BIẾN TÍNH BENTONIT TRONG môi TRƯỜNG h+ để TĂNG KHẢ NĂNG hấp PHỤ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
BIẾN TÍNH BENTONIT TRONG MÔI TRƯỜNG H
+
ĐỂ
TĂNG KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN TRỌNG TĂNG
Lớp : CDHD10
Khoá : K10
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
BIẾN TÍNH BENTONIT TRONG MÔI TRƯỜNG H
+
ĐỂ
TĂNG KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN TRỌNG TĂNG
Lớp : CDHD10
Khoá : K10
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010
LỜI CẢM ƠN
Nhóm chúng em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô trung tâm hóa và
đặc biệt là gởi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Trọng Tăng, cảm ơn thầy đã tận tình chỉ dẩn
và giúp đỡ nhóm chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài đồ án này.
Mặc dù nhóm chúng em đã cố gắng hết mình để hoàn thành tốt đề tài song trong quá
trình thực hiện không tránh khỏi có thiếu sót về nội dung lẫn hình thức . Kính mong thầy
đóng góp ý kiến để bài đồ án của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm
ơn.
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2009
Giáo viên hướng dẫn
Nguyễn Trọng Tăng
LỜI MỞ ĐẦU
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng đất sét để chế tạo nên những công cụ không
thể không có trong cuộc sống như nồi nấu ăn, chậu hoa, xây dựng nhà cửa … Vì vậy, đất
sét là vậy liệu đầu tiên và gần gũi nhất với con người. Nhưng mãi đến thế kỷ XX, khi có
những thiết bị nghiên cứu hiện đại thì đất sét được nhiều nhà khoa học về địa chất cũng
như hóa học nghiên cứu ngày càng nhiều và ngày càng hiểu rõ về tính chất cũng như cấu
trúc của nó.
Bentonit là một trong những khoáng sét có nhiều ứng dụng nhất trong hầu hết các
ngành công nghiệp và trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Bentonit đã được sử
dụng nhiều trong các ngành hóa học dầu mỏ, thực phẩm, dược phẩm, xây dựng… Ngày
nay, phạm vi sử dụng bentonit càng phát triển và mỏ rộng hơn khi khả năng hấp phụ, trao
đổi ion của nó được biết đến. Bentonit được dung làm chất hấp phụ và trao đổi ion trong
các quá trình xử lý nước, làm chất xúc tác và chất mang xúc tác cho các phản ứng tổng

hợp hữu cơ, trong các quá trình gia công và chế biến dầu mỏ… Khả năng hấp thụ tuyệt
vời của bentonit đã gây ấn tượng mạnh mẽ và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa
học. Nhưng khả năng hấp phụ của bentonit còn kém nên cần phải hoạt hóa để tăng khả
năng hấp phụ của chúng. Trong bài báo cáo này chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về bentonit
và khả năng hấp phụ của nó.
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 1.1.a. Mẫu quặng bentonit nguyên khai
Hình 1.1.b. Mẫu quặng bentonit đã được nghiền phân cấp sơ bộ
Hình 1.2. Công thức khai triển không gian của montmorilonit lý tưởng
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc không gian montrmorilonit
Hình 1.4: Vị trí của các nhóm OH trong mạng lưới cấu trúc của bentonit
Bảng 1: Kết quả phân tích sét bentonit Di Linh
Hình 4.1: Sơ đồ tạo ảnh trong SEM
Hình 4.2. Hình SEM điện tử thứ cấp thật của những tinh thể thạch cao khan
Hình 4.3. Hình SEM điện tử tán xạ ngược: tế bào máu trong nang phổi sấy khô
Hình 4.4. TEM của dung dịch peptide với đường kính khoảng 100nm
Hình 4.5. Phân tích phổ hồng ngoại IR
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BENTONIT
1.1. Giới thiệu về Bentonit
Hình 1.1.
Mẫu
bentonit
(a) Mẫu quặng bentonit nguyên khai
(b) Mẫu quặng bentonit đã được nghiền phân cấp sơ bộ
1.1.1. Thành phần hóa học của Bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, có thành phần chính là montmorilonit. Vì vậy
có thể gọi bentonit theo thành phần chính là montmorilonit. Công thức đơn giản của
montmorilonit Al
2

O
3
.4SiO
2
.nH
2
O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức lý tưởng
của montmorilonit là Si
8
Al
4
O
20
(OH)
4
cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên thành phần của
montmorilonit luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình
của các ion kim loại như Fe
3+
, Fe
2+
, Mn
2+
, … vào vị trí của Si
4+
trong tứ diện SiO
4
và của
Al
3+

trong bát diện AlO
6
.
Như vậy thành phần hóa học montmorilonit, ngoài sự có mặt của Si, Al, O, ta còn
thấy có sự xuất hiện của các nguyên tố khác như: Fe, Mg, Zn, Na, K, Mn, v.v…, trong đó
tỷ lệ Al
2
O
3
: SiO
2
từ 1 : 2 đến 1 : 4.
Ngoài thành phần chính là montmorilonit, trong bentonit thường còn chứa một số
khoáng sét khác như hectorit, saponit và một số khoáng vi sét như canxit, pirit, manhetit,
các muối kiềm và một số chất hữu cơ khác.
1.1.2. Cấu trúc của montmorilonit
Trong công thức lý tưởng của montmorilonit, các nguyên tử Si nằm ở tâm mạng tứ
diện, còn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện (trong trường hợp mạng nhôm
silicat là trung hòa điện). công thức khai triển của montmorilonit được biểu diễn bởi hình
1.2.
Hình 1.2. Công thức khai triển không gian của montmorilonit lý tưởng.
Do montmorilonit có cấu trúc 2:1 dạng điocta nên cấu trúc lớp montmorilonit đã
được hình thành từ hai mạng tứ diện liên kết với một mạng bát diện ở giữa, tạo nên một
lớp nhôm silicat với các khe trống ở giữa. Các cation có khả năng trao đổi bị hydrat hóa
và các phân tử nước bị hấp thụ có thể chiếm chỗ các khe trống giữa các lớp nhôm silicat.
Chiều rộng của khe trống giữa các lớp cấu trúc cơ bản của montmorilonit là 9,6 Å, chiều
rộng đó có thể bị thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng, bản chất, kích thước của
cation trao đổi và lượng chất hấp phụ, thường có thể đến 15 Å. Sơ đồ cấu trúc không gian
mạng lưới trung hòa điện của montmorilonit được trình bày trên hình 1.3. Nếu các ion
Si

4+
trong tứ diện hay ion Al
3+
trong bát diện bị thay thế đồng hình bởi các cation dương
có điện tích thấp hơn thì các phân mạng đó tích điện âm. Mức độ tích điện âm cao hay
thấp tùy thuộc vào số lượng và bản chất của các cation thay thế. Điện tích âm của mạng
sẽ được bù trừ bằng các cation mang điện tích dương Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Fe
2+
, Mn
2+
, v.v… ở
khoảng không gian giữa các lớp. Như vậy khả năng trao đổi cation của montmorilonit là
tương đương với điện tích các lớp. Hình 1.3 sẽ cho thấy cấu trúc lớp của montmorilonit.
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc không gian montrmorilonit.
1.1.3. Các khả năng biến tính của Bentonit
1.1.3.1. Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhôm silicat
Như đã đề cập ở trên, đặc trưng cơ bản của bentonit là trao đổi. Tính chất đó có
được là do sự thay thế đồng hình các ion Si
4+
bằng Al
3+
trong mạng tứ diện và thay thế
Al
3+

bằng Mg
2+
trong mạng lưới bát diện, làm xuất hiện điện tích

âm trong mạng lưới cấu
trúc. Khả năng thay đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số
lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm bề mặt càng lớn, số lượng cation trao đổi
càng lớn thì dung lượng trao đổi của bentonit càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của nhôm silicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán kính
cation trao đổi. Điện tích cation càng thấp thì càng dễ trao đổi hơn cation điện tích cao
Me
+
> Me
2+
> Me
3+
.
Đối với các cation cùng điện tích, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn,
có thể sắp xếp theo trật tự như sau: Li
+
> Na
+
> K
+
> Cu
2+
> Fe
2+
> Al
3+

.
Tuy nhiên, khả năng trao đổi của nhôm silicat chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích
âm bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới. Bentonit có cấu trúc lớp xốp, gồm bề
mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước
tinh thể, phụ thuộc vào sự đứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ
thì khả năng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trong mạng lưới và khả
năng hấp phụ của bentonit. Nó phụ thuộc vào lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Số
lượng cation bù trừ càng lớn thì khả năng trao đổi càng lớn. Dung lượng cation dao động
từ 80 ÷ 150 mgđl/100g. Dung lượng trao đổi cation dao động từ 15 ÷ 40 mgđl/100g.
Ngoài ra, sự trao đổi ion của bentonit còn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử
hydro trong các nhóm hydroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu, đỉnh của các
tứ diện SiO
4
hướng ra phía ngoài của lớp cấu trúc. Ở đỉnh này các nguyên tử của oxi bị
thay thế bởi các nhóm hydroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu
giữa các lớp và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Trong montmorilonit còn có các
nhóm hydroxyl nằm ở đỉnh các bát diện AlO
6
. Trong sáu đỉnh của bát diện có hai đỉnh là
nhóm OH còn bốn đỉnh kia là oxi (hình 1.4)
Hình 1.4: Vị trí của các nhóm OH trong mạng lưới cấu trúc của bentonit
Trong đó nhóm hydroxyl của liên kết Si – OH (hình 1.4.I) không có khả năng trao
đổi hydro, nhóm hydroxyl trong liên kết Al – OH (hình 1.4.II) có tính axit yếu nên khả
năng trao đổi yếu. Nhóm hydroxyl trong liên kết Si – O – Al (hình 1.4.III) có tính trao đổi
mạnh nên có tính quyết định đến dung tích trao đổi cation H
+
.
1.1.3.2. Biến tính làm biến đổi cấu trúc lớp nhôm silicat
Khoáng bentonit tự nhiên chứa nhiều tạp chất như các muối canxit (CaCO

3
), dolomit
(MgCO
3
), một số oxit: Fe
2
O
3
, FeO, TiO
2
, v.v… và các tạp chất khác.
Hoạt hóa bentonit là dùng kiềm hoặc axit hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al
2
O
3
,
Fe
2
O
3
, để tạo trên bề mặt sét những lỗ xốp và trung tâm hoạt động. Việc sử dụng nồng độ
kiềm hoặc axit cao có khả năng hòa tan Al
2
O
3
làm thay đổi cấu trúc bentonit.
1.1.4. Tính chất cấu trúc hấp phụ
Chính vì bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao cho nên nó có cấu trúc xốp
phức tạp và bề mặt riêng lớn.
Cấu trúc lỗ xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các chất, đặc trưng của

nó là tính chất chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đường kính đủ nhỏ so với
lỗ xốp thì mới chui vào được để tham gia vào quá trình hấp phụ. Dựa vào điều này người
ta có thể tiến hành hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất. Đây cũng
là điểm khác biệt giữa bentonit và các chất hấp phụ khác.
Nhờ dư điện tích trên các nguyên tử của các nút mạng tinh thể cho nên bentonit là
một chất hấp phụ phân cực và vì vậy nó sẽ ưu tiên hấp phụ các chất phân cực. Tuy nhiên,
bentonit vẫn có thể hấp phụ các chất không phân cực do lực van der Walls và tương tác
hấp phụ chủ yếu là tương tác cảm ứng. Bề mặt bentonit có diện tích tương đối lớn bao
gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong. Bề mặt trong bao gồm bề mặt của các lớp nhôm silicat
chồng lên nhau và được ngăn cách bằng các cation kim loại đền bù điện tích trên bề mặt
bentonit. Bề mặt ngoài được xác định bởi bề mặt của các mao quản chuyển tiếp. Các mao
quản này được tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonit và có kích thước khoảng 40 ÷
90 Å . Diện tích của bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước các hạt bentonit, hạt càng nhỏ
thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn. Khả năng trao đổi ion lớn cùng với khả năng hấp phụ
tốt mà ta có một loại vật liệu xử lý kim loại nặng rất hiệu quả từ bentonit.
1.1.5. Khả năng hấp phụ ion của Bentonit
1.1.5.1. Cơ chế hấp phụ
Các kim loại có thể được hấp phụ trên bề mặt bentonit hoặc trong các khe giữa các
lớp. Cơ chế hấp phụ có thể bao gồm cả hai cơ chế hấp phụ, hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa
học.
Bentonit có thể hấp phụ kim loại năng theo hai cách khác nhau:
a. Hấp phụ các cation vào khe giữa các lớp
Do bentonit có cấu trúc lớp, lại có thể có sự thay thế các ion Al
3+
và Si
4+
trong mạng
lưới của bentonit bằng các ion có điện tích dương bé hơn làm cho mạng lưới mang điện
tích âm. Đồng thời trên bề mặt của các lớp có thể có tồn tại các nhóm – OH có khả năng
trao đổi ion H

+
đối với các cation có mặt trong dung dịch. Việc hấp phụ các cation vào
trong các khe giữa các lớp phụ thuộc vào kích thước của khe trống, kích thước của các
cation, bản chất của cation.
b. Hấp phụ các ion lên trên bề mặt của các hạt bentonit
Trong trường hợp này, các cation có tham gia hình thành các phức chất cầu nối
thông qua nhóm Si – O và Al – O tại bề mặt của bentonit. Lúc này có thể có cả sự tự trao
đổi ion và hấp phụ bằng lực van der Walls. Vì vậy dung lượng hấp phụ trong trường hợp
này phụ thuộc nhiều vào diện tích bề măt của hạt bentonit.
Cả hai kiểu hấp phụ trên đều được thực hiện trong điều kiện môi trường axit (pH < 4)
- Nhiệt động học của quá trình hấp phụ:
Năng lượng tự do của sự hấp phụ riêng ΔG
0
được tính toán từ biểu thức:
000
STHG ∆−∆=∆
(1.1)
Bởi vì quá trình hấp phụ là tỏa nhiệt nên quá trình hấp phụ xảy ra tốt khi nhiệt độ
thấp. Do ion kim loại được sonvat hóa tốt vì vậy để cho ion kim loại được hấp phụ chúng
phải mất một phần lớp vỏ hydrat hóa của chúng. Quá trình đề hydrat hóa này đòi hỏi năng
lượng. Năng lượng của quá trình đề hydrat hóa được cung cấp bởi sự hấp phụ tỏa nhiệt.
Sự loại bỏ nước khỏi ion là quá trình thu nhiệt, dương như sự thu nhiệt của quá trình đề
solvat hóa vượt quá nhiệt độ do sự hấp phụ phát ra nên giá trị năng lượng tự do ΔG
0
âm,
quá trình hấp phụ là tự diễn biến.
1.1.5.2. Khả năng hấp phụ – Đối tượng bị hấp phụ
Do bentonit là vật liệu xốp có cấu trúc lớp, chúng có các điện tích bù trừ trong mạng
lưới nên có khả năng hấp phụ các ion kim loại. Khả năng hấp phụ của bentonit phụ thuộc
vào điện tích âm bề mặt và lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Bentonit có thể hấp phụ

tốt các kim loại nặng, khả năng hấp thu đối với các ion là khác nhau. Nó phụ thuộc vào
điện tích và bán kính ion. Ion có hóa trị thấp dễ trao đổi hơn các ion hóa trị cao. Ion cùng
hóa trị, bán kính càng nhỏ khả năng trao đổi càng lớn.
1.1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng
a. Ảnh hưởng của pH
pH của dung dịch là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hấp phụ của kim loại
trên bentonit. Sự hấp phụ của kim loại giảm khi pH giảm thấp vì nhóm Si – O
-
và Al – O
-
được nhận nhiều hơn một proton, vì vậy chúng lưu giữ proton kém hơn. Tác động này
mạnh đối với Cu, Pd, Cd và kém rõ rệt đối với những kim loại khác. Nhưng nếu pH cao
quá nó sẽ làm giảm bề mặt tích điện âm trên bentonit, mà sự hấp phụ xảy ra chủ yếu do sự
thu hút ion kim loại của các bề mặt điện tích âm này nhờ lực culong. Khi pH tăng quá cao
(pH > 5) dung lượng điện tích âm trên bề mặt của bentonit giảm đi, dẫn đến khả năng hấp
phụ kém đi. Theo khảo sát pH thích hợp để hấp phụ tốt nhất là 4.
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại, bởi vì quá trình hấp phụ là tỏa
nhiệt nên khi nhiệt độ tăng thì không có lợi cho quá trình hấp phụ, sự hấp phụ thuận lợi
khi nhiệt độ thấp, nhưng các ion kim loại trong dung dịch bị bao phủ bởi các lớp sonvat,
vì vậy để hấp phụ lớp sonvat này phải bị phá vỡ, quá trình phá vỡ này thuận lợi khi nhiệt
độ tăng. Như vậy trong quá trình hấp phụ nhiệt độ có ảnh hưởng trái ngược nhau, tăng
nhiệt độ thì thuận lợi cho sự phá vỡ lớp sonvat bao bọc ion, làm dễ dàng hơn cho sự hấp
phụ ion, nhưng lại không thuận lợi về mặt nhiệt động học của quá trình hấp phụ. Còn nếu
nhiệt độ thấp thì thuận lợi về mặt động học nhưng nếu nhiệt độ quá thấp thì lớp sonvat
bao bọc kim loại không bị phá vỡ nên sự hấp phụ khó xảy ra. Cho nên trong quá trình hấp
phụ nhiệt độ cần phải có một giá trị thích hợp để cho sự hấp phụ xảy ra tốt nhất.
c. Ảnh hưởng của thời gian
Thời gian có ảnh hưởng mạnh đến dung lượng hấp phụ của bentonit. Với nồng độ và
thể tích của ion kim loại, khối lượng của bentonit xác định đến khoảng thời gian nào đó

dung lượng của bentonit không thay đổi. Khi đó ta có hấp dung cực đại, thời gian đó gọi
là thời gian cân bằng hấp phụ được thiết lập, nó phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ,
pH, nồng độ chất điện ly, khối lượng chất hấp phụ, thể tích dung dịch hấp phụ.
d. Ảnh hưởng của kích thước hạt, điều kiện khuấy trộn
Sự hấp phụ tăng với sự tăng diện tích bề mặt, tức là diện tích tiếp xúc giữa ion kim
loại và chất hấp phụ. Vì vậy để cho sự hấp phụ đạt kết quả tốt kích thước hạt phải thật
nhỏ, mịn. Mặt khác, ta biết rằng bentonit là khoáng sét nó có đặc điểm là dẻo và dính nên
trong dung dịch nó thường bám kết với nhau, làm giảm khả năng hấp phụ, vì vậy phải tiến
hành khuấy để chúng phân tán làm cho sự tiếp xúc giữa ion và bentonit tốt nhất.
e. Ảnh hưởng của tỷ lệ R/L
Tỷ lệ khối lượng của chất hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ ảnh hưởng đến
khả năng hấp phụ của ion kim loại trên bentonit với mỗi kim loại có một tỷ lệ xác định và
tối ưu, phụ thuộc vào nồng độ của ion kim loại, bản chất của chất hấp phụ, nhiệt độ, nồng
độ các chất điện ly và thời gian hấp phụ.
f. Ảnh hưởng của các chất điện ly
Ảnh hưởng của chất điện ly đối với sự hấp phụ của bentonit với các ion khác nhau là
khác nhau. Nhưng, nói chung nồng độ các chất điện ly trong dung dịch tăng thì khả năng
hấp phụ bị giảm đi. Do sự tạo phức của các chất điện ly với các ion kim loại, sự thủy
phân, ảnh hưởng đến khuếch tán của các ion kim loại.
1.2. Hoạt hóa bentonit
Bentonit tự nhiên đã là một chất hấp phụ trao đổi, nhưng để nâng cao tính hấp phụ,
tẩy trắng và 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 được gọi là sự hoạt hóa bentonit. Có nhiều phương pháp
hoạt hóa bentonit, áp dụng cho từng loại bentonit và mục đích hoạt hóa, nhưng có 3
phương pháp chính là: hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa bằng nhiệt và hoạt hóa bằng axit vô
cơ.
1.2.1. Hoạt hóa bằng nhiệt
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng
lưới tinh thể của đất sét và đốt cháy các chất bẩn, chất mùn trong đó, đồng thời làm rạn
nứt một phần các tinh thể để tạo thành trong mạng lưới đất sét những khe rãnh làm tăng

bề mặt và tăng độ xốp.
Nước liên kết bắt đầu bị tách ra ở ngay nhiệt độ thấp (gần 110
0
C) và đến khoảng
200
0
C thì có thể tách ra hoàn toàn.
Tuy vậy, khi hoạt hóa bentonit bằng nhiệt, không được nung đến nhiệt độ quá cao vì
ở nhiệt độ cao bentonit sẽ bị giảm khả năng hấp phụ và tẩy trắng. Đối với mỗi loại đất sét
đều có khoảng nhiệt độ thích hợp riêng, thường từ khoảng 110 ÷ 150
0
C.
1.2.2. 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 của xúc tác 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 đặt biệt nào đó người ta sử dụng phương pháp này.
1.2.3. 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
…
Trong những axit đó thì tác dụng của HCl có khả năng hoạt hóa mạnh nhất, vì ngoài
khả năng hòa tan các oxit kim loại nó còn có khả năng hòa tan một phần SiO
2
ở nhiệt độ
cao. Tuy vậy, HCl dễ bay hơi nên gây khó khăn cho thao tác hay điều chỉnh nhiệt độ. Tuy
vậy, lợi dụng chính điểm yếu này người ta sáng chế một dây chuyền hoạt hóa bentonit
bằng HCl, trong đó cho phép thu hồi và tái sử dụng HCl để làm giảm chi phí, tăng hiệu
quả kinh tế. 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, tỷ lệ bentonit trên axit,
nồng độ axit dùng cho hoạt hóa, thời gian hoạt hóa, nhiệt độ hoạt hóa, độ phân tán của
bentonit, v.v… Mỗi yêu cầu đều có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng bentonit hoạt
hóa. Để nghiên cứu ảnh hưởng của một yếu tố nào đó người ta thường dùng phương pháp
cô lập, nghĩa là cố định các yếu tố còn lại. Đối với mỗi loại bentonit và với mỗi mục đích
người ta sẽ tìm thấy một điều kiện thích hợp nhất để hoạt hóa bentonit một cách tối ưu
nhất để cho nó có khả năng hấp phụ tốt nhất.
1.2.4. Phương pháp khác
Hoạt hóa bằng chất hữu cơ: ta biết rằng đất sét thông thường ở điều kiện tự nhiên
hay hoạt hóa bằng chất vô cơ thường hấp phụ chất ô nhiễm vô cơ, nhờ vào khả năng biến
đổi của nó với chất vô cơ. Nhưng ngày nay chất ô nhiễm hữu cơ ngày càng nhiều do sự
phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều ngành công nghiệp, giao thông vận tải,v.v… Vì
vậy, để hấp phụ các chất hữu cơ ta phải tiến hành hoạt hóa đất sét với chất hữu cơ. Chất

hữu cơ ở đây thường dùng là chất hoạt động bề mặt. Khi đất sét được hoạt hóa bằng chất
hữu cơ nó tạo trên bề mặt của đất một lớp bao phủ tối ưu của chất hữu cơ trên bề mặt đất
sét. Vì vậy, nó có khả năng biến đổi với các chất hữu cơ. Với sự hoạt hóa với chất hữu cơ
thích hợp, nó có thể tạo ra một chất hấp phụ đồng thời chất hữu cơ và vô cơ mà không có
sự cạnh tranh, bởi vì chúng được hấp phụ đồng thời lên lớp bề mặt. Kim loại không
những đi vào mạng lưới của bentonit nhờ những khoảng trống chưa bị che lấp bởi những
chất hữu cơ, mà chúng còn tạo liên kết vời những nhóm chức của chất hữu cơ. Tuy nhiên
hạn chế là chất hoạt động bề mặt không có nhiều trong công nghiệp.
1.3. Bentonit ở Việt Nam
Bentonit là một loại khoáng sét quí , có cấu trúc lớp và tương đối xốp. Hầu hết các
sét bentonit Việt Nam giàu nhôm, nên có thể làm phụ gia trong công nghiệp chế biến xà
phòng, bột giặt, giấy, thuốc trừ sâu Một số vùng khoáng sét thuộc loại giàu canxi như
vùng Sông Ba, Di Linh cho một loại sét quí được sử dụng làm chất hấp phụ, xúc tác trong
công nghiệp tẩy màu, tẩy dầu mỡ, công nghiệp thực phẩm, phân bón tổng hợp, tổng hợp
hữu cơ Một số vùng khoáng sét khác giàu magiê như một số lớp ở vùng Di Linh và
vùng đồng bằng sông Cửu Long được sử dụng trong công nghiệp khai thác và chế biến
dầu khí, đặc biệt là thành phần chính dùng pha chế dung dịch khoan nhằm nâng cao khả
năng làm sạch đáy giếng khoan (tăng khả năng tải bùn khoan), tăng tốc độ khoan và tuổi
thọ của mũi khoan (do nâng cao hiệu ứng thủy lực và bôi trơn), ngăn cản sự mất nước khi
khoan qua các lớp đất đá xốp, tạo nên một lớp vỏ sét mỏng và áp lực thủy tĩnh làm giảm
đến mức tối thiểu ảnh hưởng của quá trình khoan đến các thành tạo lỗ khoan, giảm giá
thành giếng khoan.
Một số mỏ bentonit ở Việt Nam:
Hai mỏ bentonit là Hương Hồ và Phú Bài ở tỉnh Thừa Thiên Huế. Bentonit ở đây
thường có màu trắng đục và xanh lục. Thành phần hóa học chính của nó gồm:
Ở Hương Hồ: 26.83% Al
2
O
3
, 2.53% Fe

2
O
3
, 1.1% MgO, 0.42% CaO, 57% SiO
2

Ở Phú Bài: 23.69% Al
2
O
3
, 4.37% Fe
2
O
3
, 1.63% MgO, 1.53% CaO, 59.83% SiO
2
Bentonit ở đây có độ trương nở từ 1.5 – 5 lần, khả năng trao đổi ion tốt và tính hấp phụ
màu cao. Loại bentonit này có thể dùng làm chất hấp phụ cho quá trình lọc. Hiện nay,
bentonit được khai thác từ hai mỏ này dùng trong sản xuất chất giặt rửa.
Ở Cổ Định – Thanh Hoá: khoáng sét này có trữ lượng không cao, có màu vàng sẫm.
Sản phẩm thu được khi khai thác cùng cromit. Thành phần hoá học chủ yếu là bentonit
kiềm thổ, ngoài ra còn lẫn cát và một số caolimit.Trữ lượng hơn một triệu m
3
. Thành phần
hoá học: 49.06% SiO
2
, 5.33% Al
2
O
3

, 25.46 Fe
2
O
3
, 0.32 TiO
2
, 0.32% CaO, 9.66% MgO,
0.21 Na
2
O, 0.21 K
2
O, 0.75%P
2
O
5
. Bentonit này được dung làm dung dịch khoan sâu ở
đồng bằng bắc bộ, sản xuất vật liệu chống thấm cho đập nước và làm vật liệu cho khuôn
đúc.
Mỏ đất sét ở Thăng Bình (huyện Thăng Bình, tỉnh Quang Nam) được tạo thành ở
môi trường biển. Ở đây các tầng khoáng sét có độ dày 3m trải dài 4 – 8 km với chiều rộng
khoảng 100 – 1500m. Đất sét trộn với cát, mức thu hồi đạt 40.5%. Thành phần đất sét
gồm có 40 – 70% montmorilonit, cao lanh và một lượng nhỏ hydromica. Loại đất sét này
có độ trương nở là 1.5 – 4, độ dẻo trung bình 22 – 29, thành phần hỗn hợp: 43.43 –
49.68% SiO
2
, 26.04 – 33.4% Al
2
O
3
, 2.7 – 2.93% Fe

2
O
3
, 0.16 – 1.06% CaO và 0.23 –
1.56% MgO. Đất sét bentonit Thăng Bình có khả năng hấp phụ màu và có thể dùng trong
sản xuất chất giặt rửa
Phía nam Tây Nguyên có các mỏ bentonit ở Tam Bố (huyện Di Linh, tỉnh Lâm
Đồng) có một mỏ đất sét bentonit lớn, chứa montmorilonit, cao lanh và hydromica. Trong
những năm gần đây, mỏ Tam Bố được khai thác 20 – 30 nghìn tấn bentonit thô. Mỏ
khoáng sét bentonit ở vùng Tam Bố, Di Linh có trữ lượng cao, giàu hàm lượng magiê, có
thể dùng làm phụ gia trong dung dịch khoan dầu khí. Tuy nhiên, do mức độ phân tán của
các keo sét bentonit Di Linh trong dung dịch nước thấp, để đáp ứng các yêu cầu của dung
dịch khoan cần phải hoạt hoá để nâng cao hiệu suất dung dịch.
Bảng 1: Kết quả phân tích sét bentonit Di Linh
Thành phần hóa học Bentonit Di Linh (%) Bentonit Hoa Kỳ (%)
SiO
2
53.99 58.6
Al
2
O
3
20.50 19.59
Fe
2
O
3
7.72 3.19
CaO 2.35 0.37
MgO 3.28 2.51

Na
2
O 0.60 1.69
Từ kết quả ở bảng 1, nhận thấy sét bentonit Di Linh thuộc loại bentonit kiềm thổ vì
có hàm lượng CaO và MgO cao và cao hơn hẳn so với bentonit tiêu biểu của Hoa Kỳ
(được dùng làm phụ gia cho công nghiệp dầu mỏ). Tuy nhiên do hàm lượng Fe
2
O
3
cao và
hàm lượng Na
2
O trong sét bentonit Di Linh quá thấp (hầu như các sét bentonit ở nước ta
đều có hàm lượng Na
2
O thấp) nên mức độ phân tán của sét trong nước kém, độ trương
phồng thấp, không đáp ứng đầy đủ các nhu cầu pha chế dung dịch khoan dầu khí. Để có
thể sử dụng sét bentonit Di Linh làm phụ gia pha chế dung dịch khoan cần phải tiến hành
hoạt hoá để chuyển bentonit Di Linh từ dạng kiềm thổ sang dạng bentonit natri nhằm tăng
độ phân tán của sét, tăng độ trương nở
Phía đông nam Tây Nguyên có một mỏ đất sét bentonit ở Nha Me (huyện Tuy
Phong, tỉnh Bình Thuận) với tổng trữ lượng khoảng 5 triệu tấn và đang được khai thác.
Bentonit ở đây là bentonit kiềm có hàm lượng montmorilonit sau khi chế biến là: 56 –
58%, tỉ lệ thu hồi 39 – 42%. Thành phần hóa học sau khi lọc là: 55.22% SiO
2
, 15.6%
Al
2
O
3

, 2% Fe
2
O
3
, 1.7% FeO, 10% CaO, 1.5% MgO, 0.6% K
2
O, 2.45% Na
2
O, 10.85% mất
khi nung. Bentonit Nha Me được khai thác để làm nguyên liệu lọc trong xử lý nước. Các
nghiên cứu cho thấy chất lượng của loại bentonit này tương đương với các sản phẩm nhập
khẩu nên có thể sử dụng làm dung dịch khoan.
Trong những năm gần đây, do các nhà địa chất đã phát hiện được nhiều vùng có trữ
lượng bentonit lớn như Di Linh, Cổ Định, Tuy Phong … và để khắc phục tình trạng phải
nhập bentonit từ nước ngoài, tiết kiệm được ngoại tệ cho quốc gia, nên việc nghiên cứu về
bentonit ở nước ta ngày càng nhiều. Đặc biệt trong lĩnh vực hấp phụ, người ta sử dụng
bentonit rất nhiều trong việc tẩy màu của dầu ăn, hấp phụ các vi khuẩn trong xử lý nước
thải và thậm chí có thể dùng để chế tạo thuốc để hấp phụ chất độc khi con người bị nhiễm
độc ở đường tiêu hoá. Ngoài ra, tính chất xúc tác của bentonit trong các phản ứng tổng
hợp hữu cơ, cracking dầu mỏ cũng rất quan trọng trong việc cải thiện thời gian phản ứng,
và đặc biệt là có thể sử dụng lại sau khi được xử lý một cách đơn giản. Do đó việc ứng
dụng bentonit vào các lĩnh vực trên sẽ tiết kiệm được tiền của cũng như thời gian.

CHƯƠNG 2: TINH CHẾ
2.1. Quy trình sản xuất
Bentonit thường được sử dụng ở dạng quặng thô, cả 2 công đoạn sấy khô và chế
biến bản chất là thay đổi các đặc tính của nó để sử dụng trong các ngành công nghiệp đặc
biệt. Công nghệ chế biến bao gồm việc sấy bentonit cốt để loại bỏ nước và các chất dễ
bay hơi khác sau đó nghiền đạt cỡ hạt chuẩn theo yêu cầu.
Quặng bentonit từ mỏ được vận chuyển về xưởng tuyển và kho dự trữ. Nếu quặng

thô có độ ẩm tương đối cao (30 - 35%), thì nguyên liệu từ kho dự trữ sẽ được làm khô
bằng không khí đến độ ẩm khoảng 16 - 18%. Nguyên liệu bentonit từ kho dự trữ là loại
nguyên liệu được hoà trộn từ các loại bentonit có chất lượng khác nhau tạo thành một sản
phẩm ổn định về chất lượng. Nguyên liệu này sau khi đi qua khâu sàng song và được đập
đến cỡ hạt nhỏ hơn 25mm (Nguyên liệu thô có thể được cho đi qua 1 máy cắt lát mỏng để
làm vỡ các khối lớn trước khi cho vào khâu sấy). Tiếp sau đó, quặng bentonit sau đập
được sấy khô bằng thiết bị sấy tang quay hoặc thiết bị sấy lớp sôi bằng nguyên liệu gas tự
nhiên, dầu hoặc than để làm giảm độ ẩm đến 7 hoặc 8%. Nhiệt độ trong thiết bị sấy
thường khoảng từ 4-500
o
C, ở cửa vào khoảng 800
o
C và ở cửa ra khoảng 1-200
o
C. Bản
thân quặng bentonit thường giữ nhiệt độ thấp hơn 150
o
C.
Sét bentonit sau sấy khô được nghiền và phân loại bằng máy nghiền trục hoặc
nghiền búa hoặc nghiền thành bột trước khi vào khâu phân cấp. Có 1 loại bentonit thu
được sau máy sấy tang quay được chế biến thành sản phẩm bột hoặc hạt nguyên chất dưới
dạng mảnh nhỏ hoặc dạng kết bông. Hầu hết bentonit sau khi nghiền đạt khoảng 90% hạt
mịn hơn 75 μm. Các cấp hạt nhỏ thường được vôi hoá nhẹ để tạo thành các chất có hàm
lượng nước ổn định và loại cấp hạt nhỏ này được tiêu thụ làm chất hút nước (chất hút
ẩm). Tại một số cơ sở sản xuất các sản phẩm bentonit đặc biệt, sản phẩm bentonit sau sấy
khô có thể được phân cấp bằng các máy phân cấp khí nén và trong quá trình chế biến
bentonit, tuỳ từng yêu cầu cụ thể có thể thêm bột sôđa vào để làm tăng tính chất nở xốp
của sét. Việc hoạt hoá bentonit để sử dụng trong các ngành công nghiệp đặc biệt (ví dụ:
Lọc hoá dầu) thường được thực hiện nhờ vào việc xử lý sét bằng axit HCl hoặc axit
H

2
SO
4
.
2.2. Sơ đồ công nghệ đang áp dụng



2.3. Các thiết bị chính được sử dụng
Trong hầu hết các lĩnh vực sử dụng, bentonit được chế biến bằng phương pháp cơ
học, sử dụng các thiết bị đập, nghiền, phân cấp mà không làm thay đổi đặc tính háo học
và khoáng vật của quặng. Tuy nhiên, vì bentonit được sử dụng tương đối rộng rãi nên đôi
khi cần thiết nó được chế biến bằng cả phương pháp cơ học và hoá học, như: sấy, nung
khô, tẩy màu, nhào trộn, đóng bánh, … để làm nguyên liệu sử dụng.
Giai đoạn đập lần thứ nhất thường sử dụng các máy đập hàm để giảm kích thước từ
1m xuống vài cm. Ở giai đoạn đập lần 2 để giảm kích thước vật liệu xuống 3mm hoặc
nhỏ hơn thường dùng các thiết bị như máy rôto, máy đập côn, máy đập trục trơn, máy đập
trục răng và máy nghiền búa. Giai đoạn giảm kích thước vật liệu lần 3 thường sử dụng
thiết bị là máy nghiền bi, máy nghiền thanh hoặc máy nghiền cuội sỏi phối hợp với thiết
bị phân cấp khí nén, phân cấp xiclon, thiết bị phân cấp có 2 hoặc nhiều lớp lưới nghiêng
chuyển động rung bằng cơ khí hoặc điện. Việc sấy khô vật liệu thường sử dụng các thiết
bị như máy sấy tang quay, máy sấy lớp sôi, máy sấy rung.
2.4. Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật đạt được
Các nhà máy tuyển quặng bentonit ở Nawasreh, Jordan có thể thu được các sản
phẩm có các đặc tính kỹ thuật sản phẩm như sau: Trọng lượng riêng: 2,64 - 2,72; diện tích
bề mặt riêng: 112,79 - 468,34 m
2
/g; hàm lượng sét: 64,93%; khả năng hút dầu: 60,7 -
87,2%; khả năng hút nước: 143,5 - 185,5%; mức chống co ngót: 80 - 95%; Na
2

O: 0,13%;
MgO: 3,47%; Al
2
O
3
: 20,08%; K
2
O: 2,45%; SiO
2
: 55,67%; CaO: 2,15%; TiO
2
: 2,54%;
Fe
2
O
3
: 1,47%.
Các nhà máy tuyển quặng bentonit ở Koppies, Nam Phi có thể thu được các sản
phẩm có các đặc tính kỹ thuật sản phẩm như sau: Na
2
O: 2,5%; MgO: 4,0%; Al
2
O
3
: 18,6%;
K
2
O: 0,3%; SiO
2
: 59,1%; CaO: 1,9%; TiO

2
: 0,2%; Fe
2
O
3
: 4,4%.
Các nhà máy tuyển quặng bentonit ở Wyoming, Mỹ có thể thu được các sản phẩm có các
đặc tính kỹ thuật sản phẩm như sau: Na
2
O: 2,5%; MgO: 1,8%; Al
2
O
3
: 17,6%; K
2
O:
0,46%; SiO
2
: 64,7%; CaO: 1,3%; TiO
2
: 0,16%; Fe
2
O
3
: 4,4%; H
2
O: 5,9%.
CHƯƠNG 3: BIẾN TÍNH BENTONIT – H
+
3.1. Biến tính bằng HCl

Lọc lấy phần sét
Quặng Bentoite
Nghiền Mịn
Cho dung dịch HCl có
nồng độ thay đổi vào
bình.
Đun và khuấy ở nhiệt độ,
thời gian xác định.
Rửa sét
Sấy khô
Nghiền mịn
Rây, thu bột Bentonite H
+