớn (bán kính hiệu dụng >50 nm) và làm tăng kích thước trung bình của lỗ xốp.

Ngoài ra, khi nhiệt độ nung vật liệu thay đổi, đặc tính cơ lý của vật liệu cũng thay đổi. Vật liệu hấp phụ được nung ở nhiệt độ 400⁰C có khối lượng thể tích là 452 kg/m³, cường độ kháng nén là 35,3 kg/cm², tăng 1,8 lần so với điều kiện tự nhiên (ở nhiệt độ 0^oC) (Bảng 3). Khi nung đến nhiệt độ 600⁰C, khối lượng thể tích vẫn không thay đổi nhiều (đạt 537 kg/m³) nhưng cường độ kháng nén tăng đáng kể (đạt 98,5 kg/cm²). Vì vậy ở vùng nhiệt độ nung 400-600⁰C là vùng nhiệt độ thích hợp để gia công chế tạo vật liệu hấp phụ trên nền vật liệu khoáng sét bentonit.

Như vậy, có thể chia quá trình nung vật liệu thành ba giai đoạn như sau:

+ Giai đoạn 1: t = 35 phút, nâng nhiệt đến 400⁰C. Đây là quá trình mất nước vật lý và hoá học.

+ Giai đoạn 2: t = 15 phút, nâng nhanh nhiệt độ từ 400⁰ đến 600⁰C. Quá trình hoá lý diễn ra mạnh.

+ Giai đoạn 3: t = 70 phút, giai đoạn giữ vật liệu nung ở nhiệt độ 550⁰C đến 600⁰C.

Bảng 4 trình bày đặc điểm của vật liệu hấp phụ khi nung ở khoảng nhiệt độ (500-600^oC) trong thời gian 120 phút. Kết quả cho thấy, ở dải nhiệt độ nung này đảm bảo cho vật liệu bền trong môi trường nước.

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung trong các khoảng nhiệt: 100, 200, 300, 400, 500 và 600^oC tới khả năng hấp phụ nguyên tố phóng xạ U, Th và Fe, Mn lên vật liệu được trình bày ở Hình 1. Kết quả cho thấy:

i. Dung lượng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ (U, Th) và kim loại nặng (Fe, Mn) đều tăng lên khi nhiệt độ hoạt hóa tăng lên từ 100⁰C đến 600⁰C.

ii. Khi tăng nhiệt độ hoạt hóa từ 1100⁰C đến 600⁰C sẽ làm cho diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ tăng lên đáng kể và kích thước lỗ xốp cũng tăng lên và do đó tăng khả năng hấp phụ ion nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng lên bề mặt vật liệu.

iii. Khi loại bỏ một lượng nước lớn giữa không gian các lớp của vật liệu cũng như nước nằm ở bề mặt có thể mở ra các lỗ xốp và những “lỗ hổng” này cung cấp thêm các vị trí cho ion nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng.

iv. Dung lượng hấp phụ của vật liệu bentonit khi nâng từ 100⁰C đến 600⁰C tăng dần lên là do diện tích bề mặt tăng khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên khi tăng quá nhiệt có thể sẽ dẫn tới hiện tượng sập khung cấu trúc và làm cho dung lượng hấp phụ của vật liệu sẽ giảm. Ngoài ra khi tăng nhiệt độ nung sẽ làm cho chi phí sản xuất vật liệu hấp phụ tăng, vì vậy cần lựa chọn nhiệt độ phù hợp xét cả trên góc độ tính kinh tế và khả năng hấp phụ kim loại của vật liệu.

v. Khối lượng kim loại được hấp phụ tại vùng diện tích lớn nhất cũng lớn vì có số lượng lỗ rỗng cao. Khi diện tích bề mặt riêng bắt đầu giảm sau 100^oC, khối lượng kim loại hấp phụ trên một đơn vị diện tích bắt đầu tăng lên (Bảng 5).

Kết quả nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ của nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ. Khi tăng nhiệt độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ từ 100⁰C lên 600⁰C sẽ làm cho diện tích bề mặt vật liệu tăng lên đáng kể và kích thước lỗ xốp cũng tăng lên và do đó tăng khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ (U và Th) và kim loại nặng (Fe và Mn) lên bề mặt vật liệu cũng tăng đáng kể. Lựa chọn nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit ở khoảng 500^oC trong thời gian 2 giờ, vừa để đảm vật liệu vẫn có khả năng hấp phụ có hiệu quả các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng, vừa đảm bảo tính kinh tế khi đưa vật liệu vào sản xuất ở quy mô công nghiệp./.
 
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Vũ Minh Đức, 1999. Công nghệ gốm xây dựng. NXB Đại học Xây dựng Hà Nội.

2. Bojemueller, E & Nennemann, A., 2001. Enhanced pesticide adsorption by thermally modified bentonite. Applied Clay Science: 18.

3. International Atomic Energy Agency, 1984. Treatment of Low and Intermediate Level Liquid Radioactive Wastes. Technical Reports Series No. 236, IAEA, Vienna.