Nghiên cứu, ứng dụng khoáng bentonit trong xử lý nước thải dệt nhuộm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
––––––––––––***––––––––––––

VŨ LÊ SONG THƯƠNG

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG KHOÁNG BENTONIT TRONG XỬ
LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
––––––––––––***––––––––––––

Vũ Lê Song Thương

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG KHOÁNG BENTONIT TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM

Chuyên ngành: Kĩ thuật môi trường
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Thị Hà
PGS. TS. Nguyễn Hoài Châu

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả trong luận văn là thành quả lao động của
tôi thu được trong thời gian thực hiện luận văn và những số liệu này không bị chỉnh

sửa. Các kiến thức, thông tin cũng như số liệu thu thập khác trong luận văn đều
được trích dẫn nguồn đầy đủ.
Học viên

Vũ Lê Song Thương


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
PGS.TS. Nguyễn Thị Hà, PSG.TS. Nguyễn Hoài Châu đã giúp đỡ và chỉ bảo tận
tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn .
Tôi xin cảm ơn tới các thầy, cô giáo trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà
Nội đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong thời gian học tại trường (2013 –
2015).
Tôi xin chân thành cảm ơn nhóm thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả
năng nâng cao giá trị sử dụng và xây dựng công nghệ chế biến bentonit Lâm Đồng
làm phụ gia thức ăn cho gia cầm.” đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn tới Ban Giám đốc Viện Công nghệ Môi
trường, lãnh đạo và các cán bộ phòng Hóa Lý Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập va thực hiên luận văn.

Hà Nội, 27 tháng 12 năm 2015
Học viên

Vũ Lê Song Thương


MỤC LỤC
Chương 1 – TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về bentonit .......................................................................................3
1.1.1. Cấu tạo ........................................................................................................3
1.1.2. Tính chất của bentonit ................................................................................7
1.1.3. Các phương pháp tinh chế và biến tính bentonit ......................................14
1.1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bentonit ...............................................21
1.2.Tổng quan về nước thải dệt nhuộm .................................................................24
1.2.1. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và tác động ..............................................24
1.2.2. Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm ..........................................28
Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU...........................34
2.1. Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................34
2.1.1. Bentonit thuộc mỏ Tam Bố ......................................................................34
2.1.2. Loại thuốc nhuộm được sử dụng ..............................................................35
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................37
2.2.1. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm ....................................................................37
2.2.2. Phương pháp tinh chế bentonit bằng ngâm, lắng gạn tự nhiên ................37
2.2.3. Phương pháp biến tính và hoạt hóa bentonit ............................................39
2.2.4. Các phương pháp phân tích khoáng bentonit Tam Bố .............................41
2.2.5. Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và hình thái của vật liệu hấp phụ.............54
2.2.6. Khả năng hấp phụ của bentonit với nước thải dệt nhuộm........................55
Chương 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................58
3.1.Thành phần hoá học: ........................................................................................58
3.2. Thành phần khoáng vật:..................................................................................60

3.3. Đặc trưng của bentonit tinh chế. .....................................................................61
3.3.1. Thành phần khoáng mẫu bentonit tinh chế theo phương pháp sa lắng ....61
3.3.2. Thành phần hóa học mẫu bentonit tinh chế..............................................63
3.3.3. Đặc điểm kết cấu của các mẫu sét Lâm Đồng..........................................64


3.3.4. Phương pháp xác định nhanh hàm lượng khoáng MMT .........................66
3.3.5. Hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế ..........................................69
3.3.6. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của các mẫu bằng phương pháp kính hiển
vi điện tử và hiển vi điện tử truyền qua ..............................................................76
3.4. Biến tính bentonit bằng ion natri ....................................................................79
3.4.1. Lựa chọn điều kiện tối ưu hoạt hóa bentonite với Na2CO3 ......................79
3.4.2. Thành phần hóa học của mẫu bentonite hoạt hóa Na2CO3 ......................80
3.4.3. Thành phần khoáng vật mẫu bentonite hoạt hóa Na2CO3. .......................81
3.4.4. Các đặc điểm kết cấu của bentonite biến tính natri .................................82
3.4.5. Hấp phụ xanh metylen trên bentonite hoạt hóa Na2CO3. .........................82
3.5. Biến tính bentonit bằng H2SO4 .......................................................................91
3.5.1. Thành phần hóa học của Bentonite Tam Bố biến tính axit ......................91
3.5.2. Thành phần khoáng vật mẫu bentonite biến tính axit ..............................92
3.5.3. Cấu trúc bề mặt của bentonite biến tính axit. ...........................................93
3.5.4. Phân tích hiển vi điện tử quét mẫu bentonite biến tính axit H2SO4 .........94
3.5.5. Hấp phụ xanh metylen trên bentonite hoạt hóa H2SO4 ............................95
3.6. Hấp phụ nước thải dệt nhuộm của bentonit ..................................................103
3.6.1. Dựng đường chuẩn cho phương pháp COD ...........................................103
3.6.2. Kết quả hấp phụ các chất trong nước thải dệt nhuộm ............................104
KẾT LUẬN .............................................................................................................108
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................110

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét ....................................................................3
Hình 1.2. Mạng tứ diện ...............................................................................................4
Hình 1.3. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện ................................4
Hình 1.4. Mạng cấu trúc bát diện ................................................................................4
Hình 1.5. Các loại cấu trúc của khoáng sét .................................................................5
Hình 1.6. Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc của Montmorillonit .........................6
Hình 1.7. Cấu trúc của montmorillonit .....................................................................11
Hình 1.8. Sự phân tách các hạt Na–montmorillonit trong nước ...............................20
Hình 2.1. Cấu tạo của phân tử xanh metylen………………..……………………..36
Hình 2.2. Mương dẫn nước thải của làng liên tục đổi màu trong ngày vì hóa chất..37
Hình 2.3. Cốc đựng dung dịch huyền phù bentonit………………………………..38
Hình 2.4.Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir..............................................................52
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf……………….………………………….52
Hình 2.6. Đường hấp phụ đẳng nhiệt……………………………..………………….53
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của lgA vào lgCn Frendlich………………….…………..53
Hình 2.8. Sơ đồ thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua…………………………….........55
Hình 3.1.Đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ nitơ của mẫu TN5/2 và BT 6 (trục "X"
– áp suất tương đối P/Po, trong đó P – áp suất đo, Po – áp suất bão hòa, trục "Y" –
lượng khí hấp thụ bởi một gram vật liệu hấp phụ)…………………………………64
Hình 3.2. Tương quan giữa chỉ số CEC và thành phần MMT trong mẫu bentonit
Lâm Đồng………………………………………………………………………….68
Hình 3.3.Đường chuẩn trắc quang hấp phụ xanh metylen. .......................................69
Hình 3.4.Thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế. ......70
Hình 3.5. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen theo nhiệt độ .........................................71
Hình 3.6. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH ..............72
Hình 3.7.Đồ thị tìm các hằng số trong phương trình Langmuir ...............................73


Hình 3.8. Đường hấp phụ đẳng nhiệt xanh metylen trên bentonit tinh chế theo thực nghiệm.

...................................................................................................................................74
Hình 3.9. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho quá trình hấp phụ xanh metylen
trên bentonit tinh chế .................................................................................................75
Hình 3.10. Sự phân bố của các hạt đất sét montmorillonit Lâm Đồng .....................76
Hình 3.11. Đặc điểm hình thái của các hạt sét montmorillonit Lâm Đồng .............76
Hình 3.12. Tinh thể mẫu sét montmorillonit Lâm Đồng: a) bề mặt tinh thể của
montmorillonit (M); b) các cạnh của montmorillonit tinh (K) .................................77
Hình 3.13. Mẫu đất sét montmorillonit Lâm Đồng...................................................78
Hình 3.14. Tinh thể montmorillonit với cạnh cuộn ống trong mẫu sét Lâm Đồng 78
Hình 3.15. Ảnh hiển vi điện tử a) thạch anh tam giác nhiệt độ thấp, b) mẫu đất sét
montmorillonit từ tỉnh Lâm Đồng .............................................................................78
Hình 3.16. Kaolinite trong mẫu đất sét bentonite Di Linh ........................................79
Hình 3.17. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh metylen trên bentonit–Na (B20–
Na2CO3 3%). .............................................................................................................83
Hình 3.18. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen theo nhiệt độ của B–Na và B–TC.......84
Hình 3.19. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit–Na theo pH ...................85
Hình 3.20. Đồ thị tìm các hằng số trong phương trình Langmuir cho quá trình hấp
phụ xanh metylen trên B20–Na2CO3 tại 25 0C. ........................................................87
Hình 3.21. Đồ thị tìm hằng số trong phương trình Frendlich của quá trình hấp phụ
xanh metylen trên B20–Na2CO3 tại 25 0C ................................................................88
Hình 3.22. Đường hấp phụ đẳng nhiệt xanh metylen trên bentonit B20–Na2CO3 3%
theo thực nghiệm .......................................................................................................89
Hình 3.23. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho quá trình hấp phụ xanh
metylen trên bentonit B20–Na2CO3 ..........................................................................90
Hình 3.24. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich cho quá trình hấp phụ xanh
metylen trên bentonit B20–Na2CO3 ..........................................................................90
Hình 3.25. Mô phỏng quá trình ăn mòn lớp bát diện trong cấu trúc của MMT .......94
Hình 3.26. Hiển vi điện tử quét mẫu bentonite tinh chế và bentonite biến tính axit 94

Hình 3.27. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh metylen trên bentonit–H .............95
Hình 3.28. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen theo nhiệt độ của bentonit B–H20. .....97
Hình 3.29. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH. ...........98
Hình 3.30. Đồ thị tìm các hằng số trong phương trình Langmuir. ...........................99
Hình 3.31. Đồ thị tìm hằng số trong phương trình Frendlich .................................100
Hình 3.32. Đường hấp phụ đẳng nhiệt xanh metylen trên bentonit B–H20 theo thực
nghiệm. ....................................................................................................................101
Hình 3.33. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho quá trình hấp phụ xanh
metylen trên bentonit B–H20. .................................................................................102
Hình 3.34. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich cho quá trình hấp phụ xanh
metylen trên bentonit B–H20 ..................................................................................102
Hình 3.35. Đường chuẩn của phương pháp COD ...................................................104
Hình 3.36. Giá trị COD của nước thải khi cho bentonit tinh chế ...........................105
Hình 3.37. Giá trị COD của nước thải khi cho bentonit biến tính H2SO4 ..............106
Hình 3.38. Giá trị COD của nước thải khi cho bentonit biến tính Na2CO3 ............107


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Các thông số đặc trưng của bentonit – Ca và bentonit – Na được biến tính
bằng H2SO4 ...............................................................................................................18
Bảng 1.2. Một số lĩnh vực sử dụng bentonit (ở Mỹ, Nga) ........................................22
Bảng 1.3.Tổn thất thuốc nhuộm khi nhuộm các loại xơ sợi[23]...............................25
Bảng 1.4 Nồng độ thuốc nhuộm trong nước sông là kết quả của thuốc nhuộm thải
loại bởi công nghiệp dệt nhuộm ................................................................................26
Bảng 1. 5. Các chất gây ô nhiễm và đặc tính nước thải ngành dệt – nhuộm ............27
Bảng 2.1. Chất lượng nước thải do các hộ dệt nhuộm thải ra ...................................36
Bảng 2.2. Thể tích và % thể tích của từng khu vực lắng gạn....................................39
Bảng 3.1. Danh sách mẫu thu thập .................................................................................... 58
Bảng 3.2. Thành phần hoá học của mẫu sét bentonit Tam Bố..................................59
Bảng 3. 3. Thành phần hóa học một số mẫu khoáng sét bentonit Việt Nam ............59

Bảng 3.4. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật bằng phương pháp XRD ........61
Bảng 3.5. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật theo phương pháp XRD .........62
Bảng 3.6. Kết quả phân tích thành phần hóa học theo phương pháp XRF ...............63
Bảng 3. 7. Đặc trưng bề mặt của bentonit Di Linh ...................................................65
Bảng 3.8. Hàm lượng MMT trong các mẫu bentonit xác định bằng phương pháp
GOST ........................................................................................................................66
Bảng 3.9. Chỉ số trao đổi cation của các mẫu bentonit có hàm lượng MMT khác
nhau ở nhiệt độ 25 oC. ...............................................................................................67
Bảng 3.10. Độ hấp thụ quang của dung dịch xanh metylen có nồng độ khác nhau. 69
Bảng 3.11. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo thời gian ..70
Bảng 3. 12. Hiệu suất hấp phụ xnah metylen trên bentonit tinh chế theo nhiệt độ. .........71
Bảng 3.13. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH............72
Bảng 3.14. Bảng khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ xanh metylen của bentonit tinh chế tại
nhiệt độ 250C .............................................................................................................73
Bảng 3.15. Kết quả hấp phụ xanh metylen của các mẫu Bentonite hoạt hóa Na2CO3 ..79
Bảng 3.16. Thành phần oxit mẫu bentonite tinh chế, bentonite hoạt hóa Na2CO3 3% .80


Bảng 3.17. Các thành phần khoáng vật của các mẫu bentonite ................................81
Bảng 3.18. Đặc điểm kết cấu của đất sét tỉnh Lâm Đồng .........................................82
Bảng 3.19. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên 3 loại bentonit theo thời gian ......82
Bảng 3.20. Hiệu suất (%) hấp phụ xanh metylen trên bentonit–Na tại các nhiệt độ
xác định. ....................................................................................................................84
Bảng 3.21. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit theo pH .........................85
Bảng 3.22. Bảng khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ xanh metylen của bentonit–Na tại
nhiệt độ 250C .............................................................................................................87
Bảng 3.23. khảo sát sự phụ thuộc của q vào nồng độ xanh metylen cân bằng (C)theo
phương trình Langmuir đã tìm được .........................................................................89
Bảng 3.24. Kết quả phân tích thành phần hóa học (%) của các mẫu bentonite ........91
Bảng 3.25. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật mẫu bentonite biến tính bằng

H2SO4 ........................................................................................................................92
Bảng 3.26. Kết quả hấp phụ Nitơ của một số mẫu bentonite ...................................93
Bảng 3.27. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit–H theo thời gian ...........95
Bảng 3.28. Hàm lượng MMT và diện tích bề mặt của bentonit ...............................95
Bảng 3.29. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit–H tại các nhiệt độ xác
định. ..........................................................................................................................96
Bảng 3.30. Hiệu suất hấp phụ xanh metylen trên bentonit tinh chế theo pH............98
Bảng 3.31. Bảng khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ xanh metylen của bentonit B–H20 tại
nhiệt độ 250C .............................................................................................................99
Bảng 3.32. Khảo sát sự phụ thuộc của q vào nồng độ xanh metylen cân bằng
(C)theo phương trình đẳng nhiệt đã tìm được .........................................................101
Bảng 3.33. Bảng pha dung dịch chuẩn COD và độ hấp thụ ở 600 nm ...................103
Bảng 3.34. Với bentonit tinh chế ............................................................................105
Bảng 3.35. Với bentonit biến tính H2SO4 ...............................................................106
Bảng 3.36. Với bentonit biến tính Na2CO3 .............................................................107


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Bentonit – Ca: bentonit canxi (bentonit kiềm thổ)
Bentonit – Na : bentonit kiềm
BT: bentonit tinh chế
B –H : bentonit biến tính axit
B – H10, B – H20, B – H30: bentonit biến tính bằng axit H2SO4 10, 20, 30%
B –Na2CO3 : bentonit hoạt hóa Na2CO3
CEC: dung lượng trao đổi cation (Cation – exchange capacity)
MMT,mont : montmorillonite
MB: xanh metylen
meq: mili đương lượng
mđl : mili đương lượng
SEM : hiển vi điện tử quét

TEM : hiển vi điện tử truyền qua
XRD: phổ nhiễu xạ tia X
XRF : phổ huỳnh quang tia X


MỞ ĐẦU
Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm sét smectit. Thành phần
chính của bentonit là khoáng montmorillonit, ngoài ra còn có một số khoáng chất
khác như quartz, kaolin, canxit, v.v… Chính do cấu trúc, thành phần hóa học, khả
năng trao đổi cation lớn, với lớp xen giữa có đặc tính hidrat hóa, nên bentonit có các
tính chất rất đặc trưng của khoáng sét như : khả năng trao đổi ion, trương nở, hấp
phụ, kết dính, nhớt, dẻo, … Do những tính chất này mà bentonit có tiềm năng ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp người
ta còn dùng bentonit làm vật liệu hấp phụ, chế tạo tác nhân xúc tác trong chuyển
hóa chất hữu cơ, trong công nghiệp dầu khí và ứng dụng trong xử lý môi trường.
Ở nước ta, bentonit là nguồn khoáng sét phong phú, có trữ lượng dồi dào
được phát hiện ở nhiều nơi. Theo số liệu của Tổng cục Địa chất, ở Việt Nam có mỏ
bentonit Tuy Phong – Bình Thuận thuộc loại bentonit kiềm, mỏ Di Linh – Lâm
Đồng thuộc loại bentonit kiềm thổ có trữ lượng tương đối lớn khoảng 100 triện tấn,
ngoài ra còn một số mỏ khác ở Phú Yên, Thanh Hóa, An Giang … có trữ lượng bé
hơn [3, 11, 12, 21]. Mặc dù vậy, bentonit ở nước ta mới được khai thác và sử dụng
dưới dangh thô, sử dụng làm vật liệu gốm, vật liệu xây dựng, chế tạo dịch khoan ...
Hiện nay, bentonit hoạt hóa và biến tính sử dụng làm vật liệu hấp phụ ở nước ta chỉ
mới nghiên cứu với lượng nhỏ và kết quả ít được triển khai thực tế. Vì vậy việc
nghiên cứu, sử dụng loại tài nguyên quý giá này và biến nó thành vật liệu sử dụng
có hiệu quả trong các lĩnh vực khác nhau là nhiệm vụ của các nhà khoa học nước
nhà.
Ngành công nghiệp dệt nhuộm là một trong các ngành gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng đặc biệt là nước thải chứa nhiều thành phần nguy hại thải vào
môi trường. Các thành phần ô nhiễm này gây các tác động ảnh hưởng đến sức khỏe

con người và môi trường, hệ sinh thái. Đã có nhiều đề tài nghiên cứu trên trong và
ngoài nước nhằm đưa ra các công nghệ thích hợp xử lý nước thải nhuộm trong đó

1


tập trung loại bỏ thành phần gây màu là các loại thuốc nhuộm. Việc tìm kiếm các
vật liệu hấp phụ mới trên cơ sở sử dụng các tài nguyên hiện có ở Việt Nam nhằm xử
lý ô nhiễm môi trường nước là nhiêm vụ cần thiết và cấp bách. Với ý tưởng sử dụng
nguồn tài nguyên bentonit phong phú, sẵn có, rẻ tiền để điều chế các vật liệu biến
tính có khả năng hấp phụ chất màu trong nước, tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận
văn là : “ Nghiên cứu, ứng dụng khoáng bentonit cho xử lý nước thải dệt
nhuộm”
Mục tiêu nghiên cứu:
Xác định tính chất, đặc điểm của bentonit tự nhiên và biến tính và khả năng
hấp phụ màu ứng dụng trong xử lý nước thải nhuộm.
Nội dung nghiên cứu:
Tổng quan về bentonit và nước thải dệt nhuộm.
Phương pháp biến tính bentonit.
Khả năng hấp phụ của bentonit tinh chế và biến tính đối với xanh metylen và
nước thải dệt nhuộm.

2


Chương 1 – TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
1.1.1. Cấu tạo
Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên mà thành phần chính là
montmorillonit có công thức hóa học tổng quát Al2O3.4SiO2.nH2O, và thêm một số

khoáng sét khác như saponit, nontronit, beidellit. Ngoài ra người ta còn phát hiện
thấy trong bentonit còn có một số khoáng sét khác như kaolinit, clorit, mica và một
số khoáng phi sét khác như canxit, pirit, manhetit … các muối kiềm và các chất hữu
cơ. Vì vậy bentonit được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit. Khi phân
tích thành phần hóa học của mont ngoài nguyên tố Silic, nhôm người ta còn phát
hiện thấy sự có mặt của các nguyên tố Fe, Ca, Mg, Ti, Na, K …[27, 31, 46]. Trong
đó, hàm lượng nước n = 4 – 8, tỉ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1 – 2 đến 1 – 4.
Thành phần hóa học của montmorillonit ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, tính
chất và khả năng sử dụng chúng. Xác định chính xác thành phần hóa học của
bentonit là hết sức cần thiết nhằm định hướng biến tính chúng cho các mục đích sử
dụng hiệu quả nhất [27, 31, 48].
* Cấu trúc montmorillonit.
Cấu trúc của sét bằng cách chụp SEM và TEM các hạt khoáng sét, người ta thấy các
hạt sét có cấu trúc dạng mỏng nhưng dài và rộng . Tất cả đều được tạo ra từ các tứ
diện SiO44  và một lớp bát diện MeO6 , với Me là các kim loại Al, Fe, Mg…

a) Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4

b) Đơn vị cấu trúc bát diện MeO6

Hình 1.1. Đơn vị cấu trúc cơ bản của sét

3


Hình 1.2. Mạng tứ diện

Hình 1.3. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi trong mạng tứ diện
Tương tự như mạng tứ diện, mạng bát diện được tạo thành từ các bát diện
qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều

Hình 1.4. Mạng cấu trúc bát diện
Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua các oxi đỉnh theo
những quy luật trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc tinh thể khác
nhau: Cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1, và cấu trúc 2:1 + 1 [24].

4


a) Cấu trúc 1:1 triocta

b) Cấu trúc 1:1 diocta

c) Cấu trúc 2:1 triocta

d) Cấu trúc 2:1 diocta

e) Cấu trúc 2:1+1
Hình 1.5. Các loại cấu trúc của khoáng sét
Nhóm khoáng sét 1:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới tứ diện liên
kết với một mạng lưới bát diện. Đại diện cho nhóm này là kaolinit, … (hình 5a, 5b).
Nhóm khoáng sét 2:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lưới bát diện nằm
giữa hai mạng lưới tứ diện. Đại diện cho nhóm này là montmorillonit, vermiculite,
… (hình 5c, 5d).
Nhóm khoáng sét 2:1+1, cấu trúc lớp cơ bản gồm ngoài một lớp cấu trúc
tương tự nhóm 2:1, còn thêm một mạng lưới bát diện (hình 5e). Đại diện cho nhóm
này là clorit.

5

Trong cùng nhóm, khoáng sét có thể được chia thành phân nhóm: diocta và
triocta. Đối với dạng diocta, trong mạng bát diện cứ ba vị trí tâm bát diện thì có hai
vị trí bị chiếm bởi ion hoá trị 3 ( ví dụ như Al3+), còn một vị trí bỏ trống. Còn dạng
triocta thì mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi một ion hoá trị 2 (thường là Mg2+).
Montmorillonit là aluminosillicat lớp tự nhiên có cấu trúc lớp 2 : 1, dạng
điocta. Cấu trúc tinh thể của montmorillonit được cấu tạo gồm hai mạng lưới tứ
diện liên kết với một mạng bát diện ở giữa tạo nên một đơn vị tế bào cấu trúc cơ
bản.
Mx[Al4–xMgx]o(Si8)TO20(OH)4

Hình 1.6. Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc của Montmorillonit
Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ. Mỗi lớp cấu
trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng trục a và b ( 2 chiều ). Các
lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tự ngắt quãng ( trong không
gian ) theo trục c, các lớp cation và nước hấp phụ tạo nên một mạng lưới trong
không gian ba chiều của tinh thể montmorillonit.
Chiều dày của một lớp cấu trúc của mont là 9,6 A0. Nếu kể cả lớp cation trao
đổi và nước hấp phụ thì chiều dày của lớp hấp phụ khoảng 15A0 [14, 20, 24].

6


Trong mạng lưới cấu trúc của mont thường xảy ra sự thay thế đồng hình của
các cation. Ở mạng lưới bát diện chủ yếu là sự thay thế của cation Al3+ bởi cation
Mg2+. Ở mạng lưới tứ diện, một phần không lớn cation Si4+ bị thay thế bởi cation
Al3+ hoặc Fe3+. Al có thể thay thế Si trong mạng lớn nhất là 10%. Sự thay thế này
dẫn tới sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới. Điện tích đó được bù trừ bởi các
cation nằm ở khoảng không gian giữa hai lớp. Đó là các cation Na+, K+, Ca2+,
Fe2+… chúng bị hydrat bởi các phân tử nước ở khoảng giữa hai lớp cấu trúc. Người

ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới của mont xuất hiện chủ yếu ở mạng
bát diện do sự thay thế đồng hình của ion Al3+ bằng ion Mg2+ ứng với tỉ lệ Mg : Al ~
1 : ( 4 – 5 ). Điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế ion Si4+ bởi ion Al3+ ứng với
tỉ lệ Al : Si ~ 1 : (15 – 30 ). Vì vậy điện tích âm của mạng phân bố sâu trong lớp cấu
trúc mà không nằm ở bề mặt ngoài của lớp cấu trúc nên năng lượng liên kết của các
cation trao đổi nằm ở giữa các lớp. Với các lớp cấu trúc mạng thấp, các cation có
thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng điện tích âm và có thể trao đổi với các
cation khác tạo ra khả năng biến tính mont. Lượng cation trao đổi của mont. dao
động trong khoảng 0,7 – 1,2 mdlg/g. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng
không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng theo hướng trục c.
Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được gọi là khoảng cách
cơ bản có thể thay đổi từ 10 A0 trong mont đehydrat hoàn toàn đến ~ 20 A0 tùy
thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp. khoảng cách
này có thể tăng đến ~ 30 A0 khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân
cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome, các polyme vô cơ, các phân tử hữu
cơ…[14, 24, 46].
1.1.2. Tính chất của bentonit
1.1.2.1. Tính chất lý – hóa của bentonit
Bentonit là khoáng sét kết mềm hình thành từ quá trình phong hoá tro núi
lửa, tương đối mền và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần
của Fe trong cấu trúc khoáng. Tính chất đặc trưng của bentonit là khả năng tạo

7


thành huyền phù khi tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15
lần so với khối lượng sét khô và khả năng trao đổi cation cao.
Sự thay thế Si4+ bằng các cation có hoá trị thấp hơn làm cho lớp sét mang
điện tích âm trên bề mặt các lớp sét, điện tích này được cân bằng bởi một số cation
khác như K+, Na+, Mg2+, Ca2+ định vị trong khoảng không gian giữa lớp. Các cation

này liên kết lỏng lẻo với bề mặt lớp sét, do vậy montmorillonit có dung lượng trao
đổi cation tương đối cao (100 meq/100 g), rất ít ảnh hưởng đến kích thước hạt. Khả
năng trao đổi cation làm cho khoáng bentonit không chỉ trao đổi với các cation vô
cơ, mà có liên kết với các phân tử hữu cơ như: điquat, paraquat, protein [28]. Các
cation trao đổi giữa lớp khác nhau có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nước và tính
chất trương nở của sét. Khả năng trương nở trong nước của bentonit chứa Na lớn
hơn bentonit chứa K, Ca hoặc Mg.
Khi nước được xen vào mạng lưới khoáng sét là yếu tố quan trọng để điều
khiển tính liên kết, huyền phù, nén và một số tính chất khác của montmorillonit.
Đặc tính vật lý của bentonit ảnh hưởng bởi số lượng lớp nước nằm trong
khoảng không gian giữa các lớp sét (chứa 1 lớp hay nhiều lớp nước). Nhiệt độ mất
nước hấp phụ và nước nằm giữa lớp sét ở nhiệt độ thấp (100 – 200°C). Mất nước
cấu trúc bắt đầu từ 450 – 500°C và mất hoàn toàn ở 600 – 750°C. Tiếp tục nung đến
800 – 900°C dẫn đến cấu trúc tinh thể tan rã và tạo ra các chất mới như cristobalit,
cordienrit, mullit,… phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc khoáng ban đầu. Khả
năng hấp thụ và trương nở của montmorillonit nhanh chóng mất đi khi nung nóng
đến nhiệt độ giới hạn, trong khoảng từ 105 đến 390oC, tuỳ thuộc vào cation trao đổi
giữa lớp. Khả năng hấp phụ nước ảnh hưởng đến việc sử dụng và giá trị thương mại
của bentonit [36, 47].
Đặc biệt, tính chất hoá học của bề mặt khoáng sét phụ thuộc vào cấu trúc của
khoáng. Đơn vị cơ bản của MMT là một lớp mở rộng của tấm nhôm bát diện (O)
kẹp giữa 2 tấm silic tứ diện (T), tạo thành đơn vị TOT. Sắp xếp chồng các đơn vị
TOT tạo ra tinh thể MMT. Sự thay thế đồng hình trong tấm bát diện (hoặc trong tứ
diện) làm cho cấu trúc dư thừa điện tích âm. Cation trao đổi giữa lớp sét góp phần

8


đền bù điện tích thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc và giữ cho các lớp liên kết
với nhau. Các cation này dễ dàng trao đổi bằng các cation khác có tương tác lớn hơn.

Diện tích bề mặt kết hợp với bề mặt cơ bản của đơn vị TOT mở rộng được gọi là bề
mặt lớp xen giữa (interlayer surface) khi nó tương ứng với các lớp sắp xếp liên tiếp
hoặc là bề mặt ngoài khi nó tương ứng với bề mặt cơ bản bên ngoài của tinh thể. Diện
tích bề mặt trong và diện tích bề mặt ngoài chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của
MMT. Mặt khác, cấu trúc tuần hoàn của tinh thể MMT bị gián đoạn ở các cạnh, nơi
mà điện tích đền bù của chúng phá vỡ bởi phân tử nước và proton hấp phụ [49]. Do
sự gián đoạn này, điện tích bề mặt phụ thuộc vào pH và khả năng phản ứng với các
cation, anion và phân tử trung hoà (hữu cơ, vô cơ) tạo thành các liên kết hoá học.
1.1.2.2. Dung lượng cation trao đổi.
Khả năng trao đổi cation là một đặc tính quan trọng của bentonit. Dung
lượng cation trao đổi biểu thị khả năng của montmorilonit – khoáng vật chính nằm
trong thành phần bentonit, hấp phụ nước và các ion trao đổi. Số lượng tổng ion trao
đổi được xác định bằng tổng số các ion mang điện tích dương (Na+, K+, Ca2+, Mg2+
và có thể cả Fe2+ và Fe3+) trên bề mặt tập ô mạng cơ sở montmorilonit. Số lượng
điện tích có ảnh hưởng lớn đến đại lượng này và về phần mình nó phụ thuộc vào
một loạt các yếu tố:
1– Đại lượng điện tích của tập có thể tăng do sự thay thế Si4+ bởi Al3+. Phản ứng
này xảy ra trong lớp tứ diện của tập có công thức [AlxSi4– xO10].
2– Sự thay đổi đại lượng điện tích do thay thế không đủ bù trừ cation Al3+ và
Fe3+ bởi cation Mg2+ trong lớp bát diện của tập.
3– Đặc điểm cấu trúc các lớp của ô mạng cơ sở cũng ảnh hưởng đến đại lượng
điện tích. Điện tích bổ sung có thể xuất hiện khi một phần các tứ diện bị xoay 1800
sao cho đỉnh của các tứ diện với oxy dạng vòng lại xoay vào phía trong của lớp nằm
giữa các tập cơ sở. Quá trình bù trừ điện tích này có thể xảy ra do sự tham gia bổ
sung của cation vào cấu trúc khoáng vật.
4– Đại lượng điện tích của các khoáng vật sét còn có thể liên quan mật thiết với
độ phân tán của chúng. Trên bề mặt các hạt sét thường tồn tại các điện tích “bề mặt”
chưa được bù trừ. Do đó việc xay nhỏ các tập hợp hạt sét đến một kích cỡ xác định
có thể làm tăng khả năng hấp phụ của sét montmorilonit.

9


Dung lượng các cation hấp phụ trên bề mặt được thể hiện bằng miligram
đương lượng (mgđl) trên 100g vật chất khô. Tổng hàm lượng cation trao đổi trong
bentonit không cố định và thay đổi rất nhiều từ 30 – 40 đến 110 – 120mgđl phụ
thuộc vào biến thể bentonit và điều kiện thành tạo. Dung lượng ion trao đổi cao nhất
là 110 – 120mgđl và thấp là 35 – 45mgđl, trung bình là 50 – 70mgđl.
Trong thành phần bentonit khoáng vật lớp hỗn hợp thường có một vai trò
lớn. Chúng có thể có mặt trong đá sét ở dạng tạp chất song cũng có thể chiếm ưu
thế trong tổng lượng khoáng vật. Sự có mặt của các khoáng vật này cũng làm giảm
đáng kể khả năng trương nở của sét cũng như làm xoá nhoà biểu hiện của các tính
chất khác đặc trưng cho sét bentonit. Rất có thể các lớp ilit ngoài việc làm xấu đi
chất lượng (tương ứng với số lượng của chúng) còn gây tác động phong toả cấu trúc
3 lớp của smectit có mặt trong khoáng vật lớp hỗn hợp.
1.1.2.3. Đặc tính trưởng nở và hấp phụ của bentonit
 Tính trưởng nở
Tính trương nở là khi bentonit hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các
phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên đến
12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấp thụ. Sự tăng
khoảng cách lớp được giải thích do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp. Sự
trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình
trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc
vào khả năng hydrat hóa của các cation.
Khoáng sét có thể chứa một lượng khá lớn các nước, và các hình thức liên
kết khác nhau của nước:
 Nước tự do, bị bắt giữ một cách máy móc bởi cấu trúc phân tán và làm đầy
các lỗ mao dẫn
 Nước mao mạch bị hấp thụ bởi ngưng tụ mao mạch, trong thực tế có thể
được coi là nước tự do;

 Nước liên kết hấp phụ, về cơ bản chỉ có lớp phân tử;
 Nước liên kết hóa học ở dạng ion hydroxyl trong hydrat và tinh thể hydrate.

10


Số lượng và tính chất của nước bị ràng buộc trong đất sét phụ thuộc vào đặc
điểm cấu trúc của hóa tinh thể của khoáng sét, lý hóa và điều kiện nhiệt động lực
học.Nhóm khoáng vật smectite bao gồm: montmorillonit, beidelite, nontronite và
vài khoáng vật ít phổ biến khác. Khoáng vật nhóm smectite có cấu trúc mạng tinh
thể nhiều lớp đặc trưng (hình.1.7). Ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp. Hai lớp ngoài (lớp
dưới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si) O4 và được gọi là lớp tứ diện. Giữa
chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát
diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện [SiO4]– và nhóm hydroxyt [OH]–.
Bình thường các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị ba hoặc ba cation
hoá trị hai.
Trong trường hợp đầu thì gọi là lấp đầy hai mặt tám (dioctaedr), trường hợp
sau là ba mặt tám (trioctaedr). Ba lớp cấu tạo thành một tập mang điện tích âm do
sự thay thế các nguyên tố hoá trị ba (Al, Fe) trong lớp giữa octaedr bằng các nguyên
tố hoá trị hai (Mg, Fe) hoặc Si hoá trị bốn bằng Al hoá trị ba trong lớp tứ diện. Điện
tích âm trên bề mặt của mỗi tập còn có thể có được do các phản ứng thay thế chẳng
những trong lớp bát diện mà còn trong các lớp tứ diện và còn do các nguyên nhân
khác nữa.

Hình 1.7. Cấu trúc của montmorillonit

11


Do bề mặt của các tập mang điện tích âm, trên bề mặt chúng có thể phân bố

các cation hoá trị từ 1, 2 đến 3. Chủ yếu đó là các ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+ và Fe2+.
Trong quá trình tương tác với nước xung quanh các cation này được hình thành các
lớp vỏ hidrát và do đó dẫn đến hiện tượng trương nở trong tập hợp các tập sét này.
Khả năng hidrat hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm và đầu tiên phải kể đến là
natri. Có khả năng trương nở ít hơn đáng kể là các ion kim loại kiềm thổ – canxi và
magie.
Khả năng trương nở và tăng thể tích của smectite (từ 2– 20 lần) đã xác định
tính năng công nghiệp của chúng. Theo thành phần ion trao đổi bentonit được chia
làm loại kiềm và kiềm thổ. Đối với bentonit kiềm, ion Na chiếm ưu thế trong tổ hợp
ion trao đổi. Do ion Na có khả năng thu hút một lượng lớn các nhóm hidrat mà
montmorillonit có hàm lượng Na+ cao có khả năng trương nở lớn nhất. Bentonit với
ion Ca2+ chiếm ưu thế được gọi là bentonit canxi. Ngoài Ca2+ trong montmorillonit
có thể có Mg2+ với số lượng đôi khi vượt cả Ca2+. Song thường gặp hơn cả là biến
thể của bentonit canxi – magie. Có thể thay đổi tính chất của bentonit canxi và canxi
– magie bằng cách xử lý chúng với các dung dịch muối natri. Quá trình trao đổi ion
diễn ra được gọi là hoạt hoá và kết quả ta nhận được bentonit natri hoạt hoá.
Trong công nghiệp người ta quy ước chia tất cả các bentonit tự nhiên dựa
vào tính trương nở của chúng ra làm 2 nhóm: nhóm trương nở (kiềm) và nhóm
không trương nở hoặc trương nở yếu (kiềm thổ canxi và canxi – magie).
Bentonit kiềm có đặc trưng độ trương nở, độ tạo keo, độ dẻo và độ kết dính
cao. Bentonit kiềm thuộc loại vật liệu có chất lượng cao và được ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Bentonit kiềm thổ có đặc trưng là có độ ái nước, độ kết dính thấp hơn, nhưng
chúng có tính hấp phụ cao hơn.
 Tính hấp phụ
Hấp phụ có nghĩa là các phân tử của các pha lỏng hay khí bị hút bám vào
mặt tiếp xúc của pha rắn. Các phân tử bị hấp phụ tạo thành lớp đơn hay đa phân tử

12

lên bề mặt pha rắn. Lớp phân tử này bám chặt lên bề mặt của pha rắn do lực phân tử
Van der Waals, hoặc do bão hòa các hóa trị tự do của bề mặt pha rắn. Lực Van der
Waals gọi là hấp phụ lý học; lực bám do bão hòa các hóa trị tự do là hấp phụ hóa
học, thực chất là phản ứng bề mặt và tạo ra các liên kết rất chắc.
Hấp phụ là sự “bám dính” của các nguyên tử, ion, hoặc phân tử từ một chất
khí, chất lỏng trên bề mặt vật liệu. Quá trình này tạo ra một lớp màng của chất bị
hấp phụ (adsorbate) trên bề mặt của chất hấp phụ. Sự hấp thụ là quá trình tập trung
vật chất lên bề mặt phân cách pha , trong khi giải hấp là quá trình đảo ngược của
hấp phụ. Hấp phụ là kết quả tác động của năng lượng bề mặt. Nếu việc hấp dẫn các
phân tự bị hấp phụ lên bề mặt chất rắn có bản chất vật lý thì gọi là hấp phụ vật lý
(physisorption). Thường lực hấp dẫn trong hấp phụ vật lý là lực Val der Waals, là
lực yếu và quá trình hấp phụ có thể bị giải hấp. Trong trường hợp khi lực hấp phụ
chính là lực hóa học thì quá trình hấp phụ gọi là quá trình hấp phụ hóa học
(chemisorption), lực hấp phụ hóa học thường lớn (liên kết đồng hóa trị, liên kết ion
…. ) và quá trình giải hấp phụ thường khó xảy ra. Hấp phụ cũng có thể xảy ra do
lực hút tĩnh điện. Trao đổi ion là loại hấp phụ hóa học thuận nghịch trong đó các ion
có trong dung dịch có thể trao đổi với các ion cùng điện tích nằm trong bề mặt của
chất hấp phụ.
Hấp phụ hiện diện trong nhiều hiện tượng vật lý, sinh học và hóa học trong
tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Từ "hấp phụ"
được đặt ra vào năm 1881 bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Kayser (1853– 1940).
Các vật liệu hấp phụ có thể là vật liệu có trong tự nhiên hoặc vật liệu tổng hợp nhân
tạo.
Montmorillonit có một bề mặt riêng khá lớn và sự di chuyển dễ dàng của các
ion trong không gian giữa các lớp, tạo nên khả năng trao đổi cation đáng kể (80 –
150 mmolđl/100g). Các phân tử có cực được hấp phụ cả hai bề mặt ngoài và trong,
các phân tử không phân cực chỉ hấp phụ ở bề mặt ngoài.

13