LUẬN văn THẠC sĩ HAY tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ từ bentonit ấn độ với natri stearat​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

VŨ VĂN TÚ

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC
VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH
CỦA SÉT HỮU CƠ
TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI NATRI STEARAT

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2020

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

VŨ VĂN TÚ

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC
VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH
CỦA SÉT HỮU CƠ
TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI NATRI STEARAT
Ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM THỊ HÀ THANH

THÁI NGUYÊN - 2020

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Tổng hợp, nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc và
khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ từ bentonit Ấn Độ với natri
stearat" là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong
luận văn là trung thực và chưa được công bố trong một công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 08 năm 2020
Tác giả luận văn

Vũ Văn Tú

i

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn cô giáo - TS. Phạm Thị Hà Thanh người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt q trình học tập, nghiên
cứu và hồn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo Khoa Hóa
học, các thầy giáo, cơ giáo Khoa Sau Đại học, các thầy cô trong BGH Trường Đại học
Sư phạm, Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong
quá trình học tập, nghiên cứu để em hoàn thành luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phịng thí nghiệm
Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên; Khoa Hóa học, Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Khoa học Vật liệu, Viện
Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam; Th.s Hồng Tiến Phúc và các bạn học viên
đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Vì thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu cịn hạn chế nên kết quả nghiên cứu
có thể cịn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy
giáo, cô giáo và các bạn đang quan tâm tới vấn đề được trình bày trong luận văn, để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 08 năm 2020
Tác giả

Vũ Văn Tú

ii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỤC LỤC
Lời cam đoan ..................................................................................................................i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu .......................................................................................v
Danh mục bảng biểu .....................................................................................................vi
Danh mục các hình ..................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 2
1.1. Giới thiệu về bentonit ............................................................................................. 2
1.1.1. Thành phần khống và thành phần hóa học.........................................................2
1.1.2. Cấu trúc của bentonit ...........................................................................................2

1.1.3. Tính chất của bentonit..........................................................................................4
1.1.4. Ứng dụng của bentonit .........................................................................................6
1.1.5. Nguồn tài nguyên bentonit ...................................................................................6
1.1.6. Giới thiệu về một số phương pháp hoạt hóa bentonit ..........................................8
1.2. Giới thiệu về natri stearat ........................................................................................9
1.3. Sét hữu cơ .............................................................................................................10
1.3.1. Giới thiệu về sét hữu cơ .....................................................................................10
1.3.2. Cấu trúc của sét hữu cơ ...................................................................................... 11
1.3.3. Tính chất và ứng dụng của sét hữu cơ ..................................................................13
1.3.4. Giới thiệu về phương pháp tổng hợp sét hữu cơ ...............................................14
1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ ..................................17
1.4. Giới thiệu về metylen xanh ...................................................................................19
1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .....................................................................21
1.5.1. Khái niệm ...........................................................................................................21
1.5.2. Các cách hấp phụ ............................................................................................... 21
1.5.3. Cơ chế hoạt động của phương pháp hấp phụ .....................................................22
1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ....................................................22

iii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1.5.5. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ ............................................................. 22
1.5.6. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ, phương trình hấp phụ đẳng
nhiệt Langmuir .............................................................................................................24
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................ 27
2.1. Hóa chất, dụng cụ và các phương pháp nghiên cứu .............................................27
2.1.1. Hóa chất .............................................................................................................27
2.1.2. Dụng cụ, máy móc ............................................................................................. 27

2.1.3. Các phương pháp nghiên cứu ............................................................................27
2.2. Tổng hợp sét hữu cơ ............................................................................................. 29
2.2.1. Quy trình điều chế sét hữu cơ ............................................................................29
2.2.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu .............30
2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh của bent-A và sét hữu cơ ...................35
2.3.1. Xây dựng đường chuẩn của metylen xanh ........................................................35
2.3.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của
bent-A và sét hữu cơ ....................................................................................................36
KẾT LUẬN..................................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48

iv

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
Chữ viết tắt, kí hiệu

Nội dung

bent-A

Bentonit Ấn Độ

bent-Ca

Bentonit canxi

bent-Na

Bentonit natri

CEC

Dung lượng trao đổi cation

d001

Khoảng cách giữa hai mặt mạng

MB

Metylen xanh

MMT

Montmorillonit

Na-S

Natri stearat

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét

TGA

Phương pháp phân tích nhiệt

UV-Vis
XRD

Phương pháp phổ hấp thụ phân tử
Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

v

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Sản lượng khai thác bentonit trên thế giới năm 2010 ................................ 7
Bảng 1.2. Thành phần bentonit Ấn Độ (sử dụng trong đề tài)................................... 7
Bảng 1.3. Một số thông số vật lý của bentonit Ấn Độ ............................................... 8
Bảng 1.4. Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện
tích sét bị che phủ .................................................................................... 12
Bảng 2.1. Kết quả phân tích hiệu ứng mất khối lượng của bent-A và sét hữu cơ
tổng hợp ................................................................................................... 33
Bảng 2.2. Số liệu xây dựng đường chuẩn của metylen xanh ................................... 35
Bảng 2.3.

Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào pH
của bent-A và sét hữu cơ............................................................................ 37

Bảng 2.4.

Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian................ 39

Bảng 2.5. Ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ tổng hợp đến dung
lượng và hiệu suất hấp phụ metylen xanh ............................................... 41
Bảng 2.6. Ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh ban đầu đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ của sét hữu cơ ............................................................. 43
Bảng 2.7. Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir b của bentA và sét hữu cơ điều chế .......................................................................... 46

vi

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT .....................................................................3
Hình 1.2. Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat ...................... 11
Hình 1.3. Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp ..............12
Hình 1.4. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .......................................................... 26
Hình 1.5. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf......................................................................26
Hình 2.1. Quy trình điều chế sét hữu cơ ......................................................................29
Hình 2.2. Giản đồ XRD của bent-A ............................................................................31
Hình 2.3. Giản đồ XRD của sét hữu cơ tổng hợp ........................................................31
Hình 2.4. Giản đồ phân tích nhiệt của bent-A ............................................................. 32
Hình 2.5. Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ tổng hợp ........................................32
Hình 2.6. Ảnh SEM của bent-A (a); sét hữu cơ tổng hợp (b) ......................................34
Hình 2.7. Đường chuẩn của metylen xanh ..................................................................36
Hình 2.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH dung dịch đến dung lượng hấp phụ
metylen xanh của bent-A và sét hữu cơ ....................................................38
Hình 2.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ
metylen xanh của bent-A và sét hữu cơ ....................................................40
Hình 2.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ điều
chế đến dung lượng hấp phụ metylen xanh ..............................................42

Hình 2.11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh ban đầu đến
khả năng hấp phụ metylen xanh của bent-A và sét hữu cơ điều chế ........44
Hình 2.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-A đối với metylen xanh .........44
Hình 2.13. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ metylen xanh của bent-A ......45
Hình 2.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ điều chế đối với
metylen xanh............................................................................................. 45
Hình 2.15. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ metylen xanh của sét
hữu cơ điều chế .........................................................................................46

vii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết, hiện nay ô nhiễm mơi trường đang là vấn đề quan tâm
của tồn nhân loại trên thế giới, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. Từ nhiều năm nay
người ta đã biết sử dụng một số vật liệu hấp phụ như than hoạt tính, zeolit, bên cạnh
những ưu điểm thì chúng cũng có những hạn chế nhất định như kích thức mao quản
nhỏ, chỉ hấp phụ được các chất có kích thước nhỏ mà chưa hấp phụ được những hợp
chất vô cơ và hữu cơ có kích thước lớn.
Từ thực tế trên rất nhiều nghiên cứu đã tập trung tìm tịi, phát hiện ra những
loại vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn nhằm khắc phục một số hạn chế của vật
liệu cũ. Qua tìm hiểu tơi được biết bentonit là một loại vật liệu có nhiều ưu điểm như
có cấu trúc lớp, ưa hữu cơ, có tính trương nở, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn. Bằng
nhiều phương pháp xử lý khác nhau, người ta đã dùng axit, kiềm, một số chất hữu cơ
để biến tính bentonit làm thay đổi cấu trúc mạng, tăng khả năng hấp phụ từ môi
trường nhiều chất vơ cơ và hữu cơ có kích thước lớn, cồng kềnh như phenol đỏ,
metylen xanh...
Trước thực tế đó, với mục đích điều chế được sét hữu cơ có khả năng hấp phụ

tốt, đáp ứng yêu cầu về xử lý môi trường nên tôi lựa chọn đề tài “Tổng hợp, nghiên
cứu đặc trƣng cấu trúc và khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ từ
bentonit Ấn Độ với natri stearat”.

1

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
1.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hóa học
Bentonit là một loại khống sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit. Thành phần
chính là montmorillomit (MMT), ngồi ra cịn có một số khống chất khác như
quartz, critobalit, fedespar, biotit, kaolinit, illit, pyroxen, caccit,…Đơi khi người ta
cịn gọi khống bentonit là montmorillomit. Cơng thức đơn giản nhất của
montmorillomit là (Al2O3.4SiO2.nH2O) ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức
lý tưởng của montmorillomit là Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên
thành phần hóa học của montmorillomit luôn khác với thành phần biểu diễn theo lý
thuyết do có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại như Al 3+, Fe2+, Mg2+,…
với Si trong tứ diện và Al trong bát diện [5], [29], [31], [34].
Khoáng sét xuất hiện trong tự nhiên với sự biến thiên 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-yMgxSi4O10(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 hóa học của montmorillonit với thành phần chủ yếu là
các ngun tố Si và Al, cịn có các ngun tố Mg, Fe, Na, Ca… ngồi ra trong
khống cịn có một số nguyên tố vi lượng khác: Ti, Tl,…trong đó tỉ lệ của Al 2O3:
SiO2 dao động từ 1:2 đến 1:4.

1.1.2. Cấu trúc của bentonit
Cấu trúc tinh thể của MMT được chỉ ra trong hình 1.1, mạng tinh thể của
MMT gồm có lớp hai chiều trong đó Al2O3 (hoặc MgO) bát diện ở trung tâm giữa hai
lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử O của lớp tứ diện cũng
thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện phối trí với bốn nguyên tử O định
vị ở bốn góc tứ diện. Nguyên tử Al (hoặc Mg) trong lớp bát diện thì phối trí với sáu
ngun tử O hoặc nhóm hyđroxyl (OH) định vị ở sáu 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 10 Å (1nm) và chiều dài của tiểu cầu thay
đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm. Trong tự nhiên những tiểu cầu sét xếp chồng lên
nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thường được gọi là

2

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


khoảng cách “Van de Waals”, là khoảng không giữa hai lớp sét. Sự hình thành
nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế đồng hình, ngun tử Si hóa trị IV trong lớp tứ
diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hóa trị III và nguyên tử Al hóa trị III
trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hóa trị II như Fe,
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: Na+, K+, Ca2+, Mg2+,… chỉ một phần rất nhỏ các cation này (Na+, K+, Ca2+,
Mg2+,… ) định vị ở mặt ngoài của mạng cịn phần lớn chiếm giữ khoảng khơng gian
giữa các lớp [20], [29], [31], [34].
Trong khoáng MMT, các cation này có thể trao đổi với các cation ngồi dung
dịch với dung lượng trao đổi cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng
hình trong mạng. Các cation này (Na+, K+, Ca2+, Mg2+,…) có thể chuyển động tự do
giữa mặt phẳng tích điện âm và bằng phản ứng trao đổi ion ta có thể biến tính MMT.

Lượng trao đổi ion của MMT dao động trong khoảng 70 ÷ 150 mgđl/100g. Q trình
xâm nhập cation vào khơng gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách cơ sở lên vài
chục Å tùy thuộc vào loại cation thay thế.

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT

3

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1.1.3. Tính chất của bentonit
Bentonit là khống sét kết mềm hình thành từ q trình phong hố tro núi lửa,
tương đối mềm và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần của
Fe trong cấu trúc khống. Do bentonit có thành phần chính là MMT có cấu trúc gồm
các lớp aluminosilicat liên kết với nhau bằng liên kết hiđro, có các ion bù trừ điện
tích tồn tại giữa các lớp nên bentonit có các tính chất đặc trưng: trương nở, hấp phụ,
trao đổi ion, kết dính, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp
phụ và trao đổi ion.
Khả năng trương nở
Tính trương nở là tính chất khi bentonit hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc với
nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng
lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấp thụ. Sự tăng
khoảng cách lớp được giải thích do sự hydrate hóa của các cation giữa các lớp. Sự
trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình
trong mơi trường phân tán. Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào
khả năng hydrate hóa của các cation.
Bentonit kiềm có đặc trưng độ trương nở, độ tạo keo, độ dẻo và độ kết dính
cao. Bentonit kiềm thuộc loại vật liệu có chất lượng cao và được ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Bentonit kiềm thổ có đặc trưng là có độ ái nước, độ kết dính thấp hơn, nhưng
chúng có tính hấp phụ cao hơn. Chúng được sử dụng ít hơn trong các ngành công
nghiệp so với bentonit kiềm. Tuy nhiên bentonit kiềm thổ nhờ tính hấp phụ và trao
đổi cation mạnh hơn bentonit kiềm, chúng được dùng nhiều trong nông nghiệp, chăn
ni và cải tạo đất.
Khả năng hấp phụ
MMT có một bề mặt riêng phát triển (lên đến 600 - 800 m2/g) và sự xâm nhập
dễ dàng của các ion trong không gian giữa các lớp, tạo nên khả năng trao đổi cation
đáng kể (80 - 150 mmolđl/100g). Các phân tử có phân cực được hấp phụ cả hai bề
mặt ngồi và trong, các phân tử khơng phân cực chỉ hấp phụ ở bề mặt ngồi [5]. Q
trình hấp phụ lên MMT xảy ra theo ba cơ chế:

4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


- Thay thế của các cation hữu cơ với cation của mạng nằm giữa các lớp cơ bản
cũng như trên bề mặt lớp cơ bản của các hạt khoáng. Theo cơ chế này là sự hấp phụ
trao đổi của MMT, vermiculite, hydromica.
- Bằng liên kết hiđro với nhóm hiđroxyl bên ngồi.
- Bằng cách thơng qua các liên kết hóa trị “bị hỏng” trên các cạnh và góc của
các hạt tạo ra trong các bước của quá trình phát triển của hạt khoáng.
Khả năng trao đổi ion
Sự trao đổi ion của bentonit với ion của dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra
giữa các lớp cấu trúc. Sự trao đổi ion được thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tán
trong dung dịch muối có nồng độ thích hợp. Tính axit của bentonit có được là nhờ
vào sự trao đổi này. Có 2 nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi:
Sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc sẽ được bù trừ bằng các
cation trao đổi. Dung lượng trao đổi ion phụ thuộc vào số lượng điện tích âm trên bề

mặt. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Trong tinh thể của bentonit tồn tại các nhóm OH-, nguyên tử H trong nhóm
này trong điều kiện nhất định có thể tham gia phản ứng trao đổi.
Khả năng trao đổi ion của bentonit còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của
các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation có hóa trị lớn
theo thứ tự M+ > M2+ > M3+. Đối với các cation có cùng hóa trị, bán kính cation càng
nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn.
Khả năng trao đổi ion được xếp theo thứ tự:
Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ .
So với một số sét như kaolit có khả năng trao đổi ion yếu, clorit khó trao đổi
ion thì MMT có tính trao đổi ion rất mạnh do điện tích âm của mạng nằm sâu trong
lớp cấu trúc nên năng lượng liên kết của các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp với
lớp cấu trúc của mạng thấp, các cation này có thể chuyển động tự do giữa các mặt
phẳng tích điện âm và có thể trao đổi với các cation khác.
Nhờ tính chất trao đổi ion này mà người ta có thể biến tính MMT để tạo ra
những mẫu có tính chất xúc tác hấp phụ và các tính chất hóa lí hồn tồn khác nhau
tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng [13], [28].

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1.1.4. Ứng dụng của bentonit
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 dò 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, công nghiệp sản xuất rượu bia [5], [6], [28].
Dùng làm chất độn, chất màu trong một số ngành công nghiệp: sản xuất các vật

liệu tổng hợp, công nghiệp sản xuất giấy [5], [6], [14].
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 tính 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 vịng ion Al3+ , Fe3+ , Mg2+ , Ca2+ ,… để tăng hoạt tính, được dùng để xử lý
kiềm, axit, nước thải. Đây là một lĩnh vực sử dụng truyền thống lâu nay, trong đó
bentonit chủ yếu làm chất kết ngưng xúc tiến q trình đơng quanh bùn thải. Nó là
chất lọc có hiệu quả đối với nước thải có nhiều chất không tan, chất lơ lửng và chất
trôi nổi. Các loại nước thải sau đây có thể bằng bentonit cho hiệu quả tốt: các chất
dầu hòa tan và dầu dạng nhũ tương; các chất phân tán dạng phức chất hữu cơ (nước
thải do giặt giũ, đãi quặng); nước thải công nghiệp từ công nghiệp chế biến thực
phẩm, chăn nuôi gia súc, gia cầm. Đối với chất thải có ơ nhiễm hóa chất, sử dụng
bentonit có hiệu quả tốt trong trường hợp nước bị nhiễm do khuếch tán acrylat [28].
1.1.5. Nguồn tài ngun bentonit
Bentonit là khống sét có tính hóa keo cao, được hình thành từ 50 ÷ 130 triệu
năm trước bởi sự lắng đọng của tro núi lửa vào nước muối để tạo thành natri bentonit
hoặc nước ngọt để tạo thành canxi bentonit. Bentonit là tên gọi được đặt cho một loại
đất sét đặc biệt được tìm thấy lần đầu tiên ở Fort Benton, Đông Wyoming. Tên gọi
này được đặt bởi W.C. Knight vào năm 1898. Trước đây, nó được gọi là taylorit, đặt
theo tên của William Taylor, người đầu tiên chú ý tới các mỏ đất sét. Thành phần
chính của bentonit là MMT, tên của một khoáng sét đặc biệt được phát hiện ở
Montmorillon, Pháp, được đặt tên bởi Mauduit năm 1847. Sau đó bentonit được phát

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới như: Canada, Nam Phi, Hungari, Trung Quốc, Ấn

Độ, Nhật Bản, Việt Nam,...[27] .
Bảng 1.1. Sản lƣợng khai thác bentonit trên thế giới năm 2010 [10]
Quốc gia

Sản lƣợng (nghìn tấn)

Quốc gia

Sản lƣợng (nghìn tấn)

Hoa Kì

4000

Brazil

245

Thổ Nhĩ Kì

1050

Tây Ban Nha

165

Hi Lạp

860

Italy

150

Mexico

520

Cộng Hịa Séc

120

Đức

380

Quốc gia khác

2400

Giới thiệu về bentonit Ấn Độ (bent-A):
Các mỏ bentonit lớn của Ấn Độ nằm ở khu vực Kutch với hai nhà máy chế biến
ở Bhuj (vùng Gujarat, phía Tây Ấn Độ) và Chennar. Bentonit cũng được sản xuất ở
huyện Barmer Rajasthan gần Oakland Hathi-ki-Dhani [21]. Nó được hình thành từ
hàng triệu năm trước đây, có thể từ tro núi lửa rơi vào nước muối ứ đọng trong điều
kiện khô cằn. Do các đặc tính tự nhiên của tro núi lửa, thành phần hóa học của bent-A
hơi khác so với các mẫu bentonit trên thế giới. Bentonit Ấn Độ có hàm lượng oxit sắt
cao hơn do đó có màu sẫm hơn các mẫu bentonit khác. Kích thước hạt rất mịn, có khả
năng trương nở và kết dính mạnh, CEC là 98 meq/100g. Những khác biệt này làm
bent-A được ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp trên tồn thế giới [20].

Bảng 1.2. Thành phần bentonit Ấn Độ (sử dụng trong đề tài) [10]
Thành phần

Hàm lƣợng (%)

Thành phần

Hàm lƣợng (%)

SiO2

53,44

TiO2

1,24

Al2O3

16,12

Cr2O3

0,02

Fe2O3

13,65

MnO

0,11

MgO

2,84

NiO

0,01

Na2O

2,31

P2O5

0,04

K2 O

0,27

S

0,16

CaO

1,28

Chất khác

8,51

7

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Bảng 1.3. Một số thông số vật lý của bentonit Ấn Độ [10]
Thông số

Vùng Kutch

Vùng Bharnagar

11,17 %

10,34 %

Trọng lượng riêng

2,52

2,42

pH ở 30oC

9,20

9,80

60

10

Độ ẩm ở 105oC

Giá trị keo (gel)

Ở Việt Nam đã phát hiện được hơn 20 mỏ quặng bentonit, đều có nguồn gốc
trầm tích hoặc phong hóa. Các mỏ quặng có quy mơ lớn tập trung ở phần phía Nam
(thành phố Hồ Chí Minh, Bình Thuận, Lâm Đồng), ở phía Bắc bentonit có hàm lượng
smectit thấp, tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Bắc bộ và Thanh Hoá. Một số mỏ
bentonit đã được thăm dò địa chất và khai thác như: mỏ bentonit Tam Bố - Di Linh Lâm Đồng, mỏ Tuy Phong - Bình Thuận, mỏ Cổ Định - Thanh Hoá. Tại Cheo Reo,
Phú Túc và cao nguyên Vân Hịa đã phát hiện 26 tụ khống, điểm quặng bentonit.
Các mỏ bentonit khác nói chung có trữ lượng nhỏ, hàm lượng thấp và chưa được
đánh giá đầy đủ [14].
1.1.6. Giới thiệu về một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Bentonit tự nhiên khai thác từ các mỏ khác nhau có thành phần khống và
thành phần hóa học, các tạp chất kèm theo cũng như tính chất vật lý, hóa lý khác
nhau. Và ngay trong cùng một mỏ, một vỉa quặng khi khai thác công nghiệp sản
phẩm bentonit khai thác được cũng khác nhau. Để sét bentonit có thể sử dụng cho
những nhu cầu khác nhau trong các ngành công nghiệp cần sơ chế hoặc tinh chế và
thậm chí biến tính bentonit thành những sản phẩm phù hợp. Tất cả các cách làm với
mục đích như vậy gọi là sự hoạt hóa bentonit. Hoạt hóa bentonit là một khái niệm
dùng chung cho các phương pháp xử lý hóa lý hay hóa học để thay đổi một vài tính
chất của bentonit hoặc làm tăng một khả năng của bentonit như làm tăng khả năng
trao đổi cation (CEC), tăng dung lượng hấp phụ và tăng khả năng hấp phụ chọn lọc

của bentonit so với chưa hoạt hóa, hay đơn giản là tẩy trắng bentonit [11], [13], [22].
Có thể dùng nhiều cách khác nhau để hoạt hóa bentonit, tùy theo mục đích sử
dụng. Có một số phương pháp hoạt hóa bentonit phổ biến như sau:

8

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hoạt hóa bằng dung dịch muối, hoặc dung dịch kiềm.
Hoạt hóa bằng axit vơ cơ.
Hoạt hóa bằng các bazơ hữu cơ.
*Phương pháp hoạt hóa bằng axit vơ cơ
Q trình làm sạch cơ học, ngay cả khi dùng thủy lực xyclon về cơ bản chỉ loại
bỏ được các tạp chất hạt thô lẫn với hỗn hợp sét smectit, như thạch anh, felspat,
mica.... Muốn làm sạch sâu smectit phải thực hiện quá trình xử lý bằng axit. Đây là
phương pháp hoạt hóa bentonit hiệu quả nên thường được sử dụng một cách rộng rãi
trong thực tế để loại bỏ các tạp chất, tăng diện tích bề mặt và làm thay đổi một số tính
chất cơ bản phục vụ cho mục đích sử dụng khác nhau.
Khi hoạt hóa bằng axit thì bề mặt riêng, thể tích trống và kích thước các vi mao
quản tăng có giới hạn theo nồng độ axit. Nhưng bề mặt của bentonit hoạt hóa axit gần
như lại giảm theo sự tăng của nồng độ axit. Vậy, có thể thu được bề mặt riêng cực đại
với thể tích trống, đường kính trung bình và bề mặt hoạt động vừa phải. Người ta nghiên
cứu thấy rằng ở điều kiện trên thì bentonit - Ca cho kết quả tốt hơn là bentonit - Na.
oạt hóa bằng nhiệt
Đây là phương pháp sử dụng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới
tinh thể của bentonit và đốt cháy các chất bẩn, chất bùn trong đó. Tuy vậy, khi hoạt
hóa bentonit bằng nhiệt khơng được nung với nhiệt độ q cao vì bentonit sẽ bị
giảm khả năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110 oC đến 150oC [13].
oạt hóa bằng chất hữu cơ

Mục đích của việc hữu cơ hóa MMT là chuyển từ vật liệu ưa nước sang vật
liệu dầu với những gốc thế khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu
cơ, khuếch tán và tương tác tốt trong các polime thơng qua q trình hịa tan trong
dung mơi hữu cơ. Hay nói cách khác q trình hữu cơ hóa khống sét là q trình
chuyển MMT vơ cơ thành MMT hữu cơ. Đây chính là q trình trao đổi ion Na +, K+
với nhóm mang điện tích dương phần đầu của hợp chất hữu cơ (điển hình là nhóm
amoni cation) có phần đi là các gốc hữu cơ khác nhau.
1.2. Giới thiệu về natri stearat
Natri stearat có công thức phân tử: C18H35NaO2.

9

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Công thức cấu tạo: C17H35COONa

- Tên gọi:
+ Danh pháp quốc tế: Natri stearat
+ Tên hệ thống: Natri octadecanoat
- Tính chất:
+ Natri stearat tồn tại dưới dạng chất rắn màu trắng, có mùi mỡ nhẹ.
+ Chất rắn màu trắng này là loại xà phịng thơng dụng nhất.
- Sản xuất: Natri stearat được tạo ra như là sản phẩm chính của quá trình xà phịng
hóa dầu và chất béo. Hàm lượng natri stearat tùy thuộc vào thành phần chất béo. Mỡ
động vật có chứa hàm lượng cao axit stearic (dưới dạng triglyceride), trong khi hầu
hết các loại chất béo khác chỉ chứa hàm lượng nhỏ. Phương trình phản ứng lý tưởng
cho quá trình tạo natri stearat từ stearin (triglyceride của axit stearic) như sau:
(C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH → C3H5(OH)3 + 3C17H35COONa
Natri stearat tinh khiết có thể được tạo ra từ phản ứng trung hòa axit

stearic với natri hiđroxit.
- Ứng dụng: Là đặc trưng của xà phịng, natri stearat có cả phần thân nước và
phần thân dầu, tương ứng đó là gốc cacboxylat và mạch hydrocacbon dài. Hai thành
phần khác nhau về mặt hóa học giúp hình thành nên những mixen, trong đó đầu thân
nước hướng ra ngồi cịn đi kị nước hướng vào bên trong, cung cấp một môi
trường thân dầu cho các hợp chất kị nước. Phần đi hịa tan trong dầu mỡ và tạo ra
các thể mixen. Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp dược phẩm như một chất
hoạt động bề mặt để cải thiện tính tan của các chất kị nước khi sản xuất nhiều loại
chất sủi bọt trong miệng [18].
1.3. Sét hữu cơ
1.3.1. Giới thiệu về sét hữu cơ
Bentonit biến tính hay sét hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác
giữa bentonit và các hợp chất hữu cơ có khả năng hoạt động bề mặt, đặc biệt

10

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4, mạch thẳng, nhánh và vịng. Mục đích
của việc biến tính khống sét bằng phản ứng hữu cơ hóa MMT là nhằm tạo ra
vật liệu từ dạng ưa nước chuyển sang dạng ưa dầu với những gốc thế khác
nhau và có khả năng trương nở trong dung mơi hữu cơ, khuếch tán và tương
hợp tốt trong các polyme thông qua q trình hịa tan trong dung mơi hữu cơ
hoặc q trình nóng chảy. Sản phẩm được ứng dụng rộng rãi hơn, đặc biệt
dùng để điều chế vật liệu nanocomposite.
1.3.2. Cấu trúc của sét hữu cơ
Sự sắp xếp của các phân tử hữu cơ giữa các lớp sét phụ thuộc vào điện tích lớp,
cấu trúc bề mặt, mức độ trao đổi của khoáng sét và chiều dài mạch của ion hữu cơ. Hình
1.2 cho thấy các ion hữu cơ có thể sắp xếp tạo lớp phẳng (đơn hoặc kép) trên bề mặt

silicat. Ngoài ra, tùy thuộc vào chiều dài mạch ankyl và mật độ gói ghém cho thấy sự tạo
thành các cấu trúc nghiêng với mạch ankyl hướng ra xa bề mặt silicat. Với các lớp “3
phân tử”, do một số đầu mạch chồng chập lên các đầu mạch khác, nên khoảng cách giữa
các lớp được xác định bởi chiều dày của ba mạch ankyl (Bergaya và cộng sự, 2006;
Lagaly, 1981) .

Hình 1.2. Sự định hƣớng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
Năm 1976, Lagaly và cộng sự đã nghiên cứu sự tạo thành các lớp đơn, lớp kép
và lớp “3 phân tử” của các ion ankylamoni trong khoảng không gian giữa các lớp của
MMT và nhận thấy khoảng cách cơ sở của ankylamoni MMT phụ thuộc vào chiều
dài mạch của ankylamoni (hình 1.3).

11

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 1.3. Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp
Nếu mạch hiđrocacbon trong muối amoni và photphoni hữu cơ là mạch thẳng
và có số ngun tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 là 13,6Å, nếu số nguyên tử C từ 12
đến 18 thì giá trị d001 khoảng 17Å (bảng 1.4).
Quy luật này đã được phát hiện, khi các nhà khoa học nghiên cứu phản ứng trao
đổi cation giữa bentonit với các muối amoni và photphoni hữu cơ và sự tương quan giữa
tỷ lệ bề mặt phiến sét bị che phủ bằng các cation hữu cơ với số lớp cation hữu cơ sắp xếp
trong không gian giữa hai phiến sét. Khi bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50% thì các
cation hữu cơ bắt đầu sắp xếp thành hai lớp .
Bảng 1.4. Ảnh hƣởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001
và diện tích sét bị che phủ
Diện tích sét bị che phủ

Số nguyên tử

d001

Số lớp cation

cacbon

(Å)

hữu cơ

(nm2)

(%)

0

9,6

-

-

-

3

13,5

1

0,38

23

4

13,4

1

0,44

27

8

13,3

1

0,69

42

10

13,6

1

0,81

49

12

17,4

2

0,94

57

14

17,4

2

1,06

64

16

17,5

2

1,19

72

18

17,6

2

1,31

79

12

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1.3.3. Tính chất và ứng dụng của sét hữu cơ
Tính hấp phụ: Do sét hữu cơ có tính ưa hữu cơ nên sự hấp phụ xảy ra chủ yếu
đối với các phân tử hữu cơ trong môi trường lỏng hoặc khí. Trong mơi trường lỏng
khả năng hấp phụ tăng khi điện tích lớp, khoảng khơng gian của các lớp, kích thước
alkylamoni tăng và lượng cation hữu cơ trong sét đạt xấp xỉ mức độ bão hòa với dung
lượng trao đổi cation [20], [34].
Tính trương nở: Sét hữu cơ có khả năng trương nở tốt trong các dung môi hữu
cơ. Khi được phân tán vào môi trường các chất hữu cơ, tính trương nở làm tăng độ
phân tán của các chất hữu cơ, do đó sét hữu cơ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

khác nhau như làm chất chống sa lắng trong sơn, trong mực in, làm sạch nước bị ô
nhiễm bởi dầu, mỡ....[6], [7], [14].
Độ bền của sét hữu cơ: Độ bền của sét hữu cơ - một phần cũng là do lực hút
Vanđecvan giữa các mạch hữu cơ với bề mặt hạt sét. Hiệu ứng này tăng nhanh theo
chiều dài mạch hữu cơ, một phần khác là do độ bền nhiệt động học của các cation
amoni bậc 4 trên bề mặt các hạt sét lớn hơn so với độ bền nhiệt động học của chúng
được hiđrat hóa. Do vậy sét hữu cơ tương đối ổn định nhiệt, nó có thể sử dụng ở nhiệt
độ lên tới 250oC [12], [13].
Sét hữu cơ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
Xử lí mơi trường: Bề mặt kị nước là tính chất đặc trưng của sét hữu cơ do
đó ứng dụng quan trọng nhất của loại vật liệu này là hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ
như phenol và dẫn xuất của phenol, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ...
Chế tạo vật liệu nanocompozit: công nghệ nanno sử dụng sét hữu cơ trộn với
các chất khác để chế tạo ra các vật liệu mới. Ví dụ, sét hữu cơ được trộn với các
polime để chế tạo các monocompozit, gọi là composit-nano-bentonit.
Làm chất xúc tác trong quá trình tổng hợp hữu cơ: do có độ axit cao nên các
bentonit biến tính có thể được dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ.
Dùng trong một số lĩnh vực khác: một lượng lớn sét hữu cơ được sử dụng làm
chất độn trong công nghiệp sản xuất vật liệu và tổng hợp. Do đặc tính trơ, khơng độc
hại sét hữu cơ từ bentonit còn được sử dụng làm phụ gia trong thức ăn chăn nuôi, làm
phụ gia dược phẩm, mỹ phẩm,…

13

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1.3.4. Giới thiệu về phương pháp tổng hợp sét hữu cơ
Quá trình tổng hợp sét hữu cơ được dựa trên cơ chế của các phản ứng mà
khống sét có thể có với các hợp chất hữu cơ. Phản ứng thay thế xảy ra khi các phân

tử nước giữa các lớp sét được thay thế bởi các phân tử phân cực. Các hợp chất hữu cơ
trung hồ có thể hình thành phức với các cation giữa các lớp sét.
Trong trường hợp bentonit hấp phụ các hợp chất hữu cơ trung hoà có thể hình
thành nhiều loại tương tác hố học như: liên kết hiđro, tương tác momen lưỡng cực,
liên kết phối trí, lực Van-đec-van,... Các cation giữa các lớp sét có thể trao đổi với
nhiều loại cation hữu cơ khác nhau. Sét hữu cơ thường được điều chế trong dung dịch
bởi phản ứng trao đổi cation hoặc phản ứng ở trạng thái rắn.
Phản ứng trao đổi cation
Như đã nói ở trên, lực liên kết giữa các lớp sét là lực liên kết Van-đec-van, đây
là lực liên kết yếu. Do đó sự gắn kết các lớp sét với nhau là rất kém nên các phân tử
khác có thể xen vào khoảng giữa các lớp sét đó một cách khá dễ dàng.
Để làm cho MMT trở nên kị nước, tương hợp tốt với polime, các cation ở
khoảng giữa các lớp sét được thay thế bằng các chất hoạt động bề mặt cation như
ankylamoni hay ankylphotphoni. Các cation có thể thay thế thơng dụng nhất là Na+,
Ca2+, Mg2+, H+, K+ và NH4+.
Phản ứng trao đổi cation đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ qua. Đã có
nhiều cơng trình điều chế vật liệu sét hữu cơ ở các điều kiện khác nhau được công bố.
Sét hữu cơ tổng hợp bằng phương pháp ướt theo các bước: đầu tiên phân tán sét
trương nở trong nước với nồng độ nhỏ hơn 10% theo khối lượng, tốt nhất từ 2% đến
4%, khuấy mạnh để các hạt sét bị hiđrat hố và phân tán hồn tồn trong nước, giữ
huyền phù ở trạng thái tĩnh để các hạt khoáng khác như thạch anh, canxit,
phenspat,… lắng xuống, tách cặn ra khỏi huyền phù bằng li tâm tốc độ cao. Khuấy và
đun nóng huyền phù đã được làm sạch ở nhiệt độ 40oC đến 80oC rồi từ từ cho muối
amoni hoặc photphoni hữu cơ vào huyền phù sét. Lượng muối amoni hoặc photphoni
hữu cơ biến tính tuỳ thuộc vào chất lượng sét, nói cách khác phụ thuộc vào dung
lượng trao đổi cation của sét. Mặc dù phản ứng trao đổi xảy ra nhanh (khoảng 40 đến
60 phút) nhưng để ổn định các cation hữu cơ trên bề mặt phiến sét, cần phải giữ yên
khối phản ứng thêm một khoảng thời gian [4], [6], [7].

14

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Phản ứng ở trạng thái rắn
Các phân tử chất hữu cơ có thể được chèn vào giữa các lớp sét khô bởi phản
ứng ở trạng thái rắn. Phương pháp này có ưu điểm là khơng sử dụng dung mơi trong
q trình điều chế và có khả năng ứng dụng trong công nghiệp. Phản ứng ở trạng thái
rắn đầu tiên của sét và cation hữu cơ cũng sử dụng phương pháp khô thực hiện phản
ứng của sét và muối amoni hữu cơ tại 60oC trong thiết bị có tốc độ khuấy trộn lớn.
Một số phương pháp điều chế sét hữu cơ thường gặp là:
Phương pháp khô: Trong phương pháp này, các phân tử hữu cơ thâm nhập vào
trong các khoáng sét khô bằng phản ứng pha rắn mà không cần dùng dung môi [12],
[19]. Sự vắng mặt của các dung môi trong quá trình điều chế làm cho quá trình điều
chế phù hợp hơn với việc cơng nghiệp hóa. Sự thâm nhập của các hợp chất trung tính
vào MMT và vermeculit khơ là một ví dụ về việc khơng cần phải có dung mơi để vận
chuyển (tạo mơi trường khuếch tán) các phân tử hữu cơ vào giữa các lớp sét. Các
cation có thể duy trì sự tiếp xúc với một lớp sét, nghĩa là các nguyên tử oxi của bề
mặt silicat chiếm cứ các vị trí phối trí của các cation [4], [12].
Phương pháp ướt: Với phương pháp này người ta dựa vào quá trình trao đổi
cation giữa các cation bù trừ điện tích lớp của khống sét với các cation alkylamoni
bậc 4 trong dung dịch nước và đã được sử dụng trong vài chục năm nay để điều chế
sét hữu cơ. Trong một số trường hợp, các loại hợp chất hữu cơ khác cũng đã được sử
dụng [2], [13].
Một số phương pháp điều chế sét hữu cơ dựa trên cơ chế trao đổi cation, là
phương pháp khuếch tán trong mơi trường nước và phương pháp lị vi sóng.
Phương pháp lị vi sóng
Ưu điểm của phương pháp là thời gian phản ứng ngắn hơn, hiệu suất phản ứng
cao hơn so với phương pháp khuếch tán bình thường do tập trung năng lượng trong quá
trình điều chế sét hữu cơ. Tuy nhiên do chi phí lớn về thiết bị, năng lượng và hạn chế về

cơng suất nên phương pháp lị vi sóng chưa được ứng dụng rộng rãi [4], [13].
Phương pháp khuếch tán trong môi trường nước
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp.
Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam cũng như
trên thế giới.

15

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Trong đề tài này, chúng tôi lựa chọn sử dụng phương pháp khuếch tán trong
dung dịch để nghiên cứu quá trình điều chế sét hữu cơ [4], [13].
Cơ chế trao đổi cation trong quá trình điều chế sét hữu cơ
Phản ứng trao đổi cation bắt đầu ở rìa của lớp sét và sau đó lan truyền vào tâm
với tốc độ khá cao. Các nghiên cứu động học đã được các tác giả tiến hành cho thấy
rằng, khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng lên. Điện tích trên các lớp sét và vị trí
của chúng (bát diện hoặc tứ diện) có ảnh hưởng đến độ mạnh của lực hút tĩnh điện giữa
các lớp sét và sự thay đổi khoảng cách giữa các lớp. Đồng thời, tốc độ phản ứng bị ảnh
hưởng bởi kích thước và hóa trị của các các cation trao đổi. Khi các lớp sét tích điện
cao được bão hịa bởi các cation hóa trị 1 có kích thước lớn và ít bị hiđrat hóa như K+,
Rb+, NH4+, Cs+ thì lực hút giữa các lớp là lớn nhất. Khi các silicat tích điện cao được
bão hịa bởi các cation Na+, Li+, Ca2+, Mg2+ có năng lượng hiđrat hóa lớn, thì lực hút
giữa các lớp nhỏ và khoảng cách giữa các lớp sẽ tăng lên thậm chí các lớp có thể hồn
tồn tách ra khỏi nhau, các cation nhỏ hiđrat hóa mạnh và linh động hơn nên dễ dàng
thay thế vì các cation vơ cơ có năng lượng hiđrat hóa khá cao và thường có một vài lớp
phân tử nước đi kèm với chúng. Bề mặt sét khi đó chủ yếu có đặc tính ưa nước làm cho
chúng hấp phụ khơng có hiệu quả đối với các chất hữu cơ kị nước.
Sự thay thế các ion vô cơ bằng các ion hữu cơ làm bề mặt sét sẽ mang đặc tính
kị nước thay cho đặc tính ưa nước. Thơng thường, các vị trí có hoạt tính hấp phụ trên

các bề mặt sét chẳng hạn như các vị trí thay thế đồng hình, các vị trí rìa lớp là quan
trọng để giải thích sự hấp phụ. Do lực tĩnh điện, các cation hữu cơ bị hút lên các bề
mặt silicat lớp 2:1. Trong q trình đó năng lượng tự do Gibbs của phản ứng trao đổi
ion trên sét tăng lên khi độ dài mạch alkyl tăng lên. Năng lượng làm bền bổ sung có
được khi tăng độ dài mạch được quy cho tương tác Van-đec-van giữa các mạch ankyl
và bề mặt sét.
Mặt khác, tại các vị trí hoạt động, các cation ankylamoni và ankylphotphoni
được làm bền bởi tương tác tĩnh điện của amin và photphin đã được proton hóa với sự
thay thế đồng hình và các vị trí rìa lớp do sự trao đổi ion và qua tương tác Van-đec-van
của phần kị nước của các cation hữu cơ (các mạch ankyl) với các phần trung tính của
bề mặt sét. Tuy nhiên, nếu kích thước các phân tử hữu cơ là quá lớn, sự cản trở không

16

LUAN VAN CHAT LUONG download : add