Nghiên cứu chế tạo hoá phẩm khoan từ nguồn khoáng sét trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------

LÊ TUẤN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HÓA PHẨM KHOAN TỪ
NGUỒN KHOÁNG SÉT TRONG NƯỚC

Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS PHẠM THANH HUYỀN

HÀ NỘI – 2014


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................5
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................6
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................9
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .....................................................................................10
1.1. GIỚI THIỆU VỀ KHOÁNG SÉT VIỆT NAM ................................................................... 10
1.1.1. Thành phần khoáng sét Việt Nam .................................................................. 10
1.1.2. Một số mỏ khoáng sét Việt Nam..................................................................... 10
1.1.3. Giới thiệu khoáng sét bentonit và bentonitthu được từ mỏ Cổ Định - Thanh
Hóa ........................................................................................................................... 12
1.1.3.1. Thành phần khoáng vật của bentonit Cổ Định -Thanh Hoá....................... 16

1.1.3.2. Thành phần hóa học của bentonit Cổ Định - Thanh Hoá........................... 17
1.1.3.4. Khả năng trương nở của bentonit Cổ Định - Thanh Hóa [17] ................... 20
1.1.3.5. Tính dẻo của bentonit Cổ Định - Thanh Hóa.............................................. 21
1.1.3.6. Một số tính chất khác .................................................................................. 22
1.1.4. Phương pháp hoạt hóa bentonit [8, 12]......................................................... 22
1.1.4.1. Hoạt hóa bằng nhiệt .................................................................................... 23
1.1.4.2. Hoạt hóa bằng kiềm .................................................................................... 23
1.1.4.3. Hoạt hóa bằng axit vô cơ ............................................................................ 23
1.1.5. Phương pháp làm giàu bentonit [10]............................................................. 25
1.1.5.1. Làm giàu bằng phương pháp lọc ướt .......................................................... 25
1.1.5.2. Làm giàu sét bằng phương pháp cyclon thuỷ lực [10] ............................... 26
1.1.6. Ứng dụng của bentonit [10, 12] ..................................................................... 26
1.1.6.1. Làm chất xúc tác ......................................................................................... 26
1.1.6.2. Dùng trong y tế............................................................................................ 26
1.1.6.3. Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm ........................................................ 27
1.1.6.4. Trong nông nghiệp ...................................................................................... 27
1


1.1.6.5. Trong xây dựng và luyện kim ...................................................................... 27
1.1.6.6. Làm vật liệu hấp phụ ................................................................................... 28
1.1.6.7. Dùng làm dung dịch khoan ......................................................................... 28
1.2. TỔNG QUAN VỀ DUNG DỊCH KHOAN ....................................................... 29
1.2.1. Giới thiệu về dung dịch khoan [13] ............................................................... 29
1.2.2. Chức năng dung dịch khoan [13, 16] ............................................................ 29
1.2.3. Phân loại ........................................................................................................ 30
1.2.4. Thành phần dung dịch khoan [21] ................................................................. 31
1.2.4.1. Nước ............................................................................................................ 31
1.2.4.2. Vật liệu làm tăng tỷ trọng ........................................................................... 32
1.2.4.3. Khoáng sét [21]........................................................................................... 34

1.2.4.4. Chất hoạt động bề mặt [21] ........................................................................ 35
1.2.4.5. Các polyme tăng độ nhớt, phụ gia sử dụng trong dung dịch khoan ........... 36
1.2.5. Một số hệ dung dịch khoan gốc nước đã được nghiên cứu ........................... 38
1.2.6. Chỉ tiêu tính năng ban đầu của dung dịch bentonit (TCXDVN 326:2004) ... 40
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................42
2.1. HÓA CHẤT,DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ ............................................................ 42
2.1.1. Hoá chất ......................................................................................................... 42
2.1.2. Mẫu bentonit sử dụng trong nghiên cứu ........................................................ 42
2.2. PHƯƠNG PHÁP LÀM GIÀU BENTONIT VÀ ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH
KHOAN. .................................................................................................................. 42
2.2.1. Làm giàu bentonit sử dụng chất trợ lắng ....................................................... 42
2.2.2. Phương pháp điều chế dung dịch khoan ........................................................ 43
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG DUNG DỊCH KHOAN VÀ
ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU........................................................................................ 43
2.3.1. Phương pháp xác định dung lượng trao đổi cation ....................................... 43
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) ........................................................ 44
2.3.3. Đo tỷ trọng (khối lượng riêng) của dung dịch bentonit ................................. 44
2.3.4. Đo độ nhớt biểu kiến của dung dich bentonit ................................................ 45
2


2.3.5. Đo hàm lượng cát ........................................................................................... 46
2.3.6. Kiểm tra độ pH của dung dịch ....................................................................... 47
2.3.7. Đo độ nhớt Fann. ........................................................................................... 48
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................49
3.1. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MONMORILONIT TRONG THÀNH PHẦN SÉT
BENTONIT CỔ ĐỊNH: ........................................................................................... 49
3.1.1. Thành phần hóa học bằng phương pháp XRF ............................................... 49
3.1.2. Đánh giá dung lượng trao đổi cation ............................................................ 50
3.1.3. Tính chất lưu biến của bentonit ..................................................................... 51

3.1.4. Phân tích thành phần khoáng vật các mẫu nguyên khai bằng phương pháp
XRD. ......................................................................................................................... 52
3.2. NGHIÊN CỨU LÀM GIÀU BENTONIT CỔ ĐỊNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ƯỚT. ........................................................................................................................ 53
3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ lắng ....................................................... 53
3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nước .................................................................... 53
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian lắng........................................................................ 54
3.2.4. Phân tích thành phần khoáng vật mẫu làm giàu bằng phương pháp XRD. .. 55
Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu bãi C sau làm giàu .............................................. 55
3.3.1. Nghiên cứu hàm lượng tối ưu của hợp phần dung dịch khoan ...................... 57
3.3.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước:sét...................................................................... 57
3.3.1.2. Ảnh hưởng hàm lượng Na2CO3. .................................................................. 58
3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tăng độ nhớt................................................ 60
3.3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tăng độ nhớt CMC_LV ............................ 60
3.3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tăng độ nhớt CMC_HV ........................... 62
3.3.2.3.Ảnh hưởng của hàm lượng chất tăng độ nhớt Benex ................................... 63
3.3.2.4. So sánh ảnh hưởng của loại chất tăng độ nhớt. ......................................... 64
3.3.3. Nghiên cứu điều chế và đánh giá chất lượng dung dịch khoan của bentonit đã
làm giàu. ................................................................................................................... 66

3


KẾT LUẬN ...............................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................69

4


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit.[12] ............................14 
Hình 1.2. Mỏ bentonit Cổ Định – Thanh Hóa ...............................................15 
Hình 1.3. Bột khoáng bentonit Cổ Định ........................................................15 
Hình 1.4. Trao đổi cation giữa Ca2+ và Na+[10] ..........................................19 
Hình 2.1. Thiết bị đo tỷ trọng dung dịch bentonit ..........................................45 
Hình 2.2. Dụng cụ đo độ nhớt biểu kiến ........................................................46 
Hình 2.3. Bộ dụng cụ đo hàm lượng cát ........................................................47 
Hình 2.4. Máy đo độ nhớt Fann Model 35SA ................................................48 
Hình 3.1. Kết quả đo CEC của các mẫu nguyên khai....................................50 
Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu bãi C sau làm giàu ....................................55 
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC_LV tới độ nhớt ..........................61 
Hình 3.4. Ảnh hưởng của CMC_HV đến độ nhớt dung dịch .........................63 
Hình 3.5. Ảnh hưởng của chất tăng độ nhớt Benex .......................................64 
Hình 3.6. Ảnh hưởng của loại chất tăng độ nhớt...........................................65 

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần khoáng bentonit Di Linh-Lâm Đồng [3] ....................11 
Bảng 1.2. Thành phần hoá học của Bentonit Di Linh-Lâm Đồng [3] ...........11 
(Phần trăm khối lượng các oxide) .................................................................11 
Bảng 1.3. Thành phần khoáng chất chủ yếu (dựa theo kết quả phân tích
Ronghen)[2] ...................................................................................................12 
Bảng1.4. Thành phần hoá học của bentonit Bình Thuận- Việt Nam[12] .....12 
(Phần trăm khối lượng các oxide) .................................................................12 
Bảng1.5. Thành phần khoáng vật của bentonit Cổ Định - Thanh Hoá [7] ...16 
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của bentonit Cổ Định -Thanh Hoá [7] ........17 
Bảng 1.7. Dung lượng trao đổi cation [7] .....................................................19 

Bảng 1.8. Một số tính chất khác của bentonit Cổ Định - Thanh Hóa [17] ...20 
Bảng 1.9. Phân loại đất theo tính dẻo[17] ....................................................21 
Bảng 1.10. Chỉ tiêu dung dịch bentonit theo TCXDVN 326:2004 .................40 
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của các mẫu nguyên khai xác định theo XRF
........................................................................................................................49 
Bảng 3.2 Kết quả đo CEC mẫu nguyên khai .................................................50 
Bảng 3.3. Kết quả đo tính lưu biến của mẫu nguyên khai .............................51 
Bảng 3.4. Thành phần khoáng vật các mẫu nguyên khai theo phương pháp
XRD ................................................................................................................52 
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ lắng ......................................53 
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của hàm lượng nước ...................................................54 
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian lắng .......................................................54 
Bảng 3.8. Thành phần khoáng vật các mẫu nguyên khaiso với mẫu sau làm
giàu bãi C xác định theo phương pháp XRD .................................................56 
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước: sét theo phương pháp dẻo với 3%
Na2CO3 ...........................................................................................................57 
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng chất điện ly Na2CO3 .........................58 
Bảng 3.11. Khảo sát nồng độ CMC_LV với 3% Na2CO3 ..............................60 
6


Bảng 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC_HV .........................................62 
Bảng 3.13. Ảnh hưởng của chất tăng độ nhớt Benex.....................................63 
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của loại chất tăng độ nhớt65Bảng 3.15. Ảnh hưởng
của chất tăng độ nhớt CMC_LV tới mẫu bent đã làm giàu ...........................66 
Bảng 3.16. Kết quả so sánh chất lượng dung dịch khoan trước và sau làm
giàu. ................................................................................................................67 

7

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên gọi

Bent - Na

Bentonit kiềm

Bent - Ca

Bentonit kiềm thổ

Bent

Bentonit

MMT

Montmorillonit

PP

Phương pháp

Ph

Phút

8


LỜI MỞ ĐẦU
Sét bentonit là một loại khoáng sét thiên nhiên quý, có cấu trúc lớp và tương
đối xốp, thuộc nhóm smectit. Sét bentonit được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong
đó 3 lĩnh vực chính sử dụng đến 80% sản lượng tiêu thụ sét bentonit của thị trường
là dung dịch khoan dầu khí, khoan cọc nhồi trong xây dựng, chất kết dính cho
khuôn đúc, chất kết dính vê viên tinh quặng sắt. Vì vậy, hiện nay bentonit được sản
xuất ở nhiều nơi trên thế giới với sản lượng tương đối lớn.
Trong nước, bentonit chủ yếu mới chỉ được sử dụng làm dung dịch khoan
cọc nhồi trong ngành dầu khí, cầu đường, và ứng dụng trong một số lĩnh vực công
nghiệp khác. Một số công trình nghiên cứu trong nước đã chứng minh rằng có thể
nghiên cứu chế biến sét ở mỏ Cromit Cổ Định bằng phương pháp hoạt hóa khô để
làm dung dịch khoan, nhằm thu hồi và nâng cao giá trị kinh tế của sét, lượng tài
nguyên chiếm gần 40% trong mỏ. Nguồn sét Bentonit Cổ Định – Thanh Hóa còn có
thể được sử dụng để làm phụ gia chống thấm hoặc làm chất hấp phụ, chất xúc tác
trong công nghiệp tẩy màu, tẩy dầu mỡ, công nghiệp thực phẩm, phân bón tổng
hợp, tổng hợp hữu cơ...
Do nhu cầu sản xuất và sử dụng bentonit vào đời sống cũng như trong các
hoạt động sản xuất không ngừng tăng, ngày càng có nhiều nghiên cứu mới trên thế
giới nhằm mở rộng phạm vi khai thác và ứng dụng của loại vật liệu này. Đây là
nhiệm vụ cấp thiết trong tình trạng nguồn tài nguyên đất nước ngày càng cạn kiệt.
Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành khảo sát phân tích thành phần hoá học, thành phần
khoáng sét, khảo sát sự ảnh hưởng của một số thành phần chính khi pha chế hóa
phẩm dung dịch khoan. Trên cơ sở đó, chúng tôi thực hiện đề tài“ Nghiên cứu chế
tạo hóa phẩm khoan từ nguồn khoáng sét trong nước ” với mong muốn sự thành
công của đề tài sẽ đóng góp vào những nghiên cứu cơ bản trong công tác pha chế
dung dịch khoan gốc nước.

9


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ KHOÁNG SÉT VIỆT NAM
1.1.1. Thành phần khoáng sét Việt Nam
Theo tài liệu của các nhà địa chất, hiện nay ở nước ta đã phát hiện được hơn
hai chục mỏ và điểm quặng sét bentonit. Các mỏ có triển vọng và quy mô lớn đều
tập trung ở phía nam của đất nước( Lâm Đồng, Bình Thuận,Thành phố Hồ Chí
Minh,...). Phía Bắc thì sét bentonit tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Bắc
Bộ,Thanh Hoá và chủ yếu thuộc nhóm smectit thấp.
Một số mỏ bentonit lớn ở nước ta đã được thăm dò, khai thác như: Mỏ
bentonit Tam Bố-Di Linh-Lâm Đồng ; Mỏ bentonit Tuy Phong-Bình Thuận; Mỏ
bentonit Cổ Định (Thanh Hoá ); Gia Quy – Bà Rịa Vũng Tàu, Kiên Bình - An
Giang, Long Đất - Đồng Nai…
1.1.2. Một số mỏ khoáng sét Việt Nam
¾ Bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng
Bentonit Di Linh khai thác từ mỏ sét Tam Bố thuộc thôn Hiệp Thành, xã Gia
Hiệp, huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng; cách thị trấn Di Linh 17km. Nguồn sét này là
sản phẩm phong hóa từ vật liệu tro, tro núi lửa, thủy tích núi lửa được lắng đọng
trong môi trường nước. Sét có màu xanh xám, xanh lục, vàng phớt xanh hoặc phớt
nâu đã được thăm dò địa chất và xác nhận mỏ có trữ lượng trong cân đối là:
542.000 tấn, chất lượng bentonit khá tốt, điều kiện địa chất thuỷ văn, địa chất công
trình thuận lợi, đơn giản.
Thành phần khoáng sét Di Linh gồm khoảng 60% Montmorillonit, 40%
thạch anh, kaolinite và một số tạp chất phi sét khác, thuộc loại bentonit kiềm thổ
(giàu Mg). Hệ số độ keo (K) từ 0,29-0,42 ; dung tích trao đổi cation từ 25,01-48,5
mgđl/100g, cá biệt đến 170 mgđl/100g. Các cation có khả năng trao đổi chính là
kiềm thổ (Ca2+, Mg2+). [11]

Dưới đây là bảng thống kê thành phần khoáng bentonit Di Linh-Lâm Đồng:
10


Bảng 1.1 Thành phần khoáng bentonit Di Linh-Lâm Đồng [3]
Tên khoáng chất

Thành phần (%)

Montmorillonit

64,0

Illite

6,0

Kaolinite Clorite

9,5

Thạch anh

5,0

Felspat

3,5

Gơtit

3,0

Canxit

ít

Bảng 1.2. Thành phần hoá học của Bentonit Di Linh-Lâm Đồng [3]
(Phần trăm khối lượng các oxide)
SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

MgO

CaO

Na2O

MKN

50,5

17,67

7,0

0,82

2,83

0,78

0,54

18,97

¾ Bentonit Tuy Phong – Bình Thuận
Mỏ Bentonit Nha Mé, huyện Tuy Phong tỉnh Bình Thuận được đặc trưng bởi
khí hậu khô nóng, lượng mưa ít và là nơi phân bố rộng rãi đá Magma giàu kiềm
(giàu Na và K), với những đặc điểm trên sét bentonit tạo thành bởi hai quá trình
thủy phân và quá trình hấp phụ trao đổi cation. Là mỏ bentonit kiềm duy nhất được
phát hiện và được thăm dò trữ lượng đầy đủ theo các qui định của Luật khoáng sản
Việt Nam. Thung lũng Nha Mé với diện tích gần 10 km2, trong đó diện tích có bề
dày thân quặng lớn hơn 1m chỉ khoảng 2 - 4km2. Chiều dày lớp bentonit tối đa 11m,
trung bình là 3-4m. Trữ lượng ước tính là 42.000.000 tấn.
Bentonit kiềm Bình Thuận thành phần chính là Montmorillonit công thức
hóa học là (Al.Fe)1,67 Mg0,33Si4(OH2)(Na.Ca0,33)[11]. Hàm lượng Montmorillonit từ

11


10-20%. Hệ số độ keo từ 0,2-0,22. Dung tích trao đổi cation 15,62-19,67
mgđl/100g. Khả năng trao đổi ion có thể là các cation kiềm (Na+, K+).
Bentonit kiềm Bình Thuận là nguồn nguyên liệu không thể thiếu, đặc biệt là
nguyên liệu tốt để sản xuất các chất xúc tác có tác dụng làm sạch môi trường một

cách triệt để đối với những vùng đất và nước bị nhiễm các chất độc hóa học như
đioxin, chất phóng xạ, thuốc bảo quản thực vật, phân bón hóa học và thuốc trừ sâu.
Bảng 1.3. Thành phần khoáng chất chủ yếu (dựa theo kết quả phân tích
Ronghen)[2]
Tên khoáng chất

Thành phần (%)

Montmorillonit

49- 51

Illite

7–9

Kaolinite Clorite

13 – 15

Thạch anh

6–8

Felspat

7-9

Gơtit

4-6

Canxit

4-6

Bảng1.4. Thành phần hoá học của bentonit Bình Thuận- Việt Nam[12]
(Phần trăm khối lượng các oxide)
SiO2

Al2O3

Fe2O3

FeO

MgO

CaO

K2O

Na2O

MKN

65,576,5

6,7111,81

1,442,27

0,210,75

1,052,13

3,298,32

0,621,92

1,352,4

1011,30

1.1.3. Giới thiệu khoáng sét bentonit và bentonitthu được từ mỏ Cổ Định - Thanh Hóa
Bentonit là một loại kháng sét tự nhiên hình thành từ quá trình tro hoá núi
lửa, tương đối mềm, có màu từ trắng tới vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe
trong cấu trúc khoáng.Thành phần chính của bentonit là montmorillonit (MMT).
Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào cấu trúc.
12


Trong trường hợp lý tưởng công thức của MMT là Si8Al4O20(OH)4 ứng với
một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, trong thực tế thành phần hóa học của MMT còn có
sự suất hiện của các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, Ca, K,… trong đó tỷ lệ
Al2O3:SiO3 thay đổi từ 1:2 đến 3:4. 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…
Cấu trúc tinh thể MMT được chỉ ra trong Hình 1.1, mạng tinh thể của MMT

gồm có lớp hai chiều trong đó lớp Al2O3 (hoặc MgO) bát diện ở trung tâm giữa hai
lớp SiO2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi của lớp tứ diện cũng
thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên tử oxy
định vị ở bốn góc của tứ diện. Nguyên tử Al (hoặc Mg) trong lớp bát diện thì phối
trí với 6 nguyên tử oxy hoặc nhóm hyđroxyl (OH) định vị ở 6 góc của bát diện đều.
Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một đơn vị cơ sở của
nanoclay. Bề dày của tiểu cầu có kích thước khoảng 1 nm (10 Å) và chiều dài của
tiểu cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm.
Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét sắp xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng
cách giữa các lớp, khoảng cách này thường được gọi là khoảng cách “Van de
Waals”, là khoảng không gian giữa hai lớp sét [12]. Sự hình thành nanoclay trong tự
nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong lớp tứ diện được thay
thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị 3 trong lớp bát diện
thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị 2 như Fe và Mg. Sự thiếu
hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu cầu sét mang
điện tích âm. Điện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim loại kiềm và kiềm
thổ (chẳng hạn như ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+,…) chiếm giữ khoảng không gian
giữa các lớp này.

13


Hình 1.1. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit.[12]
Dựa vào thành phần các cation có trong khoáng sét người ta phân bentonit
thành 3 loại chính:
9 Natribentonit: Là một loại bentonit có khả năng hút ẩm cao, trương nở mạnh
gấp nhiều lần kích thước khô ban đầu khi tiếp xúc với nước và có thể duy trì
tình trạng này trong một thời gian dài.
9 Canxibentonit: Khác với Natribentonit, Canxi bentonit không có tính trương
nở mạnh mà tính chất đặc trưng của nó là khả năng hấp thụ các ion trong

dung dịch.
9 Kalibentonit: Là một loại bentonit giàu kali illitic. Giống như Canxi bentonit,
K-bentonit không có tính trương nở, nó chủ yếu được ứng dụng trong việc
sản xuất các vật liệu xây dựng và ngăn chặn các chất thải phóng xạ.
Mỏ bentonit Cổ Định nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa. Trữ lượng
sét Cổ Định-Thanh Hóakhoảng 4.380.000 m3. Sét bentonit là sản phẩm thải trong
quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit của mỏ Cổ Định. Hàm lượng
montmorillonit nguyên khai là 43,9%. Bentonit Cổ Định có màu vàng sẫm. Thành
phần hạt vụn: 6,3%; hạt dưới 1 µm: 53,47 % ; từ 6-32 µm: 15,86%; từ 32-63 µm:
2,27%, lượng sét trên sàng 63µm là 16,1%. Dung tích trao đổi cation
52,9mgđl/100g, trong đó chủ yếu là cation Ca2+:20,3 mgđl/100g sét và Mg2+: 31,1
mgđl/100 g sét [11].
14


Hình 1.2. Mỏ bentonit Cổ Định – Thanh Hóa
Bentonit Cổ Định - Thanh Hóa có trữ lượng lớn, giá thành khai thác rẻ
nhưng chất lượng thấp và chưa được khai thác để sử dụng cho nhiều mục đích khác
nhau. Hiện mới có ứng dụng làm phụ gia trong chế biến thức ăn gia súc, phân bón,
dung dịch khoan cọc nhồi chất lượng trung bình, hoặc bán ở dạng thô chưa chế
biến.

Hình 1.3. Bột khoáng bentonit Cổ Định
Trong sét bentonit Cổ Định - Thanh Hóa có 2 nhóm khoáng vật chứa sét và
Cromit. Nhóm khoáng vật chứa sét bao gồm : Actinolite, Baumit, Monoriolit,
Clinochlore, Nepowite. Nhóm khoáng vật chứa Cromit bao gồm : Magneto
15


chromite, Aluminian chromite, Niken Chromium, Manganese oxide, Iron silicate,

Chrom silicate. Trong thành phần bùn sét chủ yếu là các khoáng vật thạch anh
pyroxene… ở dạng mảnh vụn. Phần lớn các hạt mịn (bùn) là các sản phẩm phong
hóa vỡ vụn của limonit, bruxit,… và các sản phẩm biến đổi thứ sinh từ pyroxene,
olirin (sét) giàu sắt,Magie. Phần bùn ít hơn phần vỡ vụn, chúng chiếm khoảng 1/4 1/5 khối lượng của mẫu ở phần không có từ tính. Trong các tinh quặng tuyển trọng
lực đều có mặt của các khoáng vật chứa bạc và plantin, rutil, và zincon.
1.1.3.1. Thành phần khoáng vật của bentonit Cổ Định -Thanh Hoá
Thành phần khoáng vật của bentonit Cổ Định- Thanh Hoá được xác định
bằng phương pháp nhiễu xạ tia rơnghen và nhiệt vi sai.
Bảng1.5. Thành phần khoáng vật của bentonit Cổ Định - Thanh Hoá [7]
Thành phần
khoáng vật

Hàm lượng, (%)
Phương pháp rơnghen

Phương pháp nhiệt vi
sai

Montmorillonit

35 - 44

38 - 42

Hydromica

8-15

10 – 13

Chlorit

10-20

12 – 17

Kaolinite

10-14

8-10

Thạch anh

7-15

Felspat

5-8

Hydrogotit

7-10

Canxi

ít

5-8

Mỏ sét Cổ Định đã được nghiên cứu bước đầu trong công trình của Phan
Văn Tường, Lương Trọng Đảng [1] và đã được nhiên cứu một cách hệ thống trong
nhiều công trình tiếp theo [9,15].
Sét được khai thác đồng thời với quặng cromit bằng phương pháp trọng lực,
sét là phế thải được tách ra dưới dạng hạt mịn, qua các máng thải đi vào bể chứa và
16


lắng đọng thành bùn nhão. Tính trung bình cứ khai thác được một tấn quặng cromit
thì thải ra 10 tấn bùn sét. Theo các công trình nghiên cứu [1,15] sét chứa trong các
bể thải có thành phần đồng nhất, chiếm chủ yếu là khoáng monmorilonit giàu sắt,
thành phần hàm lượng cát thạch anh, gơtit không đáng kể.
Những số liệu được trình bày ở trên cho thấy thành phần khoáng vật của
bentonit Cổ Định - Thanh Hóa có chlorit 10-20%, hydromica 8-15%,
montmorillonit 35 -44%. Ngoài ra, còn một số khoáng sét rất có ý nghĩa khác mà
trong bentonit Cổ Định - Thanh Hóa đều chứa một hàm lượng đáng kể như
hydromica (vermiculit) 10-14%, hydrogotit 7- 10%...Cấu trúc lưới tinh thể trong sét
bentonit còn chứa một lượng đáng kể keo sét vô định hình khác, nhất là các hợp
chất đa dạng Si, Al, Fe, Mg...
1.1.3.2. Thành phần hóa học của bentonit Cổ Định - Thanh Hoá
Các mẫu bentonit nguyên khai lấy về từ mỏ Cổ Định-Thanh Hóa sau khi xử
lý mẫu được tiến hành phân tích thành phần hoá học như bảng sau:
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của bentonit Cổ Định -Thanh Hoá [7]
Thành phần hóa học

Hàm lượng,%

SiO2

47,54 - 48,66

Al2O3

6,32 - 9,14

Fe2O3

17,26 - 19,49

FeO

0,21 – 0,34

TiO2

0,65 - 0,70

CaO

0,29 - 0,38

MgO

6,80 - 8,42

MnO

0,08 - 0,13

K2O

0,26 - 0,63

Na2O

0,07 - 0,09

MKN

14,71 - 15,37

Kết quả phân tích cho thấy, sét Bentonit Cổ Định thuộc nhóm Monmorilonit,
thành phần SiO2 và Al2O3 tương đối thấp; Fe2O3 và MgO khá cao.
17


1.1.3.3. Khả năng trao đổi cation của bentonit Cổ Định-Thanh Hóa
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 Al3+ hoặc Fe3+, hoặc
Al3+ trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+...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. 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+

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. 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 [4].

18


Hình 1.4. Trao đổi cation giữa Ca2+ và Na+[10]
Do khả năng dễ dàng trao đổi cation nên khoáng sét có nhiều ứng dụng trong
các lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, như trên hình 1.4 là sự trao đổi cation Ca2+ với Na+
đã chuyển Canxi bentonit kém trương nở thành Natri bentonit trương nở tốt hơn (pha
chế dung dịch khoan gốc nước) hay như trao đổi với các gốc amin bậc 4 trên bề mặt
sét để tạo sét hữu cơ thành gốc ưa dầu và dùng pha chế dung dịch khoan gốc dầu.
Kết quả xác định dung lượng trao đổi cation của bentonit Cổ Định và một số
tính chất khác được ghi ra ở bảng 1.7. Từ kết quả đó cho thấy bentonit Cổ Định có
dung lượng trao đổi cation tương đối cao.
Bảng 1.7. Dung lượng trao đổi cation [7]
Các thông số

Đơn vị đo

Giá trị

Na+ trao đổi

mgđl/100g

0,14 - 0,24

K+ trao đổi

mgđl/100g

0,38 - 0,64

Ca2+ trao đổi

mgđl/100g

2,24 - 3,04

Mg2+ trao đổi

mgđl/100g

49,60 - 53,20

Nhìn vào bảng 1.7, ta thấy tổng dung lượng cation trao đổi cao mà chủ yếu là Mg2+
và Ca2+.

19

Bảng 1.8. Một số tính chất khác của bentonit Cổ Định - Thanh Hóa [17]
Các thông số

Đơn vị đo

Giá trị

pHKCl

6,2

N

%

0,042

CEC

meq/l00g

46,75

Cu

ppm

13,52

Zn

ppm

63,25

Cd

ppm

0,87

Pb

ppm

12,15

Nguyên tố vi lượng

Các số liệu phân tích cho thấy bentonit của Thanh Hóa có phản ứng trung
tính đến hơi kiềm, N, P2O5, K2O thấp, dung tích hấp thụ khá cao (CEC: 4648meq/100g). Kiềm thổ chiếm chủ yếu trong hệ hấp phụ - trao đổi, độ bão hòa bazơ
cao, nhưng ion K+ và Na+ trong hệ hấp phụ thấp.
Trong sét bentonit Cổ Định -Thanh Hóa, Mg chiếm tỷ lệ cao, và một tỷ lệ
không nhỏ các dạng hydroxit Fe có trong bentonitCổ Định Thanh Hóa khi độ ẩm
của sét cao. Có thể nhận định rằng bentonitCổ Định - Thanh Hóa là loại bentonit kiềm
thổ và với hàm lượng keo sét trong quặng nguyên khai tương đối cao, tỷ diện lớn cộng
với những tính chất hóa lý ưu việt của khoáng sét montmorillonit, hydromica.... cho
thấy nó là những nguyên liệu tốt có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
1.1.3.4. Khả năng trương nở của bentonit Cổ Định - Thanh Hóa [17]

Khả năng trương nở của bentonit là sự tăng thể tích của chúng trong quá
trình được làm ướt. Khi bị ẩm ướt, trên bề mặt những phần tử bentonit hình thành
các liên kết hờ, lực dính kết giữa chúng bị giảm làm cho những phần tử hạt bentonit
càng xa nhau, từ đó làm tăng thể tích của chúng.

20


Tính trương nở liên quan đến nhiều tính chất khác như thành phần cấp hạt,
thành phần khoáng vật, thành phần hóa học. Lượng nước được hấp phụ vào giữa
các lớp sét phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi. Khi bentonit
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. Kết quả phân tích độ trương nở của bentonit Cổ Định -Thanh Hóa
cho thấy thông số này của bentonitCổ Định -Thanh Hóa là 30,541%.[8]
Trương nở kéo theo làm giảm độ xốp, làm giảm độ thấm, nhờ tính chất ưu
việt này mà một số loại đất có vấn đề như đất cát pha, đất xám bạc màu nếu được
trộn với bentonit, đất sẽ tăng khả năng giữ ẩm, giảm độ thấm, cải thiện trạng thái
cấu trúc, giảm khả năng bốc hơi lý học, tăng cường sự hoạt động của vi sinh vật
và cải thiện nhiều tính chất khác cho đất [17]
1.1.3.5. Tính dẻo của bentonit Cổ Định - Thanh Hóa
Ở trạng thái độ ẩm mà bentonit có khả năng tạo được những hình dạng
nhất định và giữ nguyên được trạng thái hình dạng đó khi không có lực tác động
bên ngoài gọi là độ dẻo (hay còn gọi là tính dẻo, hoặc tính tạo hình) của bentonit.
Tính dẻo được đặc trưng bằng số dẻo (Tính theo độ ẩm đất) tức là hiệu số giữa
giới hạn trên (còn gọi là giới hạn chảy dưới) và giới hạn dưới (còn gọi là giới hạn
về thành sợi). [17]
Bảng 1.9. Phân loại đất theo tính dẻo[17]
Số dẻo

Phân loại

0

Cát

0 - 7

Cát pha

7 - 17

Đất thịt

> 17

Đất sét

21


Những số liệu đo đạc cho thấy bentonit Cổ Định -Thanh Hóa có tính dẻo
(với trị số dẻo là 41,73).Tính chất này được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sản
xuất đồ gốm, xi măng,…nhằm tăng độ dẻo cho sản phẩm.
1.1.3.6. Một số tính chất khác
¾ Tính kết dính
Bentonit có khả năng kết dính mạnh nên người ta thường sử dụng bentonit
làm chất gắn kết trong công nghiệp và sản xuất.
¾ Tính trơ
Bentonit tương đối trơ và bền về mặt hóa học nên có thể ăn được. Vì vậy nó

được ứng dụng làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc và mỹ phẩm….
¾ Tính hấp thụ/hấp phụ
Tính chất hấp thụ/hấp phụ được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc
lớp của chúng. Do bentonit có cấu trúc tinh thể và độ phân tán cao nên có cấu trúc
xốp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng lớn đến tính chất hấp phụ của các
chất, đặc trưng của nó là tính 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. 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.
Để tăng cường khả năng trương nở hoặc hấp phụ [9], khả năng hấp thụ nước
và độphân tán của bentonit người thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation
khác tạo racác bentonit có các tính chất khác nhau [1]. Muốn thế cần phải hoạt hoá
bentonit, thường sử dụng: Na2CO3, NH4Cl, H2SO4, HCl... để hoạt hoá sét bentonit
[11].
1.1.4. Phương pháp hoạt hóa bentonit [8, 12]
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
22


nhiều phương pháp hoạt hóa hóa bentonit, áp dụng cho từng loại bentonit và mục
đích hoạt hóa, nhưng có ba phương pháp chính là: hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa
bằng nhiệt và hoạt hóa bằng axit vô cơ.
1.1.4.1. 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°C) và đến

khoảng 200°C thì có thể tách ra hoàn toàn.
Tuy vậy, khi hoạt hóa bentonit bằng nhiệt, không được đun tới 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 sẽ có khoảng nhiệt độ thích hợp riêng, thường khoảng từ 110 150°C.
1.1.4.2. Hoạt hóa bằng kiềm
Dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như: Al2O3, Fe2O3 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 thi 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 truờng hợp đặc biệt nào đó người ta mới sử dụng phương
pháp này.
1.1.4.3. Hoạt hóa bằng axit vô cơ
Đây là phương pháp hoạt hóa bentonit hiệu quả nhất nên thuờng 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, HNO3, H2SO4.

23


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 khả năng hòa tan một phần SiO2
ở nhiệt độ cao. Tuy vậy, HCl dễ bay hơi nên gây khó khăn cho thao tác hay điều
chỉnh nhiệt độ. Lợi dụng chính điểm yếu này mà 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, nồng độ axit dùng cho hoạt hóa, thời gian hoạt hóa, tỷ lệ bentonit trên
axit, nhiệt độ hoạt hóa, độ phân tán của bentonit,v.v... Mỗi yếu tố 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.
Khi hoạt hoá bentonit bằng tác nhân axit HCl, có thể sử dụng các kỹ thuật
khác nhau, đó là kỹ thuật ngâm ủ và kỹ thuật khuấy trộn. Việc sử dụng mỗi một kỹ
thuật có những ưu và nhược điểm của nó.
Cho đến nay chưa thể kết luận cơ chế giải thích tương tác của các axit vô cơ
với các chất có tính hấp phụ nguồn gốc khoáng tự nhiên như bentonit. Tuy nhiên,
nhiều tác giả đã nghiên cứu và giải thích khi xử lý bentonit bằng tác nhân HCl thì
các tạp chất chứa sắt, canxi,... có trong bentonit có thể được tách ra từ dạng không
tan vào dạng tan theo phản ứng sau:
Fe2O3 + HCl = 2FeCl3 + 3H2O
CaO + 2HCl = 2CaCl2 + H2O
Sự hòa tan sét trong các axit vô cơ luôn kèm theo sự phá hủy từng phần cấu
trúc tinh thể của khoáng vật. Vì vậy, cùng với các tạp chất bị tan thì một phần oxit
nhôm Al2O3 trong cấu trúc bentonit cũng bị phân huỷ theo phản ứng:
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

24