Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ Bentonit Trung Quốc với Tetrađecyltrimetylamoni Bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM













TETRAĐECYLTRIMETYLAMONI BROMUA





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT





Thái Nguyên, năm 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM









TETRAĐECYLTRIMETYLAMONI BROMUA



Chun ngành : HỐ VƠ CƠ
Mã số : 60 44 01 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT



Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS.

Thái Ngun, năm 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn tận
TS. , cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Em
xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau
Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái
Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập,
nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô
;
, Đại học Quốc gia Hà Nội;
, và các bạn đồng nghiệp
đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu
của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp
và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn
được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014
Tác giả



Nguyễn Thị Thu Hƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit
Trung Quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu thăm dò ứng
dụng” là do bản thân tôi thực hiện và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ công
trình nào khác. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi
xin chịu trách nhiệm.
Thái nguyên, tháng 04 năm 2014
Tác giả









Xác nhận Xác nhận
của trƣởng khoa chuyên môn của ngƣời hƣớng khoa học







TS. Thanh

i

Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu ii
Danh mục bảng biểu iii
Danh mục các hình iv
1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Giới thiệu về bentonit 3
1.1.1. Thành phần của bentonit 3
1.1.2. Cấu trúc của bentonit 3
1.1.3. Tính chất của bentonit 5
1.1.4. Ứng dụng của bentonit 7
1.1.5. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit 8
1.1.6. Nguồn tài nguyên bentonit 9
1.2. Sét hữu cơ 11
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ 11
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ 12
1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ 14
1.2.4. Ứng dụng của sét hữu cơ 15
1.2.5. Tổng hợp sét hữu cơ 16
1.3. Giới thiệu về phenol đỏ 20
1.3.1. Cấu tạo và tính chất 20
1.3.2. Ứng dụng và tác hại của phenol đỏ 22
1.3.3. Một số thành tựu xử lý các hợp chất phenol 23

1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 24
1.4.1. Khái niệm 24
1.4.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 24
1.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ 25
1.4.4. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ 26
Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM 30
2.1. Hóa chất, dụng cụ 30
2.1.1. Hóa chất 30
2.1.2. Dụng cụ, máy móc 30
2.2. Thực nghiệm 31
2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ 31
- 32
2.3. Các phương pháp nghiên cứu 33
(XRD) 33
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt 33
2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 33
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 33
2.3.5. Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ 34
2.3.6. Phương pháp trắc quang 34
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35
3.1. Điều chế sét hữu cơ 35
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 35
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TĐTA/bentonit 37
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch 40
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 42

3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện
tối ưu 44
p nhiễu xạ tia X (XRD) 44

3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại 46
3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt 48
3.2.4. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 50
51
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ 51
3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ 52
54
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ 56
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mô hình đẳng
nhiệt hấp phụ Langmuir 57
KẾT LUẬN 60
61
64


ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU

Chữ viết tắt, kí hiệu
Nội dung
MMT
Montmorillonit
TĐTA
Tetrađecyltrimetylamoni bromua
Bent-TQ
)
Shc
Sét hữu cơ
XRD
X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X

SEM



iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d
001

và diện tích sét bị che phủ 14
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d
001
và hàm
lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ 36
Vì vậy nhiệt độ phù hợp được lựa chọn cho quá trình điều chế sét hữu cơ
là 50
o
C. 37
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TĐTA/bentonit đến giá trị d
001
và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét
hữu cơ 39
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến giá trị d
001
và hàm lượng
(%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ 41
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d
001

43
-
49
Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ 51
Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian 53
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ 55
đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ 55
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ của bentonit và sét hữu cơ 56




iv
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT 4
Hình 1.2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat 13
Hình 1.3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp 13
Hình 1.4: Cấu tạo phân tử, cấu trúc không gian của phenol đỏ 20
Hình 1.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 28
Hình 1.6: Sự phụ thuộc của C
f
/q vào C
f
28
Hình 1.7: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 29
Hình 1.8: Sự phụ thuộc lgq vào lgC
f

29
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ 31
Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần
lượt ở các nhiệt độ 30
o
C, 40
o
C, 50
o
C, 60
o
C, 70
o
C 35
Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d
001
theo nhiệt độ
phản ứng của các mẫu sét hữu cơ điều chế 36
Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ được điều
chế ở các tỉ lệ TĐTA/ bentonit lần lượt là 0,3; 0,4; 0,5; 0,6;
0,7; 0,8 38
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d
001
theo tỉ lệ TĐTA
38
-
6, 7, 8, 9, 10, 11 40
001
41
- ứng

trong thời gian 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 42
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d
001
theo thời gian
phản ứng 43

Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-TQ 45
45
Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của bent-TQ 46
Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của tetrađecyltrimetylamoni bromua (TĐTA) 47
Hình 3.13: Phổ hồng ngoại của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu 47
-TQ 48
49
Hình 3.16: Ảnh SEM của bent–TQ (a); Ảnh SEM của sét hữu cơ điều
chế (b) 50
Hình 3.17: Đường chuẩn của phenol đỏ 52
Hình 3.18:
- 53
-
54
-
57
Hình 3.21: Sự phụ thuộc của C
f
/q vào C
f
đối với sự hấp phụ p
-TQ 57
58
Hình 3.23: Sự phụ thuộc của C

f
/q vào C
f
đối với sự hấp phụ phenol đỏ
58

1


Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề quan tâm của toàn nhân loại
trên thế giới, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. Trong quá trình sản xuất, nhu cầu sử
dụng nước rất lớn, đồng thời thải ra môi trường một lượng lớn các chất hữu cơ độc
hại, trong đó có phenol đỏ (phenylsunfophtalein) và các hợp chất của phenol. Đây là
nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học. Khi xâm nhập vào cơ
thể, các hợp chất phenol đỏ gây ra nhiều tổn thương cho các cơ quan như hệ thần
kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư, đột biến gen. Vì vậy việc quan tâm và xử lý
các hợp chất phenol có một vai trò và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống
hiện tại và tương lai của loài người.
Trong suốt những thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, zeolit với hệ
thống vi mao quản đồng đều đã được ứng dụng làm chất hấp phụ cũng như chất
mang xúc tác để xử lý phenol đỏ trong phẩm nhuộm dùng trong công nghiệp dệt
may. Tuy nhiên ứng dụng của than hoạt tính và zeolit bị hạn chế bởi kích thước mao
quản nhỏ dẫn đến không thích hợp cho quá trình hấp phụ các chất có kích thước lớn
hơn và cấu trúc cồng kềnh như phenol đỏ, xanh metylen
Trước những hạn chế đó, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước không
ngừng nghiên cứu, tìm kiếm những vật liệu có tính năng vượt trội hơn nhằm đáp
ứng nhu cầu cho việc xử lý môi trường bị ô nhiễm. Bentonit là một loại khoáng sét
tồn tại trong tự nhiên, có cấu trúc lớp, có diện tích bề mặt lớn nên có khả năng hấp
phụ nhiều loại cation vô cơ và hữu cơ. Nhờ khả năng hấp phụ và khả năng trao đổi
ion tốt của bentonit nên bằng các phương pháp xử lý khác nhau, người ta có thể tạo

ra các vật liệu có chức năng khác nhau. Vật liệu sét hữu cơ được tổng hợp từ pha
nền là bentonit và chất tạo cấu trúc là các hợp chất muối amin (bậc 1, 2, 3 và 4 có
mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng). Mạch hiđrocacbon khi được chèn vào giữa
các lớp của bentonit sẽ làm tăng khoảng cách lớp, tăng tính kị
vật liệu với các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất hữu cơ mạch
vòng, các chất có phân tử khối .

2
Do vậy
có khả năng hấp phụ tốt, đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường
nước, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit
Trung Quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu thăm dò ứng
dụng”.


3
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
1.1.1. Thành phần của bentonit
- Thành phần khoáng vật:
chính là montmorillonit (MMT), có thành phần hóa học không ổn định. Bằng các
phương pháp phân tích có thể xác định thành phần chính của bentonit: SiO
2
(46-
56%), Al
2
O
3
(11-23%), Fe

2
O
3
(>5%), MgO (4-9%), CaO (0,8-3,5%) và có thể có
K
2
O và Na
2
O. Ngoài ra trong bentonit tự nhiên còn chứa một số khoáng sét khác
như hectorite, saponite, clorite, mica,… và một số khoáng phi sét như calcite,
pirrite, manhetite,…các muối kiềm và một số hợp chất hữu cơ [9], [14].
- Thành phần hóa học: Công thức đơn giản nhất của MMT là
Al
2
O
3
.4SiO
2
.nH
2
O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức lý tưởng của
MMT là Si
84
O
20
(OH)
4
cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên thành phần của MMT
luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình các ion
kim loại như: Al

3+
, Fe
3+
, Fe
2+
, Mg
2+
với Si
4+
trong tứ diện SiO
4
và Al
3+
trong bát
diện AlO
6
. Như vậy trong thành phần hoá học của MMT ngoài sự có mặt của Si và
Al, còn có các nguyên tố khác như: Fe, Zn, Mg, Na, K trong đó tỷ lệ Al
2
O
3
: SiO
2

từ 1 : 2 đến 1 : 4 [9], [12].
1.1.2. Cấu trúc của bentonit
Cấu trúc mạng lưới không gian của MMT đã được trình bày ở hình 1.1. Khi
tồn tại trong tự nhiên, các ion trong mạng lưới có thể bị thay thế vì vậy thành phần
hóa học của khoáng có thể bị thay đổi nhiều [12], [14].
Cấu trúc tinh thể của MMT được tạo bởi hai mạng lưới tứ diện liên kết với

mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc. Trong không gian giữa các lớp
còn tồn tại nước và nước có xu hướng tạo vỏ hiđrat với các cation trong đó. Khi
phân ly trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ
micromet và ở trạng thái lỏng lẻo theo lực hút Vanđecvan. Chiều dày mỗi lớp cấu
trúc của MMT là 9,2 ÷ 9,8 Å. Khoảng cách giữa các lớp trong trạng thái trương nở
khoảng từ 5 ÷ 12 Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở.

4

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT
Trong tự nhiên, khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của các
cation hóa trị II (như Mg
2+
, Fe
2+
…) với Al
3+
và Al
3+
với Si
4+
hoặc do khuyết tật
trong mạng nên chúng tích điện âm. Để trung hòa điện tích của mạng, MMT tiếp
nhận các cation từ ngoài. Chỉ một phần rất nhỏ các cation này (Na
+
, K
+
, Li
+
…) định

vị ở mặt ngoài của mạng còn phần lớn nằm trong vùng không gian giữa các lớp.
Trong khoáng MMT, các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài 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
+
, Li
+
…) 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. Quá trình xâm
nhập cation vào không gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách cơ sở lên vài chục
Å tùy thuộc vào loại cation thay thế [9], [12], [14].

5
1.1.3. Tính chất của bentonit
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, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp
phụ và trao đổi ion.
1.1.3.1. Tính chất trương nở
Tính chất trương nở là khi bentonit hấp phụ 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 12,5Å đến 20Å tùy thuộc vào loại bentonit và loại nước bị hấp phụ. Sự tăng
khoảng cách d
001
được giải thích do sự hiđrat hóa của các cation giữa các lớp. Sự
trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, sự thay thế đồng hình trong các lớp tứ
diện, bát diện và các ion (cation trao đổi) trong môi trường phân tán. Lượng nước

được hấp phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hiđrat hoá của các cation
trao đổi. Ngoài ra, độ trương nở của bentonit còn phụ thuộc vào bản chất của 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 trong cấu trúc của MMT. Vì thế khi bị hiđrat hoá, bentonit-Na có
khả năng trương nở từ khoảng cách cơ sở là 9,6Å đến ít nhất 17Å. Trong môi
trường kiềm bentonit-Na bị hiđrat hóa mạnh hơn và vì vậy huyền phù bentonit-Na
rất bền vững.
Do khả năng trương nở tốt, bentonit được dùng để điều chế sét hữu cơ và
polyme
[9], [14].
1.1.3.2. Tính chất hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt, cấu trúc
rỗng và kích thước hạt của chúng. Bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn gồm cả
diện tích bề mặt ngoài và diện tích bề mặt trong. Trong đó diện tích bề mặt trong
được xác định

6
. Sự hấp phụ bề mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là
các ion vô cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion và chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ
phân cực có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp
với các cation trao đổi nằm giữa các lớp sét hoặc liên kết với các cation đó qua liên
kết với nước. 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 Vanđecvan hoặc liên kết ở vị trí của hiđro. Sự hấp phụ các chất
hữu cơ không phân cực, các polyme và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt
của bentonit.
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc rỗng phức tạp
và bề mặt riêng lớn. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2 µm và có cấu trúc mạng tinh thể

dạng lớp nên bentonit có bề
phân tử nào có đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp mới chui vào được. Dựa vào điều
này người ta hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất. Đây cũng
là một điểm khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác [9], [16].
1.1.3.3. Khả năng trao đổi ion của bentonit
Đặc trưng cơ bản của bentonit là trao đổi ion, tính chất đó là do sự thay thế
đồng hình của các cation Si
4+
bằng Al
3+
trong mạng tứ diện và Al
3+
bằng Mg
2+
trong
mạng lưới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc, các điện tích
âm này sẽ được bù trừ bằng các cation như Na
+
, Ca
2+
, , chúng được gọi là các cation
trao đổi. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm bề mặt, bản
chất của các ion trao đổi và pH của môi trường trao đổi. Nếu lượng điện tích âm bề
mặt càng lớn, nồng độ cation trao đổi càng cao thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Điện tích lớp có ảnh hưởng tới dung lượng trao đổi cation, độ hấp phụ nước
và các chất hữu cơ phân cực khác. Điện tích lớp phụ thuộc vào điện tích các đơn vị
[O
20
(OH)
4

] và tổng điện tích các tứ diện và bát diện. Dung lượng trao đổi cation của
bentonit trong khoảng từ 80-150 mgđlg/100g bentonit khô.

7
Ngoài ra dung lượng trao đổi cation còn phụ thuộc vào hoá trị và bán kính
của các cation trao đổi.
- Cation hoá trị thấp dễ trao đổi hơn cation hoá trị cao: Me
+
> Me
2+
> Me
3+
.
- Đối với cation có cùng hoá trị bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng
lớn, có thể sắp xếp theo trật tự sau: Li
+
> Na
+
> K
+
> Mg
2+
> Ca
2+
> Fe
2+
> Al
3+
.
những vật liệu có tính chất xúc tác hấp phụ và các tính chất hóa lí hoàn toàn khác

nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng [9].
1.1.4. Ứng dụng của bentonit
Do có cấu trúc và tính chất đặc trưng đã nêu ở trên nên bentonit có nhiều ứng
dụng trong thực tế. Các ứng dụng đó đều xuất phát từ các tính chất đặc trưng của
bentonit [3], [8], [9].
- Do có thành phần hóa học là các lớp aluminosilicat đã bị biến đổi nên
bentonit được ứng dụng làm chất xúc tác, chất mang xúc tác trong lĩnh vực tổng
hợp hữu cơ. Ngoài ra, do bentonite có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ các
chất xúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp và được sử dụng làm chất xúc tác cho
nhiều phản ứng.
- Tính trương nở của bentonit được ứng dụng trong lĩnh vực làm chất độn
trong sơn, mực in, giấy, làm tường ngăn cho các hầm chứa chất thải phóng xạ, đập
chắn nước, dung dịch khoan
- Khả năng hấp phụ và trao đổi ion của cation, cũng như tính trơ của bentonit
làm cho nó được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xử lý môi trường (hấp phụ cation
kim loại nặng trong nước và các hợp chất hữu cơ độc hại, làm nguyên liệu điều chế
sét chống, sét hữu cơ, làm chất độn, chất kết dính thức ăn chăn nuôi, chất mang
dược phẩm
- Tính dẻo của bentonit được biết đến từ xa xưa và sét tự nhiên đã được sử
dụng phổ biến để chế tạo ra các vật dụng: dụng cụ nấu nướng, bình đựng, đồ trang
sức để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt, các tác phẩm nghệ thuật, Hiện nay
bentonit được sử dụng nhiều trong chế khuôn trong ngành đúc luyện kim, làm vật
liệu xây dựng làm chất kết dính vê viên quặng.

8
1.1.5. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Bentonit là một chấ ấp phụ trao đổi nhưng để nâng cao tính
hấp phụ, tẩy trắng, hoạt tính xúc tác, . . . người ta cần tìm cách làm tăng bề mặt của
nó. Tất cả các cách làm với mục đích như vậy gọi là sự hoạt hóa bentonit. Có nhiều
phương pháp hoạt hóa như hoạt hóa bằng axit vô cơ, hoạt hóa bằng kiề

[8].
a. Hoạt hóa bằng axit vô cơ
Đây là phương pháp hoạt hóa bentonit hiệu quả nhất nên thường được sử
dụng một cách rộng rãi trong thực tế. Trong quá trình hoạt hóa bentonit bằng axit,
người ta có thể dùng các axit vô cơ thông dụng như: HCl, HNO
3
, H
2
SO
4
, . . . Khả
năng hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác của bentonit đã hoạt hóa phụ thuộc rất
nhiều vào điều kiện hoạt hóa như: bản chất axit hoạt hóa, nồng độ axit dùng cho
hoạt hóa, thời gian hoạt hóa… Mỗi yếu tố đều có ảnh hưởng nhất định đến chất
lượng của bentonit hoạt hóa.
b. Hoạt hóa bằng kiềm
Dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
để tạo trên bề mặt
những lỗ xốp và trung tâm hoạt động. Tuy nhiên một số liên kết nhôm silicat bị đứt
tạo cấu trúc khác và một số chất khác không bị hòa tan, bị loại do sa lắng. Mặt khác
khi hàm lượng kim loại kiềm lớn thì hoạt tính xúc tác của nhôm silicat giảm do ion
Na
+

đầu độc các tâm axit. Do vậy phương pháp hoạt hóa bằng kiềm ít được sử dụng,
chỉ trong những trường hợp đặc biệt nào đó người ta mới sử dụng phương pháp này.
c. Hoạt hóa bằng nhiệt
Đây là phương pháp sử dụng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới
tinh thể của đất sét và đốt cháy các chất bẩn, chất bùn trong đó. Tuy vậy, khi hoạt
hóa bentonit bằng nhiệt không được nung với nhiệt độ quá cao vì bentonit sẽ bị
giảm khả năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110
o
C đến 150
o
C.
d. Hoạt hóa bằng chất hữu cơ
Khi bentonit được hoạt hóa bằng chất hữu cơ nó sẽ tạo một lớp bao phủ tối ưu
của chất hữu cơ trên bề mặt đất sét. Vì vậy nó có khả tốt các chất hữu cơ.

9
1.1.6. Nguồn tài nguyên bentonit
1.1.6.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bentonit ở một số nước trên thế giới
Trên thế giới nguồn khoáng bentonit được khai thác ngày càng nhiều và sử
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế và xã hội. Sau đây là tình hình sản xuất và
sử dụng bentonit điển hình ở một số nước.
Sản xuất và sử dụng bentonit ở Hàn Quốc [6]: Công nghiệp sản xuất bentonit
của Hàn Quốc bắt đầu từ năm 1968, đến nay có 9 công ty sản xuất các mặt hàng
bentonit cho công nghiệp giấy, luyện kim, xây dựng dân dụng, nông nghiệp, thức ăn
gia súc Công ty Sued- Chemie liên doanh với CHLB Đức là cơ sở hàng đầu với
hệ thống hoạt hoá bentonit tiên tiến chế tạo các sản phẩm bentonit chất lượng cao từ
nguồn trong nước và nhập khẩu với công suất 6500 tấn/tháng. Công ty có hệ thống
phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu công nghệ và thử nghiệm chất lượng (thành
phần cấp hạt, bề mặt riêng, dung lượng trao đổi, độ nhớt, sức căng bề mặt, mức độ
trương nở, pH, hàm ẩm ) các sản phẩm bentonit theo tiêu chuẩn quốc tế.

Sản xuất và sử dụng bentonit ở Trung Quốc [6]: Mỏ bentonit lớn nhất Trung
Quốc là mỏ bentonit - Ca ở Xuân Hoa thuộc tỉnh Hồ Bắc, ngoài ra còn nhiều mỏ
bentonit ở Triết Giang, Quảng Đông
Công ty FCC INC tại thành phố nổi tiếng Triết Giang là một công ty hàng đầu
trong lĩnh vực sản xuất và chế biến bentonit của Trung Quốc. Công ty bao gồm các
cơ sở nghiên cứu phát triển, các cơ sở sản xuất chế biến và thương mại những sản
phẩm sét hữu cơ, phụ gia lưu biến, đất tẩy trắng, phụ gia cho dung dịch khoan dầu
khí, chăn nuôi gia súc,
Năm 1980, Công ty bắt đầu sản xuất sét hữu cơ trên cơ sở bentonit – Na. Từ
đầu năm 1990 đã phát triển và sản xuất sét hữu cơ trên cơ sở bentonit - Ca. Năm
1996, Công ty đã xây dựng một dây chuyền sản xuất sét hữu cơ lớn nhất của Trung
Quốc. Từ năm 1999, bắt đầu phát triển và sản xuất các loại sản phẩm sét hữu cơ dễ
phân tán và trở thành công ty đầu tiên của Trung Quốc sản xuất vật liệu tiên tiến
này. Năm 2000, đây cũng là công ty đầu tiên của Trung Quốc phát triển các sản
phẩm vật liệu nano loại smectit. Sản lượng các sản phẩm loại này khoảng

10
5000-8000 tấn/năm, đứng hàng thứ tư trên thế giới, đáp ứng 60% thị trường
Trung Quốc cho các ứng dụng trên lĩnh vực sơn, mực in, dầu mỡ.
Tổng sản lượng hàng năm đối với tất cả các loại sản phẩm bentonit của công ty
là 250.000 tấn. Hiện công ty sản xuất 6 loại mặt hàng với hơn 20 sản phẩm tinh chế
bentonit phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu.
1.1.6.2. Nguồn tài nguyên bentonit ở Việt Nam
a. Trữ lượng quặng bentonit ở Việt Nam
Trữ lượng khoáng bentonit ở Việt Nam đã được xác định. Hiện nay ở nước ta
đã phát hiện được hơn hai chục mỏ và điểm quặng bentonit. Đa phần các mỏ có trữ
lượng lớn đều tập trung ở phía Nam (Lâm Đồng, Bình Thuận, thành phố Hồ Chí
Minh, ). Ở phía Bắc, bentonit tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và
Thanh Hoá. Một số mỏ bentonit lớn ở nước ta đã được thăm dò, khai thác là:
Mỏ bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng đã được thăm dò địa chất và xác

nhận mỏ có trữ lượng khoảng 542.000 tấn, chất lượng bentonit khá tốt, điều kiện địa
chất thuỷ văn, địa chất công trình thuận lợi. Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét bentonit,
với chiều dài thay đổi từ 400 đến 840 m, chiều dày khoảng 1 – 7 m, diện tích phân
bố 2,36 km
2
. Hàm lượng MMT trong sét dao động từ 40 đến 50%. Hệ số độ keo từ
0,29 – 0,42. Dung lượng trao đổi cation khoảng 25,01 – 48,5 mgđl/100g sét khô.
Mỏ bentonit Tuy Phong - Bình Thuận đã được phát hiện tại Nha Mé, Vĩnh
Hảo (huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận), đây là loại bentonit Na, hàm lượng
MMT từ 10÷ 20%, hệ số độ keo từ 0,20÷0,22, dung tích trao đổi cation khoảng
15,62÷19,67 mgđlg/100g.
Mỏ bentonit Cổ Định (Thanh Hoá): nằm trong khu bãi thải của chân Núi
Nưa. Bentonit là sản phẩm thải trong quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit,
hàm lượng MMT nguyên khai dao động khoảng 35 ÷ 43,9%. Dung lượng trao đổi
cation khoảng 40 ÷ 52,9 mgđlg/100 g sét khô.
Tại Cheo Reo, Phú Túc và cao nguyên Vân Hòa đã phát hiện 26 tụ khoáng,
điểm quặng bentonit. Các mỏ bentonit khác nói chung có trữ lượng ít, hàm lượng
thấp và chưa được điều tra, đánh giá đầy đủ [9].

11
b. Dự báo khả năng khai thác quặng bentonit
Giai đoạn đến năm 2015
Duy trì khai thác và chế biến mỏ Cổ Định (Thanh Hoá) với công suất 20.000
tấn/năm.
Đầu tư nhà máy chế biến tại huyện Di Linh (Lâm Đồng), công suất
25.000 ÷ 30.000 tấn/năm, từ nguồn nguyên liệu mỏ Tam Bố.
Đầu tư nhà máy chế biến tại Tuy Phong (Bình Thuận), công suất
30.000 ÷ 35.000 tấn/năm từ nguồn nguyên liệu mỏ Nha Mé. Theo nhu cầu thị trường,
đầu tư cơ sở thứ 2 có công suất 15.000 ÷ 20.000 tấn/năm từ nguồn nguyên liệu mỏ
Lòng Sông.

Giai đoạn 2016 – 2025
Dự kiến nâng công suất nhà máy chế biến bentonit Di Linh (Lâm Đồng) lên
50.000 ÷ 60.000 tấn/năm.
Tuỳ theo nhu cầu thị trường, dự kiến nâng công suất nhà máy chế biến tại
huyện Tuy Phong (Bình Thuận) lên 60.000 ÷ 70.000 tấn/năm và cơ sở sản xuất
Lòng Sông lên 70.000 ÷ 80.000 tấn/năm.
Nâng công suất khai thác và chế biến bentonit tại Cổ Định (Thanh Hóa) lên
50.000 ÷ 60.000 tấn/năm [9].
1.2. Sét hữu cơ
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ
Sét hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác giữa các khoáng có cấu trúc
lớp thuộc nhóm smectit, đặc trưng nhất là bentonit với các hợp chất hữu cơ phân
cực hoặc các cation hữu cơ, nhất là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch
thẳng, mạch nhánh và mạch vòng.
Các nghiên cứu về tương tác giữa các khoáng sét và các hợp chất hữu cơ đã
được thực hiện từ những năm đầu của thế kỉ XX và tăng lên không ngừng về số
lượng và đa dạng về đề tài. Năm 1939, Gieseking nhận thấy xanh metylen có khả
năng thay thế cation giữa các lớp sét. Kết quả này mở ra khả năng sử dụng các ion
amoni (NH
3
R
+
, NH
2
R
2
+
, NHR
3
+

và NR
4
+
) vào cơ chế trao đổi ion trong khoáng sét.

12
Năm 1945, Bradley [15] đã nghiên cứu sự gắn kết giữa MMT và các chất hữu cơ ở
thể lỏng (điamin, polyamin, glycol, polyglycol và polyglycol ete), kết quả cho thấy
sự hấp phụ các chất hữu cơ phân cực như ancol bậc thấp, glycol và amin trên bề mặt
phiến s ự như hấp phụ nước với cùng một mức năng lượng. Vì vậy
các hợp chất hữu cơ phân cực khi tiếp xúc với khoáng sét sẽ dễ dàng đẩy và chiếm
chỗ ớc nằm ở khoảng không gian giữa hai phiến sét. Các phân tử
phân cực liên kết yếu với oxi bề mặt của đỉnh tứ diện SiO
4
nằm trong đơn vị cấu
trúc sét bằng lực Vanđecvan. Do vậy các phân tử hữu cơ phân cực trên bề mặt phiến
sét rất linh động và dễ dàng bị thay thế bằng các phân tử khác. Khác với chất hữu cơ
phân cực, cation hữu cơ thay thế các cation vô cơ nằm ở giữa hai phiến sét và liên
kết chặt chẽ với bề mặt phiến sét. Sự tương tác này được gọi là hấp phụ trao đổi ion.
Nguyên tử nitơ của cation hữu cơ gắn chặt vào bề mặt phiến sét còn đuôi
hiđrocacbon sẽ thay thế vị trí các phân tử nước đã bị hấp phụ từ trước và nằm song
song hoặc vuông góc với bề mặt sét [14].
1.2.2. Cấu trúc 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 [13], [17].

a) b)

13

c) d) e)
Hình 1.2: Sự định hƣớng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
(a) lớp đơn, (b) lớp kép, (c) lớp giả ba phân tử và (d, e) sự sắp xếp kiểu parafin
Năm 1976. Lagaly [17] 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) .

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 hữu cơ là mạch thẳng và có số
nguyên tử cacbon bằng 10 thì giá trị d
001
là 13,6Å, nếu số nguyên tử C từ 12 đến 18
thì giá trị d
001
khoảng 17Å (bảng 1.1).

14
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp
d
001
và diện tích sét bị che phủ
Số nguyên tử

cacbon
d
001

(Å)
Số lớp cation
hữu cơ
Diện tích sét bị che phủ
(nm
2
)
(%)
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
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 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.
1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ
1.2.3.1. Tính hấp phụ

phân tử hữu cơ trong môi trường lỏng hoặc khí. Trong môi trường lỏng khả năng
hấp phụ tăng khi điện tích lớp, khoảng không gian của các lớp, kích thước alkyl
amoni tăng và lượng cation hữu cơ trong sét đạt xấp xỉ mức độ bão hòa với dung
lượng trao đổi cation [9], [11].
1.2.3.2. Tính trương nở