Đồ án Thăm dò khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải (Ni(II) và Zn(II)) bằng đá ong

tham số ảnh hưởng đến cân bằng chất hấp phụ là bản chất của chất tan. độ phân cực) , nhiệt độ, pH và sự hiện diện của các chất tan khác. Động học quá trình. Quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt trong của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau : Khuyếch tán của các chất bị hấp phụ tới bề mặt ngoài Khuyếch tán bên trong hạt hấp phụ Giai đoạn hấp phụ thật sự. Trong tất cả giai đoạn đó, bước nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuyếch tán thường là chậm và đóng vai trò quyết định. Quá trình chuyển khối. Chuyển khối là sự dịch chuyển của một thành phần vật chất trong hỗn hợp từ một vị trí này tới một vị trí khác .Có hai loại cơ chế chuyển khối chính là : Khuyếch tán phân tử Khuyếch tán dòng xoáy Trong đó, khuyếch tán phân tử là sự chuyển động ngẫu nhiên tự thân của các phần tử trong các môi trường dạng vi mô do nguyên nhân chuyển động nhiệt. Khuyếch tán dòng xoáy là sự chuyển động vĩ mô của khối vật chất linh động. Khuyếch tán phân tử chậm hơn nhiều so với khuyếch tán dòng xoáy. Nếu đồng thời tồn tại cả hai loại khuyếch tán thì chúng xảy ra độc lập với nhau và có tính cộng hợp. Nếu một quá trình chuyển khối xảy ra trong một hệ có nhiều pha ví dụ giữa chất lỏng và chất rắn mà ranh giới giữa các pha ít xảy ra dòng xoáy thì tổng thể quá trình sẽ bị khống chế bởi khuyếch tán phân tử. Khuyếch tán phân tử là cơ chế chuyển khối có vai trò quan trọng trong động học hấp phụ và trao đổi ion vì vậy nó luôn là thông số không thể thiếu khi thiết kế các hệ thống xử lý nước bằng kỹ thuật hấp phụ và trao đổi ion. Động lực của quá trình khuyếch tán phân tử là sự chênh lệch nồng độ theo vị trí không gian hay nói cách khác yếu tố động lực khuyếch tán là gradient nồng độ c theo hướng x tức là sự biến đổi nồng độ trên một đơn vị đường đi. Định luật Fick được sử dụng rộng rãi nhất để mô tả quá trình này, bao gồm hai định luật: định luật 1 mô tả khuyếch tán ở trạng thái ổn định, định luật Fick 2 mô tả ở trạng thái không ổn định. Theo định luật Fick 1, lượng chất khuyếch tán dn qua một tiết diện A vuông góc với hướng khuyếch tán với chênh lệch nồng độ của chất khuyếch tán là dc trên một khoảng cách là dx, trong một thời gian dt là: Trong đó : D là hệ số khuyếch tán ( cm2/s ). Dấu ( - ) chỉ ra rằng nồng độ giảm theo chiều khuyếch tán. Trong trường hợp quá trình khuyếch tán không ổn định nồng độ chất khuyếch tán thay đổi theo cả không gian và thời gian thì phương trình mô tả là Chuyển khối trong hệ hấp phụ. Để đạt trạng thái cân bằng hệ hấp phụ cần có thời gian để các chất tan khuyếch tán tới các bề mặt chất rắn, khuyếch tán trong hệ mao quản của chất hấp phụ và giai đoạn hấp phụ thật sự. Tốc độ hấp phụ được đặc trưng bởi sự suy giảm nồng độ chất tan trong dung dịch hay sự tăng nồng độ chất bị hấp phụ trong chất rắn theo thời gian và bằng 0 khi quan hệ đạt cân bằng. Tốc độ hấp phụ trong nước thường bị khống chế bởi các quá trình chuyển khối qua màng và chuyển khối trong hạt chất hấp phụ, nó phụ thuộc vào cả bản chất chất hấp phụ, bị hấp phụ và điều kiện thủy động học trong hệ. Chuyển khối qua màng Trong nước hay trong bất cứ chất lỏng nào xung quanh một hạt chất rắn tồn tại một lớp vỏ mỏng (độ dày ~ 10-3 – 10-2 cm) nước, màng này gắn khá bền ít bị biến động dưới tác động cơ học như khuấy. Khi khuấy do lực cưỡng bức nồng độ chất tan phân bố trong dung dịch khá đều nhưng chỉ tới phía ngoài của lớp màng. Lớp màng này được xem là một pha riêng biệt, khác hẳn pha dung dịch và pha rắn. Chuyển khối trong hạt chất hấp phụ : Giai đoạn tiếp theo chuyển khối màng là quá trình khuyếch tán vào sâu trong hạt đến các vùng hấp phụ là bề mặt trong của chất hấp phụ. Khuyếch tán trong hạt có thể xảy ra trong môi trường nước đang lấp đầy các mao quản hoặc dọc theo thành mao quản của những phân tử đã ở trạng thái hấp phụ. Khuyếch tán theo hai cơ chế trên gọi là khuyếch tán mao quản và khuyếch tán bề mặt. Mô hình khuyếch tán bề mặt: Trong đó các phân tử chuyển chỗ ở trạng thái bị hấp phụ từ tâm này đến tâm khác, được đặc trưng bởi hệ số khuyếch tán Ds. Mô hình khuyếch tán mao quản: Trong đó phân tử khuyếch tán trong pha lỏng nằm trong mao quản đến một tâm hấp phụ. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ. Bản chất của chất hấp phụ a. Diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ của chất hấp phụ Diện tích bề mặt là một trong những đặc tính chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của chất hấp phụ. Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ rắn thường tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng, có nghĩa là sự hấp phụ tăng nếu tăng diện tích bề mặt. Tuy nhiên, nếu chỉ có diện tích bề mặt riêng thì không đủ để giải thích khả năng hấp phụ của các chất rắn xốp như cacbon hoạt tính. Sự phân bố kích thước lỗ trong cacbon hoạt tính cho thấy các lỗ nhỏ tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn. Một số lỗ nhỏ quy định chiều phân tử. Vì thế, phân tử dung dịch sẽ thẩm thấu qua lỗ có đường kính lớn và không lọt qua các lỗ có kích thước nhỏ hơn. b. Kích thước hạt Diện tích bề mặt của chất hấp phụ xốp tăng cùng với sự giảm kích thước hạt. Dẫn đến khả năng hấp phụ tăng cùng với sự giảm đường kính hạt. Tuy nhiên, đối với những chất hấp phụ có độ xốp cao như cacbon hoạt tính, hầu hết diện tích bề mặt ở bên trong của lỗ và khả năng hấp phụ độc lập với kích thước hạt. c. Hoá học bề mặt Sự có mặt của nhóm chức đặc trưng trên bề mặt của chất hấp phụ liên quan tới đặc tính nhất định mà ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ. Sự hình thành nhóm bề mặt có lực của gốc oxi hoá học trong quá trình hấp phụ cacbon hoạt tính ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của một số dung dịch. Sự hấp phụ được tăng cường do tác động qua lại của electron π vòng thơm với nhóm carbonyl nhờ cơ chế cho - nhận trong đó oxi của carbonyl là chất cho và vòng thơm là chất nhận. Bản chất của chất bị hấp phụ Độ hoà tan: Khả năng hoà tan cao thì sự tương tác giữa dung môi-hạt trong dung môi cao, mức độ hấp phụ giảm do phải phá vỡ liên kết lưỡng cực dung môi - hạt trong dung môi trước khi hấp phụ. Khối lượng và kích thước phân tử của chất bị hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Khả năng hấp phụ tăng theo chiều từ sunfonat akin benzen đến sunfonat tetradecylbenzen. Sự tăng độ dài mạch nhánh làm tăng khả năng háo nước của phân tử làm quá trình hấp phụ của phân tử xảy ra mạnh hơn. Độ phân cực có ảnh hưởng mạnh đến sự hấp phụ. Sự tăng độ phân cực làm tăng độ hoà tan, làm tăng độ hấp phụ. Ảnh hưởng của [ H3O+ ] Ảnh hưởng của nồng độ [ H3O+ ] đối với quá trình hấp phụ chất điện ly yếu là tương đối lớn. Dạng không phân ly bị hấp phụ mạnh hơn dạng ion hoá. Các chất không phân ly ( benzen, toluen,...) bị hấp phụ như nhau với bất kỳ giá trị pH nào của dung dịch. . Đặc biệt đáng chú ý là khi hấp phụ các axit và kiềm hữu cơ yếu, vì ta đã biết khi có axit mạnh hay kiềm mạnh thì việc phân ly các axit yếu và kiềm yếu sẽ không diễn ra. Do đó việc hấp phụ các axit yếu sẽ diễn ra rất mạnh và hoàn toàn khi giá trị pH của nước thấp và tương ứng với kiềm yếu khi pH cao. Nói chung đa số các chất bẩn, khi hấp phụ có thể xác định giá trị pH tối ưu. Nếu các loại nước thải có giá trị pH tối ưu khác nhau thì hoặc là phải thực hiện hấp phụ ở những thùng hấp phụ riêng biệt để tạo pH tối ưu cho từng loại nước thải hoặc là cho hỗn hợp nước thải nối tiếp qua các thùng hấp phụ với điều kiện lần lượt tạo khoảng pH tối ưu tương ứng cho từng loại nước thải. Nếu không tạo được giá trị pH tối ưu khi hấp phụ các chất bẩn hữu cơ phân ly yếu trong nước thì sẽ hao tổn nhiều lượng vật liệu hấp phụ mà vẫn không đạt được hiệu quả mong muốn. Ảnh hưởng của ion trong dung dịch Các thành phần vô cơ có ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của chất hữu cơ. Ví dụ, sau 70 ngày, nếu hấp phụ bằng GAC dạng cột thì gần như bão hoà axit fulvic. Nếu thêm CaCl2 vào thì làm tăng độ hấp phụ axit fulvic do ion Ca2+ tạo phức với axit fulvic và bề mặt cacbon làm cho nó dễ hấp phụ hơn. Các ion khác cũng có ảnh hưởng tương tự. Ảnh hưởng của nhiệt độ Quá trình hấp phụ là tự phát xảy ra kèm theo với sự giảm năng lượng tự do. Entropy giảm do sự mất mật độ tự do của các chất. Nó tuân theo mối quan hệ: ∆G = ∆H – T∆S ∆H phải có giá trị dương không phụ thuộc bản chất lực tương tác. Entanpy thay đổi thì ∆H đối với hấp phụ vật lý bằng 2 – 15 Kcal/mol. Nhiệt độ tăng làm giảm khả năng hấp phụ. Trong khi đó khi nhiệt độ thấp hơn lại làm tăng khả năng hấp phụ. Các loại vật liệu hấp phụ Một hệ hấp phụ có dung lượng cao hay thấp trước hết phụ thuộc vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Ngoài lực tương tác do bản chất của hệ quyết định có thể dễ dàng nhận thấy một chất hấp phụ có diện tích bề mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ cao hơn so với chất hấp phụ cùng bản chất nhưng có diện tích bề mặt thấp hơn. Diện tích bề mặt của chất hấp phụ tăng theo độ phân tán, độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính theo đơn vị khối lượng (diện tích riêng) càng cao. Với các biện pháp cơ học (đập nghiền) chỉ có thể tạo được một mức độ phân tán hay diện tích bề mặt hạn chế, thường ít vượt quá 1 m2/g. Muốn có độ phân tán cao phải dựa vào các biện pháp hoá học, hoá lý. Các chất rắn xốp là hệ phân tán cao, thậm chí đạt tới mức phân tán của phân tử nên có diện tích lớn, có thể tới trên 1000 m2/g. Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của việc chế tạo chất hấp phụ là kiểm soát được độ xốp và phân bố độ xốp theo kích thước của chất hấp phụ. Nguyên tắc chế tạo chất hấp phụ xốp đều dựa trên các phương pháp Phương pháp kết tụ là tạo ra một cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thước nhỏ hơn, khác với tạo viên bằng phương pháp cơ học. Vật liệu để tạo cấu trúc xốp trong trường hợp này có kích thước rất nhỏ, ví dụ ở trạng thái keo phân tán trong một chất lỏng. Bằng các tác nhân vật lý, hoá học làm cho chúng co cụm, liên kết với nhau. Khi sấy khô khoảng cách giữa chúng giảm đi điều đó giúp tăng độ bền liên kết giữa các hạt. Diện tích bề mặt của vật liệu chính là tổng diện tích của các hạt nhỏ. Phương pháp ăn mòn (leaching) là phương pháp đi từ một vật liệu đặc, dùng các tác nhân hoá học cho phản ứng với khối chất đó tạo ra các sản phẩm có tính tan tốt, sản phẩm tạo thành mang theo một phần nguyên liệu ra ngoài tạo độ xốp. Ví dụ để tạo ra thuỷ tinh xốp người ta dùng tác nhân xút để ăn mòn. Kết tinh thuỷ nhiệt (hydrothermal crystalization) là từ một khối phản ứng vô định hình ban đầu, dùng nhiệt để ủ và các tinh thể hình thành trong chất lỏng. Cấu trúc vật liệu tinh thể có độ xốp và diện tích do bản chất của nó quyết định. Phân huỷ nhiệt cũng tương tự như phương pháp ăn mòn, tác nhân chính là dùng nhiệt. Nó được phân ra hai trường hợp là có và không dùng thêm tác nhân phân huỷ. Sản phẩm của quá tình là các chất bay hơi. Nếu trong nguyên liệu có sinh ra các chất bay hơi thì không cần bổ sung tác nhân phân huỷ, ví dụ dehydrat nhôm hydroxyt thành nhôm oxit, luyện than cốc Trên thực tế có rất nhiều loại chất hấp phụ. Do vậy vấn đề đặt ra là phải biết lựa chọn vật liệu hấp phụ phù hợp với đặc tính nước thải và yêu cầu xử lý. Ví dụ, để hấp phụ các chất bẩn hữu cơ từ dung dịch nước, đầu tiên phải dùng các vật liệu xốp (than hoạt tính, các chất hữu cơ tổng hợp). Các vật liệu có tính phân cực ưa nước: đất sét, silicagel, hydroxit của kim loại thực tế lại không dùng để hấp phụ các chất bẩn trong nước. Tuy nhiên, nếu trong dung dịch nước, các phân tử hoặc ion tạo ra những tập hợp lớn thì các chất hoạt tính bề mặt (chất tẩy giặt, chất tạo nhũ), thuốc nhuộm trực tiếp và các hợp chất khác có tính chất của chất điện ly keo không những sẽ bị hấp phụ rất mạnh từ các dung dịch keo vào các chất hấp phụ kỵ nước (như than hoạt tính, nhựa tổng hợp) mà còn cả vào các vật liệu xốp ưa nước, đặc biệt là oxit nhôm và sắt. Do đó nên dùng các hydroxit này để hấp phụ các chất keo. Các chất hấp phụ điển hình được kể ra đây bao gồm: Than hoạt tính Than hoạt tính thương phẩm thường được phân chia theo các dạng Loại hạt Loại bột Hay - Loại hấp phụ khí Loại tẩy màu Than tẩy màu thường ở dạng bột, chúng hấp thụ trong pha lỏng, có diện tích bề mặt không lớn lắm, độ xốp cao, tạo điều kiện cho quá trình khuyếch tán Than hấp phụ khí thường có dạng hạt, có độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ lớn. Silicagel Silicagel là một chất hấp phụ có thành phần hoá học chủ yếu là silic oxit SiO2 có cấu trúc rất xốp. Diện tích của silicagel có thể đạt 50 – 60%, diện tích bề mặt của một số loại đạt tới 800 m2/g. Silicagel chủ yếu được sử dụng làm chất hút ẩm, một phần làm chất mang xúc tác. Tuy nhiên gần đây người ta đã bắt đầu có những nghiên cứu và ứng dụng silicagel để xử lý nước thải chứa kim loại nặng và chất phóng xạ. Nhôm oxit Nhôm oxit là vật liệu màu trắng ngà, không tan trong nước nhưng tan trong axit đặc, tồn tại dưới nhiều dạng thù hình. Khi nung ở nhiệt độ cao nó sẽ chuyển sang dạng thù hình khác và không tan trong axit Nhôm oxit được sử dụng làm chất sấy khô khí, chất mang xúc tác, xử lý phân đoạn dầu mỏ, khử mùi, hấp phụ một số chất đặc thù như florua, asen Zeolit Zeolit là tên gọi một nhóm khoáng chất alumosilicat cấu trúc tinh thể, thành phần hoá học chủ yếu gồm nhôm oxit và sillic oxit sắp xếp theo một trật tự nào đó với tỷ lệ nhất định. Trật tự sắp xếp và tỷ lệ Al:Si dẫn đến các loại zeolit khác nhau. Ngoài thành phần hoá học chính kể trên, trong zeolit còn tồn tại các ion dương (hoá trị 1, 2, 3) không gắn vào vị trí cố định, nó linh động và có thể trao đổi được với các ion khác nên ngoài tính năng hấp phụ, zeolit còn là chất trao đổi ion. Zeolit thuộc khoáng alumosilicat tinh thể có công thức hoá học tổng quát Me2/nO.Al2O3 .nSiO2 .pH2O. Trong đó Me là kim loại kiềm (n=1), chủ yếu là Na, K, và kim loại kiềm thổ (n=2) như Ca, Ba, Sr, Mg Zeolit là chất hấp phụ xốp. Trong kỹ thuật, Zeolit rất ít khi được sử dụng ở dạng bột, chúng thường tạo viên với chất kết dính. Zeolit được sử dụng làm chất hấp phụ trong công nghệ lọc dầu. Ngoài ra, Zeolit cho phép tách các hợp chất có độ phân cực khác nhau, vì thế chúng được sử dụng khá rộng rãi trong kỹ thuật tinh chế nhiều loại chất lỏng, chất khí, tách oxy và nitơ của không khí, trong kỹ thuật chân không và phân tích kể cả hấp phụ chất phóng xạ. Zeolit được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật xúc tác với chức năng là chất hấp phụ nhằm loại bỏ những tác nhân gây hại cho xúc tác, là xúc tác trực tiếp cho một số quá trình hoá dầu hay thành phần của xúc tác hỗn hợp (ví dụ với silicat). Chất hấp phụ polyme Cùng với sự đòi hỏi về nhu cầu đa dạng của các chất hấp phụ trong kỹ thuật, người ta đã cố gắng chế tạo các chất hấp phụ trên cơ sở vật liệu polyme tổng hợp có những đặc trưng tính chất có thể được ấn định cho từng mục đích cụ thể. Chất hấp phụ polyme có cấu trúc và cách chế tạo tương tự các loại nhựa trao đổi ion nhưng không chứa các nhóm chức trao đổi ion. Polyme này thường có dạng cầu, không tan trong nước, tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu polyme mà bề mặt của sản phẩm có độ phân cực rất khác nhau. Chất hấp phụ polyme được sử dụng rất có hiệu quả trong xử lý các chất hữu cơ đặc thù như phenol, chất hoạt động bề mặt, hấp phụ chất màu từ nước thải, thu hồi protein. Chất hấp phụ vô cơ tự nhiên và sản phẩm biến tính Trong tự nhiên có một số chất vô cơ có diện tích bề mặt lớn có thể sử dụng làm chất xúc tác và hấp phụ. Do sẵn có trong tự nhiên nên các loại chất này có giá thành hạ, tuy nhiên chất lượng của chúng không phải khi nào cũng đáp ứng được cho nhu cầu sử dụng nên nó được biến tính bằng các biện pháp khác nhau. Chất hấp phụ vô cơ trong tự nhiên chủ yếu là silic oxit, nhôm oxit và alumosilicat. Trong nghiên cứu này, chất hấp phụ tự nhiên được lựa chọn là đá ong. Phần trình bày về các đặc điểm, cấu trúc...của loại đá này sẽ được đề cập đến trong chương sau. B – TRAO ĐỔI IÔN Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các kim loại như Zn, Cu, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn... cũng như các hợp chất của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị và đạt được mức độ làm sạch cao.Vì vậy nó là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước và nước thải. Bản chất của quá trình trao đổi ion. Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau.Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion ), chúng hoàn toàn không tan trong nước. Các chất có khả năng hút ion dương từ dung dịch điện ly gọi là cationit. Những chất này mang tính axit. Các chất có khả năng hút ion âm gọi là anionit và chúng mang tính kiềm. Nếu như các ionit nào đó trao đổi cả cation và anion thì người ta gọi đó là các ion lưỡng tính. Khả năng hút của các ionit được đặc trưng bởi các dung lượng thể tích và đại lượng này được xác định bằng số ion tương đương được hút bởi 1 đơn vị khối lượng hay 1 thể tích ionit. Người ta phân biệt dung lượng thể tích toàn phần, dung lượng thể tích tĩnh và dung lượng thể tích động. Dung lượng thể tích toàn phần: là lượng các chất được hút khi bão hoà của 1 đơn vị thể tích hay khối lượng ionit. Dung lượng thể tích tĩnh: Là dung lượng thể tích của ionit khi cân bằng ở điều kiện làm việc cho trước và nhỏ hơn dung lượng thể tích toàn phần. Dung lượng thể tích động: Là dung lượng của ionit trước khi đạt trạng thái dừng trao đổi của ion trong nước lọc. Đại lượng này được xác định trong điều kiện lọc qua ionit. Giá trị đại lượng này nhỏ hơn dung lượng tĩnh. Cơ chế của quá trình trao đổi ion. Trao đổi ion xảy ra theo tỷ lệ tương đương và trong phần lớn các trường hợp là phản ứng thuận nghịch. Phản ứng trao đổi ion xảy ra do hiệu số thế hoá học của các ion trao đổi. Phương trình trao đổi tổng quát có dạng sau: A + RmB = mRA + B Cơ chế trao đổi ion có thể xem như gồm các giai đoạn sau: Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lớp biên giới màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion. Khuếch tán lớp ion qua các biên giới Chuyển ion đã qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi ion Phản ứng hoá học trao đổi giữa hai ion A và B Khuếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi ion tới biên giới phân pha Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng Khuếch tán các ion B qua màng Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng Tốc độ quá trình trao đổi ion được quyết định bởi quá trình chậm nhất trong các giai đoạn trên. Đó là quá trình khuếch tán trong màng chất lỏng hay khuếch tán trong hạt trao đổi, còn quá trình phản ứng hoá học trao đổi ion xảy ra rất nhanh. Các chất trao đổi ion. Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo. Nhóm các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có các zeolit, kim loại khoáng chất, đất sét, chất mica khác nhau, các chất chứa nhôm silicat loại: Na2O.Al2O3.nSiO2.mH2O, các chất Fluor apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyt apatit [Ca5(PO4)3]OH cũng có tính chất trao đổi ion. Các chất trao đổi ion có nguồn gốc các chất vô cơ tổng hợp gồm silicagel, pecmutit (chất làm mềm nước), các oxyt khó tan và hydroxyt của một số kim loại như nhôm, crom,... Nhóm các chất trao đổi ion (ionit) hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm axit humic của đất (chất mùn) và than đá, chúng mang tính axit yếu.Các chất trao đổi ion hữu cơ tổng hợp là các nhựa có bề mặt riêng lớn, chúng là các hợp chất cao phân tử. Các gốc hydrocacbon của chúng tạo nên lưới không gian với các nhóm chức năng trao đổi ion cố định. CHƯƠNG IV - GIỚI THIỆU VỀ ĐÁ ONG. Định nghĩa. Laterit (còn gọi là Đá ong) là những vật tạo thành dạng kết von theo nhiều kiểu, chặt và rắn lại khi lộ ra khỏi mặt đất, hoặc là những tầng chặt hình thành trong các vỏ phong hoá và trong đất. Các loại đá ong và kết von trong đất và vỏ phong hoá miền Bắc Việt Nam tích luỹ nhiều sắt, còn nhôm thì trong đó hầu như không thấy có tích luỹ. Quá trình hình thành Các tài liệu nói về đá ong đưa ra nhiều ý kiến khác nhau về nguồn gốc hình thành của nó. Một số tác giả cho rằng, đá ong phát sinh do sự tích luỹ tương đối của các sexkioxyt khi silic, các bazơ và một số nguyên tố khác của đá mẹ bị rửa trôi (Setzer, 1956). Một số tác giả khác nói rõ thêm là có sự di chuyển của sắt trong phễu diện. Hiện tượng này theo nhiều tác giả thực chất là quá trình sắt theo nước trong đất đi từ các tầng dưới lên các tầng trên, nhất là vào mùa hanh khô. Họ đều cho rằng sự hình thành đá ong là một giai đoạn phát triển bình thường của vỏ phong hoá nhiệt đới. Tuy nhiên, một số tác giả khác lại cho rằng đá ong hình thành do các oxit sắt di chuyển từ các tầng đất trên đưa xuống. Tựu chung lại, quá trình hình thành của đá ong có thể được miêu tả như sau: Đá ong nằm trong nhóm trầm tích trẻ và là sản phẩm của các đá giàu alumonisilicat bị phá huỷ bằng phong hoá học ở điều kiện nhiệt đới hay cận nhiệt đới. Mùa mưa nước thấm qua khe hở xâm nhập vào đá, phá huỷ khoáng vật như các nguyên tố kiềm, kiềm đất (Na, K, Ca...), hoà tan chúng tạo thành môi trường kiềm. Trong điều kiện đó, oxyt silic được mang đi khỏi đá gốc, còn oxyt nhôm, sắt không được hoà tan được tập trung lại. Mùa khô, đá nứt nẻ tiếp, mở đường mới cho phong hoá hoá học của mùa mưa sau. Sự thay đổi khí hậu theo chu kỳ làm cho sự phá huỷ (cơ học và hoá học) xảy ra mạnh mẽ, có thể đạt độ sâu hàng trăm mét. Phân loại đá ong, điều kiện hình thành và cấu tạo của chúng. Đá ong có thể chia thành nhiều nhóm: nhóm đá ong hạt tròn, đá ong tổ ong (có khi còn gọi là đá ong mạng tổ, đá ong xỉ), đá ong kết ximăng giống như các hòn sỏi và đá dăm kết bị ximăng sắt gắn vào nhau, đá ong giả, và nhóm đá ong thứ sinh (được trầm tích lại). Đá ong hạt tròn: Đá ong hạt tròn gồm nhiều hạt kết von tròn bị ximăng sắt dính lại. Đa phần của khối đá ong hạt tròn không phải là ximăng mà là các hạt kết von nên được gọi là dạng tích tụ của các kết von. Về thành phần và kết cấu thì giống y như hạt kết von tròn nhưng về hình thái thì lại khác rõ rệt. Đá ong hạt tròn thường luôn rắn chắc mà không phụ thuộc vào điều kiện vị trí phân bố của chúng. Trong đá ong hạt tròn cũng giống như trong hạt kết von tròn, hàm lượng sắt cao hơn nhiều so với trong kết von tổ ong. Đó là do trong đá ong tổ ong, ngay cả ở phần vỏ ngoài, thì sắt tuy là thành phần cấu tạo cơ bản của nó song cũng chỉ đóng vai trò như một chất ximăng để gắn các khoáng vật rời rạc và mảnh đá vụn lại với nhau, còn như trong đá ong hạt tròn sắt mới là thành phần cấu tạo chủ yếu. Đá ong hạt tròn thường hình thành hoặc ở những nơi khô hơn những nơi có thể hình thành đá ong tổ ong, hoặc ở những chỗ nào có nước đất và nước mạch ngầm chứa nhiều bazơ và nước ít chua hơn (dù chỉ trong một mùa hay một thời điểm nhất định nào). Như vậy, có thể nói rằng hiện tượng sắt chuyển từ di động thành trạng thái cố định trong đá ong tổ ong thực hiện qua con đường tăng cao nồng độ dung dịch trong điều liện bị khô hạn và cũng do kết quả của quá trình oxy hoá, còn nguyên nhân kết tủa trong đá ong hột đậu thường là do phản ứng thay đổi từ chua sang ít chua và trung tính hoặc do tác dụng của các bazơ, và cũng có phần nào do các quá trình oxy hoá. Đá ong tổ ong Đá ong tổ ong gồm có hai thành phần cấu tạo khác nhau rõ rệt là vỏ (khung) và ruột (thịt). Khung đá ong về cấu tạo cũng giống như tổ ong thật, nhưng tổ ong của khung đá ong không đều cạnh như khung tổ ong thật (tổ ong thật cạnh tròn đều hơn). Các tổ (lỗ) của khung đá ong gồm các cỡ từ 1-2 đến 3-4 cm. Các vách thành của khung là một khối cả khoáng sét lẫn khoáng sơ cấp không biến hoá của đá mẹ tại chỗ bị oxyt sắt kết dính lại, có màu đỏ. Phần ruột của đá ong thường là sản phẩm sét. Nếu đá tổ ong nằm dưới đất, dù là ở vùng tầng sâu vừa hay thật sâu, thì vỏ tổ khung vẫn cắt bằng dao được dễ dàng. Còn nếu nằm lộ ra trên mặt do các hiện tượng nào đó gây nên thì vỏ khung rắn lại nhưng quá trình rắn cứng diễn ra dần dần và sau đó khi lộ ra ngoài mặt đất vài tuần mới rắn hẳn. Các tổ ong của đá ong tổ ong nằm dài theo chiều ngang. Các loại đá ong tổ ong của miền Bắc Việt Nam có cấu tạo rất điển hình, hoàn toàn giống với các loại đá ong tổ ong được mô tả trong nhiều tài liệu đã công bố Sự hình thành đá ong tổ ong phụ thuộc vào chế độ nhất định của tầng đất và đất cái, cụ thể là trong điều kiện khô quá và trong điều kiện ẩm ướt quá đều không thuận lợi cho đá ong hình thành. Đá ong tổ ong phát sinh trong tầng đất bị ẩm ướt định kỳ, tại đó trong mùa ẩm ướt các quá trình khử chiếm ưu thế và trong mùa khô hanh đất thoáng hơn và các quá trình oxy hoá lại phát triển. Trong điều kiện bị ngập nước liên miên và cả những chỗ không bao giờ có nước đọng, đá ong tổ ong không hình thành. Đá ong tổ ong miền Bắc Việt Nam có tích tụ nhiều sắt làm chất kết ximăng cho khung tổ ong. Nếu đem so sánh phần đất thịt của đá ong và phần khung vỏ đá ong chúng ta thấy rõ sắt trong vỏ nhiều hơn hẳn. Hàm lượng tất cả các nguyên tố khác, nhất là silic, thì có ít. Đem đối chiếu hiện tượng tích tụ sắt trong vách vỏ khung (bộ phận đặc biệt tạo thành đá ong) với sự kiện hình thành đá ong tổ ong trong điều kiện ẩm ướt xen kẽ,các nhà