Sử Dụng Al3+ Để Biến Tính Benonite Di Linh – Lâm Đồng

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
----------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

SỬ DỤNG Al3+ ĐỂ BIẾN TÍNH BENONITE
DI LINH - LÂM ĐỒNG

Người thực hiện

: Trịnh Thị Thủy

Lớp

: MTB

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: Khoa học môi trường

Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Ngọc Tú
Địa điểm thực tập

: Bộ môn Công nghệ môi trường

Hà Nội - 2016

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng:
Số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là trung thực và chưa
từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào khác.
Mọi sự giúp đỡ cho công việc thực hiện khóa luận này đã được cảm ơn
và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Sinh viên
Trinh Thị Thủy

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ tận tình từ các thầy - cô giáo trong Khoa Môi
Trường.
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy - cô giáo TS.Trịnh
Quang Huy, TS.Đỗ Thủy Nguyên, Th.S Hồ Thị Thúy Hằng - Bộ môn Công
nghệ môi trường - Khoa Môi Trường - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam đã
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành quá trình thực tập tốt nghiệp.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Nguyễn Ngọc
Tú - Bộ môn Công nghệ môi trường - Khoa Môi trường - Học Viện Nông
Nghiệp Việt Nam đã quan tâm dìu dắt, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp.

Nhân đây, tôi cũng rất cảm ơn KS.Trần Minh Hoàng, kỹ thuật viên
phòng thí nghiệm, Đặng Thị Thanh Hương, Đỗ Xuân Thọ, Hồ Thị Thương,
đã nhiệt tình giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong suốt thời gian thực
hiện khóa luận tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, người
thân và toàn thể bạn bè đã luôn ở bên giúp đỡ, động viên, chia sẻ, tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài
khoá luận tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày

tháng

Sinh viên

Trịnh Thị Thuỷ

ii

năm 2016


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................................1
Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................................1
Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu của đề tài .......................................................................2
Mục tiêu..........................................................................................................................2
Yêu cầu...........................................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................4
1.1. Giới thiệu chung về khoáng sét..................................................................................4
1.1.1. Thành phần của khoáng sét..................................................................................4

1.1.2. Cấu trúc của khoáng sét. ......................................................................................5
1.1.3. Sự thay thế và sự tích điện trong mạng lưới của khoáng sét................................9
1.2. Tổng quan về bentonıte.............................................................................................10
1.2.1. Thành phần khoáng vật và thành phần hóa học của bentonit.............................10
1.2.2. Cấu trúc của MMT.............................................................................................11
1.2.3. Tính chất của Bentonite......................................................................................14
1.3. Giới thiệu về Bentonite Di Linh – Lâm Đồng...........................................................17
1.4. Các phương pháp biến tính Bentonite......................................................................19
1.4.1. Biến tính bằng nhiệt...........................................................................................19
1.4.2. Biến tính bằng kiềm...........................................................................................19
1.4.3. Biến tính bằng axit vô cơ ...................................................................................20
1.4.4. Phương pháp khác..............................................................................................20
1.4.5. Giới thiệu về vật liệu Bentonite biến tính bằng kim loại. .................................21
1.5. Ứng dụng của Bentonite............................................................................................28
1.5.1. Làm vật liệu hấp phụ:.........................................................................................29
1.5.2. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozid..........................................29
1.5.3. Một số ứng dụng khác :......................................................................................30
CHƯƠNG 2..........................................................................................................................31
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................31
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................31
2.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................................31
2.2.1. Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu Bentonite sử dụng trong nghiên cứu...........31
2.2.2. Nghiên cứu biến tính vật liệu Bentonite Di Linh bằng AlCl3 ...........................31
2.2.3. Nghiên cứu biến tính vật liệu Bentonite Di Linh bằng AlCl3 /NaOH...............31
2.3. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................31
2.3.1. Phương pháp cứu lí thuyết.................................................................................31
2.3.2. Phương pháp thực nghiệm.................................................................................32
2.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm..................................................................................33
2.5. Phương pháp nghiên cứu vật liệu Bentonite và Bentonite biến tính. .......................39
2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) : ................................................................39

2.5.2. Phương pháp xác định dung lượng cation trao đổi (CEC) – phương pháp dùng
amoni axetat (TCVN 8568:2010). ...............................................................................39
2.5.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS:........................................................40
2.5.4. Phương pháp xác định pH, EC...........................................................................40
2.5.5. Phương pháp xác định khả năng hấp phụ kim loại nặng....................................40
2.6. Phương pháp xử lý số liệu.........................................................................................41

iii


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................................42
3.1. Một số đặc trưng, tính chất của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu. ........................42
3.2. Kết quả thực hiện biến tính bentonite.......................................................................43
3.2.1. Kết quả biến tính vật liệu bentonite với AlCl3 (Thí nghiệm 1).........................43
3.2.1.1. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ AlCl3: Bentonite...............................................44
3.2.1.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu tổng hợp với kim loại nặng. ................52
3.2.2. Kết quả biến tính vật liệu bentonite với AlCl3 /NaOH (thí nghiệm 2) :................54
3.2.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ OH-/Al3+đến hiệu quả biến tính....................................56
3.2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu quả biến tính.....................................57
3.2.2.3. Kết quả khảo nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính với
AlCl3/NaOH.................................................................................................................62

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Danh mục các dụng cụ cần thiết..........................................................................32
Bảng 2.2. Danh mục các thiết bị cần thiết............................................................................33
Bảng 2.1. Thiết kế thí nghiệm 1...........................................................................................35
Bảng 2.2. Thiết kế thí nghiệm 2...........................................................................................36

Bảng 3.1. Kết quả phân tích thành phần khoáng của bentonite ..........................................42
Di Linh tự nhiên...................................................................................................................42
Bảng 3.3. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của một số vật liệu Al-PILC tổng hợp và Bent
tự nhiên.................................................................................................................................53
Bảng 3.5. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của một số vật liệu .........................................62
Al-PILC-OH tổng hợp và Bent tự nhiên.............................................................................62
Bảng 3.6. Kiểm định hiệu quả biến tính bentonite giữa thí nghiệm 1..................................64
và thí nghiệm 2....................................................................................................................64
Bảng 3.7. So sánh khoảng cách cơ sở d001 giữa các vật liệu tổng hợp ở ...........................64
2 thí nghiệm..........................................................................................................................64

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.2. Mạng tứ diện..........................................................................................................6
Hình 1.3. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi đáy trong mạng tứ diện.....................................7
Hình 1.4. (a) đơn vị cấu trúc tứ diện
(b) đơn vị cấu trúc bát diện..............................7
Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét............................................................................9
Hình 1.6. Công thức khai triển không gian của MMT lý tưởng...........................................12
Hình 1.8: Mỏ khai thác Bentonite Di Linh – Lâm Đồng.....................................................18
Hình 1.9: Mô hình quá trình hydrat và dehydrat smectite và sét chống..............................22
Hình 1.10 . Sơ đồ quá trình chèn các polycation vào giữa các lớp sét.................................23
Hình 1.11. Mô hình biểu diễn đất sét chống theo kỹ thuật sấy khác nhau (a;b)..................24
Hình 1.12: Sơ đồ quá trình nung định hình cấu trúc............................................................25
Hình 1.13: Sơ đồ mô tả quá trình điều chế Al-PILC............................................................28
Hình 1.14. Mô hình cấu trúc của MMT được chống bởi ion Keggin..................................28
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bentonite Di Linh tự nhiên.......................................43
Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc giá trị CEC của vật liệu vào nhiệt độ nung .........47

Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của CT6 (2,5-500°C).......................................................51
Hình 3.6: Kiểm định sự tương quan hồi quy giữa các yếu tố tỷ lệ.......................................52
AlCl3: Bent và nhiệt độ nung tới giá trị CEC....................................................................52
Hình 3.7. Hiệu suất hấp phụ Cd2+ trên một số vật liệu Al-PILC .......................................54
và Bentonite tự nhiên...........................................................................................................54
Hình 3.8 : Ảnh hưởng của tỷ lệ OH-/Al3+ đến giá trị CEC của vât liệu............................56
Hình 3.10 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu M6 (2-500)................................................60
Hình 3.11: Kiểm định sự tương quan hồi quy giữa các yếu tố tỷ lệ ....................................61
OH-/Al3+ và nhiệt độ nung tới giá trị CEC.........................................................................61
Hình 3.12. Hiệu suất hấp phụ Cd2+ trên một số vật liệu Al-PILC-OH .............................63
và Bentonite tự nhiên...........................................................................................................63
Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X các vật liệu tổng hợp ở .................................................66
2 thí nghiệm..........................................................................................................................66

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Bent-Al, Al-PILC
d001
CEC
MMT
Al- PILC
Al- PILC -OH

Nghĩa đầy đủ
Bentonit Lâm đồng biến tính với kim loại Al
Khoảng cách cơ bản
Khả năng trao đổi cation

Montnorillonit
Vật liệu Bent biến tính với AlCl3 và nhiệt độ
Vật liệu Bent biến tính với AlCl3/NaOH và nhiệt độ

vii


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Khoáng sét có đặc điểm chung là kích thước nhỏ do đó có bề mặt riêng
khá lớn có thể dùng làm vật liệu hấp phụ cho hiệu quả cao. Thêm vào đó các
phyllosilicat, đặc biệt là nhóm có cấu trúc lớp 2:1 có lưới điện tích âm vĩnh
cửu được tạo ra nhờ sự thay thế đồng hình trong cấu trúc tinh thể, có khả
năng hấp phụ một lượng rất lớn các cation.
Ở Việt Nam có một trữ lượng khoáng sét dồi dào song mới được khai
thác trong phạm vi nhỏ và mới được sử dụng làm vật liệu gốm, vật liệu xây
dựng, xử lý môi trường,…mà chưa được nghiên cứu nhiều để nâng cao tính
năng sử dụng. Do đó việc nghiên cứu để sử dụng một cách có hiệu quả
nguồn khoáng sét ở Việt Nam là nhiệm vụ cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn của các nhà khoa học Việt Nam.
Bentonite là một loai khoáng sét quý, có các tính chất đặc trưng là
trương nở, kết dính, hấp phụ, trơ, nhớt và dẻo. Vì vậy ngày nay bentonite đã
được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau: dùng làm vật liệu hấp phụ, vật
liệu trao đổi ion trong quá trình xử lý môi trường nước. Sử dụng làm các
chất mang, chất xúc tác trong các phản ứng tổng hợp chất hữu cơ. Chất độn
trong nghành sản xuất giấy, cao su, nhựa. Dùng để pha chế dung dịch khoan.
Làm khuôn trong ngành đúc, luyện kim. Dùng làm vật liệu xây dựng. Sử
dụng trong công nghiệp thực phẩm: làm sạch giàu thực vật và một số chế
phẩm hữu cơ, dùng làm chất kết dính, chất độn trong thức ăn gia súc. Sử
dụng trong công nghiệp mỹ phẩm. Dùng để chế tạo các vật dụng trang trí, đồ

mỹ nghệ. Dùng chế tạo vật liệu chống sa lắng trong sơn, mực in, dầu, mỡ,...
Gần đây là ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu nanocompozit với các tính
năng ưu việt và được ứng dụng trong các lĩnh vực chống cháy, vật liệu xốp,
bền cơ, bền hóa học...Trong đó một số ứng dụng đáng chú ý là: dùng làm

1


chất xúc tác trong quá trình tổng hợp hữu cơ, làm vật liệu hấp phụ, làm vật
liệu điều chế sét hữu cơ, sét chống và compozit, công nghiệp sản xuất vật
liệu tổng hợp, công nghiệp bia rượu, tinh chế nước...
Với nguồn tài nguyên bentoniet phong phú cùng với các mục đích sử
dụng khác nhau đòi hỏi về hàm lượng montmorillonit cũng khác nhau, do đó
việc tinh chế bentonit để có thành phần phù hợp cho từng lĩnh vực là cần
thiết.
Thêm vào đó, hiện nay nhu cầu sử dụng vật liệu hấp phụ có khả năng
hấp phụ, bền, an toàn với môi trường ngày càng tăng ….đặt ra nhu cầu phải
phát triển một loại vật liệu mới dựa trên nền đặc trưng của vật liệu tự nhiên.
Trên các cơ sở đó, tôi thực hiện đề tài “ Sử dụng Al3+ để biến tính
Bentonite Di Linh Lâm Đồng” với mong muốn được phát triển đề tài theo
hướng có thể đánh giá được quá trình biến đổi cấu trúc, thành phần của
khoáng bentonit khi biến tính với nhôm, có thể tìm hiểu sâu hơn về các điều
kiện biến tính bentonit cũng như khảo sát thêm các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình biến tính vật liệu và khảo nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu
này.
Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu của đề tài
 Mục tiêu
- Biến tính được vật liệu Bentonite ban đầu.
- Xác định được các điều kiện thích hợp cho quá trình biến tính
Bentonite bằng kim loại nhôm.

- Bước đầu khảo nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu sau biến tính.
 Yêu cầu
- Chứng minh nhôm đã làm thay đổi cấu trúc khoáng sét thông qua chỉ
tiêu d001 và CEC.
- Xác định được điều kiện biến tính tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng: tỷ lệ
AlCl3: Bent, tỷ lệ OH-/Al3+, nhiệt độ.
2


- Các thí nghiệm thực hiện phải phù hợp với đối tượng và nội dung nghiên
cứu.
- Thí nghiệm bố trí thí nghiệm, phân tích đảm bảo độ tin cậy và dữ liệu thu
được có độ chính xác cao.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu chung về khoáng sét
1.1.1. Thành phần của khoáng sét
Khoáng sét tồn tại trong tự nhiên ở dạng các lớp mỏng, thông thường
có đường kính hạt nhỏ hơn 2µm, có tính dẻo và dễ phân tán trong nước.
Chúng liên kết với nhau bởi lực Van der Walls. Bằng các thí nghiệm nghiên
cứu cấu trúc, người ta xác định được khoáng sét là một loại Alumino Silicat
được cấu tạo từ các tứ diện oxit silic SiO 4 (bao gồm 1 nguyên tử Silic liên
kết với 4 nguyên tử Oxi) liên kết với mạng bát diện MeO 6 (thường bao gồm
là 1 nguyên tử nhôm, sắt hoặc Magie liên kết với 6 nguyên tử oxi). Tất cả
khoáng sét đều chứa các nguyên tố silic và nhôm. Ngoài ra còn có các
nguyên tố khác như Fe, Mg và một lượng nhỏ Na,K,Ca có trong thành phần
của mỗi loại sét là chất “chỉ thị” cho từng loại sét đó. Nhôm là nguyên tố có

mặt thường xuyên trong thành phần của sét và có hàm lượng lớn thứ hai sau
nguyên tố silic.
Tùy theo thành phần vật chất của đá ban đầu, điều kiện lý hóa ( môi
trường axit, trung tính, kiềm), khí hậu mà kết quả qua trình phong hóa có thể
tạo thành các loại đất sét có thành phần khoáng vật và tính chất rất khác
nhau. Dựa vào thành phần hoá học, các tính chất hoá lý và đặc biệt là cấu
trúc tinh thể và cấu trúc lớp, hiện nay khoáng sét có hơn 100 loại khác nhau.
Có rất nhiều cách để phân loại khoáng sét, thông thường người ta có 3
cách phân loại như sau: phân loại theo nguồn gốc hình thành, theo thành
phần khoáng vật của sét và theo khả năng trương nở của sét khi gặp nước
cũng như các dung môi phân cực (glycol, glyxerin,..)
Theo nguồn gốc hình thành: người ta phân ra thành hai loại sét eluvi
và sét trầm tích.

4


Sét eluvi: hình thành do sự tích tụ tại chỗ của các sản phẩm phong hóa từ đất
đá.
Sét trầm tích: hình thành do sự dịch chuyển và lắng đọng tại một vị trí khác
của sản phẩm đất đá bị phong hóa.
Theo thành phần khoáng vật của sét: người ta chia sét thành nhiều
loại, mỗi loại có thành phần hóa học và cấu trúc mạng tinh thể khác nhau.
Một trong những chỉ tiêu đánh giá khoáng sét là tỉ số Al2O3/SiO2. Tỉ số này
đáng giá khả năng trương nở và phân tán của sét khi gặp nước. Tỉ số càng
nhỏ thì tính ưa nước của đất sét càng mạnh, sét trương nở và phân tán mạnh
trong nước, ngoài ra sét còn khác nhau cơ bản bởi khoảng cách cơ bản d001 .
Một số loại khoáng sét cơ bản được đưa ra trong bảng 1.1
Bảng 1.1. Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa theo thành phần
3 nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si).

Sét trương nở

Sét không trương nở

Nguyên tố có
Tên khoáng sét

nhiều trong thành

Beidellit
Montmorillonit
Nontronit
Saponit
Vermiculit

phần
Al
Al (Mg , Fe2+ ít)
Fe3+
Mg, Al
Mg, Fe2+ (ít)

Tên khoáng

Nguyên tố có nhiều

sét

trong thành phần

Illit
K, Al (Fe, Mg ít)
Glauconit
K, Fe2+, Fe3+
Chrolit
Mg, Fe, Al
Berthierin
Fe2+, Al (Mg ít)
Kaolinit
Al
Nguồn: Nguyễn Hữu Thành, 2006.

1.1.2. Cấu trúc của khoáng sét.
Khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp hai chiều. Các lớp trong cấu trúc
của khoáng sét được hình thành từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản. Đơn vị thứ
nhất là tứ diện SiO4 và đơn vị thứ hai là bát diện MeO6, trong đó Me có thể là
Al, Fe, Mg...

5


Các loại khoáng sét đều được cấu tạo từ những tấm tứ diện SiO 4 (hình
1.1(a)) và những tấm bát diện MeO 6, với Me là các nguyên tố Al, Mg, Fe…
(hình 1.1 (b))

Hình 1.1. (a) đơn vị cấu trúc tứ diện

(b) đơn vị cấu trúc bát diện

Trong tứ diện oxit silic, bốn nguyên tử oxy bao quanh một nguyên tử

silic nằm ở trung tâm. Silic có thể bị thay thế bởi nhôm và đôi khi có thể
bằng Fe3+ . Tất cả các anion trong tứ diện đều là oxy. Các tấm tứ diện được
liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tử oxi theo không gian hai chiều của
hai nguyên tử oxi góp chung nằm trên mặt phẳng và còn được gọi là oxi đáy.
Các oxi đáy liên kết và sắp xếp với nhau tạo thành một “lỗ” sáu cạnh, ở mỗi
đỉnh của sáu cạnh là nguyên tử oxi và được gọi là oxi đỉnh.

Hình 1.2. Mạng tứ diện
6


Hình 1.3. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxi đáy trong mạng tứ diện
Giống 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. (a) đơn vị cấu trúc tứ diện

(b) đơn vị cấu trúc bát diện

Trong đơn vị cấu trúc bát diện các cation nằm giữa thường là Al 3+ ,
Mg2+, Fe2+, đôi khi có thể là Fe3+, Ti, Ni, Zn, Cr,...các cation này liên kết với
6 nguên tử oxy hay nhóm hydroxyl nằm ở đỉnh. Các cation trong các đơn vị
bát diện liên kết với nhau qua các anion góp chung (O 2- hoặc OH-) tạo thành
mạng bát diện.

7


Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua oxy đỉnh theo
những quy luật và trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc

tinh thể khác nhau như cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1 và cấu trúc 2:1:1.
Nhóm khoáng sét có cấu trúc 2 lớp loại hình 1:1: là sự kết hợp của 1
phiến tứ diện SiO4 và 1 phiến bát diện M(O5,OH) [M: Al, Fe, Mg…]. Nhóm
này được gọi là nhóm kaolinit. Đại diện cho nhóm này là kaolinit, halloysit,
…
Nhóm khoáng sét có cấu trúc 3 lớp loại hình 2:1 gồm 1 phiến bát diện
ở giữa 2 phiến tứ diện ở hai bên, trong nhóm cấu trúc 3 lớp này có 2 loại là
nhóm illit và nhóm smectit. Tuy chúng có chung kiểu cấu trúc sắp xếp các
mạng vi phiến nhưng tính chất của chúng khác nhau do sự thay thế đồng
hình tại tâm của các khối đơn vị. Đại diện cho nhó này là montmorillonit
(MMT), vermicul,...
Nhóm khoáng sét có cấu trúc 4 lớp loại hình 2:2 hay 2:1:1 gồm 2
phiến tứ diện và 2 phiến bát diện (trong đó là 1 cầu bruxit), tên gọi của nhóm
này là clorit.

8


Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét
1.1.3. Sự thay thế và sự tích điện trong mạng lưới của khoáng sét.
Tính chất của khoáng sét phụ thuộc nhiều vào sự thay thế đồng hình
của các cation nằm trong cấu trúc.
Trong cấu trúc tứ diện: cation thường chiếm vị trí ở tâm tứ diện.
Trong một số trường hợp được thay thế đồng hình bởi ion Al 3+, Fe3+, các
anion trong tứ diện là các oxy.
Trong cấu trúc bát diện: ion Mg2+ có thể bị thay thế bởi những ion có
hóa trị 2 và 1 như Fe2+, Ni2+, Li+. Đối với ion Al3+ có thể bị thay thế bởi
những ion có hóa trị 2 và 3 như Fe3+, Cr3+, Zn2+, Mn2+. Các anion trong bát
diện không chỉ là oxy mà cả hydroxyl. Các anion góp chung giữa tứ diện và
bát diện chỉ là anin oxy. Các anion góp chung giữa các bát diện có thể là

anion oxy hoặc anion hydroxyl (Đoàn Văn Thành, 2012).

9


Khi có sự thay thế đồng hình xảy ra giữa các ion không cân bằng về
điện tích thì trên các lớp tứ diện và bát diện sẽ xuất hiện điện tích dương
hoặc âm. Nếu cation thay thế và bị thay thế có cùng hóa trị thì điện tích
mạng lưới sẽ trung hòa. Nếu cation thay thế có hóa trị thấp hơn thì mạng
lưới sẽ mang điện tích âm.
Điện tích âm xuất hiện ở mạng lưới bát diện là do sự thay thế đồng
hình ion Al3+ bởi ion Mg2+ tương ứng với tỷ lệ Mg:Al =1. Điện tích âm xuất
hiện ở mạng lưới tứ diện là do sự thay thế ion Si4+ bởi ion Al3+ (Đoàn Văn
Thành, 2012).
Tùy thuộc vào số lượng và các loại cation thay thế mà mạng lưới
khoáng sét mang điện tích âm cao hay thấp. điện tích âm trong mạng sẽ
được bù trừ bởi các cation nằm giữa cac lớp. Chính những điện tích này sẽ
gây ra lực liên kết tĩnh điện giữa các lớp và gây ảnh hưởng rất đáng kể đến
các tính chất của khoáng sét.
1.2. Tổng quan về bentonıte.
1.2.1. Thành phần khoáng vật và thành phần hóa học của bentonit
Bentonit là nguồn khoáng sét thiên nhiên, có thành phần chính là
montmorillonit (MMT), vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là
MMT... Công thức đơn giản nhất của MMT là Al 2O3.4SiO2.nH2O ứng với
nửa tế bào đơn vị cấu trúc, công thức lý tưởng của MMT là Si8Al4O20(OH)4
cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên thành phần hoá học của MMT luôn khác
với thành phần biểu diễn theo lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của các
ion kim loại như Al3+, Fe2+, Mn2+, Fe3+,... Vào vị trí ion Si4+ trong tứ diện
SiO4 và thế ion Al3+ trong bát diện AlO6 (Bùi Văn Thắng, 2011).
Khoáng sét xuất hiện trong tự nhiên với sự biến thiên trong thành phần

phụ thuộc trên nhóm của họ và nguồn gốc của chúng. Công thức phân tử
chung

của

MMT

được

biết

thông

10

thường

là

(M+x.nH2O)(Al2-


Mgx)Si4O10(OH)2, trong đó M+ là cation trao đổi giữa lớp (M+ = Na+ , K+ ,

y

Mg2+ hay Ca2+), trong điều kiện lý tưởng x= 0,33.
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,... Và một số nguyên tố
vi lượng: Ti, Tl,... Trong đó tỷ lệ Al2O3 : SiO2 dao động từ 1: 2 đến 1: 4

(Thân Văn Liên và cộng sự, 2006).
Ngoài các thành phần chính là MMT, trong bentonit còn chứa một số
khoáng sét: Hectorit, Saponit, Beidehit, Nontronit,...Và một số khoáng phi
sét: Canxi, pirit, manhetit,... Các muối kiềm khác và một số hợp chất hữu cơ.
1.2.2. Cấu trúc của MMT
1.2.2.1. Dạng không gian của MMT.
Trong công thức của MMT, các nguyên tử Si nằm tâm mạng tứ diện,
còn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện (trong trường hợp mạng
nhôm silicat là trung hòa điện). Công thức khai triển của MMT được trình
bày như hình 1.6.

11


Hình 1.6. Công thức khai triển không gian của MMT lý tưởng
1.2.2.2. Cấu trúc tinh thể của MMT
Năm 1993, U. Hofman, K.Endell và D.Wilm công bố cấu trúc tinh thể
lý tưởng của MMT. MMt có cấu trúc lớp 2:1. Mạng tinh thể của MMT gồm
có 2 lớp tứ diện SiO4 và xen giữa là một mạng bát diện MeO6 (Me = Al,
Mg). Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hydrat hóa.
Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên tử oxi định vị
ở 4 gốc của tứ diện. Nguyên tử Al hoặc Mg trong lớp bát diện thì phối trí với
6 nguyên tử oxi hoặc nhóm hydroxyl (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 1nm và chiều dài
của tiểu cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn nm. Trong tự nhiên, những
tiểu cầu sét xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng
cách này thường gọi là khoảng cách “Van de Waals”, là khoảng không gian
giữa hai lớp sét.
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 III trong lớp bát diện thì được thay thế
một phần bằng các nguyên tử có hoá trị II như Fe và Mg. Sự thiếu hụt điện

12


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+ và Ca2+) chiếm giữ khoảng cách không gian giữa các
lớp này. Như vậy, khả năng trao đổi cation của MMT là tương đương với điện tích
của các lớp. Những ion nằm giữa các lớp này có thể thay thế bằng cation hữu cơ,
khi thay thế ion vô cơ giữa các lớp sét bằng các ion hữu cơ làm cho sét thích hợp
với polymer hữu cơ. Sự thay thế đồng hình bên trong mạng tinh thể bằng các
nguyên tố khác nhau hoặc thay đổi ở các vị trí khác nhau đưa đến có nhiều loại
khoáng chất đất sét MMT, notronite, saponite, hectorite...Trong hình 1.7 cho thấy
sự thay thế đồng hình của một số ion Al, Fe, Mg…Trong tứ diện và bát diện, cũng
như khoảng cách của lớp sét. Khoảng cách của một lớp MMT được chỉ ra trong
hình 2.7 là khoảng 9,6A0 còn khoảng cách của sét khô (làm khô ở 70 0C) là 12,6
A0 (Bùi Văn Thắng, 2011).

Hình 1.7. Cấu trúc của MMT cho thấy hai lớp tứ diện trộn lẫn với một
lớp bát diện. Những chấm đen chỉ ra vị trí của sự thay thế đồng hình
trong bát diện và tứ diện.

13


1.2.3. Tính chất của Bentonite.
1.2.3.1. Tính chất trao đổi ion

Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do trên bề mặt
của các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp
phụ và trao đổi cation. Đồng thời tính chất đó có được là do sự thay thế đồng
hình của các cation (ví dụ: Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+ hoặc
Fe3+, hoặc Al3+ trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg 2+, Cr3+, Fe3+...) (Thân
Văn Liên, 2008). Sự thay thế các ion điện tích cao bằng các ion điện tích
thấp hơn gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc tứ diện và bát
diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.
Các cation trao đổi được liên kết tĩnh điện với MMT và dung lượng
trao đổi cation (CEC) phụ thuộc vào nồng độ cation trao đổi trên bề mặt
MMT. 80% dung lượng trao đổi ion là do sự thay thế đồng hình tạo nên còn
20% là do những nguyên nhân khác.
Đối với bentonit, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra ở lớp bát diện và
giữa hai lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp
sét là liên kết yếu và các cation có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả
năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số
lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm càng lớn thì dung lượng trao
đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào điện
tích và bán kính của ion 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+.
Giá trị CEC phản ánh hai tính chất cơ bản của bentonite là diện tích bề
mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới tinh thể. Bề mặt tinh thể gồm bề
mặt trong và bề mặt ngoài:
14


+ Dung lượng trao đổi ở bề mặt ngoài phản ánh kích thước tinh thể, phụ

thuộc vào sự gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì
dung lượng trao đổi càng lớn.
+ Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm
trong mạng lưới, khả năng hấp phụ của bentonite và sự phụ thuộc vào số
lượng các cation bù trừ ở trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thì dung
lượng trao đổi càng lớn dung lượng trao đổi dao động của cation là 80 – 150
meq/100g, anion là 15 – 40 meq/100g (Bùi Văn Thắng, 2011).
Sự trao đổi ion của bentonit còn liên quan đến sự thay thế các nguyên
tử oxy trong nhóm hydroxyl của MMT. Ở đỉnh của các tứ diện SiO 2 hướng
ra ngoài của lớp cấu trúc, các nguyên tử oxi được thay thế bởi các nhóm
hydroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp
và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Ngoài ra trong cấu trúc của bentonit
còn có các nhóm hydroxyl ở đỉnh các bát diện. Trong sáu đỉnh của bát diện
có hai đỉnh là nhóm OH còn bốn đỉnh kia là oxi, trong đó nhóm hidroxyl của
liên kết Si - OH không có khả năng trao đổi hidro, nhóm hidroxyl của liên
kết Al - OH có tính axit yếu nên khả năng trao đổi yếu, nhóm Si - O - Al có
tính trao đổi mạnh quyết định đến trao đổi cation H+.
1.2.3.2. Tính chất trương nở
Bentonite 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 bentonite
là khả năng tạo 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 (Bùi Văn Thắng, 2011).
Khi cho vào nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào
khe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi
là tính chất trương nở. Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét,
15

cation trao đổi trong mạng, sự thay thế đồng hình của các ion trong các lớp
và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong môi trường phân tán
(Thân Văn Liên, 2008). Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ
thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi.
Khi bentonite hấp phụ hơi nước, các phân tử nước phân cực sẽ thâm nhập
vào bên trong các lớp làm khoảng cách tăng lên ít nhất 14 - 15 A 0 tùy thuộc vào
loại bentonit và lượng nước bị hấp phụ. Sự tăng khoảng cách d 001 được giải
thích là do sự hiđrat hóa của các cation giữa các lớp.
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
bentonite chứa Na lớn hơn bentonit chứa K, Ca hoặc Mg (ví dụ: ion Na+ với
điện tích +1 có thể liên kết với một điện tích âm trên mặt lớp sét, do vậy khi
bị hydrat hóa, bentonit chứa Na có khả năng trương nở từ khoảng cách ban
đầu giữa hai phiến sét là từ 9,2A 0 đến ít nhất 17A0. Trong môi trường kiềm
bentonit chứa Na bị hydrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng mạnh, do
vậy huyền phù bentonit chứa Na rất bền vững.
1.2.3.3. Tính kết dính
Khi trộn với nước, bentonite có khả năng kết dính mạnh nên từ xa xưa
nó đã được con người sử dụng để nặn các vật dụng phục vụ đời sống. Trong
các xưởng đúc gang được dùng làm chất kết dính để về quặng bột thành viên
trước khi đưa vào lò nung hoặc làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc.
1.2.3.4. Tính trơ
Bentonit trơ và bền về mặt hóa học nên không độc, có thể ăn được. Do
đó bentonite còn được sử dụng làm mỹ phẩm, chất tẩy màu cho bia, rượu
vang, chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc.

16