Bentonite và các ứng dụng trong công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TPHCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---—&–---

TIỂU LUẬN
HOẠT CHẤT BỀ MẶT

ĐỀ TÀI: Bentonite và các ứng dụng
trong công nghiệp
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Phan Nguyễn Quỳnh Anh
Sinh viên thực hiện: Trương Thanh Ngân
Lớp : DH18HS – MSSV: 18139108

TP. HCM, tháng 1, năm 2022

1


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG ................................................................................................. 3
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................................................ 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BENTONITE ................................................................................. 5
1.

Giới thiệu .................................................................................................................... 5

2.

Sự hình thành ............................................................................................................. 5

3.

Phân loại ..................................................................................................................... 6

4.

Thành phần khống và thành phần hóa học ................................................................. 7

5.

Cấu trúc của montmorillonite ...................................................................................... 8

6.

Biến tinh montmorillonite .......................................................................................... 10

7.

Tính chất lý – hóa của bentonite ................................................................................ 14

8.

Một số ứng dụng của bentonite .................................................................................. 15

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA BENTONITE .............................................................................. 17
1.

Tính chất trao đổi ion ................................................................................................ 17

2.

Tính chất trương nở .................................................................................................. 17

3.

Tính hấp phụ ............................................................................................................ 18

4.

Tính kết dinh ............................................................................................................ 18

5.

Tính trơ .................................................................................................................... 18

6.

Tính nhớt và tính dẻo ................................................................................................ 19

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH KIỂM TRA BENTONITE .................................................................. 20
Lấy mẫu Bentonite .................................................................................................... 20

1.

1.1.

Bentonite thô...................................................................................................... 20

1.2.

Xử lý bentonit thô .............................................................................................. 20

Quy trinh kiểm tra .................................................................................................... 21

2.
2.1.

Sự hydrat hóa bentonite ......................................................................................... 22

2.2.

Đánh giá chất lượng bentonite ................................................................................ 22

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA BENTONITE TRONG CÔNG NGHIỆP ................................. 25
1.

Ứng dụng của Bentonite đối với các nhà máy nấu và đúc kim loại ............................... 25

2.

Ứng dụng đối với công nghiệp khoan ......................................................................... 25
3.

Ứng dụng trong chống thấm công trình xây dựng ................................................... 26

4.

Những ứng dụng khác của Bentonite ...................................................................... 26

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................................................. 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 29

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG
Hình 1: Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit
Hình 2. Cấu trúc 2:1 của MMT
Hình 3: Các dạng nhóm hidroxi trên bề mặt khống sét
Hình 4: Một sốpolioxocation kim loại
Hình 5: Sơ đồ hình thành sét chống bằng Pillar nhôm
Bảng 6: Tiêu chuẩn chất lượng chung cho bentonite được trình bày trong các thông số
kỹ thuật của OCMA và API

3


LỜI MỞ ĐẦU
Bentonite được sử dụng trong ngành công nghiệp để thực hiện vô số công việc. Một
số ứng dụng công nghiệp nhất định trở nên rõ ràng từ sự hiểu biết về thành phần và
cấu trúc của bentonit, và các đặc tính mà chúng tạo ra. Những đặc tính này được sử
dụng chủ yếu khi vật liệu lơ lửng trong chất lỏng, thường là nước; hoặc ở dạng bột
hoặc hạt khô.
Hầu hết các ứng dụng công nghiệp liên quan đến đặc tính trương nở của bentonit để
tạo thành huyền phù nước nhớt. Tùy thuộc vào tỷ lệ tương đối của đất sét và nước,
những hỗn hợp này được sử dụng làm chất liên kết, làm dẻo và tạo huyền phù.
Bentonite phân tán thành các hạt keo và do đó, cung cấp diện tích bề mặt lớn trên một
đơn vị trọng lượng đất sét. Diện tích bề mặt lớn này là lý do chính tại sao bentonit có
chức năng rất tốt trong việc ổn định nhũ tương, hoặc là môi trường để mang các hóa
chất khác.

Bentonite phản ứng hóa học với nhiều vật liệu hữu cơ để tạo thành các hợp chất được
sử dụng chủ yếu làm chất tạo gel trong nhiều loại chất lỏng hữu cơ khác nhau.
Bentonite được lựa chọn cho từng nhu cầu công nghiệp trên cơ sở chủng loại và chất
lượng. Sự lựa chọn này chủ yếu dựa trên các tính chất vật lý, và hóa học của bentonit
chỉ trở nên liên quan đến mức độ ảnh hưởng của nó đến các đặc tính vật lý.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BENTONITE
1. Giới thiệu
Bentonite là một loại đất sét nhôm phyllosilicat hấp thụ bao gồm phần lớn là
montmorillonite. Thuật ngữ Bentonite lần đầu tiên được sử dụng cho một loại đất sét
được tìm thấy vào khoảng năm 1890 trong Pháo đài Benton, Wyoming. Thành phần
chính, là yếu tố quyết định tính chất của đất sét, là khống sét montmorillonite, nên
bentonite cịn có tên là montmorillonite. Tên này được đặt theo tên của nơi nó lần đầu
tiên được tìm thấy là Montmorillon, miền Nam nước Pháp.
Bentonite xuất hiện trong các loại đá được lắng đọng từ kỷ Ordovic đến Negene
(khoảng 488,3 đến 2,6 triệu năm trước). Tại Hoa Kỳ, các nhà sản xuất chính là
Wyoming, Montana, California, Arizona và Colorado. Năm 2011, Mỹ chiếm gần một
phần ba sản lượng của thế giới, tiếp theo là Trung Quốc và Hy Lạp.2 Các nhà sản xuất
quan trọng khác trên thế giới là Nhật Bản, Ý, Brazil, Romania, Đức, Mexico,
Argentina, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Hungary, Ba Lan , Canada, Thổ Nhĩ Kỳ và Síp
2. Sự hình thành
Sự hình thành bentonite liên quan đến sự biến đổi của thủy tinh núi lửa thành khoáng
sét; chủ yếu bao gồm các khoáng chất smectite, thường là montmorillonite. Điều này
đòi hỏi quá trình hydrat hóa (hấp thụ hoặc kết hợp với nước) và làm mất kiềm, base và
có thể cả silica, với việc bảo toàn các kết cấu của thủy tinh núi lửa ban đầu.
Các khống chất nhóm smectite khác bao gồm hectorit, saponit, beidelit và nontronit.
Smectites là khoáng chất đất sét, tức là chúng bao gồm các tinh thể riêng lẻ mà phần

lớn trong số đó có kích thước lớn nhất là <2 micron. Bản thân các tinh thể smectite là
các khoáng sét ba lớp. Chúng bao gồm hai lớp tứ diện và một lớp bát diện. Trong các
lớp tứ diện montmorillonite bao gồm [SiO4] – các tứ diện bao quanh [M (O5, OH)] –
lớp bát diện (M = và chủ yếu là Al, Mg, nhưng Fe cũng thường được tìm thấy). Các
lớp silicat có một điện tích âm nhẹ được bù đắp bởi các ion có thể trao đổi trong vùng
liên tinh thể. Điện tích quá yếu nên các cation (ở dạng tự nhiên, chủ yếu là Ca2 +, Các
5


ion Mg2 + hoặc Na +) có thể bị hấp thụ trong vùng này bằng lớp vỏ hydrat của chúng.
Mức độ hydrat hóa tạo ra sự trương nở giữa các tinh thể.
Tùy thuộc vào bản chất nguồn gốc của chúng, bentonit có chứa nhiều loại khống chất
phụ ngồi montmorillonite. Những khống chất này có thể bao gồm thạch anh,
fenspat, canxit và thạch cao. Sự hiện diện của các khoáng chất này có thể tác động đến
giá trị cơng nghiệp, làm giảm hoặc tăng giá trị của nó tùy thuộc vào ứng dụng.
3. Phân loại
Bentonit được phân loại thành ba loại chính theo tỷ lệ của các cation natri và canxi có
thể trao đổi mà chúng chứa, chỉ số trương nở và độ pH của chúng. Các loại này là
bentonit natri tự nhiên, bentonit canxi tự nhiên và bentonit canxi (natri-canxi) hoạt
hóa.
• Natri bentonit tự nhiên có tỷ lệ natri và canxi có thể trao đổi vừa phải - và
tương tự -, chỉ số trương nở vừa phải và độ pH cơ bản (gần bằng 9). Nó chứa
khá nhiều tạp chất nhưng chúng lại có những tác dụng hữu ích đối với rượu
vang. Các bentonit natri hấp thụ một lượng lớn nước, trương nở gấp nhiều lần
thể tích ban đầu của chúng, và tạo ra huyền phù vĩnh viễn của các khối giống
như gel. Những thứ này đã được sử dụng để bịt các con đập; liên kết cát đúc,
amiăng và bơng khống; như bùn khoan; trong xi măng portland và bê tông,
gốm sứ, nhũ tương, thuốc diệt côn trùng, xà phòng, dược phẩm và sơn; trong
sản xuất giấy; để làm sạch nước, nước trái cây và rượu; và như một chất làm
mềm nước để loại bỏ canxi khỏi nước cứng. Natri bentonit có thể được kết hợp

với lưu huỳnh để làm lớp lót phân bón. Điều này cho phép làm chậm quá trình
oxy hóa lưu huỳnh thành sunfat, một chất dinh dưỡng thực vật quan trọng và
duy trì mức sunfat trong đất bị rửa trôi do mưa lâu hơn so với lưu huỳnh dạng
bột hoặc thạch cao nguyên chất. Các tấm đệm lưu huỳnh / bentonit có bổ sung
phân hữu cơ đã được sử dụng cho nơng nghiệp hữu cơ.
• Canxi bentonit tự nhiên có tỷ lệ natri trao đổi rất thấp và tỷ lệ canxi trao đổi rất
cao, mặc dù tỷ lệ này thay đổi đáng kể từ loại bentonit này sang loại bentonit

6


khác. Nó có chỉ số trương nở rất thấp (thường là ≤0,5%) và độ pH gần như
trung tính. Các bentonite canxi không bị phân hủy và phân hủy thành một tập
hợp hạt mịn được sử dụng rộng rãi như một loại đất sét hấp thụ. Canxi bentonit
có thể được chuyển đổi thành natri bentonite (được gọi là thụ hưởng natri hoặc
hoạt hóa natri) để thể hiện nhiều đặc tính của natri bentonit bằng quá trình trao
đổi ion. Như thường lệ, điều này có nghĩa là thêm 5–10% muối natri hịa tan
như natri cacbonat vào bentonite ướt, trộn đều và để thời gian cho quá trình
trao đổi ion diễn ra và nước loại bỏ canxi đã trao đổi. Một số đặc tính, chẳng
hạn như độ nhớt và sự mất chất lỏng của huyền phù, của bentonit canxi được
thụ hưởng natri (hoặc bentonit hoạt hóa natri) có thể khơng hồn tồn tương
đương với bentonit natri tự nhiên. Ví dụ, canxi cacbonat dư (được hình thành
nếu các cation trao đổi không được loại bỏ đầy đủ) có thể dẫn đến hiệu suất
kém hơn của bentonit trong lớp lót địa tổng hợp.
• Bentonite canxi hoạt hóa là bentonite được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất
rượu vang vì nó có chỉ số trương nở cao và độ pH từ 9 đến 10. Nó cũng có tỷ lệ
natri và canxi có thể trao đổi cao. Nó thu được bằng cách kích hoạt bentonit
canxi tự nhiên với natri cacbonat, sau đó làm khơ và nghiền hỗn hợp thu được.
Tỷ lệ natri có thể trao đổi của nó phụ thuộc vào mức độ hoạt hóa.
4. Thành phần khống và thành phần hóa học

Bentonit là loại khống sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit. Thành phần chính của
bentonit là montmorillonit (MMT), ngồi ra cịn có một số khống chất khác như
quartz, cristobalit, feldespar, biotit, kaolinit, illit, pyroxen, zircon, calcit,... Đơi khi
người ta cịn gọi khống bentonit là montmorillonit. Công thức đơn giản nhất của
montmorillonit (Al2O3.4SiO2.nH2O) ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc.
(Ca, Na) 0,3 (Al, Mg) 2Si4O10 (OH) 2 · n H2O.
Công thức lý tưởng của montomrillonit là Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc.
Tuy nhiên, thành phần hố học của montmorillonit ln khác với thành phần biểu diễn
theo lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại như Al3+, Fe2+,
7


Mg2+,… với Si trong tứ diện và Al trong bát diện. Khoáng sét xuất hiện trong tự
nhiên với sự biến thiên trong thành phần phụ thuộc trên nhóm của họ và nguồn gốc
của chúng. Công thức phân tử chung của MMT được biết thơng thường là
(M+x.nH2O)(Al2-yMgx)Si4O10(OH)2, trong đó M+ là cation trao đổi giữa lớp (M+
= Na+, K+, Mg2+ hay Ca2+), trong điều kiện lý tưởng, x = 0,33.
Như vậy thành phần hoá học của montmorillonit với thành phần chủ yếu là các
ngun tố Si và Al, cịn có các ngun tố như Mg, Fe, Na, Ca,…Ngồi ra trong
khống có thêm một số nguyên tố vi lượng khác như: Ti, Tl,... Trong đó tỷ lệ của
Al2O3 : SiO2 dao động từ 1 : 2 đến 1 : 4.
5. Cấu trúc của montmorillonite
Cấu trúc tinh thể MMT được chỉ ra trong Hình 1.3, mạng tinh thể của montmorillonit
gồm có lớp hai chiều trong đó lớp Al2O3 (hoặc MgO) bát diện ở trung tâm giữa hai
lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi của lớp tứ diện cũng
thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên tử oxy
định vị ở bốn góc của tứ diện. Nguyên tử Al (hoặc Mg) trong lớp bát diện thì phối trí
với 6 nguyên tử oxy hoặc nhóm hyđroxyl (OH) định vị ở 6 góc của bát diện đều. Ba
lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một đơn vị cơ sở của
nanoclay. Bề dày của tiểu cầu có kích thước khoảng 1 nm (10 Å) và chiều dài của tiểu

cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm. Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét sắp
xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thường
được gọi là khoảng cách “Van de Waals”, là khoảng không gian giữa hai lớp sét [30].
Sự hình thành nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4
trong lớp tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al
hoá trị 3 trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các ngun tử có hố trị 2
như Fe và Mg. Sự thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của
các tiểu cầu sét mang điện tích âm. Điện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim
loại kiềm và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+,…) chiếm giữ
khoảng không gian giữa các lớp này. Trong Hình 1.2 cho thấy sự thay thế đồng hình
của một số ion Al, Fe, Mg,…trong tứ diện và bát diện, cũng như khoảng cách của lớp

8


sét. Khoảng cách của một lớp MMT đã chỉ ra trong Hình 1.3 là 9,6 Å, còn khoảng
cách của d001 của sét khô (làm khô ở 70oC) là 12,6 Å.

Hình 1: Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit

Hình 2. Cấu trúc 2:1 của MMT
9


6. Biến tinh montmorillonite
Đặc trưng cơ bản của MMT là khả năng trao đổi, do sự thay thế đồng hình Si+4 bằng
Al+3 trong mạng lưới tứ diện và Al+3 bằng Mg+2 trong mạng lưới bát diện làm xuất
hiện điện tích âm trong mạng cấu trúc. Các điện tích âm này được bù trừ bằng các
cation trong tự nhiên như: Na+, Ca2+. Các cation này có khả năng trao đổi mạnh hay
yếu phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi.

Trong mạng lưới tinh thể của MMT cịn tồn tại nhóm OH. Ngun tử H của nhóm này
trong điêù kiện nhất định có thể tham gia vào phản ứng trao đổi. Trên bề mặt
nhơmsilicat có thể tồn tại các nhóm hidroxi sau:

Hình 3: Các dạng nhóm hidroxi trên bề mặt khống sét
(a) : Dạng Silanol
(b) : Dạng nhơm hidroxit
(c) : Dạng liên kết cầu
Trong đó nhóm Si-OH silanol khơng có tính axit, khơng có tính xúc tác; nhóm Al-OH
có tính axit yếu chỉ tác dụng với bazơ hữu cơ mạnh; nhóm hidroxit cầu trong Si-OHAl có tính axit mạnh, có khả năng xúc tác cao.
Khả năng trao đổi cation cịn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính cation. Các cation hóa
trị và bán kính cation càng nhỏ càng dễ trao đổi. Tuy nhiên khả năng trao đổi ion của
MMT chủ yếu vẫn phụ thuộc điện tích âm bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng
lưới. Bề mặt MMT gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt
ngoài phản ánh kích thước tinh thể. Kích thước hạt càng nhỏ khả năng trao đổi càng
lớn.

10


Khả năng trao đổi cation bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trong bề mặt mạng
lưới và khả năng hấp phụ của MMT. Lượng cation bù trừ trong mạng lưới càng lớn thì
khả năng trao đổi càng lớn. MMT có khả năng trao đổi với nhiều cation khác nhau.
Các cation đa hóa trị khi được trao đổi sẽ nằm ở ngồi và giữa các lớp nhơmsilicat.
Chúng có khả năng tạo phức với những nguyên tố khác nhau nên bản thân chúng trở
thành những trung tâm hoạt động góp phần làm tăng hoạt tính xúc tác.
• Polioxocation kim loại - Cột chống (Pillars)
MMT trương nở do sự hiđrat hóa của các cation nằm giữa các lớp nhôm silicat tạo
khoảng cách giữa các lớp. Chống là xen kẽ các phần tử lạ vào khoảng giữa các lớp của
MMT [9]. Những phân tử này được xen kẽ vào giữa các lớp sét bằng cách trao đổi với

cation đền bù điện tích bề mặt. MMT được chống bằng polioxocation vô cơ cho sản
phẩm có diện tích bề mặt riêng lớn. Tùy thuộc vào kích thước, chiều cao của các cột
chống mà độ xốp của MMT khác nhau. Cỡ lỗ xốp của MMT có thể khống chế bằng
cách lựa chọn điều kiện, phương pháp điều chế, loại vật liệu làm cột chống [10]. Có
nhiều phương pháp chống MMT để tạo nên nhơmsilicat xốp. Có nhiều loại
polioxocation kim loại được dùng để chống giữa các lớp sét tạo nên vật liệu xốp Hình
1.5.

11


Hình 4: Một sốpolioxocation kim loại
(a): polioxocation sắt
(b): polioxocation tantali
(c): polioxocation nhơm (ion Keggin)
(d): polioxocation gali
• Sét chống (Pillared Clays)
Bằng cách cho dung dịch huyền phù MMT tiếp xúc với một dung dịch polioxocation
kim loại, ví dụ ion Keggin hay các ion tương tự ta được sét chống. Polioxocation
nhôm điều chế được ở trạng thái phân tán từ dung dịch Al3+ bằng cách điều chỉnh pH
sao cho tương ứng với tỉ lệ OH/Al trong khoảng từ 2-2,5. Độ bền của các cột chống
nhơm ở điều kiện thủy nhiệt có thể tăng rất nhiều bằng cách trao đổi proton giữa các
lớp với cation như Mg2+, Ca2+, La2+...
Sản phẩm của phản ứng giữa MMT-Na và dung dịch polioxocation Crom có khoảng
cách giữa các lớp lên tới 27,6 Ả. Nếu dùng các polioxocation nhôm thì khoảng cách
12


giữa các lớp là 20 Ả. Với [Fe3(OAc)7OH]+ là 21,5 Ả sau khi nung khoảng cách giữa
các lớp nhômsilicat là 16,7 Ả; với [(TiO)8(OH)12]4+lên tới 30 Ả. Các cột chống

SiO2 thu được bằng cách xen kẽ vào giữa các lớp sét cation triaxetat sityl
[Si(CH3COO)3]+và sau đó cho thủy phân thu được sét chống SiO2.

Hình 5: Sơ đồ hình thành sét chống bằng Pillar nhôm
Do khả năng ứng dụng của MMT trong lĩnh vực xúc tác ngày càng rộng rãi và do có
thể làm thay đổi tính axit của MMT nên ngoài việc điều chế MMT chống bằng
polioxocation đơn kim loại người ta còn điều chế cột chống là hỗn hợp kim loại đa
hóa trị.
Thực nghiệm cho thấy, sét tự nhiên hoạt hóa và khơng hoạt hóa cũng ảnh hưởng đến
tính chất của sét chống. Khoáng sét tự nhiên thường chứa tạp chất canxit (CaCO3),
đolomit (CuCO3, MgCO3), FeCO3. Khi hoạt hóa bằng kiềm là dùng kiềm hòa tan
một số oxit lưỡng tính Al2O3, Fe2O3 trên bề mặt sét. Tuy nhiên một số liên kết
nhômsilicat bị đứt tạo cấu trúc khác và sa lắng, các tâm axit bị đầu độc nên phương
pháp hoạt hóa bằng kiềm ít được dùng.
Hoạt hóa khống sét bằng axit vơ cơ cho kết quả tốt. Khuấy khống sét trong dung
dịch HCl từ 15-20%. Axit hòa tan tạp chất, chuyển chúng vào dung dịch nước theo
các phương trình phản ứng:
CaCO3 + 2HCL -> CaCl2 + CO2 + H2O
MgCO3 + 2HCL -> MgCl2 + CO2 + H2O

13


Fe2O3 + 6HCL -> 2FeCl3 + 3H2O
Phương pháp hoạt hóa khống sét bằng axit tạo ra vật liệu có độ axit cao do H+ thay
thế Na+, K+, Ca2+..., proton liên kết với oxy ở cầu nối Si-O-Al làm tăng độ axit, tăng
hoạt tính xúc tác axit. Kết hợp hoạt hóa bằng axit với xử lý bằng Natridithionit cho
hiệu quả cao, ngồi tác dụng như trên, Fe2O3 cịn bị kéo ra theo phản ứng dưới đây:
5Fe2O3+ 2NaS2O4 + 14HCl ^ 4FeSO4+6FeCl2 +2NaCl+7H2O (1.26)
Phương pháp này cho phép thu được hàm lượng MMT cao từ khống sét tự nhiên. Đó

chính là q trình làm giàu MMT từ khoáng sét. Thật vậy, Fe2O3 là tạp chất hàm
lượng cao và khó bị loại bỏ, Fe2O3 cịn là chất kết dính quartz với MMT. Sau khi
Fe2O3 bị loại, quartz sẽ lắng xuống tách khỏi MMT.
7. Tính chất lý – hóa của bentonite
Bentonit là khống sét kết mềm hình thành từ quá trình phong hoá tro núi lửa, tương
đối mền và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe trong
cấu trúc khống. Tính chất đặc trưng của bentonit là khả năng tạo thành huyền phù khi
tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15 lần so với khối lượng sét
khô và khả năng trao đổi cation cao.
Sự thay thế Si4+ bằng các cation có hố trị thấp hơn làm cho lớp sét mang điện tích
âm trên bề mặt các lớp sét, điện tích này được cân bằng bởi một số cation khác như
K+, Na+, Mg2+, Ca2+ định vị trong khoảng không gian giữa lớp. Các cation này liên
kết lỏng lẻo với bề mặt lớp sét, do vậy montmorillonit có dung lượng trao đổi cation
tương đối cao (100 meq/100 g), rất ít ảnh hưởng đến kích thước hạt. Khả năng trao đổi
cation làm cho khống bentonit khơng chỉ trao đổi với các cation vơ cơ, mà có liên kết
với các phân tử hữu cơ như: điquat, paraquat, protein. Các cation trao đổi giữa lớp
khác nhau có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nước và tinh chất trương nở của sét.
Khả năng trương nở trong nước của bentonit chứa Na lớn hơn bentonit chứa K, Ca
hoặc Mg.
Khi nước được xen vào mạng lưới khoáng sét là yếu tố quan trọng để điều khiển tính
liên kết, huyền phù, nén và một số tính chất khác của montmorillonit. Đặc tính vật lý

14


của bentonit ảnh hưởng bởi số lượng lớp nước nằm trong khoảng không gian giữa các
lớp sét (chứa 1 lớp hay nhiều lớp nước). Nhiệt độ mất nước hấp phụ và nước nằm giữa
lớp sét ở nhiệt độ thấp (100 – 200oC). Mất nước cấu trúc bắt đầu từ 450 – 500oC và
mất hoàn toàn ở 600 – 750oC. Tiếp tục nung đến 800 –900oC dẫn đến cấu trúc tinh
thể tan rã và tạo ra các chất mới như cristobalit, cordienrit, mullit,… phụ thuộc vào

thành phần và cấu trúc khoáng ban đầu. Khả năng hấp thụ và trương nở của
montmorillonit nhanh chóng mất đi khi nung nơng đến nhiệt độ giới hạn, trong
khoảng từ 105 đến 390oC, tuỳ thuộc vào cation trao đổi giữa lớp. Khả năng hấp phụ
nước ảnh hưởng đến việc sử dụng và giá trị thương mại của bentonit
Đặc biệt, tính chất hố học của bề mặt khoáng sét phụ thuộc vào cấu trúc của khoáng.
Đơn vị cơ bản của MMT là một lớp mở rộng của tấm nhôm bát diện (O) kẹp giữa 2
tấm silic tứ diện (T), tạo thành đơn vị TOT. Sắp xếp chồng các đơn vị TOT tạo ra tinh
thể MMT. Sự thay thế đồng hình trong tấm bát diện (hoặc trong tứ diện) làm cho cấu
trúc dư thừa điện tích âm. Cation trao đổi giữa lớp sét góp phần đền bù điện tích thiếu
hụt điện tích dương trong cấu trúc và giữ cho các lớp liên kết với nhau. Các cation này
dễ dàng trao đổi bằng các cation khác có tương tác lớn hơn. Diện tích bề mặt kết hợp
với bề mặt cơ bản của đơn vị TOT mở rộng được gọi là bề mặt lớp xen giữa
(interlayer surface) khi nó tương ứng với các lớp sắp xếp liên tiếp hoặc là bề mặt
ngồi khi nó tương ứng với bề mặt cơ bản bên ngồi của tinh thể. Diện tích bề mặt
trong và diện tích bề mặt ngồi chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của MMT. Mặt khác,
cấu trúc tuần hồn của tinh thể MMT bị gián đoạn ở các cạnh, nơi mà điện tích đền bù
của chúng phá vỡ bởi phân tử nước và proton hấp phụ. Do sự gián đoạn này, điện tích
bề mặt phụ thuộc vào pH và khả năng phản ứng với các cation, anion và phân tử trung
hồ (hữu cơ, vơ cơ) tạo thành các liên kết hoá học.
8. Một số ứng dụng của bentonite
Bentonit được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực khác nhau, sau đây là một số ứng
dụng chính:
- Làm chất hấp phụ trong nhiều ngành: cơng nghiệp lọc dầu, thăm dị và khai thác dầu,
bentonit được dùng để chế tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng cao và chi phí
thấp; cơng nghiệp hóa than; cơng nghiệp sản xuất rượu bia.
15


- Dùng làm chất độn, chất màu trong một số ngành công nghiệp: sản xuất các vật liệu
tổng hợp; công nghiệp sản xuất giấy.

- Trong công nghiệp tinh chế nước để làm kết tủa các vẩn đục, hấp phụ các ion gây
độc và các vi khuẩn, chất hữu cơ có hại trong nước, có khả năng khử tinh cứng của
nước với giá thành tương đối rẻ
- Trong lĩnh vực xử lý chất thải, chất thải phóng xạ. Bentonit được bổ sung những
vòng ion Al3+ , Fe3+ , Mg2+ , Ca2+ ,… để tăng hoạt tính, được dùng đểmxử lý kiềm,
axit, nước thải.

16


CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA BENTONITE
1. Tính chất trao đổi ion
Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do trên bề mặtcủa các lớp sét
có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấpphụ và trao đổi cation.
Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế đồnghình của các cation. Ví dụ như
khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+hoặc Fe3+, hoặc Al3+ trong mạng
bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+,Zn2+..., thì sự thay thế các ion điện tích
cao này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong
cấu trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.Đối với bentonit,
sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa hai lớp tứ diện của
phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sétlà liên kết yếu và các cation đó
có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào
lượng điện tích âm bề mặt và sốlượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm càng
lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
2. Tính chất trương nở
Khi ngậm nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vàokhe trống giữa
các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi là tính chất trương nở.
Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế
đồng hình của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực
trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc

vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi. Khi bentonit hấp phụ hơi nước hay
tiếp xúc với nước, các phân tử nước phân cực sẽ thâm nhập vào bên trong các lớp, làm
khoảng cáchnày tăng lên ít nhất 14-15Å tùy thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị
hấp phụ. Sự tăng khoảng cách d001 được giải thích là do sự hydrat hóa của cáccation
giữa các lớp.
Độ trương nở của bentonit phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp sét.
Ví dụ, ion Na+ với điện tích +1 có thể liên kết với một tâm tích điện âm trên mặt lớp
sét. Do vậy khi bị hyđrat hóa, bentonite Na có khả năng trương nở từ khoảng cách ban
đầu giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å.Trong mơi trường kiềm bentonite - Na
17


bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng mạnh. Do vậy trong môi trường kiềm,
huyền phù bentonit-Na rất bền vững. Cation Ca2+ liên kết với 2 tâm tích điện âm trên
2 phiến sét do vậy khi bentonit-Ca bị hydrat hóa, khoảng cách giữa 2 phiến sét chỉ
tăng từ 12,1Å đến 17Å. Điều này hạn chế sự trương nở hay khả năng tạo độ nhớt
củabentonit-Ca. Độ trương nở của bentonit-Ca từ 100 đến 150%, đối vớibentonit-Na
độ trương nở lớn hơn.
3. Tính hấp phụ
Hấp phụ là một đặc tính quan trọng của bentonite. Các chất hữu cơphân cực có kích
thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo liên kết trực tiếp với các cation trao
đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước hoặc liên
kết với các trung tâm mang điện tích trên bề mặt các lớp sét. Nếu các chất hữu cơ
phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào
vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Van der Walls hoặc liên
kết hiđro
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và bề mặt
riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chấthấp phụ của các khống sét,
đặc trưng của nó là tính chọn lọc đối với chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đường
kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta có thể

dùng bentonit hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa
bentonit và các chất hấp phụ khác.
4. Tính kết dinh
Khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh nên từ thời xa xưa con
người đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằm mục đích phục vụ
đời sống. Lợi dụng tính chất kết dính này, trong các xưởng đúc gang, bentonit được
dùng làm chất kết dính để vê quặng bột thành viên trước khi đưa vào lò nung, hoặc
làm chất kết dính trong khn cát để đúc.
5. Tính trơ

18


Bentonit trơ và bền hóa học nên khơng độc, có thể ăn được. Người ta dùng bentonit
làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch và tẩy
màu cho bia, rượu vang và mật ong
6. Tính nhớt và tính dẻo
Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong nước nên
bentonit có tính nhớt và dẻo. Do có các tính chất này mà bentonit được sử dụng làm
phụ gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành của lỗ khoan, làm phụ gia trong xi măng
Portland, chế vữa và chất dính kết đặc biệt

19


CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH KIỂM TRA BENTONITE
1. Lấy mẫu Bentonite
1.1.

Bentonite thô

Các loại bentonit thương mại xuất hiện dưới dạng các lớp tro núi lửa biến đổi tương
đối mỏng ở rất gần bề mặt. Do đó, bentonit hầu như chỉ được thu hồi bằng phương
pháp khai thác dải. Một phần không thể thiếu trong khai thác bentonit là khoan lõi sơ
bộ để xác định độ dày và mức độ của mỏ và cung cấp các mẫu để ước tính các đặc
tính vật lý và cấp quặng trong mỏ.
Để đáp ứng các yêu cầu sản phẩm này, quặng bentonit được cung cấp nguyên trạng
cho nhà máy chế biến. Hầu hết các sản phẩm bentonit yêu cầu rằng quặng phải được
làm khô trong máy sấy quay đến độ ẩm dưới 15%. Sấy khô bổ sung xảy ra trong quá
trình chế biến tiếp theo. Các sản phẩm được yêu cầu ở dạng hạt trong tự nhiên được
thu hồi bằng cách sàng xả khô hơn.
Sản phẩm nghiền mịn thường được sản xuất bằng cách nghiền quặng khơ thơng qua
máy nghiền con lăn nghiền đến kích thước nhỏ hơn 200 mesh hoặc hạt mịn hơn. Tro
soda được thêm vào với nồng độ lên đến 20 pound / tấn vào quặng bentonite cấp thấp
hơn có chứa dư thừa các cation hóa trị hai tại các vị trí trao đổi montmorillonite, cải
thiện tính chất nhớt của sản phẩm cuối cùng.
1.2.

Xử lý bentonit thơ

Nếu thành phần khống chất của bentonit đến mức độ nhớt của nó khơng đủ, thì có
thể thêm chất kéo dài. Chất kéo dài có thể là muối hoặc polyme, và nó tăng cường sự
tích tụ độ nhớt bằng cách keo tụ nhẹ huyền phù bentonit.Chỉ có hai phương pháp đơn
giản có sẵn để tăng chất lượng bentonite:
1 Trao đổi ion
2 Bổ sung bộ mở rộng.

20

Phương pháp đầu tiên khơng có nhược điểm nếu bentonite được rửa đúng cách sau khi
xử lý. Tuy nhiên, việc bổ sung một chất mở rộng có thể làm tăng hiệu suất không
mong muốn của bentonite, đặc biệt là khi chất kéo dài polyme đã được thêm vào.
Xu hướng hydrat hóa ở một số loại đất sét lớn hơn so với các loại đất sét khác, xác
định liệu có cần xử lý hóa học để đạt được các đặc tính mong muốn cho một tình
huống khoan cụ thể hay không.
Natri cacbonat là một ví dụ về một loại muối có thể được thêm vào như một chất kéo
dài. Trong một số trường hợp, nó đã có trong bentonit vì nó cũng có thể được sử dụng
để xử lý trước. Ngâm bentonite thô với dung dịch muối natri, thông qua trao đổi ion,
hàm lượng natri montmorillonite cao hơn.
Các polyme anion, chẳng hạn như Polyacrylate (Cypan), được sử dụng để tăng năng
suất trên mỗi tấn hỗn hợp bentonit. Ở nồng độ thấp tới 0,1 pound / tấn bentonite, các
polyme này có thể làm tăng độ nhớt của 6% độ phân tán của bentonite để tạo ra năng
suất trên 90 thùng / tấn sản phẩm. Các thông số kỹ thuật API hiện tại đảm bảo rằng
bentonite không được xử lý quá mức với polymer.
Các hạt khơng phân tán có kích thước 75 micromet hoặc lớn hơn phải được duy trì
dưới 4,0% trọng lượng. Các hạt không phân tán này là từ thạch anh, fenspat, mica và
các khống chất khác trong trầm tích tự nhiên. Kích thước hạt của chúng được kiểm
sốt trong q trình chế biến bằng cách nghiền nhỏ hơn 200 mesh (75 micron).
2. Quy trinh kiểm tra
Chất lượng bentonite chủ yếu được xác định bởi bốn thông số:
1 Nội dung của vật liệu khác ngoài montmorillonite.
2 Loại phản ion xuất hiện trên tiểu cầu montmorillonite.
3 Sự có mặt hoặc khơng có một lượng nhỏ polyme kéo dài.
4 Kích thước và điện tích của tiểu cầu montmorillonite.
Bentonite tinh khiết chỉ nên chứa montmorillonite. Trong thực tế, do trữ lượng
bentonit chất lượng cao ngày càng giảm, các vật liệu khác như đá mùn, kaolinit, clorit
21

(tất cả là đất sét), thạch anh và fenspat thường có mặt. Bởi vì đất sét montmorillonitic
có khả năng trương nở cao nhất (chịu trách nhiệm cho sự tích tụ độ nhớt và hình thành
bánh lọc có độ thẩm thấu thấp) sự hiện diện của các vật liệu khác sẽ có ảnh hưởng xấu
đến chất lượng bentonite.
2.1.

Sự hydrat hóa bentonite

Khi tiếp xúc với nước, bentonit sẽ hấp phụ nước và trương nở. Mức độ trương nở
được kiểm soát bởi cation liên kết với cấu trúc đất sét. Đối với bentonit natri, độ
trương của lớp đất sét có thể gấp đơi độ trương của bentonit canxi. Trong dung dịch
khoan, mức độ trương nở của đất sét hoặc độ nhớt của đất sét ngậm nước là thước đo
chất lượng của nó. Mức độ hiện diện của canxi trong đất sét được phản ánh trên độ
nhớt của nó.
2.2.

Đánh giá chất lượng bentonite

Bol đã thực hiện một số thử nghiệm để chứng minh rằng bentonit thương mại được
mở rộng bằng cách sử dụng polyme để nó có thể thực hiện các đặc tính tốt hơn khi
được sử dụng trong việc chuẩn bị dung dịch khoan và đáp ứng các tiêu chuẩn API và
OCMA (Koninkijka, 1986).
Ngồi ra, sự thay đổi về điện tích và kích thước của các tiểu cầu bentonite sẽ ảnh
hưởng đến đặc tính trương nở của vật liệu và do đó chất lượng.
Tiêu chuẩn chất lượng chung cho bentonite được trình bày trong các thông số kỹ thuật
của OCMA và API (Bảng 6). Cả hai phương pháp chỉ bao gồm các thử nghiệm ở nhiệt
độ phòng trên huyền phù trong nước cất.

22

Bảng 6: Tiêu chuẩn chất lượng chung cho bentonite được trình bày trong các thơng
số kỹ thuật của OCMA và API
Bol đã thử nghiệm các loại bentonit có bán trên thị trường khác nhau về sự hiện diện
của chất kéo dài polyme, bao gồm cả sản phẩm không chứa dầu mỏ là bentonit có độ
tinh khiết cao. Thực tế, bentonit không chứa dầu mỏ này không được sử dụng để phát
triển độ nhớt và do đó, hầu hết có thể, khơng chứa bất kỳ hóa chất kéo dài nào. Các
thơng số kỹ thuật của các hộp bentonit được thử nghiệm khác đều không đề cập đến
sự hiện diện của bất kỳ hóa chất kéo dài nào (Koninkijka, 1986).
Kết quả của cơng việc của ơng cho thấy rằng chỉ có hai sản phẩm không được mở
rộng. Chúng là hai sản phẩm giống nhau không đáp ứng các yêu cầu của OCMA. Ông
kết luận rằng thực tế là bentonite nguyên chất không phải mỏ dầu không đáp ứng các
yêu cầu của OCMA dẫn đến kết luận rằng các tiêu chuẩn của OCMA và API là rất
cao. Và, thực tế là bentonit kém tinh khiết hơn đáp ứng các thông số kỹ thuật API và
OCMA nhiều hơn bentonit tinh khiết sẽ dẫn đến kết luận rằng chất kéo dài đã được
thêm vào các hộp bentonit này.
Ông khuyến nghị rằng các tiêu chuẩn API và OCMA nên được hạ xuống. Điều này sẽ
loại trừ việc các nhà sản xuất bổ sung chất kéo dài polyme vào bentonit vì sản phẩm
của họ sẽ đáp ứng các tiêu chuẩn của API và OCMA mà không cần thêm chất kéo dài
polyme (Koninkijka, 1986).

23


Bentonite được nhập khẩu từ Mỹ, khiến nó trở thành một nguyên liệu đắt tiền. Hoạt
động khoan tiêu thụ một lượng lớn bentonit. Mức tiêu thụ lớn và chi phí cao của vật
liệu này dẫn đến việc cố gắng tìm kiếm một sản phẩm thay thế tại chỗ.
Nỗ lực được tiếp tục để tìm chất thay thế cho bentonit nhập khẩu. Họ đã thu thập các
mẫu đất sét từ các địa điểm khác nhau trong nước. Số lượng lớn các mẫu được lấy từ
vị trí này và được kiểm tra tính phù hợp để sử dụng trong dung dịch khoan.

24


CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA BENTONITE TRONG CÔNG NGHIỆP
1. Ứng dụng của Bentonite đối với các nhà máy nấu và đúc kim loại
Bentonite được sử dụng như một chất liên kết trong khuôn cát khi đúc gang và thép.
Sau khi kim loại đã cứng, khuôn sẽ bể, cát và bentonite được tái sử dụng.
2. Ứng dụng đối với công nghiệp khoan
Bentonite được ứng dụng trong công nghiệp khoan để làm nguội và bôi trơn lỗ khoan,
di chuyển mặt cắt và cố định vị trí khoan
Trong thi cơng người ta thường dùng dung dịch bentonite - là dung dịch của một loại
bột khống sét pha với dung mơi là nước, để làm dung dịch giữ thành vì dung dịch
bentonite có đầy đủ tính chất yêu cầu trên, đảm bảo ngăn chặn được nước từ các khe
nước ngầm và giữ được ổn định cho thành hố khoan. Dung dịch này thường được thu
lại sau khi làm sạch hố khoan, hố đào và được sử dụng cho các lần khoan tiếp theo.
Dung dịch khoan là yếu tố quan trọng trong việc khoan giếng thành cơng. Bất kỳ dung
dịch khoan nào cũng phải có các đặc tính chung để tạo điều kiện cho việc hoàn thành
giếng an toàn và đạt yêu cầu như:
-

Làm sạch lỗ đáy và loại bỏ các vết cắt trên bề mặt.

-

Kiểm sốt vùng áp suất cao.

-

Làm mát và bơi trơn thiết bị khoan lỗ.

-

Hình thành vách lỗ khoan đỡ bánh lọc.

-

Hỗ trợ dây khoan và trọng lượng vỏ.

-

Cho phép giải thích các bản ghi điện.

Các chức năng này được kiểm sốt bởi các đặc tính làm nóng và lọc của bùn. Thành
phần chính của bùn gốc nước là sét (chủ yếu là bentonit). Một định nghĩa về đất sét là
nó sẽ vỡ ra khi phân tán thành các hạt nhỏ hơn 2 micron khi đặt trong nước. Bentonite
là một thuật ngữ địa chất để chỉ một loại đá có chứa montmorillonite là thành phần
chính của nó.
Một bentonite tốt cho dung dịch khoan đòi hỏi montmorillonite với natri và canxi là
các cation phụ liên kết với các vị trí trao đổi của nó. Bentonite cấp độ khoan phải dễ

25