XÚC tác KHOÁNG sét CHỐNG và ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
XÚC TÁC KHOÁNG SÉT CHỐNG VÀ ỨNG DỤNG
Giảng viên hướng dẫn: Ths. DIỆP KHANH.
Sinh viên thực hiện:
Lớp: DH11H1 + DH11H2
Khóa: 2011 – 2015
BÀ RỊA - VŨNG TÀU, 2013
Page 1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, ở Việt Nam, ngành dầu khí là một ngành công nghiệp trọng điểm góp
phần rất lớn vào sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Dầu thô và khí tự nhiên đang
được sử dụng cho các dự án lớn như dự án nhà máy lọc dầu Dung Quất, các tổ hợp khí –
điện đạm Cà Mau, Đạm Phú Mỹ, Điện Nhơn Trạch… Để đáp ứng nhu cầu trong nước và
tiến tới xuất khẩu ra nước ngoài chúng ta cần áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật
phát triển vào trong quá trình sản xuất đồng thời nghiên cứu tổng hợp nên các loại xúc tác
nhằm nâng cao phẩm chất sản phẩm, tăng sản lượng để đạt hiệu quả kinh tế cao.
Từ những năm giữa của thế kỷ 20, các sản phẩm xăng đã được tạo ra bởi các quá
trình cracking nhiệt, với nhiệt độ thấp dưới 450 – 500
0
C, các phân tử hydrocacbon mạch
dài trở nên không ổn định và có khả năng phân tách thành các phân tử nhỏ có kích thước
và các loại khác nhau. Năm 1937, Eugene Houdry là người đầu tiên cải tiến quy trình
chuyển hóa dầu mỏ bằng việc sử dụng sét làm xúc tác nhằm tạo ra các sản phẩm xăng có
trị số octan cao.Cho đến nay xúc tác dùng cho các quá trình isome hóa, cracking, alkyl
hóa đã trải qua nhiều thế hệ đồng thể và dị thể khác nhau.Trong đó xúc tác dị thể ngày
càng được quan tâm nhiều hơn vì chúng có nhiều khả năng ưu việt hơn xúc tác đồng
thể.Đặc biệt, sự có mặt của xúc tác zeolit có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong ngành công
nghiệp và đã được đưa vào sử dụng.Trong trường hợp xúc tác lưỡng chức trên cơ sở axit
có một vài xúc tác zeolit đã được thương mại hóa cho hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên do

kích thước mao quản của zeolit nhỏ nên vật liệu này bị hạn chế đối với các phân tử có
kích thước lớn hơn như các polyxyclo ankan, các hydrocacbon đơn, đa nhân thơm là
những hợp phần của phân đoạn nặng trong dầu thô. Do đó xu hướng tìm những hệ xúc tác
có kích thước mao quản lớn hơn để phù hợp cho sự chế biến các phân đoạn nặng và vì
vậy mà vật liệu mao quản trung bình đã ra đời điển hình như M41S, MSU, SBA-15,
SBA-16, MCM-41 rồi tới các superaxit rắn như ZrO
2
/SO
4
2-
, TiO
2
/SO
4
2-
, Fe
2
O
3
/SO
4
2-
hiện
nay cũng đang được các nhà khoa học quan tâm vì khả năng ứng dụng cho nhiều quá
trình isome hóa, ankyl hóa, ete hóa.
Page 2
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới có xu hướng nghiên cứu
các loại xúc tác có nguồn gốc từ sét khoáng vừa giá thành rẻ, mà biến tính của nó có thể
cho hoạt tính xúc tác cao hơn các loại xúc tác trước đây. Chúng là loại xúc tác rắn vừa có
tâm axit Bronsted vừa có tâm axit Lewis, sét được chống bởi các chất vô cơ cũng như hữu

cơ thông qua việc trao đổi ion làm tăng khoảng cách giữa các lớp sét cho phép các phân
tử cồng kềnh đi vào không gian giữa các lớp vì thế sét chống có nhiều ứng dụng trong
môi trường như hấp phụ các kim loại năng như asen, cađimi, crom, coban, đồng, sắt, chì,
mangan rồi làm xúc tác cho quá trình oxy hóa sâu benzene, phenol, aniline ngoài ra nó
còn được sử dụng làm chất mang cho xúc tác của các quá trình như cracking cumen, n-
heptan, alkyl hóa các hydrocacbon thơm, isome hóa các hydrocacbon, n-parafin, este hóa
axit cacboxylic với ancol, phân bố lại toluene, oxi hóa propylene thành axeton…
Với mong muốn được tìm hiểu thêm về lĩnh vực xúc tác nói chung và xúc tác sử
dụng trong ngành lọc hóa dầu nói riêng, nhóm tập trung tìm hiểu, nghiên cứu đặc trưng
của xúc tác khoáng sét chống (pillared clay) được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
với giá thành rẻ hơn các xúc tác đã sử dụng, có khả năng hoạt hóa cao làm giảm sự hình
thành các cốc, chống ngộ độc, tăng hoạt tính và độ chọn lọc của phản ứng.
Page 3
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC
1.1. Xúc tác dị thể
1.1.1.Tổng quan về xúc tác dị thể
Phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng trong đó chất xúc tác và chất phản ứng ở
các pha khác nhau. Thông thường trong phản ứng xúc tác dị thể, xúc tác là pha rắn, còn
chất phản ứng có thể là pha lỏng hoặc pha khí. Ta có thể chia các loại phản ứng xúc tác dị
thể như sau:
- Hệ xúc tác là rắn, chất phản ứng là lỏng – lỏng.
Ví dụ: các phản ứng ankyl hóa, sulfo hóa.
- Hệ xúc tác là rắn, chất phản ứng là khí – lỏng.
Ví dụ: phản ứng hydro hóa benzene xúc tác niken,…
- Hệ xúc tác là rắn, chất phản ứng là khí – khí.
Ví dụ: phản ứng điều chế vinyl clorua (VC) từ khí axetylen (hoặc etylen)
và HCl, xúc tác là HgCl
2

mang trên than hoạt tính.
Phản ứng xúc tác dị thể có những ưu điểm nổi bật hơn so với xúc tác đồng thể, do
vậy trong công nghiệp người ta đã dần thay xúc tác axit – bazơ bằng việc sử dụng xúc tác
rắn, bởi một số lý do sau:
- Công nghệ xúc tác dị thể có thể tiến hành liên tục nên năng suất thiết bị
cao hơn so với phản ứng xúc tác đồng thể.
- Có thể tự động hóa được công nghệ.
- Tách xúc tác và sản phẩm dễ dàng.
- Năng lượng hoạt hóa nhỏ hơn.
- Độ chọn lọc cao, lượng xúc tác ít.
Page 4
- Không gây ô nhiễm môi trường,khả năng tái sử dụng cao.
- Ít gây ăn mòn thiết bị, hệ thống công nghệ,…
Tuy nhiên, so với xúc tác đồng thể, phản ứng xúc tác dị thể có những nhược
điểm sau: hoạt tính không cao do diện tích tiếp xúc hạn chế, khó nghiên cứu vì đây là hiện
tượng bề mặt diễn ra khá phức tạp ở mức độ phân tử.
1.1.2.Thành phần của xúc tác dị thể
1.1.2.1. Pha hoạt động: chức năng là hoạt động hóa học để làm tăng vận tốc phản ứng,
tăng tốc độ chọn lọc của phản ứng, chúng gồm các kim loại, bán dẫn như các oxit hoặc
sulfit,…
1.1.2.2. Pha phụ trợ (chất phụ trợ): là chất mà bản than nó không có tác dụng xúc tác, không làm
tăng nhưng nó làm cho chất xúc tác phát huy tối đa khả năng xúc tác của mình, ta có phụ
trợ hình học và hóa học như các kim loại chuyển tiếp, nhóm III
A
và kim loại kiềm.
1.1.2.3. Pha chất nền (chất mang): có bề mặt riêng lớn, có mao quản, độ xốp, tính bền cơ học
cao, biến dạng pha hoạt động. Các loại: oxit, đất sét, than hoạt tính, zeolite… tính chất
của chất mang:
- Phải có bề mặt riêng lớn để phân tán pha hoạt động.
- Có độ bền nhiệt cao.

- Có độ bền cơ học cao nhất là đối với quá trình cần thực hiện ở chế độ
chuyển động như reforming xúc tác.
- Dễ dàng khuếch tán nhiệt, tránh được hiện tượng nung nóng cục bộ khi
tiến hành phản ứng.
- Có thể làm thay đổi hướng phản ứng.
- Có thể đóng vai trò như là một xúc tác. Ví dụ như xúc tác Pt được mang
trên chất mang γ – Al
2
O
3
(Pt/γ - Al
2
O
3
) trong phản ứng reforming xúc tác.
Trong hệ xúc tác này, Pt đảm nhiệm chức kim loại xúc tác cho phạn ứng
hydro hóa, dehydro hóa, còn γ – Al
2
O
3
đảm nhiệm chức năng axit xúc tác
cho phản ứng đóng vòng, tạo ra cacbocation.
1.1.3. Các phương pháp điều chế xúc tác dị thể
1.1.3.1. Xúc tác không có chất mang
a. Xúc tác kim loại: có hai phương pháp
- Phương pháp khử các oxit kim loại: tác nhân khử H
2
.
- Phương pháp điện hóa.
b. Xúc tác oxit:

- Xúc tác 1 oxit: dùng phương pháp kết tủa.
- Xúc tác là hỗn hợp của 2, 3 oxit (nhiều oxit): dùng phương pháp đồng kết
tủa.
1.1.3.2. Xúc tác có chất mang:
Có 2 phương pháp chính:
Page 5
a. Phương pháp ngấm: có 2 cách
- Ngấm dưới áp suất thường.
- Ngấm dưới áp suất chân không.
b. Phương pháp đồng kết tủa.
Ở đây chỉ là một vài phương pháp chung, và chúng có tính chất lý thuyết
vì khi đi vào thực tế còn rất nhiều thủ thuật khác mới điều chế ra được loại
xúc tác như mong muốn.
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ KHOÁNG SÉT
2.1. Clay (đất sét)
2.1.1. Giới thiệu về clay
Clay là một loại khoáng của đất sét tự nhiên hoặc bentonite tổng hợp bao gồm
những nhóm nhôm, magiê, các ion silic ngậm nước mà có thể chứa Na
+
, Ca
2+
, K
+
và
những ion khác. Thông thường thuật ngữ clay được sử dụng cho các nguyên liệu mà trở
thành plastic khi trộn với một lượng nước. Các nhóm khoáng clay chính bao gồm: cao
lanh, smestit, illit, chlorit và hormit.
Clay đóng vai trò quan trọng trong môi trường: xử lý các cặn thải tự nhiên gây ô
nhiễm do chùng hút các cation và anion khác lên qua sự trao đổi ion hay hấp thụ hoặc cả

hai. Do đó, clay lúc nào cũng có cation và anion có khả năng trao đổi được sắp xếp trên
bề mặt, thường thấy như: Ca
2+
, Mg
2+
, H
+
, K
+
, NH
4
+
, Na
+
và SO
4
2-
, Cl
-
, PO
4
3-
, NO
3
-
.
Clay là nguyên liệu có khả năng hấp phụ tốt do có diện tích bề mặt riêng lớn, có độ
bền hóa học và cơ học, có cấu trúc lớp, năng suất trao đổi cation cao. Trong clays tồn tại
cả tâm axit Bronsted và Lewis làm cho khả năng hấp phụ của sét khoáng tăng lên một
phạm vi lớn hơn. Tâm axit Bronsted xuất hiện do ion H

+
trên bề mặt hình thành bởi sự
phân ly của các phân tử nước, của các cation kim loại có thể trao đổi hydroxit trên bề mặt.
[M(H
2
O)
x
]
n+
[M(OH) (H
2
O)
x-1
]
(n-1)+
+ H
+
Page 6
Tâm axit Lewis phát sinh từ việc lộ ra của các cation hóa trị ba, điển hình là Al
3+
ở
các đỉnh hoặc Al
3+
xuất hiện do sự đứt các liên kết Si – O – Al, hoặc thông qua việc
dehydroxyl hóa của một vài vị trí tâm axit Bronsted.
2.1.2. Phân loại clay
Dựa trên dạng cấu trúc, clays được phân thành 4 loại chính.Đó là vô định
hình, kết tinh, loại hỗn hợp nhiều lớp và loại cấu trúc chuỗi.
2.1.2.1. Vô định hình: Nhóm Allophane (Al
2

O
3
. SiO
2
. nH
2
O).
2.1.2.2. Kết tinh:
a. Loại 2 lớp (một lớp tứ diện silic và một lớp bát diện nhôm):
- Đẳng hướng: Cao lanh (Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O), dickite (Al
2
Si
2
O
5
(OH)
2
), nacrite, kaolinite.
- Hình tròn dài: halloysite (Al
2
Si
2

O
5
(OH)
2
.2H
2
O).
b. Loại 3 lớp (hai lớp tứ diện silica và một lớp bát diện đôi hay ba ở giữa): có 2 loại chính
- Loại trương được: thuộc nhóm smectite bao gồm
• Đẳng hướng: montmorillonite, sauconite, vermiculite.
• Hình thon dài: nontronite, hectorite.
- Loại không trương được: nhóm illite.
2.1.2.3. Loại hỗn hợp nhiều lớp (sự sắp xếp xen kẽ của các lớp khác nhau): chúng ta có
nhóm chlorite.
2.1.2.4. Loại cấu trúc chuỗi: chuỗi silica tứ diện liên kết với nhau bởi những nhóm bát
diện của oxi và hydroxyl chứa Al
3+
và Mg
2+
: chúng ta có nhóm hormite.
2.1.3. Cấu trúc của clay
Clay được cấu tạo từ hai mạng tinh thể cơ bản: mạng tứ diện và mạng bát diện.
Cấu trúc tứ diện thường là cấu trúc của SiO
4
4-
, do thành phần chin của các loại khoáng là
SiO
2
nên ta có tỉ lệ bán kính giữa hai ion O
2-

và ion Si
4+
là 0,3, điều này có nghĩa là ion
Si
4+
đi vào lỗ trống tứ diện mà các nút mạng cơ sở là các ion O
2-
.
Page 7
Hình 2.1: Cấu trúc tứ diện của SiO
4
4+
Cấu trúc thứ hai là cấu trúc bát diện, ion trung tâm thường là Al
3+
, Fe
2+
, Mg
2+
,… Ở
đây ta xét đại diện Al
3+
, tỉ lệ bán kính với anion O
2-
là 0, 41. Với tỉ lệ này Al
3+
nằm giữa
hai lỗ trống tứ diện và bát diện, tùy theo số phối trí là bốn hoặc là sáu. Nhưng trong clay
thì số phối trí bền của Al
3+
là sáu.

Hình 2.2: Cấu trúc bát diện
2.1.4. Biến tính clay
2.1.4.1. Sự xen vào và sự chống đỡ
Sự xen vào là chèn một loại chất trong lớp giữa của sét khoáng song vẫn bảo toàn
cấu trúc. Nguyên liệu thu được gọi là đất sét biến tính.
Sự chống của sét khoáng được biết tới bởi rất nhiều chất, hợp chất vô cơ cũng như
hữu cơ.Trong sét chống, chiều dày của hai lớp silic khoảng 1nm nay được tách ra bởi các
oxit ceramic với khoảng cách từ nanomet cho tới những kích thước nhỏ hơn nanomet.
Quá trình chống được biết là cách làm tăng khả năng tiếp cận của các lớp đất sét nhưng
có quan điểm đan xen lại cho rằng những hạt oxit ổn định làm giãn khoảng cách giữa các
lớp sét ra vài nanomet lại ngăn ngừa việc kết lại của các lớp nhờ lực tương tác. Các nhóm
Page 8
bề mặt tiếp xúc nhờ những oxit siêu phân tán này có thể đóng vai trò quan trọng trong
việc xác định sự triển vọng về tính chất xúc tác và hấp phụ của các sét chống.
Sét chống với các oxit kim loại là rất quan trọng bởi vì chúng có độ bền nhiệt cao,
diện tích bề mặt lớn và bản chất hoạt tính xúc tác cao.Những nguyên liệu này thường
được chuẩn bị bằng cách trao đổi ion của các cation trong khu vực lớp giữa của đất sét
trương nở với các ion alkylammonium, các ion phức đa nhân mang các phối tử vô cơ, các
ion phức kim loại lớn mang các cấu tử vô cơ,… Các dạng xen vào có khả năng ngăn ngừa
sự sụp đổ của các không gian lớp giữa. Ở nhiệt độ cao, các dạng chất vô cơ xen vào được
chuyển hóa từ các cụm oxit kim loại, tạo ra cấu trúc vi mao quản ổn định với diện tích bề
mặt lớn.
Burch và Warburton đã giới thiệu dạng tetra – Zr từ dung dịch zirconi clorit tinh
khiết vào trong montmorillonite. Bên cạnh đó, Ohtsuke et al đã chỉ ra rằng các loại zirconi
tồn tại một số dạng ion đa nhân trong dung dịch zirconi oxyclorit và việc chống sét có thể
cho 3 dạng đất sét vi mao quản với không gian lớp giữa lần lượt là 7 A
0
, 12 A
0
và 14 A

0
.
Các dạng chính trong các dung dịch zirconi oxyclorit ở nhiệt độ phòng đã được chỉ ra như
zirconi tetra [Zr
4
(OH)
8+x
(H
2
O)
16-x
]
(8-x)+
, làm cho hợp chất xen vào trong không gian lớp
giữa của sét tạo khoảng cách chống là 7 A
0
. Sau sự polyme hóa hydrolytic của zirconi
tetra trong dung dịch, các dạng zirconi polyme nào tốt thường được có thể cung cấp các
hợp chất xen vào với không gian lớp giữa đất sét tạo khoảng cách chống là 12 A
0
và 14
A
0
.
Sét chống được phân biệt so với sét xen kẽ thông thường ở chỗ các mao quản của
sét chống có cấu trúc nội tinh thể, tạo điều kiện cho quá trình phân tách ngang của các
phân tử ngoại lai xen vào giữa các lớp sét.
2.1.4.2. Hoạt hóa axit
Việc xử lý sét khoáng với các axit vô cơ có nồng độ khá cao và thường ở nhiệt độ
cao được biết đến là sự hoạt hóa axit. Việc xử lý axit của sét khoáng là sự điều chỉnh quan

trọng lên việc hình thành và phong hóa khoáng sản. Việc xử lý đó thường có thề thay thế
các cation có khả năng trao đổi với các ion H
+
, Al
3+
cà các cation khác thoát ra khỏi cả các
vị trí ở tứ diện và bát diện, để lại phần lớn nhóm SiO
4
nguyên vẹn. Quá trình này thường
làm tăng diện tích bề mặt và tính axit của khoáng sét, cùng với sự loại bỏ một vài tạp chất
Page 9
khoáng và sự hòa tan không hoàn toàn của các lớp ngoài. Sự thay đổi diện tích bề mặt và
cấu trúc của đất sét do hoạt hóa axit phụ thuộc vào đặc điểm của sét khoáng, phụ thuộc
toàn bộ thành phần hóa học của các loại sét khoáng, dạng của các cation giữa các lớp, các
dạng axit, nhiệt độ quá trình, thời gian hóa trình, và với các yếu tố môi trường khác.
2.1.4.3. Một số cấu trúc của clay hữu cơ
Sự thay thế của cation vô cơ bằng cation hữu cơ trên bề mặt giữa các lớp của các
clay như smectite hay montmorillonite sẽ làm giãn rộng khoảng cách giữa các lớp.Tùy
thuộc vào mật độ điện tích của clay và chất hoạt tính bề mặt cation mà sự sắp xếp của
chúng là khác nhau. Nhìn chung chiều dài của chất hoạt tính bề mặt dài hơn và mật độ
điện tích của clay cao hơn thì những lớp clay sẽ bị ép lại. Điều này làm tăng diện tích bị
chiếm bởi những chất hoạt tính bề mặt. Một số cấu trúc của clay hữu cơ: monolayer,
bilayer, pseudo-trilayer, hoặc cấu trúc parafin nằm nghiêng.
Hình 2.3: Các cấu trúc của clay hữu cơ khác nhau.
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại clay có nhiều ứng dụng cho hóa học nói chung
và ngành lọc hóa dầu nói riêng, đó là montmorillonite hay còn gọi là sét trắng. Nó được
biến tính để làm xúc tác cho một số quá trình, trong đó có isome hóa C5/C6.
2.2. Montmorillonite (sét trắng)
Nanoclay còn được gọi là nano sét khoáng được cấu tạo từ các lớp mỏng, mỗi lớp
có chiều dày từ một đến vài nanomet, chiều dài từ vài trăm tới vài nghìn nanomet.

Page 10
Montmorillonite là loại nanoclay đầu tiên được tìm thấy trên thế giới ở Montmorillon,
Pháp năm 1874. Nó thuộc nhóm smectite, cùng với các loại khoáng khác như cao lanh,
palygorskit, sepiolit,… là những loại khoáng quan trọng trong công nghiệp. Khoáng
smectite thường được gọi bằng cái tên betonite, đây là tên một loại sét chủ yếu chứa các
loại khoáng này. Smectite là họ các khoáng trong đó bao gồm 2 loại quan trọng nhất là:
• Natri montmorillonite.
• Canxi montmorillonite.
2.2.1. Cấu trúc
Cấu trúc của montmorillonite được đưa ra bởi Marshall. Montmorillonite gồm ác
đơn vị được tạo thành bời 2 tấm tứ diện silic và một tấm bát diện trung tâm là nhôm. Tấm
tứ diện và bát diện nối với nhau theo cách các đỉnh của tứ diện của tấm silica và một
trong các lớp hydroxyl của tấm bát diện tạo thành một lớp chung. Các nguyên tử của lớp
này sẽ chung cho cả 2 tấm, trở thành oxi thay thế cho hydroxyl. Do đó, nó được đề cập
đến như là một loại khoáng sét có ba lớp với các lớp T – O – T làm nên cấu trúc đơn vị.
Hình 2.4: Cấu trúc montmorillonite
Công thức của montmorillonite là: (Si
7,8
Al
0,2
)
IV
(Al
3,4
Mg
0,6
)
VI
O
20

(OH)
4
và thành phần lý
thuyết không có nguyên liệu là: SiO
2
66,7%, Al
2
O
3
28,3%, H
2
O 5%.
2.2.2. Các thông số vật lý
Page 11
- Khối lượng phân tử (g/mol): 540,6
- Tỷ trọng trung bình (g/cm
3
): 2,35
- Hệ tinh thể monoclinic.
- Diện tích bề mặt (m
2
/g): 61,9 ± 3,1
- Diện tích bề mặt BET (m
2
/g): 35,1
- Thể tích lỗ xốp (cm
3
/g): 0,12 ± 0,006
- Độ cứng Mohs ở 20
0

C: 1,5 – 2,0
- Màu sắc trắng, vàng.
- Đặc tính: tinh thể trương lên nhiều lần khi hấp thụ nước.
- Khả năng trao đổi cation (CEC): 110 (meq/ 100g)
- Chiều dài hạt: 100 – 150 (nm)
- Công thức hóa học: M
x
(Al
4-x
Mg
x
)Si
8
O
20
(OH)
4
với x là mức thay thế đồng
hình từ 0,5 - 1,3.
2.2.3. Tính chất đặc trưng của montmorillonite
• Khả năng chịu bức xạ hạt nhân: Khi chiếu xạ trung tâm hoạt động A (Si – O) và B
( Al – O – Al) xuất hiện ở khoáng montmorillonite thấp hơn ở các khoáng sét khác.
Sự xuất hiện các tâm hoạt động làm khoáng có bề mặt riêng tăng và thay đổi tính
tan.
• Kích thước hạt: Kích thước hạt của đất sét phụ thuộc vào điều kiện sấy, được xác
định bằng phương pháp BET thông qua hấp thụ khí N
2
hoặc tán xạ laser trong môi
trường chân không. Kích thước hạt quyết định diện tích bề mặt riêng của đất sét,
quan trọng hơn là khả năng trao đổi ion.

• Đất sét vừa thể hiện tính axit Bronsted lẫn axit Lewis. Tính axit Bronsted do các
nhóm –OH ở bề mặt gây nên. Tính axit Lewis do ion Al
3+
gây nên. Độ bền nhóm
cho tính axit Bronsted phụ thuộc vào thành phần sét. Tính axit ở bề mặt giảm khi
lượng nước tự do có trong sét cao.
• Khả năng tạo cấu trúc xốp rỗng 3 chiều. Cấu trúc này mang đặc tính như zeolite.
Quá trình thực hiện biến đổi cấu trúc khoáng sét sang cấu trúc rỗng xốp được ứng
dụng rộng rãi do có cấu trúc 2:1, mật độ điện tương đối thấp, có cation trao đổi ban
đầu có điện tích lớn.
• Khả năng hấp thụ: nhờ có các nhóm chức ở bờ và bề mặt phân bố đều, nên nó có
khả năng hấp phụ được nhiều chất hữu cơ: họ xeton, kim loại nặng,…
• Khả năng xúc tác do nó có thể trao đổi các cation khác nhau tạo thành chất xúc tác
cho nhiều quá trình.
• Các hiện tượng vật lý với nước:
- Sự rã: là hiện tượng đất sét bị mềm ra và cuối cùng tạo thành khối mềm
nhão. Hiện tượng này tạo ra đất sét ở dạng hồ, để rã tốt người ta dùng
Page 12
nước có khuấy trộn. Sự rã thường kèm theo sự tăng thể tích và nhiệt độ
khối vật liệu.
- Sự trương: là hiện tượng tăng thể tích khi đất sét ngâm trong nước.
Nguyên nhân là do sự hấp thụ nước vào tạo mạng tinh thể, đặc biệt là đối
với mạng tinh thể của khoáng montmorillonite có khả năng trương được.
- Nhiệt ẩm: là hiện tướng phát sinh nhiệt khi sét trộn với nước hay các dung
môi hữu cơ.
Ứng dụng của ba hiện tượng rã, trương, và sinh nhiệt ẩm là:
- Tác dụng tẩy: làm giảm sức căng bề mặt của nước. Ứng dụng của tính chất
này là tạo thành hỗn hợp của đất sét với xà phòng, có cùng tác dụng tẩy
rửa như xà phòng, thêm đất sét vào để hạ giá thành.
- Tác dụng chuyển sang thể nhũ tương: đất sét có hoạt tính chuyển thành thể

nhũ tương rất mạnh, nghĩa là hỗn hợp dầu và nước sẽ nhanh chóng tách
pha và duy trì thể nhũ tương khi cho 1% đất sét vào.
CHƯƠNG 3
SÉT CHỐNG VÀ ỨNG DỤNG
3.1. Sét chống
Ngày nay xu hướng nghiên cứu tìm ra xúc tác mới trong công nghiệp là
phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Giá thành rẻ.
- Có hoạt tính xúc tác cao, ổn định.
- Có độ chọn lọc cao.
- Thời gian sống của xúc tác phải dài.
- Có độ bền nhiệt, bền hóa học, cơ học cao.
- Xúc tác phải dễ điều chế và có khả năng tái sinh.
- Xúc tác phải ít độc với người.
Theo như các yêu cầu ở trên thì sét khoáng hoàn toàn đủ khả năng để
làm xúc tác trong công nghiệp do giá thành rẻ tuy có vài chi phí phát sinh
như để hoạt hóa axit thì giá thành nó vẫn rẻ hơn nhiều zeolite, nó có môi
trường tương thích, độ chọn lọc cao, có thể tái sử dụng, hoạt động đơn
giản. Tuy nhiên, nó vẫn còn một số những nhược điểm như tổng thể tích lỗ
xốp của Na – montmorillonite là nhỏ chỉ khoảng 0,12 ± 0,006 cm
3
/g và để
cải thiện, ổn định các lỗ xốp của sét khoáng lá ta chống. Sét chống tăng
diện tích bề mặt, thể tích lỗ xốp, tăng độ bền khung của sét, bền nhiệt (tùy
Page 13
thuộc vào chất chống), cải thiện được hoạt tính xúc tác để tăng khả năng
hấp phụ và xúc tác của chúng, giúp các phân tử ngoại lai dễ thâm nhập vào
trong các lớp của sét hơn, nhất là đối với phản ứng isome hóa thì chúng ta
lại càng cần phải chống vì phản ứng isome hóa là phản ứng mà tạo ra các
phân tử mạch nhánh nên để thực hiện được phản ứng và cho các phân tử 1

Hình 3.1: Sự xâm nhập của các phân tử ngoại lai vào giữa hai lớp sét.
3.2. Ứng dụng
3.2.1 Trong lĩnh vực môi trường
Sét khoáng và biến tính của chúng là chất hấp phụ tốt các kim loại nặng như
As,Cd,Cr, Co, Fe, Pb, Mn, Ni, Zn ở dạng ion ra khỏi nước trung tính do có tồn tại các tâm
hoạt động bề mặt như tâm axit Bronsted, axit Lewis và tâm trao đổi ion.
Xúc tác khoáng sét này còn có khả năng oxi hóa benzen để làm giảm sự bay hơi
của chúng. Người ta dùng Al chống sét tẩm Pd (kim loại quý), sét chống có diện tích bề
mặt lớn dễ phân tán kim loại quý. Chúng được ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng oxi
hóa sâu benzen ở nồng độ thấp (130 – 160 ppm) với nhiệt độ 250
0
C, hoạt tính xúc tác cao,
độ chuyển hóa benzen là 90%.
Page 14
Trong vấn đề xử lý nước thải sinh hoạt, xúc tác đất Fenton phenol bằng H
2
O
2
.
Người ta sử dụng Fe – Al, Fe – Zr chống sét nhằm giảm lượng Fe có trong nước thải và
điều kiện axit bé hơn so với xúc tác đồng thể trong phản ứng Fenton. Ngoài ra người ta đã
tìm ra xúc tác Al và Al – Ce – Fe chống sét là chất xúc tác hiệu quả trong việc tăng năng
suất oxi hóa.
3.2.2. Trong lĩnh vực hóa học - hóa dầu.
Montmorillonite có cấu trúc 2: 1 (hai lớp tứ diện silic lien kết với một lớp bát diện
nhôm) rất dễ dàng hình thành với các polyme hydroxi kim loại hay hỗn hợp kim loại để
tạo thành sét chống. Đó là một loại vật liệu vi xốp, có tính axit như sét và tính xúc tác
axit. Về mặt lý thuyết, khoảng cách lớn giữa các lớp sét thu được bằng cách chống bằng
các polymer hydroxit caion cho phép các phân tử cồng kềnh đi vào trong không gian giữa
các lớp vì thế sét chống có giá trị sử dụng trong lọc hóa dầu để xử lý các phần dầu nặng.

Song cho đến nay, hướng sử dụng này còn bị hạn chế do đô bền nhiệt của dét chống
không cao lắm. Các kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây cho thấy sự chuyển hóa
hữu cơ xảy ra trong không gian giữa các lớp sét tự nhiên rất phong phú. Nguới ta thấy
rằng sét chống có khả năng xúc tác cho cracking cumen, n- heptan, ankyl hóa
hydrocacbon thơm, đồng phân hóa các hydrocacbon n-parafin, este hóa cacboxylic với
ancol, phân bố lại toluene, oxi hóa propylene thành axeton. Và monmorillonite đã được
nghiên cứu chổng bởi các polymer hydroxit kim loại như Al-Fe, Al-Fe-Cr và Al-Cr nhằm
sử dụng làm xúc tác cho phản ứng chuyển hóa toluene.
KẾT LUẬN
Với mục đích nghiên cứu, tìm hiểu về loại xúc tác mới, xúc tác khoáng sét chống,
nhóm đã thấy được những ưu điểm nổi bật của loại xúc tác này so với một số loại xúc tác
khác. Xúc tác khoáng sét chống, một loại xúc tác đáp ứng được các yêu cầu của một loại
xúc tác dùng trong công nghiệp, chính vì thế nó có khả năng thay thế cho các loại xúc tác
khác có mà nó có ưu điểm vượt trội hơn. Đặc biệt, nó có thể xúc tác cho nhiều phản ứng
trong lĩnh vực hóa học – hóa dầu, đáp ứng được yêu cầu tìm ra xúc tác mới ứng dụng vào
trong những lĩnh vực phát triển của đất nước. Và xúc tác khoáng sét chống với những đặc
tính vượt trội của nó hứa hẹn sẽ mang đến những thành công mới, góp phần vào sự phát
Page 15
triển của lĩnh vực công nghiệp nói riêng cũng như góp phần vào sự phát triển chung của
đất nước.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tham khảo từ tài liệu: “ Đồ án nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng xúc tác Pt-
montmorillonite” của Vũ Thị Huỳnh Trang – sinh viên trường Đại học Mỏ - Địa chất.
Page 16