Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường loại NO3

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH NAM ĐỊNH
TRƯỜNG THPT MỸ LỘC

BÁO CÁO SÁNG KIẾN
Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số
Hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi
trường loại NO3-

Tác giả: TRẦN THỊ HƯƠNG
Trình độ chuyên môn: Thạc sỹ Hóa học
Chức vụ: Giáo viên
Nơi công tác: THPT Mỹ Lộc

Nam Định, ngày 19 tháng 05 năm 2016


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

BÁO CÁO SÁNG KIẾN
I. ĐIỀU KIỆN, HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN………………………

1

II. MÔ TẢ GIẢI PHÁP………………………………………………………..

1

1. Mô tả giải pháp trước khi tạo ra sáng kiến………………………………..

2. Mô tả giải pháp sau khi có sáng kiến……………………………………….

1
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN………………………………………………

3

1.1.

GIỚI

THIỆU

VỀ

HYDROXIDE

CẤU

TRÚC

LỚP

KÉP

(HYDROTALCITE)……………………………………………………………..
1.1.1. Đặc điểm cấu trúc của hydrotalcite………………………………………
1.1.2. Tính chất của hydrotalcite……………………………………………......

1.2.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HYDROTALCITE………………..
1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa (phương pháp muối bazơ)…………………...
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion………………………………………………...
1.2.3. Phương pháp xây dựng lại cấu trúc……………………………………....
1.2.4. Phương
pháp
muối
–

3
3
7
11
12
13
15
15

oxit…………………………………………………
1.2.5. Phương pháp thủy nhiệt………………………………………………….. 16
1.3. ỨNG DỤNG HYDROTALCITE VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NITRATE
TRONG MÔI TRƯỜNG………………………………………………………... 16
1.3.1. Ứng dụng HT…………………………………………………………….. 16
1.3.2. Ảnh hưởng của nitrate trong môi trường và vai trò của hydrotalcite
trong việc loại nitrate................................................................................
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU……
1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)………………………………………
1.4.2. Phương pháp hồng ngoại (FTIR).................................................................
1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)....................................................

1.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt (TA)...........................................................
1.4.5. Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX)...............................

19
20
20
22
23
24
24

CHƯƠNG II: MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU VÀ THỰC NGHIỆM………………………………………….........
2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU………………………………………………..

26
26


2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU………………………………………………..
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM………………….
2.3.1. Dụng cụ hoá chất………………………………………………………....
2.3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu…………………………………………..
2.3.3. Xác định các đặc trưng của vật liệu……………………………………….
2.3.4. Thí nghiệm loại NO3- dùng các mẫu vật liệu đã chế tạo………………….

26
26
26
27

30
31

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………….......... 33
3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Cu-Al/CO3 ………………………………..... 33
3.1.1. Đặc trưng cấu trúc và ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến cấu trúc
vật liệu…………………………………………………………………………...
3.1.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu………………………………………..
3.1.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng XRD của vật liệu……………….
3.1.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ muối ban đầu tới cấu trúc pha của vật liệu………
3.1.2. Hình thái học vật liệu và ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến hình

33
34
37
39

thái học của vật liệu……………………………………………………………..
3.1.3. Xác định thành phần các nguyên tố trong vật liệu……………………….
3.1.4. Đặc trưng nhiệt của vật liệu.........................................................................
3.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Al/Cl…………………………………………
3.2.1. Đặc trưng cấu trúc và ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến cấu trúc

41
43
44
45

vật liệu...........................................................................................................
3.2.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu...........................................................

3.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng XRD của vật liệu......................
3.2.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ Mg:Al tới cấu trúc pha của vật liệu.......................
3.2.2. Hình thái học vật liệu……………………………………………………..
3.2.3. Xác định thành phần các nguyên tố trong vật liệu……………………….
3.2.4. Đặc trưng nhiệt của vật liệu……………………………………………….
3.3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Al/CO3……………………………………….
3.3.1. Đặc trưng cấu trúc và ảnh hưởng của các thông số đến cấu trúc vật

46
46
49
50
51
52
53
54

liệu..................................................................................................................
3.3.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu...........................................................
3.3.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ kim loại muối ban đầu tới cấu trúc pha của vật

54
54

liệu.................................................................................................................
57
3.3.2. Đặc trưng nhiệt của vật liệu Mg-Al/CO3………………………………… 59
3.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI NO 3- TRÊN CÁC VẬT LIỆU ĐÃ
TỔNG HỢP……………………………………………………………………...
3.4.1. Khả năng loại NO3- của vật liệu Mg-Cu-Al/CO3…………………………

3.4.1.1. Ảnh hưởng tỉ lệ kim loại trong vật liệu tới khả năng loại NO3-………..
3.4.1.2. Ảnh hưởng của quá trình nung tới khả năng loại NO3- của vật liệu…..
3.4.2. Khả năng loại NO3- của vật liệu Mg-Al/Cl……………………………….
3.4.2.1. Ảnh hưởng tỉ lệ kim loại trong vật liệu tới khả năng loại NO3-………..
3.4.2.2. Ảnh hưởng của quá trình nung tới khả năng loại NO3- của vật liệu......

60
60
60
62
63
63
63


3.4.3. Khả năng loại NO3- của vật liệu Mg-Al/CO3……………………………. 64
3.4.4. Nhận xét chung về khả năng loại NO3- của các vật liệu đã tổng hợp được. 65
KẾT LUẬN………………………………………………………………... 67
III. Hiệu quả do sáng kiến đem lại
68
1. Hiệu quả về mặt kinh tế:……………………………………………………..
68
2. Hiệu quả về mặt xã hội……………………………………………………… 68
IV. Cam kết không sao chép hoặc vi phạm bản quyền……………………… 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….. 70

Bảng

DANH MỤC BẢNG
Các vật liệu HT/CO3 được tổng hợp với các thông số phản ứng

2.1:

khác

Bảng

nhau………………………………………………………………………
Các mẫu HT/Cl được tổng hợp với các thông số phản ứng khác

2.2:
Bảng

nhau
Các mẫu Mg-Al/CO3 với tỉ lệ muối kim loại ban đầu khác nhau

28

29
30

2.3:
Bảng

Kết quả hấp phụ NO3- của vật liệu HT1/CO3 chưa nung và sau

62

3.1:
Bảng

nung
Kết quả hấp phụ NO của vật liệu HT3/Cl chưa nung và sau nung

63

3

3.2:
Bảng

ở nhiệt độ khác nhau
Ảnh hưởng tỉ lệ Mg:Al đến khả năng hấp phụ NO3-

64

3.3:
Bảng

Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng hình thành HT đến khả năng hấp

65

phụ NO3Kết quả loại NO của các vật liệu đã tổng hợp được

65

3.4:
Bảng

3

3.5:

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
HT:
HTC:

hydrotalcite
hydrotalcite sau nung


HT.200:

hydrotalcite sau nung ở 2000C trong không khí với thời gian 8

HT.500:

giờ
hydrotalcite sau nung ở 5000C trong không khí với thời gian là 8

HT/CO3:

giờ
hydrotalcite chứa Mg2+, Cu2+, Al3+ trong lớp hydroxyt và CO32-

HT/CO3.200:

trong lớp xen giữa
hydrotalcite chứa Mg2+, Cu2+, Al3+ trong lớp hydroxyt và CO32-

HT/CO3.500:

trong lớp xen giữa sau nung 2000C
hydrotalcite chứa Mg2+, Cu2+, Al3+ trong lớp hydroxyt và CO32-

HT1/CO3:

trong lớp xen giữa sau nung 5000C
hydrotalcite được tổng hợp ở nhiệt độ phòng, tỉ lệ kim loại trong

HT2/CO3:

muối 75% mol Mg, 10% mol Cu, 15% mol Al
hydrotalcite được tổng hợp ở 450C, tỉ lệ kim loại trong muối

HT3/CO3:

75% mol Mg, 10% mol Cu, 15% mol Al
hydrotalcite được tổng hợp ở 650C, tỉ lệ kim loại trong muối

HT4/CO3:

75% mol Mg, 10% mol Cu, 15% mol Al
hydrotalcite được tổng hợp ở nhiệt độ phòng, tỉ lệ kim loại trong

HT5/CO3:

muối 60% mol Mg, 10% mol Cu, 30% mol Al
hydrotalcite được tổng hợp ở nhiệt độ phòng, tỉ lệ kim loại trong

HT6/CO3:

muối 40% mol Mg, 10% mol Cu, 50% mol Al
hydrotalcite được tổng hợp ở nhiệt độ phòng, tỉ lệ kim loại trong

HT/Cl:

muối 20% mol Mg, 10% mol Cu, 70% mol Al
hydrotalcite chứa Mg2+, Al3+ trong lớp xen giữa và Cl - trong lớp

HT/Cl.500:

xen giữa
hydrotalcite chứa Mg2+, Al3+ trong lớp xen giữa và Cl - trong lớp

HT/Cl.200:

xen giữa sau nung ở 5000C
hydrotalcite chứa Mg2+, Al3+ trong lớp xen giữa và Cl - trong lớp

HT1/Cl:

xen giữa sau nung ở 2000C
hydrotalcite phản ứng thực hiện ở nhiệt độ phòng, tỉ lệ Mg:Al =

HT2/Cl:
HT3/Cl:
HT4/Cl:
HT5/Cl:

HT6/Cl:
Mg-Al/CO3:

3:1
hydrotalcite phản ứng thực hiện ở 550C, tỉ lệ Mg:Al = 3:1
hydrotalcite phản ứng thực hiện ở 900C, tỉ lệ Mg:Al = 3:1
hydrotalcite phản ứng thực hiện ở 900C, tỉ lệ Mg:Al = 2:1
hydrotalcite phản ứng thực hiện ở 900C, tỉ lệ Mg:Al = 3,5:1
hydrotalcite phản ứng thực hiện ở 900C, tỉ lệ Mg:Al = 4:1
hydrotalcite chứa Mg2+, Al3+ trong lớp hydroxyt và CO32- trong


Mg-Al/CO3.500:

lớp xen giữa
hydrotalcite chứa Mg2+, Al3+ trong lớp hydroxyt và CO32- trong
lớp xen giữa sau nung 5000C

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình

Khoáng

sét

3

1.1:
Hình

HT………………………………………………………………...
Cấu tạo một lớp HT………………………………………………………….

5

1.2:
Hình

Hình dạng cấu trúc lớp của HT…………………………………..............

6

1.3:
Hình

Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion………………………………….

6

1.4:
Hình

Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học của anion………………………

9

1.5:
Hình

Các loại điện tử phát ra khi chiếu chùm tia điện tử lên mẫu ………….

24

1.6:
Hình

Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO3 được tổng hợp trong 4 giờ ở nhiệt 34

3.1:
Hình

độ thường………………………………………………………………………
Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO3 sau nung ở 5000C trong 8 giờ….. 35

3.2:
Hình

Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO3.500 sau khi hòa tan trong dung

3.3:
Hình

dịch K2CO3……………………………………………………………..
36
Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau

3.4:

HT1/CO3 (a: nhiệt độ phòng), HT2/CO3 (b: 450C), HT3/CO3 (c: 650C)

Hình

chưa nung được tổng hợp trong 4 giờ………………………………….
37
Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu sau nung HT1/CO3.500 (a),

3.5:

HT2/CO3.500 (b), HT3/CO3.500 (c) [“*”: pha MgO, “#”: pha CuO] 38

Hình

….
Giản đồ XRD của các mẫu HT/CO3 chưa nung với tỉ lệ muối ban đầu

3.6:

khác nhau [(#) pha hydrotalcite, (*) pha của Al(OH)3;


Hình

a (HT1/CO3), b (HT4/CO3), c (HT5/CO3), d (HT6/CO3)]…………….
38
Giản đồ XRD của các mẫu HT/CO3sau nung ở 5000C với tỉ lệ muối

3.7:
Hình

ban đầu khác nhau……………………………………………………

39
Phổ FTIR của mẫu HT4/CO3 chưa nung được tổng hợp ở nhiệt độ

3.8:
Hình

phòng trong 4 giờ………………………………………………………
Ảnh SEM của các mẫu:a- HT1/CO3; b- HT1/CO3-500;c- HT3/CO3-

40

3.9:

500……………………………………………………………………………

41

Hình

…
Ảnh SEM của mẫu HT/CO3 sau nung ở các tỉ lệ muối ban đầu khác

3.10:

nhau

Hình

(a: HT1/CO3.500, b: HT4/CO3500, c HT5/CO3.500,d: HT6/CO3.500)
Giản đồ TGA của mẫu HT4/CO3………………………………………

43
44

3.11:
Hình

Giản đồ phân tích EDX của mẫu………………………………………

45

3.12:
Hình

Giản đồ XRD của vật liệu HT/Cl được tổng hợp với tỉ lệ Mg:Al=3:1

3.13:
Hình

(HT3/Cl) trong 10 giờ ở 900C.................................................................
Giản đồ XRD của vật liệu HT3/Cl (a- chưa nung, b- nung ở 2000C, c-

47
48

3.14:
Hình

nung ở 5000C) (*) pha HT, (#) pha MgO..............................................
Phổ FTIR của mẫu HT3/Cl …………………………………………………

49

3.15:
Hình

Giản đồ XRD của các mẫu HT/Cl với nhiệt độ tổng hợp khác nhau:

50

3.16:
Hình

(a- 900C, b- 550C, c- nhiệt độ phòng); (*) pha Al(OH)3
Giản đồ XRD của vật liệu HT/Cl được tổng hợp trong 10 giờ ở 900C

51

3.17:

[a- (Mg:Al = 2); b- (Mg:Al = 3); c- (Mg:Al = 3,5); d- (Mg:Al =4)];

Hình

(*): pha Al(OH)3..................................................................................................................
Ảnh SEM của vật liệu HT3/Cl được tổng hợp ở 900C trong 10 giờ….

52

3.18:

Hình

Giản đồ phân tích các nguyên tố của mẫu HT3/Cl…………………….

52

3.19:
Hình

Giản đồ TGA và DTA của mẫu HT3/Cl………………………………

54

3.20:
Hình

Giản đồ XRD của mẫu HT1..............................................................

55

3.21:
Hình

Giản đồ XRD của mẫu HT1 nung 5000C................................................

56


3.22:
Hình

Phổ FTIR của mẫu HT1.........................................................................

56

3.23:
Hình

Phổ FTIR của mẫu HT1 nung

57

3.24:
Hình

5000C......................................................
Giản đồ XRD của các mẫu với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau

58

3.25:
Hình

a- HT1, b- HT2, c- HT3 ...............................................................
Giản đồ XRD của các mẫu sau nung (a- HT1-500, b- HT2-500, c-

58

3.26:
Hình

HT3-500) ..........................................................................................
Giản đồ TGA và DTA của mẫu HT1.....................................................

59

3.27:
Hình

Phần trăm hấp phụ NO3- của các mẫu vật liệu sau nung ở 5000C với tỉ 60

3.28:
Hình

lệ kim loại trong muối ban đầu khác nhau ………………………….
Giản đồ XRD của vật liệu sau khi hòa tan trong dung dịch KNO3:

3.29.

61

( a- HT4/CO3-500, b- HT6/CO3-500 ); (*): HT/CO3; (+):
Mg6Al12(OH)18; (#): MgAl2O4………………………………………..

BÁO CÁO SÁNG KIẾN
I. ĐIỀU KIỆN, HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN
Trong quá trình học tập tại khoa hóa trường ĐHKHTN- ĐHQG Hà Nội đồng
thời trong thời gian làm luận văn tại Viện Hóa Học - Viện Khoa học và Công nghệ
Việt Nam đã giúp tôi hiểu thêm được công việc vất vả mà các nhà nghiên cứu khoa
học đã cống hiến để tìm tòi và tổng hợp ra vật liệu mới nhằm nâng cao chất lương

cuộc sống và sự văn minh của nhân loài. Sáng kiến của tôi được thu gọn trong một
phần thạc sỹ khoa học của tôi, được sự giúp đỡ sâu sắc của cô Phan Thị Ngọc Bích
- Viện Hóa Học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cũng như ban lãnh đạo
Viện Hoá học đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận trong quá trình học tập và bảo vệ tốt
nghiệp. Tôi tin rằng ngoài những kinh nghiệm, sáng tạo của các thầy cô đang trực
tiếp giảng dậy và làm công tác quản lý sẽ có rất nhiều thầy cô còn đam mê trong
lĩnh vực nghiên cứu khoa học.
II. MÔ TẢ GIẢI PHÁP
1. Mô tả giải pháp trước khi tạo ra sáng kiến


Quá trình hình thành nitrate là một giai đoạn không thể thiếu trong vòng tuần
hoàn của nitơ trong tự nhiên. Thực phẩm và đồ uống có chứa một lượng nitrate thấp
thì không hại cho sức khỏe. Cây cối hấp phụ nitrate trong đất để lấy dưỡng chất và có
thể tạo ra một lượng dư nhỏ trong lá và quả. Do tính cơ động cao, nitrate dễ dàng thấm
vào nguồn nước ngầm, hơn nữa nitrate là chất không màu, không mùi, không vị nên ta
khó nhận biết được. Nếu con người và động vật uống phải nước có nhiều nitrate sẽ dễ
bị mắc các bệnh về máu, đặc biệt là đối với trẻ nhỏ. Nitrate hình thành khi vi sinh vật
chuyển hóa phân bón, phân hủy xác động thực vật. Nếu cây cối không kịp hấp thụ hết
lượng nitrate này thì nước mưa và nước tưới sẽ làm cho nó ngấm vào lòng đất, làm ô
nhiễm nguồn nước ngầm. Rất tiếc là con người lại chính là thủ phạm tạo ra nguồn ô
nhiễm nitrate lớn nhất thông qua các hoạt động nông nghiệp: sử dụng phân bón hóa
học hoặc hữu cơ, chăn nuôi, thải nước và rác không qua xử lý, hệ thống bể phốt.
Do đó nghiên cứu và phát triển các vật liệu có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường
nước là rất cần thiết. Hydrotalcite (HT) là loại vật liệu có khả năng loại được nitrate.
HT là một loại vật liệu có cấu trúc lớp tồn tại trong khoáng vật trong tự nhiên cũng
như trong các pha tổng hợp. Tính đa dạng của vật liệu này có thể được điều chế bằng
cách thay đổi bản chất, tỷ lệ của các cation kim loại và anion trong lớp xen kẽ.
HT đã được biết đến từ rất lâu nhưng được quan tâm nghiên cứu trong thời gian
gần đây do những tiềm năng, ứng dụng rất lớn. Do đặc điểm cấu tạo HT có cấu trúc

dạng lớp, diện tích bề mặt lớn, kích thước hạt nhỏ nên có khả năng trao đổi ion và hấp
phụ. Sau khi nung cấu trúc lớp bị thu bớt lại và hình thành oxit. Trong dung dịch các
oxit này có khả năng tái tạo lại cấu trúc với các anion khác. Chính đặc tính này làm
HT sau nung (HTC) có khả năng hấp phụ tốt hơn HT khi chưa nung nên có khả năng
hấp phụ rất tốt.
Cũng đã có một vài công trình nghiên cứu về hydroxyte cấu trúc lớp kép loại
Mg/Al-CO3 như Nguyễn Thị Dung đã làm về Điều chế xúc tác trên chất mang MgAlO
hydrotalcite hay Nguyễn Thị Mơ làm về khảo sát khả năng hấp thụ của vật liệu
hydrxyte đối với RO-12. Tôi chọn đề tài nghiên cứu tổng hợp ba loại vật liệu MgAl/CO3 (như các nghiên cứu đã được công bố), Mg-Cu-Al/CO 3 và Mg-Al/Cl (loại này


khó tổng hợp được vì trong không khí có nhiều khí CO 2, CO2 hòa tan trong môi trường
kiềm vì vậy dễ tạo ra loại Mg/Al-CO 3, hai loại vật liệu sau chưa có công trình nghiên
cứu ở Việt Nam được công bố tính đến tháng 5 - 2016). Sau đó tôi sơ bộ đánh giá khả
năng loại NO3- của các vật liệu đã tổng hợp được. Đây chính là những đặc tính thuận
lợi để ứng dụng vào xử lý môi trường nên chúng tôi đã chọn đề tài: “Tổng hợp và xác
định các đặc trưng của một số hydroxyte cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi
trường loại NO3-”.
2. Mô tả giải pháp sau khi có sáng kiến
Nội dung báo cáo gồm 4 chương: Tổng quan; Thực nghiệm; Kết quả và thảo
luận; Kết luận

1.2. GIỚI

THIỆU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
VỀ HYDROXIDE CẤU

TRÚC

LỚP

KÉP

(HYDROTALCITE)
Các hydroxide cấu trúc lớp kép (layered double hydroxide - LDH) đã được
biết đến từ hơn 150 năm trước đây. Công thức chung của các LDH là:
[M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n. mH2O]xTrong đó M2+ và M3+ là các cation kim loại hóa trị 2 và 3 tương ứng và A n- là
anion. Chúng còn được gọi là vật liệu giống hydrotalcite hay đơn giản là vật liệu
hydrotalcite (HT) theo tên gọi của một khoáng trong họ, tồn tại trong tự nhiên với
công thức chính xác là Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O. Một tên nữa của họ hợp chất này là
khoáng sét anion, để nhấn mạnh đến sự so sánh với các khoáng sét cation rất phổ
biến trong tự nhiên. Vì vậy để đơn giản trong cách gọi tên trong sáng kiến này
chúng tôi gọi hydroxide cấu trúc lớp kép là hydrotalcite [11]. Hình 1.1 là hình ảnh
về khoáng sét HT trong tự nhiên.


Hình 1.1: Khoáng sét HT [11]
1.2.1. Đặc điểm cấu trúc của hydrotalcite [11, 13, 44]
 Công thức HT
Khoáng sét anion có công thức tổng quát là [M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n.mH2O]x-.
Trong đó:
M2+ là cation kim loại hóa trị 2 như Mg, Zn, Ca, Fe, Ni...
M3+ là cation kim loại hóa trị 3 như Al, Cr, Fe...
An- là các anion rất đa dạng có thể là phức anion, anion hữu cơ, các polyme
có khối lượng phân tử lớn, các halogen hay SO42-, CO32-...
x là tỉ số nguyên tử M3+/(M2+ + M3+), x thường nằm trong khoảng 0,20
0,33, cũng có một số tài liệu đã công bố HT có thể tồn tại với 0,1

x

x

0,5.

 Cấu tạo HT
HT được cấu tạo dạng lớp bao gồm:
- Lớp hydroxit (lớp brucite): là hỗn hợp của các hydroxit của kim loại hóa trị 2
và hóa trị 3, tại đỉnh là các nhóm OH -, tâm là các kim loại hóa trị 2 và 3, có cấu trúc
tương tự như cấu trúc brucite trong tự nhiên. Cấu trúc này được sắp đặt theo dạng
M(OH)6 bát diện. Những bát diện này dùng chung cạnh kế cận để hình thành nên
các lớp không giới hạn. Các lớp hydroxit này có dạng [M 2+1-xM3+x(OH)2]x+ trong đó


một phần kim loại hóa trị 2 được thay thế bằng kim loại hóa trị 3 nên lớp hydroxit
mang điện tích dương.
- Lớp xen giữa: [An-x/n] là các anion mang điện tích âm nằm xen giữa các lớp
hydroxit, trung hòa điện tích dương của lớp hydroxit. Ngoài anion, các phân tử
nước cũng được định vị ở lớp xen giữa những lớp hydroxit kim loại. Chỉ có các liên
kết yếu tồn tại giữa các ion và phân tử này với lớp cơ bản. Điều này dẫn đến một
trong những đặc điểm chủ yếu của họ vật liệu này là khả năng trao đổi anion của
các anion lớp xen giữa.
Cấu trúc lớp của HT được đưa ra trên hình 1.2.

Hình 1.2: Hình dạng cấu trúc lớp của HT
Tương tác tĩnh điện giữa các lớp hydroxit kim loại với các anion ở lớp xen
giữa và liên kết hydro giữa các phân tử nước làm cho cấu trúc của hydrotalcite có
độ bền vững nhất định.
Các anion và các phân tử nước trong lớp xen giữa được phân bố một cách

ngẫu nhiên và có thể di chuyển tự do không có định hướng, có thể thêm các anion


khác vào hoặc loại bỏ các anion trong lớp xen giữa mà không làm thay đổi đáng kể
cấu trúc của HT.
Tùy thuộc vào bản chất của các cation và anion mà mật độ lớp xen giữa và
kích thước hình thái của chúng thay đổi tạo cho vật liệu có những đặc tính riêng.
L là khoảng cách giữa 2 lớp hydroxit L = 3-4 Å, được xác định bởi kích
thước của các anion, giá trị L phụ thuộc vào:
• Bán kính của các anion: anion có bán kính càng lớn thì khoảng cách lớp xen
giữa L sẽ lớn (hình 1.3).

Hình 1.3: Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion
• Công thức cấu tạo không gian của anion: Ví dụ anion NO 3- xen giữa lớp
hydroxit với cấu tạo không gian khác nhau nên L có các giá trị khác nhau (hình 1.4)
[33].


Hình 1.4: Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học của anion

1.2.2. Tính chất của hydrotalcite [13, 23, 24, 28, 31]
1.2.2.1. Độ bền hóa học
Độ bền hóa học là rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng của HT, chẳng hạn
như khi HT được dùng làm bể chứa các ion kim loại phóng xạ từ các chất thải hạt
nhân. Độ bền hóa học của các HT tăng theo thứ tự Mg 2+< Mn2+< Co2+ ≈ Ni2+< Zn2+
đối với cation hóa trị 2 và Al3+< Fe3+ đối với cation hóa trị 3. Điều này cũng phù hợp
với giá trị pKsp của các hydroxit kim loại tương ứng (Ksp là độ tan của sản phẩm).
Bên cạnh đó có thể tính trực tiếp độ hòa tan. Allda và các đồng nghiệp đã tính
được độ hòa tan của HT trong dung dịch từ số liệu nhiệt hóa học. Sự hòa tan
hydroxit kim loại của HT ảnh hưởng bởi anion trong lớp xen giữa. Ví dụ CO 32-,

BrO3-,… làm giảm khả năng hòa tan, trong khi ion NO 3-, SO42- làm tăng khả năng
hòa tan.
1.1.2.2. Độ bền nhiệt
Mặc dù tính đa dạng về thành phần, phần lớn các HT thể hiện hành vi phân
hủy nhiệt tương tự nhau: Khi nung nóng, trước hết các HT giải phóng nước trong


các lớp xen giữa, sau đó là quá trình dehydroxyl hóa của các lớp hydroxit và sự
phân hủy các anion lớp xen giữa ở các nhiệt độ cao hơn, cấu trúc lớp bị phá hủy. Sự
khác nhau thể hiện ở nhiệt độ xảy ra các quá trình này. Các nghiên cứu cho thấy
rằng độ bền nhiệt tăng theo trật tự Co-Al < Zn-Al ≈ Cu-Al < Mg-Fe ≈ Ni-Al < MgAl ≈ Mg-Cr.
Sự phân hủy nhiệt của các HT thành các oxit tương ứng chịu ảnh hưởng đáng
kể bởi bản chất của các anion lớp xen giữa. Ví dụ, nghiên cứu phân tích DTA đã chỉ
ra rằng Mg-Al/NO3 bền nhiệt hơn khi điện tích lớp x (x = Al/(Mg+Al)) tăng. Ngược
lại, Mg-Al/CO3 lại cho nhiệt độ phân hủy giảm khi x tăng. Các tinh thể HT chứa các
anion hữu cơ có thể thay đổi khoảng cách cơ bản trong cấu trúc khi nung nhẹ, mở
rộng hoặc thu hẹp khi mất nước trong lớp xen giữa.
1.1.2.3. Chu trình nung – hydrat hóa và hiệu ứng nhớ lại cấu trúc
Các HT sau khi nung tạo thành oxit, có thể tái tạo lại cấu trúc lớp khi đưa vào
dung dịch. Đây là một tính chất rất thú vị của các vật liệu này. Quá trình nung –
hydrat hóa tái tạo lại cấu trúc có thể lặp đi lặp lại nhiều lần thành chu trình. Tuy
nhiên, quá trình này diễn ra khá phức tạp. Hơn nữa, sự giảm dung lượng hấp phụ
anion hay những thay đổi trong tính đối xứng của tinh thể có thể xảy ra sau một hay
nhiều chu trình, hoặc pha sipnel cũng có thể xuất hiện trong những chu trình tiếp
theo. Cũng có thể có các pha oxit không mong muốn khi lặp lại chu trình này…
Khả năng tái tạo cấu trúc phụ thuộc vào bản chất của các cation kim loại thành
phần. Một ví dụ điển hình cho nhận định này là việc mất hoạt tính khi rehydrat hóa
các xúc tác oxit trở lại cấu trúc HT nếu dùng Ni 2+ thay thế cho Mg2+ để tổng hợp
HT.
Điều kiện nung (nhiệt độ, tốc độ, thời gian nung) cũng là những yếu tố rất

quan trọng, quyết định đến quá trình tái tạo cấu trúc của HT. Ví dụ như khi nung ở
6000C, cấu trúc HT có thể tái tạo sau 24 giờ rehydrat hóa, còn mẫu nung đến 750 0C
cần khoảng thời gian 3 ngày.
1.1.2.4. Tính chất trao đổi ion


Các đa kim loại hay các oxit kim loại trong dung dịch có sức hấp dẫn rất lớn
đối với HT. Do đó, HT trở thành một trong những hợp chất chủ yếu để trao đổi ion.
Phương pháp trao đổi có dạng sau:
[M2+M3+A] + A’- = [M2+M3+A’] + AA là anion ở lớp xen giữa
A’ là anion cần trao đổi
Hoặc có thể trao đổi ở dạng sau:
HT-A’: HT có 1 anion xen giữa là A’.
HT-AA’: HT có 2 anion xen giữa cùng tồn tại, lúc này quá trình trao đổi xảy ra
không hoàn toàn, A không trao đổi hết với A’ (hình 1.5).
Khả năng trao đổi ion phụ thuộc rất lớn vào bán kính, điện tích của anion A’ và
anion A cần trao đổi.
Khi sử dụng HT trong phản ứng trao đổi ion thì kích thước của lỗ xốp và
diện tích bề mặt của HT cũng sẽ bị ảnh hưởng. Ngoài ra độ tinh khiết của tinh thể
cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình trao đổi.
Đối với HT có lớp xen giữa là ion Cl - (HT/Cl), hoặc NO3- (HT/NO3) thì rất
dễ tham gia phản ứng trao đổi ion. Phản ứng có thể thực hiện trong dung môi là
nước hoặc etanol.


Hình 1.5: Quá trình trao đổi ion của HT-A’
Thực nghiệm cho thấy HT/NO3, HT/Cl trao đổi ion rất tốt đối với ion
Mo7O246-,
-

Fe(CN)63-,

Fe(CN)64-,

S4O62-,...

hay

các

muối

hữu

cơ

như:

OOC(CH2)4COO-. Đối với hydrotalcite chứa CO 32- thì rất khó trao đổi ion trong

dung dịch bởi cấu trúc này rất bền vững.
So sánh kết quả của các nguyên tố trước và sau khi trao đổi trong hai dung
môi khác nhau thì cho kết quả sau:
Bảng 1.1: Tỉ lệ các nguyên tố trước và sau khi trao đổi trong 2 dung môi khác nhau
Mẫu

Mg:Al trước
trao đổi

HT-Cl/NO3 (2:1)

HT-Cl/NO3 (3:1)
HT-Cl/NO3 (4:1)

2,00 : 1,00
2,72 : 1,00
3,67 : 1,00

Mg:Al sau khi trao đổi
Dung dịch nước
Dung dịch nước
1,34 : 1,00
0,77 : 1,00
1,68 :1,00

và ethanol
1,88 : 1,00
2,13 : 1,00
2,84 : 1,00

Lượng Mg bị hòa tan trong lúc trao đổi ở cả hai môi trường: dung môi nước,
dung môi hỗn hợp ethanol và nước, tuy nhiên khi trao đổi trong môi trường nước và
ethanol Mg bị tan ít hơn trong dung môi nước.


Sự trao đổi ion phụ thuộc vào:
• Tương tác tĩnh điện của lớp hydroxit với anion xen giữa và năng lượng tự do
của các anion cần trao đổi.
• Ái lực của hydroxit với các anion cần trao đổi trong dung dịch và ái lực của
lớp hydroxit với các anion trong lớp xen giữa.
• Cấu tạo của anion cần trao đổi. Hằng số cân bằng trao đổi tăng khi bán kính

anion trao đổi giảm, trao đổi ion sẽ thuận lợi với các anion trong dung dịch có nồng
độ cao.
• Anion hóa trị 2 được ưu tiên hơn anion hóa trị 1 và thời gian trao đổi cũng
nhanh hơn.
• Khoảng cách lớp xen giữa L.
• Sự trao đổi ion còn có sự ưu tiên đối với các ion có trong mạng lưới tinh thể
vật liệu chất hấp phụ rắn, hoặc ít ra có cấu tạo giống với một trong những ion tạo ra
mạng lưới tính chất của chất hấp phụ.
Khả năng trao đổi còn phụ thuộc vào pH, pH luôn luôn phải nằm trong vùng
tồn tại bền của lớp hydroxit và các anion bù trừ điện tích.
1.1.2.5. Tính chất hấp phụ
Cùng với khả năng trao đổi ion, tính chất hấp phụ luôn song hành và cũng hết
sức quan trọng đối với việc tổng hợp và các ứng dụng của vật liệu HT. Tương tác
chất hấp phụ, chất bị hấp phụ bao gồm cả hấp phụ tĩnh điện và trao đổi phối tử. Các
anion hấp phụ được kiểm soát không chỉ bởi mật độ điện tích mà còn bởi sự hình
thành các liên kết hydro đặc biệt. Dung lượng hấp phụ và hệ số phân bố cũng được
xác định từ các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ truyền thống như Langmuir,
Freundlich, …. Tính chất hấp phụ thể hiện rất tốt với nhiều loại vật liệu hydrotalcite
sau nung (HTC) đặc biệt là các HT/CO 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp
phụ cũng giống như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion, khả năng hấp
phụ của HTC còn phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian nung và tỉ số M 2+/M3+. Những
yếu tố này quyết định mật độ điện tích và cấu trúc xốp của vật liệu HTC, do vậy ảnh
hưởng đến quá trình hấp phụ. Ngoài ra, quá trình hấp phụ diễn ra trong môi trường


nước nên còn chịu nhiều tác động của các yếu tố như pH dung dịch, các ion và hợp
chất lạ….
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HYDROTALCITE [21, 28, 34, 42, 44]
HT có những ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nên có rất nhiều công
trình nghiên cứu điều chế HT. Hydrotalcite có thể điều chế trực tiếp từ các dung

dịch muối kim loại, oxit của kim loại hay điều chế từ những khoáng tự nhiên bằng
cách trao đổi anion hay nung rồi hydrat hóa trở lại với một anion khác để sắp xếp lại
cấu trúc. Dưới đây trình bày những phương pháp thường được sử dụng nhất để điều
chế hydrotalcite.

1.2.6. Phương pháp đồng kết tủa (phương pháp muối bazơ)
Hydroxit cấu trúc lớp kép đầu tiên được tổng hợp bằng phản ứng của hỗn
hợp dung dịch muối với một dung dịch hydroxit của kim loại kiềm (Feitknecht và
Gerber 1942). Phương pháp này tiêu biểu cho một trong những phương pháp tổng
hợp được dùng nhiều nhất để điều chế HT bao gồm sự kết tủa đồng thời của các
hydroxit, của hai hay nhiều cation kim loại hóa trị II và III. Phương pháp này được
gọi là phương pháp “đồng kết tủa” có nghĩa là phải có tối thiểu hai hydroxit kim
loại cùng kết tủa đồng thời.
Năm 1942, Feitknecht và Gerber lần đầu tiên đã sử dụng phương pháp này
điều chế được [Mg–Al/CO3] bằng phản ứng của các dung dịch rất loãng. Sau đó
Gastuche, Brown và Mortlan (1967) đã phát triển phương pháp này để điều chế
[Mg–Al/CO3]. Miyata (1975), Miyata và Okada (1977) đã thay đổi một vài tham số
như nồng độ của các chất phản ứng (nồng độ dung dịch của hỗn hợp muối kim loại
nằm trong khoảng 0,1M đến 3,5M và giảm giá trị từ 0,1M đến 0,01M trong dung
dịch phản ứng), sự kiểm soát pH trong quá trình điều chế. Chính những yếu tố này
ảnh hưởng đến sự hình thành HT.
Để đảm bảo sự kết tủa đồng thời của hai hay nhiều cation cần phải tiến hành
tổng hợp ở điều kiện quá bão hòa. Nói chung quá bão hòa đạt được bằng cách kiểm


soát pH của dung dịch. Hai phương pháp đồng kết tủa thường dùng là: kết tủa ở
điều kiện bão hòa thấp và kết tủa ở điều kiện bão hòa cao. Đồng kết tủa ở bão hòa
thấp được thực hiện bằng cách thêm từ từ hỗn hợp dung dịch muối hóa trị 2 và 3
với các tỉ lệ đã chọn vào bình phản ứng chứa dung dịch anion mong muốn nằm ở
lớp xen giữa. Sau đó thêm đồng thời dung dịch kiềm vào bình phản ứng, duy trì pH

như mong muốn để kết tủa đồng thời hai muối kim loại. Đối lập với phương pháp
này là phương pháp đồng kết tủa ở pH cao bằng cách thêm hỗn hợp dung dịch muối
vào dung dịch kiềm chứa anion mong muốn ở lớp xen giữa. Đồng kết tủa ở bão hòa
cao thường cho tinh thể vật liệu kém hơn so với phương pháp bão hòa thấp bởi vì
hình thành số lượng lớn mầm tinh thể.
Bằng phương pháp này có thể tạo thành hydrotalcite với hàng loạt các anion
xen giữa khác nhau và mật độ các anion xen giữa thay đổi được.
Tiếp theo quá trình kết tủa là quá trình già hóa có ý nghĩa rất quan trọng, làm
tăng hiệu suất và độ tinh thể của sản phẩm. Thời gian già hóa để cho HT có cấu trúc
ổn định trong khoảng 4 – 12 giờ, có khi tới vài ngày. Các điều kiện của sự già hóa
phải phù hợp với bản chất của HT thu được, ví dụ: [M II, MIII - NO3] sẽ cần thời gian
già hóa lâu hơn [MII,MIII - CO3].
Cấu trúc và tính chất hóa lý của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
bản chất và nồng độ của các chất phản ứng, pH kết tủa, nhiệt độ và thời gian già
hóa.
1.2.7. Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion đặc biệt có ích khi phương pháp đồng kết tủa không
thực hiện được, ví dụ như khi cation kim loại hóa trị II và III hoặc các anion không
bền trong dung dịch kiềm hoặc khi phản ứng trực tiếp giữa ion kim loại và anion
mong muốn (anion “khách”) có nhiều thuận lợi hơn. Trong phương pháp này, anion
“khách” được trao đổi với anion “chủ” có mặt trong lớp xen giữa của pha HT. Trao
đổi ion trong HT phụ thuộc chính vào tương tác tĩnh điện giữa lớp chủ tích điện
dương và anion trao đổi.


Quan sát một hệ gồm HT chứa ion trao đổi A m- và dung dịch chứa Bn- là ion
cần trao đổi với Am-. Phương pháp trao đổi ion có thể tiến hành bằng một trong hai
cách sau:
HT(Am-) + Bn-

HT(Bn-)m/n + Am-

(cách 1)

Hoặc
HT(Am-) + Bn- + mH+

HT(Bn-)m/n + HmA

(cách 2)

Trong cách 1, anion ban đầu trong HT là anion hóa trị I như Cl -, NO3-, … nó
có tương tác tĩnh điện yếu với lớp chủ. Trong cách 2, anion trong HT ban đầu là các
anion dễ bị axit tấn công như: CO32-, carboxylat….
Một số yếu tố quyết định đến khả năng trao đổi:
• Ái lực đối với anion trao đổi
Thường khả năng trao đổi của anion trao đổi tăng với sự tăng của điện tích và
sự giảm bán kính ion. Mức độ trao đổi của các anion vô cơ đơn giản giảm theo thứ
tự CO32-> HPO42-> SO42- đối với anion hóa trị 2 và OH -> F-> Cl-> Br-> NO3-> I- đối
với anion hóa trị 1. Bởi vì NO3- được trao đổi dễ dàng nhất, nên các HT chứa NO 3(HT/NO3) thường được sử dụng như tiền chất để trao đổi ion.
• Môi trường trao đổi
Khoảng cách lớp xen giữa của HT có khả năng mở rộng đến mức độ nào đó
trong môi trường dung môi phù hợp tạo thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Ví dụ
trao đổi anion vô cơ diễn ra thuận lợi trong môi trường nước, trong khi các dung
môi hữu cơ lại thích hợp cho các anion hữu cơ trao đổi.
• Giá trị pH
Đối với các anion như terephthalate hoặc benzoate là các bazơ liên hợp của
các axit yếu, pH của dung dịch phản ứng càng thấp, tương tác giữa các lớp và anion
ở lớp xen giữa càng yếu. Vì vậy, một giá trị pH thấp thuận lợi cho sự giải phóng của
anion “chủ” là một axit liên hợp và sự kết hợp các anion bazơ yếu từ dung dịch. Tuy

nhiên, giá trị pH không nên thấp hơn 4 vì khi đó các lớp HT bắt đầu bị hòa tan.


• Thành phần hóa học của lớp brucite
Thành phần hóa học của lớp HT ảnh hưởng đến mật độ điện tích của các lớp
và trạng thái hydrat hóa, do đó làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion.
Một vài yếu tố khác như nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion.
Nhiệt độ càng cao thuận lợi cho việc trao đổi ion, tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao có
thể ảnh hưởng bất lợi đến tính toàn vẹn cấu trúc của HT.
Phương pháp trao đổi ion đặc biệt được sử dụng để điều chế HT không chứa
cacbonat. Một số lớn các anion hữu cơ và vô cơ có thể đi vào lớp xen giữa của các
HT nhờ sử dụng quá trình trao đổi ion.

1.2.8. Phương pháp xây dựng lại cấu trúc
Các HT được tạo thành bằng phương pháp này với số lượng lớn các anion hữu
cơ và các anion vô cơ như: -OOC(CH2)4COO-, S4O62-, Fe(CN)63-,Cr2O72-,…
Trong phương pháp này HT được nung ở nhiệt độ cao (khoảng 500 0C) để loại
bỏ nước, các anion trong lớp xen giữa và các nhóm hydroxit, do tạo thành hỗn hợp
các oxit kim loại đã không đạt được bằng phương pháp cơ học. Sau khi nung, HT
có khả năng tái tạo lại cấu trúc lớp khi nó được tiếp xúc với nước và các anion.
Nước được hấp thụ để hình thành lại lớp hydroxit và các anion và nước đi vào lớp
xen giữa. Anion này không nhất thiết phải là anion trong vật liệu HT ban đầu, vì vậy
đây là một phương pháp quan trọng để tổng hợp các HT với các anion vô cơ và hữu
cơ mong muốn cho những ứng dụng xác định.
Phương pháp này thường được dùng khi anion “khách” là các anion lớn. Nó
cũng ngăn ngừa được sự xâm nhập sự cạnh tranh của các anion vô cơ từ nguồn
muối kim loại. Tuy nhiên, cách tiến hành là phức tạp hơn phương pháp đồng kết tủa
hay phương pháp trao đổi ion và thường tạo ra đồng thời các pha vô định hình. Cần
chú ý rằng nhiệt độ nung và thành phần hóa học của các lớp HT có ảnh hưởng đáng
kể đến quá trình xây dựng lại cấu trúc. “Hiệu ứng nhớ” bị giảm khi tăng nhiệt độ

nung của HT ban đầu (gốc), bởi vì khi tăng nhiệt độ nung do có sự khuếch tán ở


trạng thái rắn của cation hóa trị 2 vào vị trí tứ diện, dẫn đến hình thành các pha
spinel bền thay vì các oxit.
1.2.9. Phương pháp muối – oxit
Boelm, Steink và Vieweger là những người đầu tiên sử dụng phương pháp
tổng hợp này để điều chế hydroxit lớp kép Zn–Cr/ Cl và Cu-Cr/Cl, chúng khó tạo
thành bằng phương pháp đồng kết tủa. Tác giả cho kẽm oxit ở dạng huyền phù phản
ứng với lượng dư dung dịch CrCl 3 ở nhiệt độ phòng trong vài ngày và đã thu được
một thành phần hóa học duy nhất tương ứng với công thức Zn 2Cr(OH)6Cl.12H2O
đặc trưng cho hợp chất HT. Lal và Howe (1981) đã điều chế được loại vật liệu
tương tự bằng cách cho CrCl3 vào ZnO ở dạng bùn lỏng sệt và khuấy trộn trong 10
giờ. Điều kiện này đã được mô phỏng trong thí nghiệm Matériau đã thu được [ZnCr/Cl] có độ trật tự kém.
De Roy, Besse và Bendot (1985); De Roy (1990) đã phát triển phương pháp
này để điều chế hợp chất khác nhau từ kim loại hóa trị II, hóa trị III và các anion,
đặc biệt là [Zn-Cr/Cl], [Zn-Cr/NO3], [Zn-Al/Cl] và [Zn-Al/NO3] với phương trình
của phản ứng lý thuyết:
MIIO+xMIII

+(n+1)H2O

(OH)2

+xMII

+xMIII

Do bản chất của các chất tham gia phản ứng nên dẫn đến tên gọi của quá
trình tổng hợp này là “phương pháp muối oxit”.

1.2.10.Phương pháp thủy nhiệt
Khi cần đưa các anion có ái lực thấp vào lớp xen, thì phản ứng trao đổi anion
dùng HT như tiền chất hoặc phương pháp đồng kết tủa dùng các muối kim loại hòa
tan như clorua và nitrat là không thích hợp. Phương pháp thủy nhiệt là hiệu quả
trong những trường hợp như vậy bởi các hydroxit không tan, ví dụ như Mg(OH) 2,
Al(OH)3 có thể sử dụng như các chất nguồn vô cơ, đảm bảo các anion mong muốn
chiếm được khoảng không lớp xen giữa vì không có anion cạnh tranh nào khác có
mặt (trừ hydroxit mà hydroxit có ái lực rất thấp). Phương pháp thủy nhiệt cũng


được sử dụng để kiểm soát kích thước hạt và sự phân bố của nó, khi các muối tan
của nhôm và magiê được sử dụng cùng với dung dịch kiềm để điều chế Mg-Al/CO 3,
đặc biệt có ích khi HT được điều chế bằng cách sử dụng vật liệu ban đầu ở dạng
bột.
1.3. ỨNG DỤNG HYDROTALCITE VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NITRATE
TRONG MÔI TRƯỜNG
1.3.3. Ứng dụng HT [14, 18, 20, 22, 43]
Các vật liệu HT, ở dạng vừa tổng hợp cũng như sau khi xử lý nhiệt, là những
vật liệu hứa hẹn cho rất nhiều lĩnh vực ứng dụng như xúc tác, hấp phụ, dược học,
quang học, điện hóa, …. Điều này là do chúng khá dễ dàng được tổng hợp với giá
thành thấp, linh động trong thành phần và khả năng linh hoạt tạo ra các tính chất
xác định nhằm đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
1.3.3.1. Ứng dụng trong xúc tác
Làm chất mang xúc tác:
Nhiều loại HT chưa nung và sau nung là những chất mang hiệu quả cho các xúc
tác kim loại quý, kim loại chuyển tiếp, cố định các enzyme,…
Xúc tác trong các phản ứng hữu cơ quan trọng
Đã có rất nhiều bài báo công nhận việc sử dụng HT chưa nung trong một số lớn
các phản ứng xúc tác, bao gồm phản ứng epoxidation của styren sử dụng HT
Mg/Al, ngưng tụ Knoevenagel bằng cách sử dụng HT Ni/Al, hoặc HT có chứa

florua, hydroxyl hóa phenol trên các HT Co/Ni/Al và cacbonyl hóa pha lỏng
methanol thành metyl axetat được xúc tác nhờ HT Ni(Sn)/Al…. Trong tất cả các
trường hợp đều có hoạt tính tính chọn lọc rất tốt. HT cũng là tiền chất thích hợp cho
việc tạo ra các xúc tác dị thể chứa kim loại chuyển tiếp. Gần đây, hiệu quả sử dụng
HT trong tổng hợp carbon nanotube nhờ lắng đọng pha hơi có xúc tác cũng đã được
thông báo.
Xúc tác trong môi trường
Các HT sau nung được xem là vật liệu tiềm năng để khử SO x và NOx thải ra từ
các nhà máy lọc dầu. Corma và các đồng nghiệp đã nghiên cứu được hỗn hợp oxit


thu được từ tiền chất HT Mg-Cu-Al đặc biệt hiệu quả khi xúc tác cho quá trình oxi
hóa SO2 thành SO42- và khử SO42- thành H2S, rồi thu hồi trong môi trường khử của
vùng cracking. Nung HT Mg-Cu-Al và HT Mg-Co-Al sau đó hoạt hóa bằng cách
nung nóng trong điều kiện có H2, đồng thời có thể loại bỏ được SOx và NOx.
1.3.3.2.

Ứng dụng trong trao đổi ion và hấp phụ

Hiện nay đã có nhiều quan tâm đáng kể trong việc sử dụng các HT để loại bỏ
các phần tử tích điện âm bằng cả hấp phụ bề mặt và trao đổi ion. Mức độ hấp thu
cao các anion có thể nhờ diện tích bề mặt lớn và dung lượng trao đổi anion (AEC)
cao và tính linh động của khoảng cách lớp xen giữa. Các HT có thể chứa các vật
liệu rất đa dạng như chất gây ô nhiễm từ đất, trầm tích, nước. Khả năng trao đổi
anion HT bị ảnh hưởng bởi bản chất của anion lớp xen giữa ban đầu và mật độ điện
tích lớp (tức là tỉ lệ M(II) : M(III) trong lớp brucite). Khi mật độ điện tích cao thì
phản ứng trao đổi có thể trở nên khó khăn. HT có ái lực lớn đối với các anion đa
hóa trị hơn là đối với anion hóa trị I.
HT có thể hấp thu anion từ dung dịch bằng ba cơ chế khác nhau: hấp phụ bề
mặt, trao đổi anion lớp xen giữa và xây dựng lại cấu HT nung nhờ “khả năng nhớ”.

“Khả năng nhớ” của HT là một trong những tính năng hấp dẫn nhất của họ này như
là chất hấp phụ các loại anion. Quá trình nung cho phép quay vòng và tái sử dụng
của các chất hấp phụ với việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ. Ưu điểm chính
so với các loại nhựa trao đổi anion truyền thống là giá trị dung lượng trao đổi anion
cao hơn khả năng chịu nhiệt ở nhiệt độ cao của HT.
Tóm lại chất có thể được hấp phụ bởi HT là những chất có đặc trưng anion, vô
cơ cũng như hữu cơ. Một số phân tử hữu cơ phân cực cũng có khả năng kết hợp
chặt chẽ trong lớp xen giữa. Các anion vô cơ có thể là các oxoanion như NO 3-,
AsO43-, Cr2O72-, cũng có thể là các anion đơn nguyên tử như Cl -, Br-, …. Các loại
chất hữu cơ có thể kể đến là các phenol, các chất mang màu, các chất hoạt động bề
mặt loại anion (như natri dodecylbenzensulfonate), một số loại thuốc trừ sâu,…
Chúng đều có thể được hấp thu trên nhiều loại HT sau nung và chưa nung.