Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit trung quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM


LÝ THỊ THÊM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮ U CƠ TỪ BENTONIT
TRUNG QUỐC VỚI TETRAĐECYLTRIMETYLAMONI
BROMUA VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: HOÁ VÔ CƠ
Mã số: 62 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Pha ̣m Thi Ha
̣ ̀ Thanh

THÁI NGUYÊN - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Trung
Quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng” là do
bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật
tôi xin chịu trách nhiệm.
Thái nguyên, tháng 04 năm 2015
Tác giả

Lý Thị Thêm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
i




LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chỉ bảo tận tiǹ h của
TS.Pha ̣m Thi ̣Hà Thanh, cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Em xin
chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại
học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên
đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên
cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm
Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm, Đa ̣i ho ̣c Thái Nguyên; khoa Hoá học, Trường
Đại học Khoa ho ̣c Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Khoa ho ̣c Vâ ̣t liê ̣u, Viê ̣n
Hàn lâm Khoa học và Công nghê ̣ Việt Nam và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo
điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu
của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và
những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015
Tác giả

Lý Thị Thêm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ii




MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU .................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 3
1.1. Bentonit ............................................................................................................. 3
1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonit ............................................ 3
1.1.2. Tính chất của bentonit ................................................................................ 5
1.1.3. Ứng dụng của bentonit ............................................................................... 6
1.1.4. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit...................................................... 8
1.1.5. Nguồn tài nguyên bentonit ......................................................................... 9
1.2. Sét hữu cơ ........................................................................................................ 13
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ ........................................................................... 13
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ................................................................................... 13
1.2.3. Các hợp chất hữu cơ được sử dụng để điều chế sét hữu cơ ..................... 15
1.2.4. Tính chất của sét hữu cơ .......................................................................... 17
1.2.5. Ứng dụng của sét hữu cơ ......................................................................... 18

1.2.6. Các phương pháp điều chế sét hữu cơ ..................................................... 19
1.3. Giới thiệu về phenol đỏ ................................................................................... 25
1.3.1. Tổng quan về phenol ................................................................................ 25
1.3.2. Một số thành tựu xử lý các hợp chất phenol ............................................ 27
1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ................................................................ 27
1.4.1. Khái niệm ................................................................................................. 27
1.4.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học .......................................................... 28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
iii




1.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ .................................................... 28
1.4.4. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ ...................................... 29
Chương 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 34
2.1. Hóa chất, dụng cụ ............................................................................................ 34
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................... 34
2.1.2. Dụng cụ, máy móc ................................................................................... 34
2.2. Thực nghiệm ............................................................................................... 34
2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ .................................................... 34
2.2.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phenol đỏ
củabent-TQ và sét hữu cơ điều chế ....................................................................... 35
2.3. Các phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 36
2.3.1. Phương pháp nhiễu xa ̣ tia X (XRD) ......................................................... 36
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt .................................................................... 37
2.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) .............................................. 37
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................ 37
2.3.5. Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ ......... 37
2.3.6. Phương pháp trắc quang ........................................................................... 38

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 39
3.1. Điều chế sét hữu cơ ......................................................................................... 39
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ............................................. 39
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TĐTM/bentonit ....................... 41
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch .................................................... 43
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ............................................ 45
3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu............ 47
3.2.1. Nghiên cứu bằ ng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................ 47
3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại ......................... 48
3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt ....................................... 50
3.2.4.Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................... 52
3.3. Khảo sát khả năng hấ p phu ̣ phenol đỏ của sét hữu cơ điề u chế ...................... 53
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ .................................................... 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
iv




3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ................................................. 54
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ điề u chế ......... 55
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ............................................ 57
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mô hình đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir .............................................................................................. 59
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 62
TÀ I LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 63
PHỤ LỤC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU

Chữ viết tắt, kí hiệu
TĐTM
Bent-TQ
Shc

Nội dung
Tetrađecyltrimetylamoni bromua
Bentonit (Trung Quố c)
Sét hữu cơ

XRD

X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X

SEM

Kính hiể n vi điê ̣n tử quét

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện
tích sét bị che phủ ...................................................................................... 15
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%)
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ...................................... 40
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TĐTM/bentonit đến giá trị d001 vàhàm
lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điề u chế ...... 42
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến giá trị d001 và hàm lượng (%) cation
hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ................................................. 44
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng cation
hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ................................................. 46
Bảng 3.5: Kế t quả phân tić h giản đồ nhiê ̣t của bent-TQ và sét hữu cơ điề u chế ở
điề u kiê ̣n tố i ưu .......................................................................................... 51
Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ ........................................... 53
Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian ................... 54
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ phenol đỏ ...................................................................... 55
Bảng 3.9: Ảnh hưởng nồng độ đầu của phenol đỏ đến dung lượng và hiệu suất
hấp phụ của sét hữu cơ .............................................................................. 58
Bảng 3.10: Giá trị hấp phụ lớn nhất và hằ ng số Langmuir bcủa Bent-TQ và Sét
hữu cơ điều chế. ........................................................................................ 58

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
v




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT .................................................................. ..3

Hình 1.2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat ..................... 14
Hình 1.3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp ............. 15
Hình 1.4: Cấu tạo phân tử, cấu trúc không gian của phenol đỏ .................................. 25
Hình 1.5: Cơ chế chuyển màu của phenol đỏ ............................................................ 26
Hình 1.6 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .......................................................... 32
Hình 1.7: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .................................................................... 32
Hình 1.8:Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ....................................................... 33
Hình 1.9:Sự phụ thuộc lgq vào lgCf ........................................................................... 33
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .................................................................... 35
Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở
các nhiệt độ 20oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC ..................................... 39
Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng
của các mẫu sét hữu cơ điều chế ............................................................... 40
Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các
tỉ lệ TĐTM/ bentonit lần lượt là 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 ............................. 41
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ TĐTM/ bentonit
của các mẫu sét hữu cơ điề u chế ............................................................... 42
Hình 3.5: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ điều chế trong dung
dich
̣ có pH lầ n lươ ̣t là 6, 7, 8, 9, 10, 11 ..................................................... 44
Hình 3.6: Đồ thi ̣biể u diễn sự phu ̣ thuô ̣c của giá tri ̣d001 theo pH dung dich
̣ .............. 44
Hình 3.7: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong thời
gian 1giờ, 2giờ, 3giờ, 4giờ, 5giờ, 6giờ...................................................... 46
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản ứng ............. 46
Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-TQ ................................................................. 48
Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điề u kiê ̣n tố i ưu ........................ 48
Hình 3.11: Phổ hấp thụ hồng ngoại của bent-TQ ....................................................... 49
Hình 3.12: Phổ hấp thụ hồng ngoại của (TĐTM) .................................................... 49
Hình 3.13: Phổ hấp thụ hồng ngoại của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ....... 49

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

vi


Hình 3.14: Giản đồ phân tić h nhiê ̣t của bent-TQ........................................................ 51
Hình 3.15: Giản đồ phân tích nhiê ̣t của sét hữu cơ điề u chế ở điề u kiê ̣n tố i ưu ......... 51
Hình 3.16: Ảnh SEM của bent–TQ (a), của sét hữu cơ điều chế (b) .......................... 53
Hình 3.17: Đường chuẩn của phenol đỏ ..................................................................... 54
Hình 3.18: Đồ thi ̣ biể u diễn ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ
phenol đỏ của bent-TQ, sét hữu cơ điề u chế ............................................. 55
Hình 3.19: Đồ thi ̣ biể u diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-TQ, sét hữu cơ điề u
chế đến quá trình hấp phụ phenol đỏ......................................................... 56
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ đến khả năng hấp
phụ phenol đỏ của bent-TQ và sét hữu cơ điề u chế .................................. 58
Hình 3.21: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-TQ đố i với phenol đỏ ........... 59
Hình 3.22: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của bent-TQ ........ 59
Hình 3.23: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ điề u chế đố i với
phenol đỏ ................................................................................................... 60
Hình 3.24: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của sét
hữu cơ điề u chế ......................................................................................... 60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – vii
ĐHTN




MỞ ĐẦU
Bentonit (bent) 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 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, vecni, 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, đặc biệt 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 gần đây là điều chế vật liệu
nanocompozit, làm chất hấp phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trường
nước. Do có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, sét hữu cơ đã và đang
được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu ngày càng nhiều.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề quan tâm của toàn nhân loại trên
thế giới, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. Trong quá trình sản xuất, nhu cầu sử dụng
nước rất lớn, đồng thời thải ra môi trường một lượng lớn các chất hữu cơ độc hại,
trong đó có phenol đỏ (phenylsunfophtalein) và các hợp chất của phenol. Đây là
nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học. Khi xâm nhập vào cơ
thể, các hợp chất phenol đỏ gây ra nhiều tổn thương cho các cơ quan như hệ thần
kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư, đột biến gen. Vì vậy việc quan tâm và xử lý
các hợp chất phenol có một vai trò và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống
hiện tại và tương lai của loài người.
Trong suốt những thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, zeolit với hệ
thống vi mao quản đồng đều đã được ứng dụng làm chất hấp phụ cũng như chất mang
xúc tác để xử lý phenol đỏ trong phẩm nhuộmdùng trong công nghiệp dệt may. Tuy
nhiên ứng dụng của than hoạt tính và zeolit bị hạn chế bởi kích thước mao quản nhỏ
dẫn đến không thích hợp cho quá trình hấp phụ các chất có kích thước lớn hơn và cấu
trúc cồng kềnh như phenol đỏ, xanh metylen...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1

Trước những hạn chế đó, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước không ngừng
nghiên cứu, tìm kiếm những vật liệu có tính năng vượt trội hơn nhằm đáp ứng nhu
cầu cho việc xử lý môi trường bị ô nhiễm. Nhờ khả năng hấp phụ và khả năng trao
đổi ion tốt của bent nên bằng các phương pháp xử lý khác nhau, người ta có thể tạo ra
các vật liệu có chức năng khác nhau. Vật liệu sét hữu cơ được tổng hợp từ pha nền là
bent và chất tạo cấu trúc là các hợp chất muối amin. Mạch hiđrocacbon khi được chèn
vào giữa các lớp của bent sẽ làm tăng khoảng cách lớp, tăng tính kỵ nước, do đó làm
tăng khả năng hấp phu ̣ của vật liệu với các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất hữu cơ
mạch vòng, các chất có phân tử khối lớn, cấ u trúc cồ ng kề nh như phenol đỏ.
Do vậy với mục đích từ nguồn nguyên liệu bentonit có sẵn trong tự nhiên có
thể điều chế được sét hữu cơ có khả năng hấp phụ tốt, đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải
hữu cơ trong môi trường nước, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét
hữu cơ từ bentonit Trung Quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu
thăm dò ứng dụng”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2




Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Bentonit
1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonit
- Thành phần khoáng vật: Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần

chính là montmorillonit (MMT). Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonit
thường chứa một số khoáng sét khác như hectorit, saponit, zeolit, mica, kaolin,
beidilit …và một số khoáng phi sét: canxi, pirit, manhetit, các muối kiềm và một
số chất hữu cơ khác.
- Thành phần hóa học: Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2Oứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lý 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 có các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó
tỉ lệ Al2O3: SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4 [7], [9], [14].

c
b
a

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3


- Cấu trúc: Cấu trúc tinh thể của MMT được trình bày ở hình 1.1 cấu trúc này được
tạo bởi hai mạng lưới tứ diện liên kết với mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp
cấu trúc.Trong không gian giữa các lớp còn tồn tại nước và nước có xu hướng tạo vỏ
hiđrat với các cation trong đó. Các lớp được chồng xếp song song và ngắt quãng theo
trục c, cấu trúc này tạo không gian ba chiều của tinh thể MMT (hình 1.2). Khi phân ly
trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ micromet và
dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo theo lực hút Van-đec-van. Chiều dày mỗi lớp cấu trúc
của MMT là 9,2 ÷ 9,8Å. Khoảng cách giữa các lớp khoảng từ 5 ÷ 12Å tùy theo cấu

trúc tinh thể và trạng thái trương nở [12], [14], [18].
Trên thực tế, khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của các
cation hóa trị II (như Mg2+, Fe2+…) với Al3+ và Al3+ với Si4+ hoặc do khuyết tật trong
mạng nên chúng tích điện âm. Để trung hòa điện tích của mạng, MMT tiếp nhận các
cation từ ngoài. Chỉ một phần rất nhỏ các cation này (Na+, K+, Li+…) định vị ở mặt
ngoài của mạng còn phần lớn nằm trong vùng không gian giữa các lớp. Trong MMT,
các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch với dung lượng trao đổi
cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong mạng. Lực liên kết
giữa các cation thay đổi nằm giữa các lớp cấu trúc mạng. Các cation này (Na+, K+,
Li+…) có thể chuyển động tự do giữa mặt phẳng tích điện âm và bằng phản ứng trao
đổi ion ta có thể biến tính MMT. Lượng trao đổi ion của MMT dao động trong
khoảng 70 ÷ 150 mgđl/100 g.
Quá trình xâm nhập cation vào không gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách
cơ sở lên vài chục Å tùy thuộc vào loại cation thế.
Vì vậy các phương pháp thực nghiệm thông thường (hồng ngoại, cộng hưởng từ
hạt nhân, nhiễu xạ tia X) phân tích cấu trúc của sét gặp khá nhiều khó khăn. Đồng
thời các nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của sét bằng phương pháp hộp mô phỏng
cũng gặp nhiều khó khăn vì thường cần phải có các mô hình lớn để mô tả sự thay thế
đồng hình, bản chất lớp của vật liệu và các khuyết tật. Tuy nhiên, sự chú ý về sét
ngày càng tăng do các ứng dụng công nghiệp không ngừng tăng lên, ví dụ trong lĩnh
vực vật liệu mới polymer - clay nanocomposit, đã dẫn cộng đồng hóa lý thuyết phải
nghiên cứu phát triển các công cụ mới để mô phỏng cấu trúc và từ đó giải thích các
chất của sét [12], [14], [16], [18].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
4




1.1.2. Tính chất của bentonit

Thành phần chính của bentonit là MMT có cấu trúc gồm các lớp aluminosilicat
liên kết với nhau bằng liên kết hiđro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp
nên bentonit có các tính chất đặc trưng: trương nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính,....
Trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion.
a) Tính chất trương nở
Cấu trúc lớp hai chiều của các khoáng sét làm cho chúng có có khả năng hấp
phụ lượng nước lớn và sau đó bóc tách, làm mất cấu trúc lớp của chúng và vì vậy
chúng có thể tồn tại ở dạng phiến rất mỏng. Khi đun nóng, sự mất nước làm bền cấu
trúc của sét. Khuynh hướng trương nở quả thực rất đáng chú ý và được sử dụng rộng
rãi để cho các ion, phân tử hữu cơ hoặc polyme thâm nhập vào giữa các lớp sét trong
quá trình điều chế sét hữu cơ hoặc nanocomposit. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ở
MMT, nó có các tính chất hấp phụ rất tốt.
Khi nước bị hấp phụ vào giữa các lớp sét sẽ làm tăng khoảng cách giữa các lớp
sét (giá trị d001) gây ra sự trương nở của sét.
Do khả năng trương nở tốt, người ta có thể điều chế được sét hữu cơ và các
polymer - clay nanocomposit có các tính chất cơ học tốt, khả năng chịu nhiệt cao hoặc
tạo mạng phủ bền. Chính vì vậy, nghiên cứu điều chế sét hữu cơ, sét chống lớp và các
nanocomposit đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu sôi động [13],[18], [21], [24].
b) Tính chất hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt, cấu trúc
rỗng và kích thước hạt của chúng. Bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn gồm cả diện
tích bề mặt ngoài và diện tích bề mặt trong. Trong đó diện tích bề mặt trong được xác
định bởi bề mặt không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Diện tích bề mặt
ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt, ha ̣t càng nhỏ thì diê ̣n tích bề mă ̣t ngoài càng lớn.
Sự hấp phụ bề mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô
cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion và chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có
kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation
trao đổi nằm giữa các lớp sét hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước.
Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5




kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Vanđec-van hoặc liên kết ở vị trí của hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực,
các polyme và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt của bentonit.
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc rỗng phức tạp và
bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất 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 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 [12], [15], [23], [26].
c) Khả năng trao đổi ion của bentonit
Do sự thay thế đồng hình của các cation Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện và Al3+
bằng Mg2+ trong mạng lưới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc,
các điện tích âm này sẽ được bù trừ bằng các cation như Na+, Ca2+,... chúng được gọi là
các cation trao đổi. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm bề mặt,
bản chất của các ion trao đổi và pH của môi trường trao đổi. Nếu lượng điện tích âm bề
mặt càng lớn, nồng độ cation trao đổi càng cao thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi cationcòn phụ thuộc vào hoá trị và bán kính của các cation
trao đổi.
- Cation hoá trị thấp dễ trao đổi hơn cation hoá trị cao: Me+> Me2+ > Me3+.
- Đối với cation có cùng hoá trị bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng
lớn, có thể sắp xếp theo trật tự sau: Li+> Na+> K+> Mg2+> Ca2+> Fe2+> Al3+.
Nhờ tính chấ t trao đổi ion này mà người ta có thể biến tính bentonit để tạo ra
những vật liệu có tính chất xúc tác hấp phụ và các tính chất hóa lí hoàn toàn khác
nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng [12], [19].
1.1.3. Ứng dụng của bentonit
Do có nhiều tính chất đặc trưng nên trong thực tế bentonit có nhiều ứng dụng

nhiều trong thực tế [12], [15], [19], [21].
a) Dùng để xử lý môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6




Bentonit có cấu trúc lớp và tương đối xốp, vì vậy trong lĩnh vực xử lý môi
trường Bentonit thường được sử dụng như là một vật liệu hấp phụ tự nhiên và làm
pha nền để phân tán xúc tác nhằm gia tăng diện tích bề mặt riêng của xúc tác cũng
như tăng khả năng hấp phụ của xúc tác.
Có nhiều cách để biến tính bentonit nhằm cải biến các tính chất vốn có của nó.
Trong công trình này, Bentonit được biến tính bằng các cation hữu cơ nhằm gia tăng
khoảng cách lớp và tăng tính ưa hữu cơ, đồng thời bentonit cũng được sử dụng như
pha nền để phân tán xúc tác quang hoá trên cơ sở titan đioxit. Các vật liệu sau khi
biến tính được ứng dụng để hấp phụ và xúc tác phân huỷ các hợp chất phenol trong
nước bị ô nhiễm [6], [9]
b) Dùng làm chất hấp phụ
- Khả năng hấp phụ và trao đổi ion của cation, cũng như tính trơ của bentonit
làm cho nó được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xử lý môi trường (hấp phụ cation kim
loại nặng trong nước và các hợp chất hữu cơ độc hại, làm chất hấp phụ protein trong
rượu bia làm nguyên liệu điều chế sét chống lớp sét hữu cơ làm chất độn, chất kết
dính thức ăn chăn nuôi chất mang dược phẩm v.v... Trong công nghiệp chế biến rượu
vang và các chế phẩm từ rượu vang sử dụng bentonit hoạt hóa làm chất hấp phụ đã
làm giảm 30% đến 40% chi phí. Bentonit không chỉ hấp phụ các chất hữu cơ, các
chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men mà còn hấp
phụ cả ion sắt, đồng và các tác nhân gây ra bệnh của rượu lại không làm mất hương
vị của rượu, bia. Bentonit còn được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực mỹ phẩm [4],

[5], [11], [15], [23].
c) Dùng làm chất độn
Do bentonit có tính trương nở mạnh nên nó được ứng dụng làm chất độn trong sản
xuất sơn, sản xuất giấy. Việc sử dụng bentonit trong vài thập kỉ gần đây cũng làm thay
đổi đáng kể ngành công nghiệp giấy. Trước kia, giấy thường chứa xấp xỉ 50% xenlulozơ
và hàm lượng kaolin nguyên chất có trong giấy không thể vượt quá 45%. Nếu trộn thêm
10% bentonit kiềm vào kaolin có thể nâng hàm lượng chất độn này lên 60%.
d) Dùng làm chất xúc tác
Do có thành phần hóa học là các lớp aluminosilicat đã bị biến đổi nên bentonit
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
7




được ứng dụng làm chất xúc tác trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ. Vì tạo thành tâm
axit Lewis từ ion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên
bề mặt bentonit nên nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt bentonit sẽ làm tăng độ
axit Lewis của chúng. Bên cạnh đó, trên bề mặt bentonit tồn tại các nhóm hiđroxyl,
các nhóm hiđroxyl này có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt 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 [9].
e) Trong công nghiệp tinh chế nước
Việc sử dụng bentonit làm sạch các nguồn nước mặt như nước sông ngòi, kênh
mương và các vùng giếng khoan có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bentonit được dùng
thay cho phèn do giá thành hạ hơn nhiều, lại có khả năng làm kết tủa các vẩn đục, hấp
phụ các ion gây độc và một lượng lớn vi khuẩn, chất hữu cơ có trong nước. Là một
chất trao đổi ion có trong tự nhiên, bentonit có khả năng khử tính cứng của nước với
giá thành tương đối rẻ [13].
f) Một số ứng dụng khác

Nhờ đặc tính trương nở mạnh và tính dẻo của bentonit người ta còn sử dụng
bentonit trong các công trình thủy lợi như đê điều, mương máng và các công sự
phòng thủ bằng đất. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, bentonit được sử dụng làm
tác nhân liên kết trong sản xuất đạm và làm khuôn đúc. Điều đặc biệt, bentonit còn
được dùng làm phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit. Do có khả
năng hút ẩm trở lại nên bentonit còn được dùng làm chất chống ẩm sau khi sấy khô.
Hiện nay các nghiên cứu về khả năng sử dụng bentonit ngày càng phát triển rộng rãi.
[8], [13], [26].
1.1.4. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Hoạt hóa bentonit là quá trình xử lý hóa học (xử lý bằng axit hoặc kiềm) hoặc
vật lý (xử lý nhiệt) để làm tăng tính chất của bentonit: độ trương nở, khả năng trao
đổi ion, hấp phụ,.. Quá trình hoạt hóa làm thay đổi các ion bù trừ điện tích giữa các
lớp (thường là từ các ion kim loại kiềm thổ, phổ biến là Ca2+ được thay thế bằng H+
hoặc Na+), làm sạch bề mặt của bentonit và loại bỏ các hợp chất hữu cơ đã bị hấp phụ
[10], [13], [20].
a) Hoạt hóa bằng axit
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
8




Quá trình làm sạch vật lý, ngay cả khi dùng thủy cyclone về cơ bản chỉ loại bỏ
được các tạp chất hạt thô chứa các khoáng phi sét lẫn với hỗn hợp sét smectite, như
thạch anh, feldspar, hydromica, v.v.. Muốn làm sạch smectit phải thực hiện quá trình
xử lý bằng axit. Quá trình hoạt hóa bằng axit được thực hiện bằng các axit loãng,
trước hết là các axit vô cơ như H2SO4, HCl, H3PO4. Người ta cũng có thể dùng các
axit hữu cơ như: axit axetic, axit oxalic [9],
b) Hoạt hóa bằng kiềm
Quá trình xử lý bentonit - Ca để chuyển về dạng bentonit - Na có thể bằng

phương pháp ướt (xử lý với dung dịch muối natri: cacbonat, chloride, nitrat.. hoặc
khô (trộn trực tiếp muối natri cacbonat rồi đem sấy trong các lò quay. Quá trình hoạt
hóa bằng kiềm cũng dẫn tới hòa tan các oxit lưỡng tính, tạo trên bề mặt sét những lỗ
trống và các trung tâm hoạt động.
c) Hoạt hóa bằng nhiệt
Đây là phương pháp sử dụng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới tinh
thể của bentonit và đốt cháy các chất bẩn, chất bùn trong đó. Tuy vậy, khi hoạt hóa
bentonit bằng nhiệt không được nung với nhiệt độ quá cao vì bentonit sẽ bị giảm khả
năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110oC đến 150oC.
d) Hoạt hóa bằng chất hữu cơ
Khi bentonit được hoạt hóa bằng chất hữu cơ nó sẽ tạo một lớp bao phủ tối ưu của
chất hữu cơ trên bề mặt bentonit. Vì vậy nó có khả năng hấ p phu ̣ tốt các chất hữu cơ.
1.1.5. Nguồn tài nguyên bentonit
a) Tình hình nghiên cứu và sử dụng bentonit ở một số nước trên thế giới
Trên thế giới nguồn khoáng bentonit được khai thác ngày càng nhiều và sử dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế và xã hội. Sau đây là tình hình sản xuất và sử dụng
bentonit điển hình ở một số nước.
Sản xuất và sử dụng bentonit ở Hàn Quốc: Công nghiệp sản xuất bentonit của
Hàn Quốc bắt đầu từ năm 1968, đến nay có 9 công ty sản xuất các mặt hàng bentonit
cho công nghiệp giấy, luyện kim, xây dựng dân dụng, nông nghiệp, thức ăn gia súc...
Công ty Sued- Chemie liên doanh với CHLB Đức là cơ sở hàng đầu với hệ thống
hoạt hoá bentonit tiên tiến chế tạo các sản phẩm bentonit chất lượng cao từ nguồn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9




trong nước và nhập khẩu với công suất 6500 tấn/tháng. Công ty có hệ thống phòng thí
nghiệm phục vụ nghiên cứu công nghệ và thử nghiệm chất lượng (thành phần cấp hạt,

bề mặt riêng, dung lượng trao đổi, độ nhớt, sức căng bề mặt, mức độ trương nở, pH,
hàm ẩm...) các sản phẩm bentonit theo tiêu chuẩn quốc tế [8], [9], [13].
Sản xuất và sử dụng bentonit ở Trung Quốc: Mỏ bentonit lớn nhất Trung Quốc
là mỏ bentonit - Ca ở Xuân Hoa thuộc tỉnh Hồ Bắc, ngoài ra còn nhiều mỏ bentonit ở
Triết Giang, Quảng Đông ...
Công ty FCC INC tại thành phố nổi tiếng Triết Giang là một công ty hàng đầu
trong lĩnh vực sản xuất và chế biến bentonit của Trung Quốc. Công ty bao gồm các
cơ sở nghiên cứu phát triển, các cơ sở sản xuất chế biến và thương mại những sản
phẩm sét hữu cơ, phụ gia lưu biến, đất tẩy trắng, phụ gia cho dung dịch khoan dầu
khí, chăn nuôi gia súc, ...
Năm 1980, Công ty bắt đầu sản xuất sét hữu cơ trên cơ sở bentonit – Na. Từ đầu
năm 1990 đã phát triển và sản xuất sét hữu cơ trên cơ sở bentonit - Ca. Năm 1996,
Công ty đã xây dựng một dây chuyền sản xuất sét hữu cơ lớn nhất của Trung Quốc.
Từ năm 1999, bắt đầu phát triển và sản xuất các loại sản phẩm sét hữu cơ dễ phân tán
và trở thành công ty đầu tiên của Trung Quốc sản xuất vật liệu tiên tiến này. Năm
2000, đây cũng là công ty đầu tiên của Trung Quốc phát triển các sản phẩm vật liệu
nano loại smectit. Sản lượng các sản phẩm loại này khoảng 5000-8000 tấn/năm, đứng
hàng thứ tư trên thế giới, đáp ứng 60% thị trường Trung Quốc cho các ứng dụng trên
lĩnh vực sơn, mực in, dầu mỡ.
Tổng sản lượng hàng năm đối với tất cả các loại sản phẩm bentonit của công ty
là 250.000 tấn. Hiện công ty sản xuất 6 loại mặt hàng với hơn 20 sản phẩm tinh chế
bentonit phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu [8], [9], [13]
b) Nguồn tài nguyên bentonit ở Việt Nam
Trữ lượng quặng bentonit ở Việt Nam
. Ở nước ta đã phát hiện được hơn 20 mỏ quặng sét Bentonit. Các mỏ quặng có
quy mô lớn đều tập trung ở phần phía nam (thành phố Hồ Chí Minh, Bình Thuận,
Lâm Đồng), ở phía bắc sét Bentonit với hàm lượng nhóm smectit thấp tập trung chủ
yếu ở vùng đồng bằng Bắc bộ và Thanh Hoá.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10

Mỏ bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng đã được thăm dò địa chất và xác
nhận mỏ có trữ lượng khoảng 542.000 tấn, chất lượng bentonit khá tốt, điều kiện địa
chất thuỷ văn, địa chất công trình thuận lợi. Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét bentonit,
với chiều dài thay đổi từ 400 đến 840 m, chiều dày khoảng 1 – 7 m, diện tích phân bố
2,36 km2. Hàm lượng MMT trong sét dao động từ 40 đến 50%. Hệ số độ keo từ 0,29
– 0,42. Dung lượng trao đổi cation khoảng 25,01 – 48,5 mgđl/100g sét khô.
Mỏ bentonit Tuy Phong - Bình Thuận đã được phát hiện tại Nha Mé, Vĩnh
Hảo (huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận), đây là loại bentonit Na, hàm lượng
MMT từ 10÷ 20%, hệ số độ keo từ 0,20÷0,22, dung tích trao đổi cation khoảng
15,62÷19,67 mgđlg/100g.
Mỏ bentonit Cổ Định (Thanh Hoá): nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa.
Bentonit là sản phẩm thải trong quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit, hàm
lượng MMT nguyên khai dao động khoảng 35 ÷ 43,9%. Dung lượng trao đổi cation
khoảng 40 ÷ 52,9 mgđlg/100 g sét khô.
Tại Cheo Reo, Phú Túc và cao nguyên Vân Hòa đã phát hiện 26 tụ khoáng, điểm
quặng bentonit. Các mỏ bentonit khác nói chung có trữ lượng ít, hàm lượng thấp và
chưa được điều tra, đánh giá đầy đủ [9], [12].
Dự báo khả năng khai thác quặng bentonit
Giai đoạn hiện nay đến 2020
Duy trì khai thác và chế biến mỏ Cổ Định (Thanh Hoá) với công suất 20.000
tấn/năm.
Đầu tư nhà máy chế biến tại huyện Di Linh (Lâm Đồng), công suất
25.000 ÷ 30.000 tấn/năm, từ nguồn nguyên liệu mỏ Tam Bố.
Đầu tư nhà máy chế biến tại Tuy Phong (Bình Thuận), công suất
30.000 ÷ 35.000 tấn/năm từ nguồn nguyên liệu mỏ Nha Mé. Theo nhu cầu thị
trường, đầu tư cơ sở thứ 2 có công suất 15.000 ÷ 20.000 tấn/năm từ nguồn nguyên

liệu mỏ Lòng Sông.
Giai đoạn 2020 – 2025
Dự kiến nâng công suất nhà máy chế biến bentonit Di Linh (Lâm Đồng) lên
70.000 ÷ 80.000 tấn/năm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
11




Tuỳ theo nhu cầu thị trường, dự kiến nâng công suất nhà máy chế biến tại huyện
Tuy Phong (Bình Thuận) lên 60.000 ÷ 70.000 tấn/năm và cơ sở sản xuất Lòng Sông
lên 70.000 ÷ 80.000 tấn/năm.
Nâng công suất khai thác và chế biến bentonit tại Cổ Định (Thanh Hóa) lên
80.000 ÷ 90.000 tấn/năm.
c) Tình hình nghiên cứu khoa học công nghệ chế biến bentonit ở Việt Nam
Những công trình nghiên cứu địa chất nhằm tìm kiếm và đánh giá tài nguyên
bentonit trong phạm vi cả nước (Cục Địa chất và khoáng sản, Viện Địa chất khoáng
sản), những nghiên cứu quy hoạch dài hạn về tài nguyên bentonit Việt Nam (Cục Địa
chất và khoáng sản), đã có một số công trình nghiên cứu chế biến bentonit theo các
hướng sau đây:
- Xử lý bentonit thô để loại tạp chất, nâng cao hàm lượng MMT, cải thiện đặc
trưng lưu biến để dùng trong công nghiệp khoan dầu và khuôn đúc (Công ty dung
dịch khoan dầu khí).
- Nghiên cứu các đặc trưng của sét bentonit để ứng dụng trong việc cải tạo đất
trồng trọt (Viện Nông hoá thổ nhưỡng - Bộ NN &PTNT).
- Nghiên cứu các quá trình hoạt hoá biến tính bentonit bằng các polyoxo kim
loại để chế tạo xúc tác (Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Hoá Công nghiệp Viê ̣t Nam).
- Nghiên cứu các quá trình hoạt hoá kiềm và axit đối với bentonit để chế tạo vật
liệu hấp phụ kim loại nặng và phóng xạ dùng trong xử lý môi trường (Viện Công

nghệ xạ hiếm, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt).
- Nghiên cứu quá trình hoạt hoá biến tính bentonit bằng các hợp chất hữu cơ để
sử dụng chế tạo vật liệu nanocomposit, tăng chất lượng dầu mỡ bào quản, và ứng
dụng làm phụ gia lưu biến trong công nghiệp sơn (Viện Hoá học - Trung tâm khoa
ho ̣c Tự nhiên và Công nghê ̣ Quố c gia, Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện nghiên cứu
khoa học công nghệ quân sự).
- Chế tạo vật liệu nano hữu cơ có khoảng cách các lớp 17-31 Å, gốc thế hữu cơ
có số nguyên tử C đến 16, có tính ưa dầu cao, tương hợp tốt với dung môi hữu cơ và
các polyme nền, tương đương chất lượng vật liệu sét hữu cơ của các phòng thí
nghiệm thế giới.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
12




- Thực hiện phản ứng trùng hợp cation polyanilin xen trong lớp khoáng sét, chế
tạo vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao 295- 450oC mở ra triển vọng ứng dụng vật liệu
này trong các ngành công nghệ kỹ thuật cao.
- Xây dựng công nghệ chế tạo vật liệu polymer - clay nanocomposit 3 thành
phần gồm polyanilin, sét hữu cơ và nền epoxy. Vật liệu ba thành phần có tính chống
ăn mòn tốt có thể thay thế vật liệu chống ăn mòn cũ trên cơ sở crôm độc hại.
- Thử nghiệm ứng dụng một số polyme - clay nanocomposit: vật liệu
polyami/sét hữu cơ có tính chất cơ lý hoá cao hơn so với polyamid composit thông
thường, vật liệu epoxy/sét hữu cơ có nhiệt độ làm việc cao hơn epoxy composit thông
thường, vật liệu mỡ/sét hữu cơ có nhiệt độ làm việc cao hơn so với mỡ bảo quản
thông thường.
1.2. Sét hữu cơ
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ
Các nghiên cứu về tương tác giữa các khoáng sét và các hợp chất hữu cơ đã

được thực hiện từ những năm đầu của thế kỉ XX và tăng lên không ngừng về số
lượng và đa dạng về đề tài. Năm 1939, Gieseking nhận thấy xanh metylen có khả
năng thay thế cation giữa các lớp sét. Kết quả này mở ra khả năng sử dụng các ion
amoni (NH3R+, NH2R2+, NHR3+ và NR4+) vào cơ chế trao đổi ion trong khoáng sét..
Vì vậy các hợp chất hữu cơ phân cực khi tiếp xúc với khoáng sét sẽ dễ dàng đẩy và
chiếm chỗ các phân tử nước nằm ở khoảng không gian giữa hai phiến sét. Các phân
tử phân cực liên kết yếu với oxi bề mặt của đỉnh tứ diện SiO4 nằm trong đơn vị cấu
trúc sét bằng lực Van-đec-van. Do vậy các phân tử hữu cơ phân cực trên bề mặt phiến
sét rất linh động và dễ dàng bị thay thế bằng các phân tử khác. Khác với chất hữu cơ
phân cực, cation hữu cơ thay thế các cation vô cơ nằm ở giữa hai phiến sét và liên kết
chặt chẽ với bề mặt phiến sét. Sự tương tác này được gọi là hấp phụ trao đổi ion.
Nguyên tử nitơ của cation hữu cơ gắn chặt vào bề mặt phiến sét còn đuôi hiđrocacbon
sẽ thay thế vị trí các phân tử nước đã bị hấp phụ từ trước và nằm song song hoặc
vuông góc với bề mặt sét [10], [13].
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13




Sự sắp xếp của các phân tử hữu cơ giữa các lớp sét phụ thuộc vào điện tích lớp,
cấu trúc bề mặt, mức độ trao đổi của khoáng sét và chiều dài mạch của ion hữu cơ.
Hình 1.2 cho thấy các ion hữu cơ có thể sắp xếp tạo lớp phẳng (đơn hoặc kép) trên bề
mặt silicat. Ngoài ra, tùy thuộc vào chiều dài mạch ankyl và mật độ gói ghém cho
thấy sự tạo thành các cấu trúc nghiêng với mạch ankyl hướng ra xa bề mặt silicat. Với
các lớp “3 phân tử”, do một số đầu mạch chồng chập lên các đầu mạch khác, nên
khoảng cách giữa các lớp được xác định bởi chiều dày của ba mạch ankyl (Lagaly,
1981; Bergaya và cộng sự, 2006). [20], [24].

Hình 1.2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
Năm 1976. Lagaly [24] và cộng sự đã nghiên cứu sự tạo thành các lớp đơn, lớp
kép và lớp “3 phân tử” của các ion ankylamoni trong khoảng không gian giữa các lớp
của MMT và nhận thấy khoảng cách cơ sở của ankylamoni MMT phụ thuộc vào
chiều dài mạch của ankylamoni (hình 1.3) .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
14




Hình 1.3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp
Nếu mạch hiđrocacbon trong muối amoni hữu cơ là mạch thẳng và có số nguyên
tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 là 13,6Å, nếu số nguyên tử C từ 12 đến 18 thì giá trị
d001 khoảng 17Å(bảng 1.1).
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp
d001 và diện tích sét bị che phủ
Diện tích sét bị che phủ
(nm2)
(%)
-

Số nguyên tử
Cacbon
0

d001
(Å)

9,6

Số lớp cation
hữu cơ
-

3

13,5

1

0,38

23

4

13,4

1

0,44

27

8

13,3

1

0,69

42

10

13,6

1

0,81

49

12

17,4

2

0,94

57

14

17,4

2

1,06

64

16

17,5

2

1,19

72

18

17,6

2

1,31

79

Quy luật này đã được phát hiện, khi các nhà khoa học nghiên cứu phản ứng trao
đổi cation giữa bentonit với các muối amoni hữu cơ và sự tương quan giữa tỷ lệ bề
mặt phiến sét bị che phủ bằng các cation hữu cơ với số lớp cation hữu cơ sắp xếp
trong không gian giữa hai phiến sét. Khi bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50% thì các

cation hữu cơ bắt đầu sắp xếp thành hai lớp.
1.2.3. Các hợp chất hữu cơ được sử dụng để điều chế sét hữu cơ
a) Các phân tử sinh học
Các khoáng sét cũng có thể được biến tính với các phân tử sinh học như protein,
enzym, amino axit, peptit … và điều này sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới. Ví dụ:
bentonit với những ưu điểm như không chứa độc tố, độ hoạt động hóa học và tính hút
nước cao có thể được sử dụng làm chất mang để cố định các phân tử sinh học.
Năm 2007, Ozturk [27] và cộng sự đã biến tính bentonit với histidin.Liên kết
cộng hóa trị được tạo thành giữa các nhóm amino của histidin với cation Al3+ trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
15