Luận văn thạc sĩ nghiên cư ́ u tô ̉ ng hơ ̣ p, đă ̣ c trưng câ ́ u tru ́ c vâ ̣ t liê ̣ u sét chống ti cấy thêm ce và ứng dụng làm xúc tác cho quá trình xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Hoàng Thu Trang

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU SÉT
CHỐNG Ti CẤY THÊM Ce VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ
TRÌNH XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

z


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Hoàng Thu Trang

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU SÉT
CHỐNG Ti CẤY THÊM Ce VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ
TRÌNH XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM

Chun ngành: Hóa mơi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN NỘI

Hà Nội – 2014

z


LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của các thầy giáo và cô giáo, các anh chị và các bạn học
viên, sau một thời gian học tập và thực nghiệm em đã hồn thành bản luận văn.
Với lịng biết ơn sâu xắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS.
Nguyễn Văn Nội, người đã trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn nghiên cứu khoa học
tận tình trong suốt quá trình em làm luận văn.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ tại phịng thí nghiệm Hóa
mơi trường, các thầy cơ khoa Hóa học, trường ĐHKHTN cùng NCS. Nguyễn Thị
Hạnh đã hướng dẫn nhiệt tình trong quá trình em làm bản luận văn.

Hà Nội, ngày

/

/2014

HVCH. Hoàng Thu Trang

z

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 - TỔNG QUAN ..........................................................................................3
1.1. Vật liệu TiO2 nano và TiO2 nano biến tính .......................................................3
1.1.1. Vật liệu TiO2 (Titan đioxit) .........................................................................3
1.1.2. Vật liệu TiO2 nano biến tính ......................................................................4
1.1.3. Cơ chế quang xúc tác của TiO2 nano trong xử lý chất ô nhiễm ...............8
1.1.4. Phương pháp sol-gel điều chế TiO2 nano biến tính ................................11
1.2. Giới thiệu về bentonite và bentonite chống Titan cấy thêm Ce .....................12
1.2.1. Bentonite ...................................................................................................12
1.2.2. Bentonite chống kim loại .........................................................................17
1.2.3. Vật liệu bentonite chống Titan cấy thêm Ce ............................................19
1.3. Giới thiệu về phẩm nhuộm .............................................................................20
1.3.1. Phân loại thuốc nhuộm.............................................................................20
1.3.2. Xử lý nước thải dệt nhuộm .......................................................................25
Chương 2 - THỰC NGHIỆM ...................................................................................26
2.1. Hóa chất và dụng cụ, trang thiết bị thí nghiệm ...............................................26
2.1.1. Hóa chất ...................................................................................................26
2.1.2. Dụng cụ và trang thiết bị ..........................................................................26
2.2. Tổng hợp vật liệu ............................................................................................26
2.2.1. Tổng hợp TiO2 nano .................................................................................26
2.2.2. Tổng hợp TiO2 nano cấy thêm Ce ...........................................................27
2.2.3. Tổng hợp bentonite chống Ti pha tạp Ce .................................................27
2.3. Xác định một số tính chất cơ bản của bentonit-Na ........................................28
2.3.1. Xác định dung lượng trao đổi cation ( CEC) ...........................................28
2.3.2. Xác định độ trương nở..............................................................................28
2.4. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu ..............................................29
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD– X–Rays Diffraction).................29
2.4.2. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis ...........................................................30

z


2.4.3. Phổ hồng ngoại (IR) ................................................................................31
2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................32
2.4.6. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX-Energy-dispersive X-ray
spectroscopy) ......................................................................................................33
2.4.7. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ N2 ...............................35
2.5. Khảo sát khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm của vật liệu ............................38
2.5.1. Chuẩn bị dung dịch ..................................................................................38
2.5.2. Đường chuẩn xác định nồng độ phẩm nhuộm .........................................38
2.5.3. Khảo sát khả năng xử lý phẩm màu của vật liệu TiO2 và TiO2 cấy thêm
Ce ........................................................................................................................39
2.5.4.Khảo sát khả năng xử lý phẩm màu của vật liệu bentonite chống Ti cấy
thêm Ce ..............................................................................................................40
2.5.5. Đánh giá hiệu xuất xử lý phẩm màu của vật liệu .....................................40
2.6. Thuốc nhuộm dùng trong thí nghiệm .............................................................40
2.7. Nguồn sáng mô phỏng ánh sáng khả kiến ......................................................41
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................42
3.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu của TiO2 nano và TiO2 cấy thêm Ce ...42
3.1.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X .......................................................................42
3.1.2. Kết quả phổ UV- Vis ..................................................................................43
3.1.3. Kết quả phổ tán xạ năng lượng EDX .......................................................45
3.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu bentonite chống Ti cấy thêm Ce ..........46
3.2.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X........................................................................46
3.2.2. Kết quả phổ UV- Vis ..................................................................................47
3.2.3. Kết quả phổ tán xạ năng lượng EDX .......................................................48
3.2.4. Cấu tạo bề mặt sét hữu cơ qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) .............49
3.2.5. Kết quả ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM ...........................................50

3.2.6. Diện tích bề mặt riêng của bentonit và Bent-TiO2-Ce-450 (Bent 1) ........50
3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý phẩm màu của TiO2 cấy thêm Ce và
bentonite chống Ti cấy thêm Ce ............................................................................52
3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý phẩm của vật liệu TiO2-0,40%Ce450 và Bent 1 ......................................................................................................52

z


3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng xử lý phẩm của vật liệu .....54
TiO2-0,40%Ce-450 và Bent 1 .............................................................................54
3.3.3. Ảnh hưởng của thành phần vật liệu xúc tác đến khả năng xử lý phẩm màu
............................................................................................................................55
3.3.4. Khả năng xử lý phẩm trong bóng tối của vật liệu ....................................56
3.3.5. Khả năng oxi hóa các hợp chất hữu cơ của vật liệu xúc tác ...................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................60
PHỤ LỤC ..................................................................................................................64

z


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 ...........................................3
Hình 1. 2. Cơ chế của phản ứng xúc tác của vật liệu TiO2 .........................................9
Hình 1. 3. Cấu trúc mạng tinh thể Montmorillonite .................................................13
Hình 1. 4. Các vị trí trao đổi cation trên hạt bentonite ............................................14
Hình 1. 5. Sơ đồ mơ tả phương pháp chống phân tán lỗng ....................................18
Hình 1. 6. Sơ đồ q trình chèn các polycation vào giữa các lớp bentonite ............19
Hình 1. 7. Sơ đồ quá trình nung định hình cấu trúc .................................................19
Hình 2. 1. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp nano TiO2 ......................................................27
Hình 2. 2. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể ...............................................................29

Hình 2. 3. Nhiễu xạ kế tia X - D8 Advance – Bruker ................................................30
Hình 2. 4. Nguyên lý của phép phân tích EDX .........................................................34
Hình 2. 5. Sự phân bố kích thước mao quản .............................................................36
Hình 2. 6. Đường chuẩn xác định hàm lượng phẩm DB 71 .....................................39
Hình 2. 7. Cấu trúc thuốc nhuộm DB 71 ..................................................................41
Hình 2. 8. Quang phổ của đèn Compact Fluorescent 9W ở 27500K và 50000K ......41
Hình 3. 1. a) Phổ XRD của mẫu TiO2-Ce-450 ở các hàm lượng Ce khác nhau b)
Phổ XRD của mẫu TiO2-450; TiO2-Ce theo điều kiện nhiệt độ nung khác nhau ....42
Hình 3. 2. Phổ UV-Vis của TiO2 và TiO2 cấy Ce theo các hàm lượng khác nhau ..43
Hình 3. 3. Phổ UV-Vis của TiO2 cấy Ce được nung ở các nhiệt độ khác nhau ......44
Hình 3. 4. Phổ EDX của mẫu TiO2-0,40%Ce-450 ....................................................45
Hình 3. 5. a) Phổ XRD của mẫu Bent; Bent-TiO2-Ce theo các tỷ lệ khác nhau b)
Phổ XRD của mẫu Bent-TiO2-Ce theo các nhiệt độ nung khác nhau .......................46
Hình 3. 6. Phổ UV-Vis của Bent chống Ti cấy Ce ....................................................47
Hình 3. 7. Phổ EDX của mẫu Bent-Ti-Ce-450 (Bent 1) ............................................48
Hình 3. 8. a) Ảnh SEM mẫu TiO2-0,40%Ce-450 b) Ảnh SEM của mẫu Bent-TiO2Ce-450 (Bent 1) .........................................................................................................49
Hình 3. 9. a); b); c) Ảnh TEM của vật liệu TiO2-0,40%Ce-450 d); e); f) Ảnh TEM
của vật liệu Bent-TiO2-Ce-450 (Bent 1) ....................................................................50
Hình 3. 10. a) Sự phụ thuộc giữa p/v(po-p) và P/P0 của Bent b) Sự phụ thuộc giữa
p/v(po-p) và P/P0 của Bent-TiO2-Ce-450 (Bent 1) .....................................................51
Hình 3. 11. Ảnh hưởng của pH đến độ chuyển hóa phẩm màu của TiO2-0,04%Ce450 và Bent 1 .............................................................................................................52

z


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Đường kính hydrat hố của một số cation kim loại ................................15
Bảng 3. 1. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R theo hàm lượng Ce.......................43
Bảng 3. 2. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R theo nhiệt độ nung mẫu ...............43
Bảng 3. 3. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng Ebg của TiO2, TiO2 cấy Ce với

hàm lượng khác nhau ................................................................................................44
Bảng 3. 4. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng Ebg của TiO2, TiO2 cấy Ce
theo nhiệt độ nung .....................................................................................................45
Bảng 3. 5. Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu TiO2-0,40%Ce-450 .....45
Bảng 3. 6. Kích thước hạt Bent và tỷ lệ pha A/R theo tỷ lệ bentonite ......................46
Bảng 3. 7. Kích thước hạt Bent và tỷ lệ pha A/R theo nhiệt độ nung ......................47
Bảng 3. 8. Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu Bent-TiO2-Ce-450(Bent
1)................................................................................................................................49
Bảng 3. 9. Diện tích bề mặt riêng, thể tích mao quản và kích thước mao quản của
Bent, Bent-TiO2-Ce ...................................................................................................51
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của pH đến độ chuyển hóa phẩm DB 71 .............................52
Bảng 3.11. Hiệu suất xử lý phẩm màu của TiO2-0,40%Ce nung ở các nhiệt độ khác
nhau ...........................................................................................................................54
Bảng 3.12. Hiệu suất xử lý phẩm màu của Bent 1 nung ở các nhiệt độ khác nhau.54
Bảng 3.13. Hiệu suất xử lý phẩm màu của TiO2-Ce 450 ở hàm lượng Ce khác nhau
...................................................................................................................................55
Bảng 3.14. Hiệu suất xử lý phẩm màu của Bent chống Ti cấy thêm Ce ở hàm lượng
Bent khác nhau ..........................................................................................................55
Bảng 3.15. Hiệu suất xử lý phẩm màu của Bent1 ở hàm lượng khác nhau ..............56
Bảng 3. 16. Hiệu suất xử lý phẩm màu (%) của vật liệu trong bóng tối và khi được
chiếu sáng ..................................................................................................................57

z


DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT
STT
1
2
3

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Tên đầy đủ

Viết tắt
A
R
BET
CEC
DB 71
EDX
IR
PILC
SEM
TEM
TIOT
TTIP
UV-VIS
XRD

Anatase
Rutile
Brunauer-Emmett-Teller
Cation exchange capacity
Direct Blue 71
Energy Dispersive analysis of X-rays
Infrared spectroscopy
Pillared interlayer clay
Scanning Electron Microscopy
Transmission Electron Microscopy
Tetra Isopropyl Ortho Titanat
Titanium isopropoxide
Ultra violet- Visible
X-Ray Diffraction

z


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, nhiều quốc gia phát triển và trở thành nước cơng
nghiệp, vì thế chất lượng môi trường trên thế giới ngày càng xấu đi một cách
nghiêm trọng. Hiện nay ở Việt Nam, tốc độ công nghiệp hóa, đơ thị hóa và sự gia
tăng dân số gây áp lực đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường
nước ở nhiều khu đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi
nước thải, khí thải và chất thải rắn. Trong số đó, những chất hữu cơ độc hại bền
được sử dụng trong ngành dệt nhuộm là nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị
phân hủy sinh học, lan truyền và tồn lưu một thời gian dài trong môi trường. Hơn
nữa các chất này có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và gây nhiễm độc cấp
tính, mãn tính cho con người. Do vậy, việc nghiên cứu xử lý triệt để các hợp chất
thuốc nhuộm trong nước bị ô nhiễm luôn là mối quan tâm hàng đầu của mỗi quốc

gia và đặc biệt có ý nghĩa quan trọng đối với cuộc sống hiện tại và tương lai của loài
người.
Titan dioxit là một trong những chất xúc tác quang bán dẫn được sử dụng để
xúc tác phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước và không khí.
Nhờ đặc tính lí hóa ổn định, hoạt tính xúc tác cao, giá thành thấp và dễ tổng hợp nên
Titan dioxit được ứng dụng rộng rãi. Titan dioxit ở dạng anatase có mức năng lượng
vùng dẫn khoảng 3,2eV nên chỉ thể hiện hoạt tính xúc tác dưới tác dụng của bức xạ
UV. Vì vậy, hoạt tính xúc tác của TiO2 dưới bức xạ mặt trời bị hạn chế (bức xạ mặt
trời chỉ có 3 – 5% bức xạ UV). Do đó, cần có những nghiên cứu để gia tăng hiệu
quả xúc tác quang hoá của Titan dioxit trong vùng ánh sáng khả kiến. Nhiều nghiên
cứu đã được tiến hành để cải thiện hoạt tính xúc tác của TiO2 trong vùng ánh sáng
nhìn thấy, những nghiên cứu này tập trung vào việc pha tạp các nguyên tố đất hiếm
như: La, Nd, Eu, Ce vào TiO2 nhằm giảm sự tái kết hợp của cặp electron quang sinh
và lỗ trống, đồng thời gia tăng hoạt tính xúc tác trong vùng khả kiến.
Một nhược điểm nữa của TiO2 kích thước nanomet là khả năng thu hồi vật
liệu khó khăn. Để khắc phục nhược điểm trên, một loạt các phương pháp tổng hợp
mới đã được đề cập đến. Một trong những nghiên cứu đó là phân tán các oxit kim

1

z


loại trên pha nền. Pha nền bentonit là một trong những sự lựa chọn khá tốt do tính
sẵn có và rẻ tiền, vì vậy nó là vật liệu có triển vọng được ứng dụng trong thực tiễn ở
Việt Nam.
Vì những lý do được nêu ở trên, chúng tôi lựa chọn đề tài “N
p

c tr n c u tr c v t

nc ut n

u s t c ống Ti c y thêm Ce và ng dụng làm xúc

tác cho quá trình xử ý màu tron n ớc thải d t nhuộm”.

2

z


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu TiO2 nano và TiO2 nano biến tính
1.1.1. V t u T O2 (T tan ox t)
Titan đioxit là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì
trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (Tnc0 = 18700C).
TiO2 có nhiều dạng thù hình, trong đó có 3 dạng tinh thể là anatase, rutile và
brookite, mỗi dạng đều có cấu trúc và tính chất khác nhau (Hình 1).

Dạng anatase

Dạng rutile

Dạng brookite

Hình 1. 1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
Rutile là dạng bền nhất về mặt nhiệt động, anatase và brookite là dạng giả bền
và chuyển thành rutile khi nung ở nhiệt độ cao. TiO2 ở dạng rutile được dùng phổ
biến làm chất độn màu trong sơn, thành phần của mỹ phẩm và làm lớp nền xúc tác.

Dạng brookite khơng có được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu bởi nó kém bền
khi nhiệt độ thay đổi. Dạng anatase kích thước nanomet có thuận lợi trong lĩnh vực
quang xúc tác, vì nó có vùng cấm rộng hơn và diện tích bề mặt lớn.
Động học của quá trình chuyển pha từ anatase sang rutile là một quá trình
phức tạp, phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian nung. Quá trình chuyển dạng
thù hình của TiO2 từ vơ định hình → anatase → rutile bị ảnh hưởng bởi điều kiện
tổng hợp. Khoảng nhiệt độ và tốc độ chuyển pha phụ thuộc vào phương pháp điều
chế TiO2 và hàm lượng tạp chất chứa trong nó. Q trình điều chế TiO2 từ tiền chất
etoxit làm xuất hiện pha rutile ưu thế hơn, còn brookite lại cho kết quả trội hơn là
pha anatase. Sử dụng isopropoxit chủ yếu sản xuất ra pha anatase nhưng nếu nhiệt
độ của quá trình kết tủa tăng thì hàm lượng của các pha rutile thu được sẽ tăng [12].

3

z


1.1.2. V t u TiO2 nano b ến tín [ 9 ]
Quá trình quang xúc tác trên cơ sở chất bán dẫn TiO2 là một trong các q
trình oxi hóa tiên tiến đầy triển vọng. Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng TiO2 tinh khiết thì
hoạt tính cịn thấp do có năng lượng vùng cấm lớn (Eg = 3,2 eV với anatase), nên
nó chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng UV (λ < 400nm), chiếm một phần rất nhỏ (~
5% ) trong năng lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất. Ngoài ra, do tốc độ tái
hợp giữa các e- và h+ quang sinh trong TiO2 lớn, làm giảm hoạt tính xúc tác.
Biến tính TiO2 bằng việc pha tạp các nguyên tố khác nhau vào TiO2 là hướng
có thể cải thiện được hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Có hai lý do chính để làm
tăng hoạt tính quang xúc tác của TiO2 khi pha tạp:
-

Làm tăng hiệu suất lượng tử, có nghĩa là làm tăng số lượng các photon hữu

hiệu được dùng cho phản ứng xúc tác oxi hóa – khử. Điều này chỉ có thể
thực hiện được bởi sự gia tăng thời gian sống của các tải điện (e-, h+) đã được
phân tách do sự sinh ra các tâm bắt.

-

Làm giàu năng lượng vùng cấm (nghĩa là chuyển giới hạn hấp phụ quang
sang vùng ánh sáng nhìn thấy). Điều này làm cho chất quang xúc tác có hoạt
tính xúc tác ngay trong vùng nhìn thấy của bức xạ mặt trời hoặc dưới ánh
sáng đèn thông thường, loại bỏ sự cần thiết dùng đèn UV.

1.1.2.1. V t li u TiO2

c biến tính bởi các kim loại

Phương pháp điều chế vật liệu TiO2 biến tính bởi kim loại có thể được chia
thành 3 loại chính: phương pháp ướt, xử lý nhiệt độ cao, và cấy ghép ion vào trong
vật liệu TiO2. Phương pháp ướt thường bao gồm: thủy phân chất đầu chứa Ti trong
hỗn hợp của nước với những chất phản ứng khác, kèm theo quá trình gia nhiệt.
Choi cùng các cộng sự đã thực hiện nhiều nghiên cứu một cách hệ thống về
q trình biến tính TiO2 kích thước nano mét với 21 ion kim loại bằng phương pháp
sol-gel và nhận thấy sự có mặt của các kim loại này trong thành phần của TiO2 gây
ảnh hưởng đáng kể tới hoạt tính quang học, tốc độ tái kết hợp các vật liệu tải, và tốc
độ chuyển electron bề mặt. Trong số đó, một nhà khoa học đã phát triển TiO2 biến
tính bởi ion La3+ bằng q trình tạo sol-gel. Kết quả của nghiên cứu đã khẳng định
biến tính bằng Latan có thể hạn chế sự chuyển pha của TiO2, tăng cường mức độ

4

z

bền nhiệt của TiO2, giảm kích thước tinh thể và tăng hàm lượng Ti3+ trên bề mặt
[32].
Nagaveni cùng các cộng sự đã điều chế được TiO2 dạng anatase kích thước
nano được biến tính bởi các kim loại : W, V, Ce, Zr, Fe, và Cu bằng phương pháp
gia nhiệt hỗn hợp phản ứng và nhận thấy quá trình hình thành dung dịch rắn bị giới
hạn trong khoảng hẹp nồng độ của ion được đưa vào [32].
Vật liệu TiO2 kích thước nano được biến tính bởi các ion như Nd3+, Fe3+ cũng
được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt. Trong phương pháp này, người ta đã
nhận thấy anatase, brookite, và một lượng nhỏ hematit cùng tồn tại ở pH thấp (1,8
đến 3,6) khi đó hàm lượng của Fe(III) thấp, khoảng bằng 0,5% và sự sắp xếp của
ion sắt không đồng nhất giữa các phần của hỗn hợp, nhưng khi tăng pH cao hơn
(6,0), dung dịch rắn đồng nhất của sắt và Titan lại được hình thành [32] .
TiO2 nano tinh thể đã được kích hoạt bởi Fe với hàm lượng Fe thấp hơn (mức
tối ưu là 0,05% về khối lượng) đã được chỉ ra là có hoạt tính xúc tác quang cao hơn
so với TiO2 trong quá trình xử lý nước thải làm giấy và nó chỉ ra là có nhiều hiệu
quả trong sự diệt khuẩn xúc tác quang điện tử vi khuẩn E. coli hơn TiO2 nguyên
chất. Chất xúc tác quang TiO2 đã được kích hoạt bởi V đã quang oxy hóa etanol
dưới bức xạ nhìn thấy và dưới bức xạ UV có thể so sánh hoạt tính được với TiO2
nguyên chất. Các hạt nano TiO2 đã được kích hoạt bởi ion Pt4+ biểu hiện hoạt tính
xúc tác quang đối với sự phân hủy dicloaxetat và 4-clophenol, dưới ánh sáng nhìn
thấy cao hơn, và chất xúc tác nano Ag-TiO2 thể hiện hoạt tính xúc tác quang tăng
lên trong q trình phân hủy 2,4,6-triclophenol do sự phân bố chất mang điện tích
sinh ra bởi sự chiếu sáng là tốt hơn và đã làm tăng quá trình khử oxy gây ra sự phân
hủy quy mô lớn hơn của các nguyên tử [32].
Anpo cùng các cộng sự đã điều chế thành công TiO2 kích thước nano mét biến
tính bởi ion Cr và V bằng phương pháp cấy ghép ion.
Các ion của kim loại kiềm như Li, Na, K cũng có thể được đưa vào TiO2 để
điều chế vật liệu TiO2 biến tính, bằng phương pháp sol-gel và kỹ thuật nhúng tẩm.

Mức độ kết tinh của sản phẩm phụ thuộc mạnh vào cả 2 yếu tố, đó là: bản chất và

5

z


nồng độ của kim loại kiềm. Độ kết tinh của sản phẩm thu được lớn nhất đối với LiTiO2 và thấp nhất đối với K-TiO2 [32].
Vật liệu màng TiO2 biến tính bằng ion Sn4+ cũng được tổng hợp thành cơng
bởi phương pháp lắng đọng pha hơi (Chemical Vapor Deposition - CVD). Sau khi
vật liệu được biến tính, trên bề mặt của vật liệu đã xuất hiện nhiều khuyết tật [32].
Một số nhà khoa học đã tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính bởi các kim loại như
Cr, V, Fe, Co bằng chùm cảm ứng CVD và nhận thấy TiO2 kết tinh trong cấu trúc
anatase hay rutile phụ thuộc vào loại cation và hàm lượng cation đối với quá trình
phân ly cục bộ của cation đó trong dạng tồn tại M2O sau khi nhiệt luyện [32].
Như vậy các ion kim loại được đưa vào vật liệu TiO2 có thể kể đến là :
+ Kim loại kiềm : Na, K, Li
+ Các kim loại thuộc phân nhóm phụ: Fe, Cr, Co, V, W, Cu, Nd, Ce, Zr, Sn.
1.1.2.2. V t li u TiO2

c biến tính bởi các nguyên tố phi kim [32]

Các vật liệu nano TiO2 đã được kích hoạt bởi phi kim đã được coi như chất
xúc tác thế hệ thứ ba. Các vật liệu nano TiO2 đã được kích hoạt bởi các phi kim
khác nhau đã được nghiên cứu rộng rãi về hoạt tính xúc tác quang dưới ánh sáng
nhìn thấy. Các vật liệu nano TiO2 được kích hoạt bởi phi kim đã được chứng minh
là có thể làm tăng hoạt tính xúc tác quang của vật liệu nano TiO2 nguyên chất, đặc
biệt ở vùng ánh sáng nhìn thấy.
Rất nhiều các nguyên tố phi kim, như là B, C, N, F, S, Cl và Br đã được đưa
thành công vào vật liệu TiO2. Có thể kể đến vài ví dụ điển hình :

Đối với vật liệu C-TiO2, vật liệu này đã được tổng hợp thành công bởi khá
nhiều phương pháp :
- Phản ứng phân hủy Titan cacbit
- Nhiệt luyện TiO2 trong dịng khí CO ở nhiệt độ cao (500-800oC)
- Đốt cháy trực tiếp kim loại Titan ở dạng tấm trong ngọn lửa khí tự nhiên.
Vật liệu N-TiO2 kích thước nano mét cũng đã được tổng hợp thành công bằng
nhiều phương pháp như:
- Thủy phân TTIP (Titanium isopropoxide) trong nước hay hỗn hợp amin và
bước tiếp theo là xử lý sol TiO2 với amin.

6

z


- Xử lý trực tiếp phức Ti – bipyridin.
- Nghiền mịn hạt TiO2 trong dung dịch NH3.
- Nung nóng TiO2 dưới dịng khí NH3 ở 500-600oC
- Nung khơ sản phẩm thủy phân của phản ứng giữa Ti(SO4)2 với dung dịch
amoniac để tạo thành kết tủa.
- Kỹ thuật cấy hoặc phóng ion với dịng khí nitơ hoặc ion N2+
Cịn với vật liệu S-TiO2, được tổng hợp bằng cách:
- Trộn TTIP với ethanol bao gồm cả thioure hoặc đun nóng bột lưu huỳnh.
- Dùng phương pháp thủy nhiệt TiCl4 trong trong hỗn hợp thioure và nước.
Vật liệu nano F-TiO2 đã được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, có
thể liệt kê ra đây 1 số phương pháp:
- Trộn TTIP với ethanol chứa H2O - NH4F.
- Gia nhiệt TiO2 dưới hidro florua.
- Nhiệt phân dạng sương mù của dung dịch nước H2TiF4.
Còn đối với các vật liệu nano Cl hay Br - TiO2, phương pháp tổng hợp là thêm

TiCl4 vào ethanol có chứa HBr.
1.1.2.3. Các v t li u TiO2 nano

c biến tính bởi hỗn h p

Các vật liệu nano TiO2 khơng chỉ được biến tính bởi kim loại, phi kim mà cịn
biến tính bởi hỗn hợp các ngun tố, ví dụ như các vật liệu nano đồng biến tính bởi
Cl - hoặc Br - đã được tổng hợp bằng cách thêm TiCl4 vào etanol có chứa HBr. Wei
và cộng sự đã tổng hợp các hạt nano TiO2 được đồng kích hoạt bởi N và La với hoạt
tính xúc tác tốt hơn dưới ánh sáng nhìn thấy, tại đó chất biến tính N có nhiệm vụ thu
hẹp dải trống của TiO2, cịn chất biến tính La3+ thì ngăn cản sự tạo thành kết tụ của
các hạt nano. Chang và cộng sự cũng đã thơng báo về vật liệu nano TiO2 được đồng
kích hoạt bởi Cr và N với sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, dẫn đến khả năng khử màu
xanh metylen.
1.1.2.4. V t li u TiO2 biến tính bởi Ce [15 ]
Nguyên tố đất hiếm có electron f, dễ dàng tạo thành nhiều loại hợp chất, oxit
của chúng cũng có nhiều dạng thù hình, tính bền vững cao và khả năng hấp thụ tốt,
do đó chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, những nghiên cứu về

7

z


việc TiO2 cấy các ion đất hiếm trong ứng dụng xúc tác quang là tương đối ít. Theo
bài báo của FanLaimei, XuePeng, Sun Yanping, Ce cấy TiO2 được tổng hợp bằng
phương pháp sol-gel và được đặc trưng bởi XRD, TEM, UV/VIS, DRS. Hoạt tính
xúc tác quang được đánh giá bởi sự phân hủy phenol trong nước. Kết quả của XRD,
TEM và DRS chỉ ra rằng TiO2 và Ce-TiO2 là hỗn hợp của pha anatase và rutile; sự
cấy Ce có thể làm giảm kích cỡ hạt của TiO2 từ 20nm về 10nm. Việc biến tính TiO2

có khả năng dịch chuyển quang phổ DRS của TiO2 tới vùng ánh sáng nhìn thấy. Kết
quả thực nghiệm chỉ ra rằng việc cấy Ce với hàm lượng 0,08- 0,40% có thể tăng
hoạt tính xúc tác của TiO2 nhưng với hàm lượng từ 0,5-2,5% có thể giảm đáng kể
hoạt tính xúc tác của TiO2.
1.1.3. Cõ c ế quang xúc tác của TiO2 nano tron xử ý c

t ô n ễm [25]

Khả năng quang xúc tác của nano TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong xử lý
môi trường, làm sạch khơng khí, diệt vi khuẩn, tiêu diệt các tế bào ung thư,... Đặc
biệt, nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng hệ xúc tác TiO2/UV trong phân huỷ các
chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, thuốc
diệt cỏ, hợp chất phenol....đã được thực hiện và có nhiều hệ thống xử lý đã được áp
dụng trong thực tế.
Nguyên lý cơ bản về khả năng quang xúc tác trên các chất bán dẫn là khi
được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hay bằng độ rộng vùng cấm của
chất bán dẫn (thường là tia tử ngoại do độ rộng vùng cấm của nó khá lớn ~3.2eV) sẽ
tạo ra cặp electron - lỗ trống (e, h+) ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Những cặp electron
– lỗ trống này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa- khử. Các lỗ
trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể
tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động như OH, O 
.
2
Tương tự như thế các electron sẽ tham gia vào các quá trình khử tạo thành các gốc
tự do. Các gốc tự do sẽ tiếp tục oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất
xúc tác thành sản phẩm cuối cùng không độc hại là CO2 và HO2 [28]. Cơ chế xảy ra
như sau:

8

z


Hình 1. 2. Cơ chế của phản ứng xúc tác của vật liệu TiO2
khi được chiếu sáng.
TiO2 + hv  TiO2 (h+ + e-)

(1.1)

TiO2 (h+) + H2O  OH + H+ + TiO2

(1.2)

TiO2 (h+) + OH-  OH + TiO2

(1.3)

TiO2 (h+) + R  R + TiO2

(1.4)

TiO2 (e-) + O2  O 
2 + TiO2

(1.5)

TiO2 (e-) + H2O2  OH- + OH + TiO2

(1.6)

+

O 
2 + H  HO 2

(1.7)

HO2  O2 + H2O2

(1.8)

H2O2 + O2  O2 + OH- + OH

(1.9)

Từ các phương trình (1.2) - (1.4) ở trên ta thấy rằng điện tử chuyển từ chất hấp
phụ sang TiO2. Từ phương trình (1.5) ta thấy phân tử O2 có mặt trong mơi trường sẽ
nhận điện tử để trở thành O 
. Từ các phương trình trên cho thấy q trình oxi hố
2
phân huỷ chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ của gốc OH hấp phụ trên bề mặt TiO2
(phương trình 1.2) và lượng oxi hồ tan (phương trình 1.5).
Sự bổ sung thêm H 2O2 vào sẽ làm tăng hiệu quả phản ứng (phương trình 1.6)
và gốc O 
sinh ra cũng tham gia vào phản ứng (phương trình 1.7 và 1.9). Các gốc
2
sinh ra có tính oxi hóa rất mạnh (chủ yếu là OH và HO2 ).

9

z


Hợp chất hữu cơ sẽ bị hấp phụ trên bề mặt TiO2 và bị oxi hoá bởi OH và
HO2 . Sản phẩm cuối cùng của phản ứng quang hoá là CO2 ,H2O.

Trong quá trình xúc tác quang, hiệu suất phản ứng có thể bị giảm bởi sự tái kết
hợp của các electron và lỗ trống [22]:
e- + h+ → (SC) + E

(1.10)

Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hồ và E là năng lượng được giải phóng ra
dưới dạng bức xạ điện từ (hv’ ≤ hv) hoặc nhiệt.
Hiệu suất lượng tử của q trình quang xúc tác được tính bằng:
(1.11)

Trong đó :

kc : tốc độ vận chuyển electron
kk : tốc độ tái kết hợp của các electron và lỗ trống

Như vậy để tăng hiệu suất phản ứng quang xúc tác, có 2 cách: thứ nhất tăng
tốc độ vận chuyển điện tích và thứ hai là giảm tốc độ tái kết hợp của các electron và
lỗ trống. Để thực hiện phương án 2, tức là giảm tốc độ tái kết hợp, “bẫy điện tích”
được sử dụng để thúc đẩy sự bẫy điện tử và lỗ trống trên bề mặt, tăng thời gian tồn
tại của electron và lỗ trống trong chất bán dẫn. Điều này dẫn tới việc làm tăng hiệu
quả của q trình chuyển điện tích tới chất phản ứng. Bẫy điện tích có thể được tạo
ra bằng cách biến tính bề mặt chất bán dẫn như đưa thêm ion kim loại, chất biến
tính vào hoặc sự tổ hợp với các chất bán dẫn khác dẫn tới sự giảm tốc độ tái kết hợp

điện tử - lỗ trống và kết quả là tăng hiệu suất lượng tử của quá trình quang xúc tác
[21].
Đó cũng chính là mục đích của việc đưa các nguyên tố kim loại hay các
nguyên tố phi kim vào trong cấu trúc của TiO2 và tạo ra các khuyết tật của mạng
tinh thể.
Kích thước hạt và cấu trúc TiO2 ảnh hưởng nhiều đến khả năng xúc tác quang
hố. Bột TiO2 có kích thước càng nhỏ thì hoạt tính xúc tác càng cao. Hầu hết các
tài liệu đều chỉ ra rằng TiO2 dạng bột kích thước nano mét có cấu trúc anatase có
hoạt tính xúc tác cao nhất [5].

10

z


1.1.4. P ơn p áp so - e ều c ế T O2 nano b ến tín [33,34]
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chế TiO2 nano và TiO2 biến tính
như phương pháp thủy phân, thủy nhiệt, phương pháp tẩm, phương pháp siêu âm….
Trong luận văn này chúng tôi lựa chọn phương pháp sol-gel để điều chế vật liệu.
Phương pháp sol – gel là q trình chuyển hố sol thành gel. Phương pháp
này thường trải qua các giai đoạn sol và gel do sự ngưng tụ các hạt keo thu được.
Bằng phương pháp này có thể thu được vật liệu có độ tinh khiết cao, độ lớn đồng
nhất. Phương pháp sol – gel trong những năm gần đây phát triển rất đa dạng, có thể
quy tụ vào ba hướng chính: Thủy phân các muối, thủy phân các ankoxit, tạo phức.
Phản ứng điển hình của phương pháp sol – gel là phản ứng thuỷ phân và trùng
ngưng.
Các ankoxit của Titan có cơng thức tổng qt là M(OR)n với gốc R thường là
etyl, isopropyl và n – butyl phản ứng rất mạnh với nước.
Phản ứng thuỷ phân các ankoxit xảy ra trong dung dịch nước:
M(OR)n + xH2O  M(OR)n-x(OH)x + xROH

Phản ứng trùng ngưng là quá trình các liên kết Ti – O – H biến thành Ti – O
– Ti và tạo thành các sản phẩm phụ là nước và rượu. Phản ứng trùng ngưng diễn ra
theo 2 kiểu:
Ngưng tụ H2O:
M(OR)n-x(OH)x + M(OR)n-x(OH)x  (OR)n-x M-O-M(OR)n-x + xH2O
Ngưng tụ rượu:
M(OR)n-x(OH)x + M(OR)n  (OR)n-x M-O-M(OR)n-x + ROH
Quá trình này xảy ra rất phức tạp, tùy thuộc vào điều kiện thực nghiệm có
thể xảy ra 3 cơ chế cạnh tranh nhau (alkoxolation, oxolation và olation).
Alkolation: Phản ứng tạo thành cầu nối oxo bằng cách loại phân tử rượu, về
cơ bản quá trình này giống quá trình thủy phân.
Oxolation: cơ chế này giống cơ chế alkolation nhưng khác ở chỗ là R thay
thế bằng H.
Olation: Cơ chế này xảy ra khi trong ankoxit sự bão hịa phối trí chưa được
thỏa mãn. Cơ chế này hình thành những cầu nối hydroxo do loại phân tử dung môi.

11

z


Dung mơi có thể là H2O, ROH tùy thuộc vào nồng độ của H2O có trong mơi trường.
Như vậy, phản ứng thuỷ phân và trùng ngưng tham gia vào sự biến đổi ankoxit
thành khung oxit, do đó cấu trúc, hình thái học của các oxit thu được phụ thuộc rất
nhiều vào sự đóng góp tương đối của mỗi phản ứng. Sự đóng góp này có thể tối ưu
hóa bằng sự điều chỉnh thực nghiệm liên quan đến thông số nội như bản chất của
kim loại và các nhóm alkyl, cấu trúc của ankoxit và thông số ngoại như tỷ số thủy
phân r = H2O/ankoxit, xúc tác, nồng độ, dung môi và nhiệt độ.
Các phản ứng thủy phân ankoxit có thể tiến hành theo các bước sau:
 -Ti-O-H + ROH

-Ti-O-R +
H2 O
-Ti-O-H

+

-Ti-O-H



-Ti-O-Ti-

+

H2O

-Ti-O-R

+

-Ti-O-H



-Ti-O-Ti-

+

ROH

Trong số các ankoxit được sử dụng, Tetra isopropyl ortho Titanat (TIOT)
được dùng nhiều nhất và cho sản phẩm khá tốt.
1.2. Giới thiệu về bentonite và bentonite chống Titan cấy thêm Ce
1.2.1. Bentonite
Bentonite là loại khống có thành phần chính là montmorillonit với cơng
thức hố học tổng qt dạng (OH)4Al4Si8O20.nH2O. Vì vậy, tính chất của bentonite
được quy định chủ yếu bởi tính chất của thành phần khống chính monmorillonit.
Ngồi montmorillonit, trong bentonite cịn chứa một số loại khống khác như
caolinit, mica, canxit, thạch anh, các muối kiềm. Thành phần hoá học của
montmorillonit, ngồi hai ngun tố kim loại chính là Si và Al cịn có các ngun tố
khác như Fe, Ca, Mg, Ti, K, Na... Tỷ lệ Al2O3: SiO2 nằm trong khoảng 1:2 đến 1:4.
Bentonite được chia thành hai loại:
- Bentonite trương nở có thành phần chính là montmorillonit Na, hay cịn
gọi là bentonite natri. Khi bão hồ nước bentonite natri có thể trương nở đến 20 lần.
- Bentonite khơng trương nở có thành phần chính là montmorilonit canxi,
cịn gọi là bentonite canxi.
* Cấu trúc tinh thể và thành phần hoá học của montmorillonit

12

z


Trong Montmorillonit các nguyên tử Si nằm ở tâm của mạng tứ diện còn các
nguyên tử Al nằm ở tâm của mạng bát diện và một số ion nhôm bị thay thế bằng ion
magie, cơng thức khai triển như sau:
Mx[Al4-xMgx]o[Si8]TO20(OH)4

Hình 1. 3. Cấu trúc mạng tinh thể Montmorillonite
Montmorillonit là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp kiểu 2:1 diota. Tinh

thể montmorillonit được cấu tạo từ hai mạng tứ diện liên kết với một mạng bát diện
ở giữa. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hydrat. Trong mạng cấu
trúc montmorillonit thường xảy ra sự thay thế của các cation. Ở mạng bát diện Al3+
thường bị thay thế bởi Mg2+, còn mạng tứ diện Si4+ bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+.
Lượng Si4+ bị thay thế bởi Al3+ khơng vượt q 15%. Sự thay thế đồng hình trên
làm cho bề mặt tinh thể montmorillonit xuất hiện các điện tích âm. Các điện tích âm
này được trung hồ bởi các cation kim loại kiềm (Ca, Na, Li, K) nằm giữa hai phiến
bentonite. Các cation này dễ dàng bị hydrat hoá hoặc thay thế bằng cation khác.
Chiều dày của một lớp cấu trúc khoảng 9.6Ao đối với bentonite khô (nung ở 200oC);
và khoảng 15Ao đối với bentonite ở trạng thái ẩm (trong khơng khí); khoảng cách
lớp thậm chí có thể tăng đến 40Ao khi các cation bị thay thế bởi ion vô cơ phân cực,
các phức cơ kim, polyme vơ cơ, các phân tử hữu cơ.
1.2.1.1 Các tính chất của bentonite [2,3,4]
a) Tính chất trao đổi ion

13

z


Như đã trình bày trong phần trước, trong mạng cấu trúc của montmorillonit
thường xảy ra sự thay thế đồng hình của các cation. Sự thay thế các cation có hố trị
cao bởi cation có hố trị thấp hơn gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc
bát diện và tứ diện. Kết quả là xuất hiện các điện tích âm trên bề mặt phiến
Bentonite. Đối với bentonite, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát
diện giữa hai lớp tứ diện của phiến bentonite. Liên kết của các cation với bề mặt
phiến bentonite là tương đối yếu, vì vậy các cation này dễ dàng di chuyển và trao
đổi với các cation khác. Khả năng trao đổi cation của bentonite phụ thuộc vào hoá
trị và bán kính cation trao đổi. Thơng thường, các cation có hố trị nhỏ và bán kính
nhỏ dễ bị trao đổi hơn.

Ngồi ra do sự gãy vỡ các phiến bentonite, ở các cạnh bên mới hình thành
xuất hiện một vài nhóm mới của cấu trúc silic mang tính axit yếu hoặc một vài
nhóm aluminat mang tính bazơ yếu. Điện tích trên cạnh mới hình thành phụ thuộc
vào pH mơi trường mà nó tồn tại.
Dung lượng trao đổi cation CEC (cation exchange capacity) được định nghĩa
là tổng số cation trao đổi trên một đơn vị khối lượng bentonite, có đơn vị là mili
đương lượng gam (meq) trên 100g bentonite khơ.
Vị trí trao đổi bên ngồi

Vị trí trao đổi bên trong

Hình 1. 4. Các vị trí trao đổi cation trên hạt bentonite
Dung lượng trao đổi cation của bentonite gồm hai phần: dung lượng trao đổi
cation trên bề mặt và dung lượng trao đổi cation bên trong. Dung lượng trao đổi
cation trên bề mặt phiến bentonite có giá trị khoảng 5-10 meq, trong khi ở giữa các
lớp cấu trúc vào khoảng 40-120 meq.
Do khả năng dễ dàng trao đổi ion nên khống bentonite có rất nhiềt ứng dụng
trong các lĩnh vực khác nhau. Ví dụ sự trao đổi Ca2+ bằng Na+ đã chuyển hoá

14

z


bentonite canxi kém trương nở thành bentonite natri có độ trương nở cao, ứng dụng
để pha chế dung dịch khoan gốc nước. Hoặc trao đổi ion kim loại với các amin bậc
4 để tạo thành bentonite hữu cơ làm thay đổi tính chất cơ bản của bentonite từ
bentonite ưa nước thành bentonite ưa dầu. Bentonite hữu cơ khi đó được sử dụng
làm dung dịch khoan gốc dầu, làm phụ gia tổng hợp vật liệu nano composit, làm vật
liệu xử lý mơi trường.

b) Tính chất trương nở
Trương nở là một trong những tính chất đặc trưng của khống bentonite. Khi
tiếp xúc với nước hoặc mơi trường khơng khí ẩm bentonite bị trương nở, thể tích có
thể tăng lên 15-20 lần so với thể tích khơ ban đầu. Trong q trình trương nở, nước
xâm nhập vào và bị giữ lại trong khoảng không gian giữa các phiến bentonite.
Lượng nước hấp phụ này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hydrat hoá của các
cation. Kích thước, hình dạng của các cation giữa các lớp cũng ảnh hưởng đến khả
năng hydrat hoá và trương nở bentonite. Các cation có bán kính hydrat hố lớn sẽ
làm cho khoảng cách giữa hai phiến bentonite rộng ra, tạo điều kiện cho sự trương
nở bentonite. Bên cạnh đó, sự liên kết của các cation kim loại và điện tích trên bề
mặt phiến bentonite cũng ảnh hưởng đến sự trương nở.
Bảng 1. 1. Đường kính hydrat hố của một số cation kim loại

Cation

Đƣờng kính
ion (Ao)

Đƣờng kính

Đƣờng

hydrat hố

Cation

o

kính ion
o

(A )

(A )

Li+
1.56
14.6
+
Na
1.90
11.2
+
K
2.66
7.6
+
NH4
2.86
5.0
c) Tính chất hấp phụ của bentonite

Mg2+
Ca2+
Al3+
-

1.30
1.98
1.00

-

Đƣờng kính
hydrat hố (Ao)
21.6
19.2
18.0
-

Tính chất hấp phụ của bentonite được quyết định bởi tính chất bề mặt và cấu
trúc lớp của chúng. Theo tính tốn, diện tích bề mặt của bentonite vào khoảng 200760 m2/g trong khi diện tích bề mặt của cao lanh chỉ vào khoảng 15-20 m2/g,
silicagel 200-800 m2/g. Diện tích bề mặt của bentonite gồm diện tích bề mặt ngồi
và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi khoảng không

15

z


gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt ngồi phụ thuộc vào kích
thước hạt, hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngồi càng lớn, do đó khả năng hấp phụ
càng cao.
Sự hấp phụ ở bề mặt trong của bentonite chỉ xảy ra khi chất bị hấp phụ là
chất hữu cơ dạng cation hoặc chất hữu cơ phân cực. Đối với các chất dạng cation thì
bentonite hấp phụ chúng theo cơ chế trao đổi cation. Sự hấp phụ trao đổi này phụ
thuộc vào diện tích, hình dạng, kích thước của cation trao đổi và dung lượng trao
đổi cation của khoáng bentonite. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối
lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách liên kết trực tiếp với các cation trao đổi nằm giữa
các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua cầu H2O. Cịn chất hữu cơ phân cực có
kích thước và khối lượng lớn, liên kết trực tiếp với oxi đáy của tứ diện trong mạng

lưới tinh thể bằng lực Van der Wall.
d) Khả năng mất nước của bentonite
Khoáng montmorillonit mất nước tự do ở 100oC; mất nước liên kết vật lý ở
150 - 200oC; mất nước liên kết hóa học ở 200oC tới 400oC; mất nước tinh thể ở 700
o

C và bị phân hủy thành chất vơ định hình trong khoảng 735oC tới 850 oC.

1.2.1.2. Ứng dụng của bentonite trong thực tế.
Bentonite đã được biết đến và sử dụng từ lâu với những tính chất đa dạngcủa
nó. Bentonite được sử dụng trong các lĩnh vực chính sau:
- Làm vật liệu tẩy, lọc trong nhiều ngành công nghiệp hóa học như: lọc dầu,
hóa dầu, dược phẩm, thực phẩm, dệt nhuộm, chất tẩy rửa;
- Chất kết dính, khn đúc trong công nghiệp luyện kim
- Xử lý chất thải phóng xạ, kim loại nặng độc hại trong nước và xử lý nước
thải ở các vùng công nghiệp;
- Phụ gia trong các ngành công nghiệp cao su, giấy, thuốc trừ sâu, phân bón
sinh hóa, sơn, gốm sứ, làm dung dịch khoan sâu;
- Làm chất hấp phụ hữu cơ trong xử lý môi trường;
- Làm chất xúc tác; chất mang xúc tác trong các phản ứng tổng hợp và oxy
hố hồn tồn các chất hữu cơ trong xử lý mơi trường.

16

z