nghiên cứu về bentonit và điều chế sét hữu cơ từ bentonit ở việt nam

MỤC LỤC
...............................................................................................................................................................3
PHẦN I : MỞ ĐẦU..................................................................................................................................3
PHẦN II – NỘI DUNG.............................................................................................................................4
1.1. Giới thiệu về bentonit.....................................................................................................................5
1.1.1. Cấu trúc của bentonit..................................................................................................................5
1.1.2. Tính chất của bentonit.................................................................................................................6
1.1.2.1. Tính chất trao đổi ion................................................................................................................6
1.1.2.2. Tính chất trương nở..................................................................................................................8
1.1.2.3. Tính hấp phụ.............................................................................................................................8
1.1.2.4. Tính kết dính.............................................................................................................................9
1.1.2.5. Tính trơ.....................................................................................................................................9
1.1.2.6. Tính nhớt và dẻo.......................................................................................................................9
1.1.3. Ứng dụng của bentonit..............................................................................................................10
1.1.3.1. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ...........................................................10
1.1.3.2. Làm vật liệu hấp phụ...............................................................................................................10
1.1.3.3. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit................................................................11
1.1.3.4. Dùng trong một số lĩnh vực khác............................................................................................12
1.1.4.Làm giàu, làm sạch bentonit:......................................................................................................12
Các mỏ bentonit kiềm trên thế giới thường có hàm lượng MMT cao, nên các công trình nghiên cứu
về làm giàu, làm sạch bentonit kiềm để nâng cao hàm lượng MMT-Na của các tác giả trên thế giới
không nhiều. Đối với những mỏ bentonit kiềm có hàm lượng MMT cao như bentonit kiềm Wyoming
(Mỹ) người ta có thể trực tiếp sử dụng mà không cần qua giai đoạn làm giàu, hoặc biến tính nó để
thu được sản phẩm cho những mục đích khác nhau...........................................................................12
Tuy nhiên đối với loại quặng bentonit có hàm lượng MMT thấp - như bentonit Tuy Phong, Bình
Thuận của Việt Nam, người ta phải sử dụng phương pháp tuyển trọng lực hoặc phương pháp ướt.
Theo phương pháp này, bentonit được pha với nước theo một tỷ lệ thích hợp. Sử dụng chất phân tán
Na(PO3)6 để làm lắng các khoáng phi sét theo nhiều giai đoạn, sau đó huyền phù mịn được lọc, sấy
khô và nghiền mịn để thu sản phẩm. Một số tác giả khác sử dụng phương pháp tuyển thủy xyclon, xử
lý nhiệt và hóa học để nâng cao hàm lượng MMT trong bentonit. Trên thế giới số lượng khoáng
bentonit kiềm thổ (chứa các cation Ca+2, Mg+2, …) với hàm lượng MMT cao tương đối nhiều, nhưng

Page 1


dạng bentonit kiềm lại mang lại nhiều ứng dụng hơn trong nhiều lĩnh vực, vì vậy đã có rất nhiều
nghiên cứu để chuyển hóa bentonit kiềm thổ về dạng bentonit kiềm. Những nghiên cứu này đã có từ
trước những năm 1950 tại nhiều nước như Mỹ, Liên Xô cũ, ... Ngày nay công nghệ chuyển hóa
bentonit kiềm thổ sang dạng bentonit kiềm đã được đưa vào nhiều nhà máy vận hành và sản xuất ra
hàng trăm nghìn tấn sản phẩm cho những lĩnh vực khác nhau, như ở Hàn Quốc mỗi năm sản xuất
hơn 800 nghìn tấn sản phẩm bentonit hoạt hóa cho những mục đích khác nhau. Phương pháp hoạt
hóa để chuyển bentonit kiềm thổ về dạng bentonit kiềm như sau: quặng bentonit kiềm thổ được
phân cấp, đập, nghiền đến cỡ hạt thích hợp. Sau đó quặng được trộn đều với tác nhân hoạt hóa (là
các muối của natri như Na2CO3, NaCl, ...) theo một tỷ lệ thích hợp và nung hỗn hợp trong lò quay với
nhiệt độ trong khoảng 300÷500oC, sản phẩm hoạt hóa sau đấy được đóng bao và đưa đi sử dụng.
Một điều đáng lưu ý ở đây là quặng bentonit kiềm thổ trên thế giới thường có hàm lượng MMT cao
nên quặng được đưa vào hoạt hóa ngay mà không qua giai đoạn làm giàu, còn đối với quặng
bentonit kiềm thổ Di Linh-Lâm Đồng của chúng ta, do hàm lượng MMT không cao (khoảng 30÷40%)
nên để sử dụng cho một số mục đích chế tạo vật liệu sét hữu cơ thì trước khi hoạt hóa nên làm giàu
quặng để nâng hàm lượng MMT..........................................................................................................13
1.2 . Mục đích và nội dung nghiên cứu của luận văn...........................................................................13
1.2.1. Mục đích :..................................................................................................................................13
1.2.2. Nội dung nghiên cứu :................................................................................................................14
CHƯƠNG II : KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM................................................................................................15
2.1. Điều chế phụ gia...........................................................................................................................15
2.1.1. Xử lý sét thô:..............................................................................................................................15
2.1.2.Biến tính Bent :...........................................................................................................................15
2.1.3.Tạo màng:...................................................................................................................................17
3.1. Tổng hợp Bent-CTAB và xác định điều kiện biến tính khoáng sét..................................................18
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CTAB đến khoảng cách không gian cơ sở của sét..........................18
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ huyền phù..........................................................................................19
3.2. Hiệu quả của PVA/Clay..................................................................................................................20

3.2.1. Khả năng tác nước của một số màng PVA..................................................................................20

KẾT QUẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH
Bảng 3.1 : Các giá trị khoảng cách giữa hai lớp sét khi tăng hàm lượng
CTAB…………………………………………………..26
Page 2


Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ huyền phù đến giá trị d001 và hàm
lượng cation cetyl trimetyl amoni trong sản phẩm
…………………………………………………..…28
Hình 1.1. Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorilonit..4

PHẦN I : MỞ ĐẦU
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, thuộc nhóm smectit gồm montmorilonit và
một số khoáng khác. Bentonit có các tính chất đặc trưng là trương nở, kết dính, hấp
Page 3


phụ, trơ, nhớt và dẻo . Do những tính chất này mà bentonit được ứng dụng từ xa xưa
như làm đồ gia dụng (bát đĩa, nồi, chum, vại…) và ngày nay được sử dụng làm chất
xúc tác , chất tạo huyền phù trong sơn, thuốc nhuộm, phẩm màu, làm chất hấp phụ
trong xử lý nước thải , khử giấy, mực, làm chất đầu chế tạo nanocompozit…
Sét hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác giữa sét bentonit và các hợp chất
hữu cơ phân cực hoặc các cation hữu cơ, hoặc là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4
có mạch thẳng, nhánh và vòng . Sét hữu cơ có tính chất đặc biệt như ưa hữu cơ, nhớt,
hấp phụ. Do có những tính chất trên mà sét hữu cơ được ứng dụng làm chất chống sa

lắng trong sơn, dầu nhờn, mực in...và nó còn có thể nghiên cứu tạo màng tách nước
khỏi ancol. Có nhiều cách khác nhau để tách nước khỏi ancol nhưng trong trường hợp
này chúng ta sẽ dùng sét hữu cơ tạo màng để định hướng cho quá trình tách nước khỏi
ancol.
Để đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu về bentonit và điều chế sét hữu
cơ từ bentonit ở Việt Nam, trong báo cáo này chúng tôi trình bày những kết quả khảo
sát quá trình chế biến sét hữu cơ , sau đó tiến hành xác định cấu trúc và tính chất của
sản phẩm sét hữu cơ điều chế được để tạo màng PVA/Clay định hướng cho quá trình
tách nước khỏi ancol .

PHẦN II – NỘI DUNG
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
Page 4


1.1. Giới thiệu về bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên thành phần chính là montmorilonit (MMT) vì
vậy nó còn có tên là MMT. Công thức đơn giản nhất của MMT là Al 2O3.4SiO2.nH2O
ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lí tưởng, công thức của MMT là
Si8Al4O20(OH)4 ứng với 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 của ion kim loại
Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+… với ion Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6.
Như vậy thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy các
nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó tỷ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1: 2 đến 1: 4 .
Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonit còn chứa một số khoáng sét
khác như hectorit, saponit, beidelit, nontronit,… và một số khoáng phi sét như canxit,
pirit, manhetit, một số muối kim loại kiềm khác và hợp chất hữu cơ.
1.1.1. Cấu trúc của bentonit
Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorilonit được trình bày trên hình 1.1.

Hình 1.1. Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorilonit
Trong trường hợp lý tưởng, các nguyên tử Si nằm ở tâm của các tứ diện, còn các
nguyên tử Al nằm ở tâm các bát diện của MMT. Do MMT có cấu trúc 2:1 dạng diocta
nên cấu trúc lớp của MMT đã được hình thành từ hai lá tứ diện liên kết với một lá bát
diện ở giữa tạo nên một lớp aluminosilicat. Giữa các lớp aluminosilicat là các cation
có khả năng trao đổi bị hydrat hóa. Khoảng cách giữa các lớp trong cấu trúc cơ bản
Page 5


của MMT là 9,6Å, khoảng cách này bị thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng,
bản chất các cation trao đổi và lượng nước bị hấp phụ, thường có thể đến 15Å.
Sơ đồ cấu trúc không gian mạng lưới của MMT ở hình 1.1 là cấu trúc trung hòa
điện. Nếu Si4+ ở tâm tứ diện hay Al 3+ ở tâm bát diện bị thay thế đồng hình bởi các
cation dương có điện tích nhỏ hơn thì các mạng lưới đó tích điện âm. Điện tích âm của
mạng lưới sẽ được bù trừ bằng các cation mang điện tích dương như Na +, K+, Ca2+,
Fe2+, Mg2+... ở khoảng không gian giữa các lớp. Các cation này có khả năng trao đổi
với các cation kim loại hoặc cation hữu cơ khác. Như vậy dung lượng trao đổi cation
của MMT tương đương với điện tích của các lớp.
1.1.2. Tính chất của bentonit
1.1.2.1. Tính chất trao đổi ion
Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do trên bề mặt của các lớp
sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp phụ và trao đổi
cation. Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế đồng hình của các cation. Ví
dụ như khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al 3+ hoặc Fe3+, hoặc Al3+ trong mạng
bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+..., thì sự thay thế các ion điện tích cao
này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu
trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.
Đối với bentonit, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa
hai lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét là liên kết
yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao 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 càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi
càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán
kính ion của cation trao đổi. Cation có điện tích thấp dễ trao đổi hơn cation có điện
tích cao:
Me+ > Me2+ > Me3+

Page 6


Đối với cation cùng điện tích, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng
lớn, có thể sắp xếp theo trật tự sau:
Li+ > Na+ > K+ > Cu2+ > Fe2+ > Al3+
Tuy nhiên khả năng trao đổi của bentonit chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích
âm bề mặt và điện tích âm trong mạng lưới. Bề mặt của bentonit gồm bề mặt trong và
bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phản ánh kích thước hạt 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 ion bề mặt trong phản ánh lượng điện
tích âm trên mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nó phụ thuộc vào lượng
cation bù trừ trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thì khả năng trao đổi càng
lớn. Dung lượng cation trao đổi dao động từ 80 đến 150 meq/100g. Dung lượng trao
đổi anion dao động từ 15 đến 40 meq/100g.
Sự trao đổi ion của bentonit còn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử hyđro
trong các nhóm hyđroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu thì ở đỉnh của
các tứ diện SiO2 hướng ra ngoài của lớp cấu trúc, các nguyên tử oxi được thay thế bởi
các nhóm hiđroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp
và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Ngoài ra trong cấu trúc của bentonit còn có
các nhóm hiđroxyl khác nằm ở đỉnh các bát diện. Trong sáu đỉnh của bát diện có hai
đỉnh là nhóm OH còn bốn đỉnh kia là oxi, trong đó nhóm hiđroxyl của liên kết Si –

OH không có khả năng trao đổi hiđro. Nhóm hiđroxyl của liên kết Al – OH có tính
axit yếu nên khả năng trao đổi yếu. Nhóm Si – O –Al có tính trao đổi mạnh nên có
tính quyết định đến trao đổi cation H+.

Page 7


1.1.2.2. Tính chất trương nở
Khi nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào khe trống giữa
các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi là tính chất trương nở.
Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế
đồng hình của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực
trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc
vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi.
Khi bentonit hấp phụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước phân cực
sẽ thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 14÷15Å tùy
thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấp phụ. Sự tăng khoảng cách d 001 được giải
thích là do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp.
Độ trương nở của bentonit phụ thuộc vào bản chất 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 trên mặt
lớp sét. Do vậy khi bị hyđrat hóa, bentonit Na có khả năng trương nở từ khoảng cách
ban đầu giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trường kiềm bentonitNa bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng mạnh. Do vậy trong môi trường
kiềm, huyền phù bentonit-Na rất bền vững.
Cation Ca2+ liên kết với 2 tâm tích điện âm trên 2 phiến sét do vậy khi bentonitCa bị hydrat hóa, khoảng cách giữa 2 phiến sét chỉ tăng từ 12,1Å đến 17Å. Điều này
hạn chế sự trương nở hay khả năng tạo độ nhớt của bentonit-Ca. Độ trương nở của
bentonit-Ca từ 100 đến 150%, đối với bentonit-Na độ trương nở lớn hơn.
1.1.2.3. Tính hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc
lớp của chúng. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2µm và có cấu trúc mạng tinh thể dạng lớp
nên bentonit có bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt

ngoài và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của
khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào
kích thước hạt. 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 hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu
Page 8


cơ phân cực có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo liên kết trực
tiếp với các cation trao đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua liên
kết với nước hoặc liên kết với các trung tâm mang điện tích trên bề mặt các lớp sét.
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 Van
der Walls hoặc liên kết hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polime
và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonit .
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và
bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các
khoáng sét, đặc trưng của nó là tính chọn lọc đối với chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử
nào có đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này
người ta có thể dùng bentonit hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm
khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác.
1.1.2.4. Tính kết dính
Khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh nên từ thời xa xưa con
người đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằm mục đích phục vụ
đời sống. Lợi dụng tính chất kết dính này, trong các xưởng đúc gang, bentonit được
dùng làm chất kết dính để vê quặng bột thành viên trước khi đưa vào lò nung, hoặc
làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc.
1.1.2.5. Tính trơ
Bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được. Người ta dùng
bentonit làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch
và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong...

1.1.2.6. Tính nhớt và dẻo
Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong nước nên
bentonit có tính nhớt và dẻo. Do có các tính chất này mà bentonit được sử dụng làm
phụ gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành của lỗ khoan, làm phụ gia trong xi măng
Portland, chế vữa và chất dính kết đặc biệt.

Page 9


1.1.3. Ứng dụng của bentonit
1.1.3.1. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ
Do có độ axit cao nên bentonit có thể được dùng làm chất xúc tác trong các phản
ứng hữu cơ. Bề mặt của bentonit mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình của các
ion Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở tâm bát diện. Các
ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm của chúng
không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm axit Lewis được tạo thành từ ion
Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt bentonit.
Nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt bentonit sẽ làm tăng độ axit Lewis của
chúng.
Trên bề mặt bentonit tồn tại các nhóm hiđroxyl. Các nhóm hiđroxyl có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt bentonit những tâm axit Bronsted. Số lượng
nhóm hiđroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của
bentonit.
Trong các vật liệu sét chống (pillared clays), giữa cột chống và các lớp
aluminosilicat của bentonit có những liên kết cộng hóa trị thực sự. Các liên kết này
dẫn đến sự giải phóng các phân tử nước và proton làm tăng độ axit và bền hóa cấu
trúc của bentonit chống.
Việc biến tính bentonit bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị như
Ti4+, Zr4+, Al3+, Si4+,... tạo ra vật liệu sét chống có độ axit và độ xốp cao hơn, có khả
năng xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ. Ví dụ; việc sử dụng sét chống làm chất xúc

tác axit rắn trong phản ứng hữu cơ ở pha lỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng.
Sau khi kết thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗn hợp phản ứng có thể tách chất xúc tác rắn
ra khỏi hỗn hợp phản ứng.
Ngoài ra, do bentonit có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ các chất xúc
tác trên bề mặt trong giữa các lớp. Vì vậy, bentonit được sử dụng làm chất mang xúc
tác cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ.
1.1.3.2. Làm vật liệu hấp phụ

Page 10


Bentonit được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp.
Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonit được sử dụng với lượng rất lớn, bao gồm
bentonit tự nhiên và bentonit đã hoạt hóa. Lượng bentonit tự nhiên tiêu tốn cho quá
trình lọc dầu là 25% khối lượng dầu và lượng bentonit đã hoạt hóa bằng 10% khối
lượng dầu. Việc sử dụng bentonit làm chất hấp phụ ưu việt hơn hẳn phương pháp cũ là
phương pháp rửa kiềm. Lượng bentonit mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5%
lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra, phương pháp dùng bentonit còn có mức hao phí
dầu thấp do tránh được phản ứng thủy phân.
Trong công nghiệp hóa than, bentonit được sử dụng để tinh chế benzen thô và
các bán sản phẩm khác.
Với tư cách là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, bentonit có thể tạo ra các dung dịch
khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng với sự
phát triển của ngành thăm dò và khai thác dầu, lượng bentonit được sử dụng trong
việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng. Ngày nay ở Mỹ, lượng bentonit được sử
dụng làm dung dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonit của nước này.
Các chức năng quan trọng của bentonit trong dung dịch khoan là:
+ Làm tăng khả năng lưu chuyển của dung dịch khoan do có độ nhớt cao ngay
cả khi nồng độ chất rắn thấp.
+ Tạo huyền phù với các tác nhân và mùn khoan gây lắng khi ngừng lưu chuyển

dung dịch khoan vì một lí do nào đó.
+ Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ việc
tạo nên lớp bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không
chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch mà còn có tác dụng như một cái màng cứng làm bền
thành lỗ khoan.
Ngoài ra, do có khả năng hấp phụ tốt nên bentonit còn được sử dụng làm chất
hấp phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trường…
1.1.3.3. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit
Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành công
nghiệp đã sử dụng bentonit ngày càng nhiều. Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn
Page 11


với các chất khác để chế tạo ra các vật liệu mới. Ví dụ, sét hữu cơ được trộn với các
polime để chế tạo các nanocompozit, gọi là composit-nano-bentonit. Các polime có
thể được trộn thêm các hạt nanobentonit khi được kéo thành màng sẽ cho màng kín
hơn rất nhiều so với polime không trộn vì khi kéo, cán, các lá nanobentonit này nằm
song song với bề mặt, có khả năng ngăn cản hiệu quả nhiều loại phân tử đi qua. Các
hạt nanobentonit này trộn với polime không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó
đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm để truyền dẫn thuốc, dẫn máu trong y tế.
1.1.3.4. Dùng trong một số lĩnh vực khác
Một lượng lớn bentonit đã được sử dụng làm chất độn trong công nghiệp sản
xuất vật liệu tổng hợp (xà phòng, vải sợi...). Đặc biệt trong công nghiệp sản xuất giấy,
việc trộn thêm bentonit làm tăng hàm lượng cao lanh, giảm lượng xenlulo cần có
trong giấy, làm tăng đáng kể chất lượng và giảm giá thành của giấy.
Trong công nghiệp bia, rượu, bentonit hấp phụ các chất hữu cơ, các chất béo, các
sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men, đồng thời hấp phụ cả ion
sắt, đồng và các tác nhân gây bệnh của rượu, lại không làm mất hương vị của rượu,
bia.
Bentonit còn được sử dụng làm sạch nguồn nước mặt. Do bentonit làm kết tủa

các vẩn đục, hấp phụ các ion gây độc, một lượng lớn vi khuẩn gây bệnh và chất hữu
cơ có trong nước với giá thành tương đối rẻ.
Do có đặc tính trơ, không độc hại nên bentonit còn được dùng làm phụ gia trong
thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit cho động vật, làm phụ gia dược phẩm.
1.1.4.Làm giàu, làm sạch bentonit:
Các mỏ bentonit kiềm trên thế giới thường có hàm lượng MMT cao, nên các
công trình nghiên cứu về làm giàu, làm sạch bentonit kiềm để nâng cao hàm lượng
MMT-Na của các tác giả trên thế giới không nhiều. Đối với những mỏ bentonit kiềm
có hàm lượng MMT cao như bentonit kiềm Wyoming (Mỹ) người ta có thể trực tiếp
sử dụng mà không cần qua giai đoạn làm giàu, hoặc biến tính nó để thu được sản
phẩm cho những mục đích khác nhau.

Page 12


Tuy nhiên đối với loại quặng bentonit có hàm lượng MMT thấp - như bentonit
Tuy Phong, Bình Thuận của Việt Nam, người ta phải sử dụng phương pháp tuyển
trọng lực hoặc phương pháp ướt. Theo phương pháp này, bentonit được pha với nước
theo một tỷ lệ thích hợp. Sử dụng chất phân tán Na(PO 3)6 để làm lắng các khoáng phi
sét theo nhiều giai đoạn, sau đó huyền phù mịn được lọc, sấy khô và nghiền mịn để
thu sản phẩm. Một số tác giả khác sử dụng phương pháp tuyển thủy xyclon, xử lý
nhiệt và hóa học để nâng cao hàm lượng MMT trong bentonit . Trên thế giới số lượng
khoáng bentonit kiềm thổ (chứa các cation Ca+2, Mg+2, …) với hàm lượng MMT cao
tương đối nhiều, nhưng dạng bentonit kiềm lại mang lại nhiều ứng dụng hơn trong
nhiều lĩnh vực, vì vậy đã có rất nhiều nghiên cứu để chuyển hóa bentonit kiềm thổ về
dạng bentonit kiềm. Những nghiên cứu này đã có từ trước những năm 1950 tại nhiều
nước như Mỹ, Liên Xô cũ, ... Ngày nay công nghệ chuyển hóa bentonit kiềm thổ sang
dạng bentonit kiềm đã được đưa vào nhiều nhà máy vận hành và sản xuất ra hàng trăm
nghìn tấn sản phẩm cho những lĩnh vực khác nhau, như ở Hàn Quốc mỗi năm sản xuất
hơn 800 nghìn tấn sản phẩm bentonit hoạt hóa cho những mục đích khác nhau.

Phương pháp hoạt hóa để chuyển bentonit kiềm thổ về dạng bentonit kiềm như sau:
quặng bentonit kiềm thổ được phân cấp, đập, nghiền đến cỡ hạt thích hợp. Sau đó
quặng được trộn đều với tác nhân hoạt hóa (là các muối của natri như Na 2CO3,
NaCl, ...) theo một tỷ lệ thích hợp và nung hỗn hợp trong lò quay với nhiệt độ trong
khoảng 300÷500oC, sản phẩm hoạt hóa sau đấy được đóng bao và đưa đi sử dụng. Một
điều đáng lưu ý ở đây là quặng bentonit kiềm thổ trên thế giới thường có hàm lượng
MMT cao nên quặng được đưa vào hoạt hóa ngay mà không qua giai đoạn làm giàu,
còn đối với quặng bentonit kiềm thổ Di Linh-Lâm Đồng của chúng ta, do hàm lượng
MMT không cao (khoảng 30÷40%) nên để sử dụng cho một số mục đích chế tạo vật
liệu sét hữu cơ thì trước khi hoạt hóa nên làm giàu quặng để nâng hàm lượng MMT.
Người ta cũng sử dụng các tác nhân hoạt hóa khác như axit vô cơ (H 2SO4, HNO3,
HCl) và các chất hữu cơ khác để hoạt hóa bentonit kiềm và bentonit kiềm thổ nhằm
thu nhanh các sản phẩm hoạt hóa cho những mục đích sử dụng khác nhau.
1.2 . Mục đích và nội dung nghiên cứu của luận văn
1.2.1. Mục đích :
Page 13


Phương pháp biến tính khoáng sét Montmorillonite làm vật liệu phù hợp cho việc
tạo màng PVA/Clay .
1.2.2. Nội dung nghiên cứu :
Để đạt được mục đích nêu trên chúng tôi sẽ thực hiện những nội dung nghiên
cứu sau:
-

Lựa chọn tác nhân biến tính khoáng sét

-

Xác định điều kiện biến tính khoáng sét

-

Tạo màng PVA/Clay biến tính

Page 14


CHƯƠNG II : KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Điều chế phụ gia
Trong báo cáo này, chúng tôi chúng tôi nghiên cứu ứng dụng của sét bentonit
(Bent) đầu làm nguyên liệu đầu để điều chế sét hữu cơ, sét hữu cơ được viết tắt là
Bent-hữu cơ.
2.1.1. Xử lý sét thô:
Quá trình điều chế sét tinh gồm nhiều giai đoạn
-Mục đích: Nhằm loại bỏ hợp chất bẩn và rác.
-Phương phấp thực hiện :
Sét nguyên khai sau khi khai thác từ mỏ về được nghiền nhỏ và ngâm, khuấy trong
nước sao cho sét có khả năng trương nở tối đa và tách lớp với các chất bẩn khác(ngâm
trong một tuần), sau đó li tâm, rồi gạn bỏ nước trong ở trên để thu được huyền phù
sét.Sét thu được sạch hơn sét ban đầu nhiều,đem sấy khô ở nhiệt độ từ 80-100 oC để
đuổi hết nước và tránh hỏng sét (sấy trong 1 ngày ).Thu được Bent đã xử lí.
2.1.2.Biến tính Bent :
a.Trao đổi với Na+ :
-Cân 32g Bent đã xử lí + 640 ml nước cất hỗn hợp khuấy trong 1 ngày. Sau khi Bent
được khuấy qua 1 ngày bắt đầu cho từ từ 224ml NaCl 1M vào( ở nhiệt độ phòng ),vừa
khuấy vừa cho từ từ NaCl để đạt hiệu quả pha trộn tốt nhất.Sau đó để yên hỗn hợp ở
nhiệt độ phòng trong vòng 24h để Bent trao đổi với Na +. Hỗn hợp được li tâm ,sau đó
dung nước cất để rửa hết Cl- sau khi trao đổi Na+ .Lặp đi lặp lại cho đến khi rửa sạch
Cl- .Thử lại với Ag+ để biết kết quả.Nước rửa sau khi trao đổi Na + được giữ lại để tính

lượng Na+ đã trao đổi.
Bent sau trao đổi Na+ (đã rửa hết Cl- ) được đem đi sấy trong tủ sấy chân không ở
850 C trong 24h.

Page 15


Tóm tắt quy trình :

b.Trao đổi CTAB:
Bent đã sấy sau khi trao đổi Na + được khuấy với nước cất trong 2h gia nhiệt ở 60 0C
( theo tỉ lệ: cứ 5g Bent + 200ml H 2O). Sau đó cho từ từ CTAB vào, khuấy và ngâm
hỗn hợp trong vòng 24h. Ly tâm hỗn hợp trên và dung nước cất để rửa sạch Br - có
trong hỗn hợp,lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi Br - được rửa hết.(dung Ag+ để thử
kết quả rửa ). Sau khi rửa sạch Br - ,đem sấy Bent ở nhiệt độ 50 0C trong 24h, ta được
Bent hữu cơ .
Tóm tắt quá trình thực hiện :

Page 16


2.1.3.Tạo màng:
a.Màng PVA đơn giản :
Ở đây chúng tôi tạo màng PVA 10% như sau :
Cân 10g PVA rồi thêm vào 90ml H2O. Dùng máy khuấy từ gia nhiệt ở 800C để khuấy
hỗn hợp trong vòng 6h (trong quá trình khuấy có lắp thêm sinh hàn để tránh hỗn hợp
bị bay hơi và cạn )
Sau khi khuấy hỗn hợp 6h ta đổ vào đĩa thủy tinh và đem sấy trong tử sấy chân không
ở 50 0C trong 24 h.Ta được Màng PVA 10% đơn giản.
b.Tạo màng PVA-Clay:

Khuấy dung dịch PVA 10% trong vòng 6h ở 80 0C (giống như tạo màng PVA 10%).
Cho Bent đã biến tính ( trao đổi Na + và CTAB ở trên ) vào hỗn hợp và khuấy trong
8h.Sau đó đem sấy trong tủ sấy chân không ở 500C ta được màng PVA-Clay.
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Page 17


3.1. Tổng hợp Bent-CTAB và xác định điều kiện biến tính khoáng sét.
Với mục tiêu tìm kiếm những ứng dụng mới của sét hữu cơ trong công nghiệp chúng
tôi đã tiến hành xử lý sét thô và biến tính chúng bằng chất hoạt động bề mặt cetyl
trimetyl amoni bromua với tỉ lệ khác nhau và khảo sát hàm lượng sét/CTAB thích
hợp.
3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CTAB đến khoảng cách không gian cơ sở của
sét.
Các mẫu sét đã được xử lý trao đổi với ion CTA +. Bảng 3.1 trình bày 6 mẫu sét hữu
cơ có thành phần CTAB từ 0-110% theo khối lượng.
Bảng 3.1 : Các giá trị khoảng cách giữa hai lớp sét khi tăng hàm lượng CTAB
Mẫu

Sét hữu cơ

D001,Ao

∆=(d001-9,6),
Ao

1

Bent-CTAB0%

15,53

5,93

2

Bent-CTAB30%

16,94

7,34

3

Bent-CTAB40%

18,64

9,04

4

Bent-CTAB60%

25,03

15,43

5

Bent-CTAB100%

25,61

16,01

6

Bent-CTAB110%

25,12

15,52

Dựa vào trên ta có thể thấy khoảng cách không gian cơ sở phụ thuộc vào hàm lượng
CTAB. Khoảng cách giữa các lớp sét tăng mạnh khi hàm lượng CTAB tăng từ 0 đến
60%. Ở hàm lượng cao hơn, CTAB dường như bão hòa nên khoảng cách không gian
cơ sở gần như không thay đổi. Do vậy chúng tôi cố định hàm lượng CTAB ở 60%
theo khối lượng và xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác đến khoảng cách giữa các lớp
sét.

Page 18


3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ huyền phù
Theo các công trình khoa học đã công bố thì nhiệt độ có ảnh hưởng khá lớn đến
quá trình điều chế sét hữu cơ. Nếu nhiệt độ quá thấp thì sự thâm nhập của các cation
hữu cơ vào bentonit thấp. Vì vậy yếu tố thứ hai mà chúng tôi tiến hành khảo sát là ảnh
hưởng của nhiệt độ huyền phù, từ đó tìm ra nhiệt độ thích hợp cho quá trình điều chế
sét hữu cơ từ bentonit và CTAB.

Các mẫu sét hữu cơ được điều chế theo quy trình đã nêu ở mục 2.1.2 với các điều
kiện cụ thể như sau: huyền phù (bentonit và muối amoni hữu cơ) có tỷ lệ CTAB chiếm
60% khối lượng được điều chỉnh đến pH bằng 7 và được khuấy trộn trong thời gian
24h, ở tốc độ khuấy ổn định 500 vòng/phút. Nhiệt độ huyền phù được biến đổi từ 30
đến 90oC.
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ huyền phù đến giá trị d001 và hàm
lượng cation cetyl trimetyl amoni trong sản phẩm
Nhiệt độ
30

40

50

60

70

80

90

29,125

34,217

37,192

40,057

40,168

40,621

40,953

19,525

24,617

27,592

30,457

30,568

31,021

31,353

o

huyền phù ( C)
d001 (Å)
∆=(d001-9,6),
A

o

Qua kết quả khảo sát mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ huyền phù đến giá trị d 001

và hàm lượng cation amoni hữu cơ trong sản phẩm, khi khuấy trộn huyền phù (CTAB
và bentonit) có hàm lượng CTAB chiếm 60% khối lượng trong 24h, ở pH bằng 7, thì
khoảng cách lớp cõ bản d 001 đạt giá trị cao bằng 40,621Å. Nếu tiến hành phản ứng ở
nhiệt độ cao hơn, thì giá trị d001 và hàm lượng cation amoni cũng tăng lên, tuy nhiên sự
thay đổi là không đáng kể. Như vậy, nhiệt độ thích hợp cho quá trình điều chế sét hữu
cơ từ CTAB và bentonit là 60oC.
Page 19


3.2. Hiệu quả của PVA/Clay
3.2.1. Khả năng tác nước của một số màng PVA
a) Hiệu suất của màng PAAHCI-PVA99 trong quá trình tách nước khỏi ethanol cho
khả năng tách nước cao .

b)Hiệu suất của màng PVA-bazo chứa 10% nước trong nguyên liệu.

Page 20


KẾT QUẢ
1. Đã xử lý sơ bộ tinh chế betonit thuần Na (Bent.Na)
2. Đã khảo sát một vài yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trương nở của sét hữu cơ
tìm ra điều kiện thích hợp về hàm lượng CTAB, nhiệt độ tổng hợp sét hữu cơ.
3. Khảo sát khả năng tách nước của màng PVA/Clay.

Page 21


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt

1. Thân Văn Liên, Nghiên cứu qui trình xử lý, hoạt hoá bentonit Việt Nam để sản
xuất bentonit xốp, Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài hợp tác theo nghị định thư
với Hàn Quốc, Hà Nội, tháng 5, 2005.
2. Thân Văn Liên và cộng sự, Làm giàu, làm sạch và hoạt hoá bentonit Di Linh Lâm Đồng và bentonit Tuy Phong, Bình Thuận, Hội nghị Khoa học và Công nghệ
hạt nhân toàn quốc lần thứ VI, Đà Lạt tháng 10 năm 2005
3.Trần Xuân Phương, Nghiên cứu tổng hợp bentonit hữu cơ làm chất tạo cấu trúc
cho dung dịch khoan gốc dầu, Luận văn thạc sĩ, ĐHQGHN, 2004.
Tiếng Anh
1.Anatolie Pushniak (2003), Method for acidic activation of bentonite. MD 2 739 F1.
14.01.2003.

Page 22


2.Bauer Carl (1997), Formulations including improved organoclay compositions, WO
97/09375. 13.03.97.
3 . Charles A. Cody, Edward D.Magauran (1992), Method of treating waste water for
organic containminatnts with water dispersible organically modified smectite
clay compositions, US Patent 5,130,028, Jul.14, 1992.
4. Chuen-Shyong Chou, Dennis Paul Lorah, Aqueous nano composite dispersions, US
2002/0086908 A1, Jul.4, 2002.
5. Emmanuel P. Glennelis, Composite of high melting polymer and nanoclay with
enhanced properties. US 2005/0137287 A1. Jun. 23, 2005.

Page 23


Page 24