Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Ấn Độ với propyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ
VỚI PROPYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA
VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ
VỚI PROPYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA
VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM THỊ HÀ THANH

THÁI NGUYÊN - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ
bentonit Ấn Độ với propyltriphenylphotphoni bromua và bƣớc đầu thăm dò
ứng dụng" là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu
trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong một công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hà

Xác nhận của Trƣởng khoa Hóa học

Xác nhận của giáo viên
hƣớng dẫn Khoa học

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

TS. Phạm Thị Hà Thanh

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn cô giáo - TS. Phạm Thị Hà Thanh - người
đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các

thầy cô Khoa Sau Đại học, các thầy cô trong BGH Trường Đại học Sư phạm, Đại học
Thái Nguyên đã giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập,
nghiên cứu để em hoàn thành luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng thí
nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên; Khoa Hóa
học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Khoa học
Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các bạn học viên đã
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Vì thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu
có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy
giáo, cô giáo và các bạn đang quan tâm tới vấn đề được trình bày trong luận văn, để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Thị Hà

ii


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan ..................................................................................................................i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các chữ viết tắt.............................................................................................iv
Danh mục các bảng ........................................................................................................v
Danh mục các hình .......................................................................................................vi

MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 2
1.1. Bentonit ................................................................................................................. 2
1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonit .....................................................2
1.1.3. Ứng dụng của bentonit ........................................................................................6
1.1.4. Các phương pháp hoạt hóa bentonit ....................................................................8
1.1.5. Các nguồn bentonit............................................................................................ 10
1.2. Sét hữu cơ ............................................................................................................ 13
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ ....................................................................................13
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ ............................................................................................ 13
1.2.3. Các hợp chất hữu cơ được sử dụng để điều chế sét hữu cơ .............................. 15
1.2.4. Tính chất của sét hữu cơ ....................................................................................16
1.2.5. Ứng dụng của sét hữu cơ ...................................................................................18
1.2.6. Các phương pháp điều chế sét hữu cơ ............................................................... 19
1.3. Giới thiệu về xanh metylen ................................................................................. 25
1.3.1. Tổng quan về xanh metylen ..............................................................................25
1.3.2. Một số thành tựu xử lý các hợp chất xanh metylen ..........................................25
1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .................................................................... 26
1.4.1. Khái niệm ..........................................................................................................26
1.4.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ...................................................................26
1.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ ............................................................. 27
1.4.4. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ ...............................................29
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM.....................................................................................32
2.1. Hóa chất, dụng cụ ................................................................................................ 32
2.1.1. Hóa chất .............................................................................................................32
2.1.2. Dụng cụ, máy móc ............................................................................................ 32
iii


2.2. Thực nghiệm ........................................................................................................ 32

2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ ............................................................. 32
2.2.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh metylen
của bent-A và sét hữu cơ điều chế...............................................................................33
2.3. Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 34
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................................34
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt .............................................................................34
2.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) .......................................................35
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM).......................................................... 35
2.3.5. Phương pháp xác định hàm lượng (%) cation hữu cơ trong sét hữu cơ ............35
2.3.6. Phương pháp trắc quang ....................................................................................36
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 37
3.1. Điều chế sét hữu cơ ............................................................................................. 37
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ......................................................37
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng PTPB/bent-A ....................................39
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch ............................................................. 41
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .....................................................43
3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ........ 45
3.2.1. Nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .....................................45
3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại ...............................................47
3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt ................................................49
3.2.4. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ............................. 51
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen của sét hữu cơ điều chế .................... 51
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của xanh metylen ........................................................51
3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ .......................................................... 53
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ điều chế ....................54
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen ...............................................55
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ xanh metylen theo mô hình đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir ..............................................................................................................57
KẾT LUẬN .................................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61

PHỤ LỤC

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt, kí hiệu

Nội dung

PTPB

Propyltriphenylphotphoni bromua

Bent

Bentonit

Cf

Nồng độ dung dịch sau khi hấp phụ

H

Hiệu suất quá trình hấp phụ

meq

Mili đương lượng gam( Tiếng Anh )

mgđl

Mili đương lượng gam( Tiếng Việt)

Bent-A

Bentonit Ấn Độ

MMT

Montmorillonit

Sét HC

Sét hữu cơ

XRD

X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Thành phần bentonit Ấn Độ ........................................................................ 12

Bảng 1.2: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện
tích sét bị che phủ ....................................................................................... 15
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%)
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ....................................... 38
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng PTPB/ bent-A đến giá trị d001 và hàm
lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điều chế ....... 40
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến giá trị d001 và hàm lượng (%)
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ....................................... 42
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%)
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ....................................... 44
Bảng 3.5: Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của bent-A và sét hữu cơ điều chế ở
điều kiện tối ưu ........................................................................................... 50
Bảng 3.6: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh ở các bước
sóng khác nhau ........................................................................................... 52
Bảng 3.7: Số liệu xây dựng đường chuẩn của xanh metylen ..................................... 52
Bảng 3.8: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian ............ 53
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ xanh metylen ................................................................. 54
Bảng 3.10: Ảnh hưởng nồng độ đầu của xanh metylen đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ của sét hữu cơ ........................................................................ 56
Bảng 3.11: Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir b của bentA và sét hữu cơ điều chế............................................................................. 59

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT .................................................................. 2
Hình 1.2: Cấu trúc tứ diện SiO2 ................................................................................. 3
Hình 1.3: Cấu trúc bát diện MeO6.............................................................................. 3

Hình 1.4: Sơ đồ mô hình hữu cơ hóa khoáng sét...................................................... 10
Hình 1.5: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat ................... 14
Hình 1.6: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp ........... 14
Hình 1.7: Công thức cấu tạo của xanh metylen ........................................................ 25
Hình 1.8: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ....................................................... 31
Hình 1.9: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf ................................................................. 31
Hình 2.12: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ ................................................................ 32
Hình 3.13: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở
các nhiệt độ 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC, 80oC................................... 37
Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng
của các mẫu sét hữu cơ điều chế ............................................................. 38
Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các
tỉ lệ khối lượng PTPB/bent-A lần lượt là 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7....... 39
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ khối lượng
PTPB/bent-A của các mẫu sét hữu cơ điều chế ...................................... 40
Hình 3.5: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ điều chế trong dung
dịch có pH lần lượt là 6, 7, 8, 9, 10, 11 ................................................... 41
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo pH dung dịch ............ 42
Hình 3.7: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong thời
gian 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ, 6 giờ, 7 giờ ............................................. 43
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản ứng .... 44
Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-A ................................................................. 46
Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ...................... 46
Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của bent-A..................................................................... 47
Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của PTPB ...................................................................... 47

vi


Hình 3.13: Phổ hồng ngoại của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ................... 48

Hình 3.14: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-A ........................................................ 49
Hình 3.15: Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ....... 49
Hình 3.16: Ảnh SEM của bent-A (a); sét hữu cơ điều chế (b) ................................. 51
Hình 3.17: Đường chuẩn của xanh metylen ............................................................. 52
Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ
xanh metylen của bent-A và sét hữu cơ điều chế .................................... 53
Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ điều
chế đến dung lượng hấp phụ xanh metylen ............................................. 55
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của xanh metylen
đến khả năng hấp phụ xanh metylen của bent-A và sét hữu cơ điều
chế ............................................................................................................ 56
Hình 3.21: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-A đối với xanh
metylen .................................................................................................... 57
Hình 3.22: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ xanh metylen của
bent-A ...................................................................................................... 57
Hình 3.23: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ điều chế đối
với xanh metylen ..................................................................................... 58
Hình 3.24: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ xanh metylen của
sét hữu cơ điều chế .................................................................................. 58

vii


MỞ ĐẦU
Bentonit là loại sét tự nhiên được cấu thành bởi các khoáng vật thuộc nhóm sét
hấp phụ như monmorilonit, beidelit, nontronit, scapolit,... Tính chất cơ bản của
bentonit là khả năng trương nở lớn trong nước, khả năng trao đổi ion cao, tính kết
dính, tính hấp phụ/hấp thụ. Vật liệu sét hữu cơ được tổng hợp từ pha nền là bentonit
và chất tạo cấu trúc là các dẫn xuất tetraankylamoni và dẫn xuất tetraankylphotphoni
(bậc 1, 2, 3 và 4 có mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng). Mạch hiđrocacbon khi

được chèn vào giữa các lớp của bentonit s làm tăng khả năng hấp phụ của vật liệu
với các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất hữu cơ mạch vòng, các chất có phân tử khối
lớn, cấu trúc cồng kềnh. Do đó, sét hữu cơ được ứng dụng làm chất chống sa lắng
trong sơn, dầu nhờn, mực in, làm sạch nước bị ô nhiễm bởi dầu, mỡ, thuốc nhuộm
hữu cơ,.... [14]
Thuốc nhuộm hữu cơ là một trong những hóa chất gây độc môi trường sống
của sinh vật dưới nước, làm ô nhiễm nặng nguồn nước. Thuốc nhuộm được sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp như dệt may, cao su, giấy, nhựa… Việc thải
nước thải có chứa thuốc nhuộm chưa qua xử lí vào các nguồn nước tự nhiên như
sông, suối, ao, hồ… s làm nhiễm độc các sinh vật sống dưới nước, làm mất mỹ quan
môi trường. Có rất nhiều phương pháp xử lí nước thải có chứa phẩm nhuộm, trong đó
hấp phụ là một trong những phương pháp hóa lý phổ biến và mang lại hiệu quả cao.
Nhiều loại chất hấp phụ khác nhau được biết đến trong ứng dụng này như than hoạt
tính, zeolit, tro than,… Nghiên cứu tìm ra vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, dồi
dào và giá thành hợp lí vẫn luôn là những hướng phát triển của các nhà nghiên cứu.
Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit
Ấn Độ với propyltriphenylphotphoni bromua và bƣớc đầu thăm dò ứng
dụng". Chúng tôi hy vọng các kết quả thu được s góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên
cứu vật liệu sét hữu cơ.

1


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Bentonit
1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonit
Thành phần khoáng vật: Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm
smectit. Thành phần chính của bentonit là montmorillonit (MMT), ngoài ra còn có
một số khoáng chất khác như hectorit, saponit, zeolit, mica, kaolin, beidilit, canxi,

pirit, manhetit, các muối kiềm và một số chất hữu cơ khác, [10], [14], [15].
Thành phần hóa học: Công thức đơn giản nhất của MMT là
Al2O3.4SiO2.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 hóa học
của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng
hình của ion kim loại Al 3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+,... với ion Si4+ trong tứ diện SiO4 và
Al3+ trong bát diện AlO 6.
Khoáng sét trong tự nhiên có thành phần phụ thuộc vào nguồn gốc của
chúng. Thành phần hóa học của MMT với thành phần chủ yếu là các nguyên tố Si
và Al còn có các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K,... trong đó tỉ lệ Al2O3 :
SiO2 dao động từ 1 : 2 đến 1 : 4 [7], [10], [17].

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT
Cấu trúc: Cấu trúc tinh thể MMT được biểu diễn trong hình 1.1, mạng tinh thể
MMT có cấu trúc lớp hai chiều gồm 1 tấm bát diện Al2O3 (hoặc MgO) ở trung tâm
2


giữa hai tấm tứ diện SiO2. Các tấm này có chung các nguyên tử O ở đỉnh. Nguyên tử
Si trong tấm tứ diện phối trí với 4 nguyên tử O định vị ở bốn góc của tứ diện. Nguyên
tử Al (hoặc Mg) trong tấm bát diện thì phối trí với 6 nguyên tử O hoặc nhóm hiđroxyl
(OH) định vị ở 6 góc của bát diện đều. Độ dày của mỗi lớp MMT khoảng 9,6Å.
Trong không gian giữa các lớp cấu trúc còn tồn tại các phân tử nước và nước có xu
hướng tạo vỏ hiđrat với các cation trong đó. Các lớp này liên kết với nhau bởi lực
Van-đec-van [14], [17], [23].

Ion Si

Cation : Al, Mg

Oxi

Oxi

Hình 1.2: Cấu trúc tứ diện SiO2

Hình 1.3: Cấu trúc bát diện MeO6

Sự hình thành MMT trong tự nhiên thường có sự thay thế đồng hình giữa Si4+
với Al3+ ở tấm tứ diện và của Al3+ cho Mg2+ hoặc Fe2+ ở tấm bát diện nên giữa các
lớp MMT có điện tích âm. Các điện tích âm này được trung hòa bởi các cation kim
loại kiềm hoặc kiềm thổ như Na+, K+, Ca2+, Mg2+,… ở giữa các lớp này. Các lớp
MMT có điện tích không giống nhau nên trong tính toán phải lấy giá trị điện tích
trung bình của toàn bộ tinh thể.
Trong MMT, các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch với
dung lượng trao đổi cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong
mạng. Lực liên kết giữa các cation thay đổi nằm giữa các lớp cấu trúc mạng. Các
cation này (Na+, K+, Li+,…) có thể chuyển động tự do giữa mặt phẳng tích điện âm và
bằng phản ứng trao đổi ion ta có thể biến tính MMT. Lượng trao đổi ion của MMT
dao động trong khoảng 70 ÷ 150 mgđl/100g. Quá trình xâm nhập cation vào không

3


gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách cơ sở lên vài chục Å tùy thuộc vào loại
cation thế [14], [17], [19], [23].
1.1.2. Tính chất của bentonit
Thành phần chính của bentonit là MMT - một loại khoáng vật phyllosilicat,
tương đối mềm và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe
trong cấu trúc của khoáng. Sự sắp xếp và thành phần của cấu trúc tứ diện hay bát diện

quyết định đến tính chất của sét. Tính chất đặc trưng và quan trọng của bentonit là khả
năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion.
Khả năng trương nở
Cấu trúc lớp hai chiều của các khoáng sét làm cho chúng có có khả năng hấp
phụ lượng nước lớn. Mặt khác, do lực hút Van-đec-van giữa các lớp sét nằm phía trên
yếu và có độ hụt điện tích dương do sự thay thế đồng hình xảy ra ở cả tấm tứ diện và
bát diện làm cho nước và các ion trao đổi có thể xâm nhập vào giữa và chia tách các
lớp mạng, làm gia tăng chiều dày lớp cấu trúc. Vì vậy MMT dễ bị trương nở khi gặp
nước. Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất của khoáng sét, cation trao đổi, sự
thay thế đồng hình cation và ion trong môi trường phân tán. Khả năng trương nở
trong nước của bentonit chứa Na cao hơn rất nhiều của bentonit chứa K, Ca hay Mg.
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 - 200oC). Mất nước cấu trúc bắt đầu
từ 450 - 500oC và mất hoàn toàn ở 600 - 750oC. Tiếp tục nung đến 800 - 900oC 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 phụ và trương nở của
MMT 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 [15], [19], [27], [36], [41].
Hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt, cấu trúc
rỗng và kích thước hạt của chúng, sự tương tác của các chất bị hấp phụ với các tâm
hoạt tính trên bề mặt. Bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn gồm cả diện tích bề mặt

4


ngoài và diện tích bề mặt trong. Trong đó diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề
mặt không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Diện tích bề mặt ngoài phụ thuộc

vào kích thước hạt, hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn. Sự hấp phụ bề
mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô cơ, các chất hữu
cơ ở dạng ion và chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và
khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm
giữa các lớp sét hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước. Nếu các chất
hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực
tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Van-đec-van
hoặc liên kết ở vị trí của hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các
polime và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt của bentonit.
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc rỗng phức tạp
và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các
chất, đặc trưng của nó là tính chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đường
kính đủ nhỏ so với lỗ xốp mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta hoạt hóa sao
cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa
bentonit và các chất hấp phụ khác [14], [18], [25], [30].
Khả năng trao đổi ion
Sự trao đổi ion của bentonit với ion của dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra
giữa các lớp cấu trúc. Sự trao đổi ion được thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tán
trong dung dịch muối có nồng độ thích hợp. Tính axit của bentonit có được là nhờ
vào sự trao đổi này. Có 2 nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi:
Sự xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc s được bù trừ bằng các
cation trao đổi. Dung lượng trao đổi ion phụ thuộc vào số lượng điện tích âm trên bề
mặt. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Trong tinh thể của bentonit tồn tại các nhóm OH, nguyên tử H trong nhóm này
trong điều kiện nhất định có thể tham gia phản ứng trao đổi.
Khả năng trao đổi ion của bentonit còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của
các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation có hóa trị lớn

5

theo thứ tự M+ > M2+ > M3+. Đối với các cation có cùng hóa trị, bán kính cation càng
nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn.
Khả năng trao đổi ion được xếp theo thứ tự:
Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ .
So với một số sét như kaolit có khả năng trao đổi ion yếu, clorit khó trao đổi
ion thì MMT có tính trao đổi ion rất mạnh do điện tích âm của mạng nằm sâu trong
lớp cấu trúc nên năng lượng liên kết của các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp với
lớp cấu trúc của mạng thấp, các cation này có thể chuyển động tự do giữa các mặt
phẳng tích điện âm và có thể trao đổi với các cation khác.
Nhờ tính chất trao đổi ion này mà người ta có thể biến tính MMT để tạo ra
những mẫu có tính chất xúc tác hấp thụ và các tính chất hóa lí hoàn toàn khác nhau
tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng.
1.1.3. Ứng dụng của bentonit
Với những tính chất đặc trưng trên, bentonit được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh
vực khác nhau, sau đây là một số ứng dụng chính:
Làm chất hấp phụ
Nhờ khả năng hấp phụ cao, bentonit được sử dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp. Ngành tiêu thụ chủ yếu loại này là ngành công nghiệp dầu mỏ, sử dụng
để xử lý chưng cất dầu mỏ, làm dung dịch khoan trong ngành khoan dầu khí, địa chất,
xây dựng, làm keo chống thấm trong các đập nước thủy điện, thủy lợi [10].
Những chức năng quan trọng của bentonit trong dung dịch khoan là:
+ Làm tăng sức chở (mang) của dung dịch khoan thông qua độ nhớt được tăng
ở nồng độ chất rắn thấp.
+ Tạo huyền phù với các tác nhân và mùn khoan gây lắng khi ngừng lưu
chuyển dung dịch khoan vì một lý do nào đó.
+ Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ
việc tạo nên lớp bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này
không chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch mà có tác dụng như một cái màng làm bền
thành lỗ khoan.

6


Trong công nghiệp tinh chế nước bentonit được dùng để làm kết tủa vẩn đục,
hấp phụ các ion gây độc và các vi khuẩn, chất hữu cơ có hại trong nước, có khả
năng khử tính cứng của nước với giá thành tương đối rẻ [13].
Làm chất hấp phụ protein trong rượu bia, làm nguyên liệu điều chế sét chống,
làm chất độn, chất kết dính thức ăn chăn nuôi, chất mang dược phẩm,... Trong công
nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang sử dụng bentonit hoạt hóa
làm chất hấp phụ đã làm giảm 30% đến 40% chi phí. Bentonit không chỉ hấp phụ các
chất hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên
men mà còn hấp phụ cả ion sắt, đồng và các tác nhân gây ra bệnh của rượu lại không
làm mất hương vị của rượu, bia [4], [5], [11], [18], [30].
Làm chất độn
Do bentonit có tính trương nở mạnh nên nó được ứng dụng làm chất độn trong
sản xuất sơn, sản xuất giấy. Việc sử dụng bentonit trong vài thập kỉ gần đây cũng làm
thay đổi đáng kể ngành công nghiệp giấy. Trước kia, giấy thường chứa xấp xỉ 50%
xenlulozơ và hàm lượng kaolin nguyên chất có trong giấy không thể vượt quá 45%.
Nếu trộn thêm 10% bentonit kiềm vào kaolin có thể nâng hàm lượng chất độn này
lên 60% [9].
Làm chất xúc tác
Do có thành phần hóa học là các lớp aluminosilicat đã bị biến đổi nên bentonit
được ứng dụng làm chất xúc tác trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ. Vì tạo thành tâm
axit Lewis từ ion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên
bề mặt bentonit nên nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt bentonit s làm tăng độ
axit Lewis của chúng. Bên cạnh đó, trên bề mặt bentonit tồn tại các nhóm hiđroxyl,
các nhóm hiđroxyl này có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt những
tâm axit Bronsted, số lượng nhóm hiđroxyl có khả năng tách proton tăng lên s làm
tăng độ axit trên bề mặt của bentonit [10].

Xử lý chất thải
Trong lĩnh vực xử lý chất thải, chất thải phóng xạ, bentonit được bổ xung các
ion Al3+, Fe3+, Mg2+, Ca2+,… để tăng hoạt tính, được dùng để xử lý kiềm, axit, nước

7


thải [3], [24]. Đây là một lĩnh vực sử dụng truyền thống lâu nay, trong đó bentonit
chủ yếu làm chất kết ngưng xúc tiến quá trình đông quanh bùn thải. Nó là chất lọc có
hiệu quả đối với nước thải có nhiều chất không tan, chất lơ lửng và chất trôi nổi. Các
loại nước thải sau đây có thể xử lý bằng bentonit cho hiệu quả tốt: các chất dầu hòa
tan và dầu dạng nhũ tương; các chất phân tán dạng phức chất hữu cơ (nước thải do
giặt giũ, đãi quặng); nước thải công nghiệp từ công nghiệp chế biến thực phẩm, chăn
nuôi gia súc, gia cầm. Đối với chất thải có ô nhiễm hóa chất, sử dụng bentonit có hiệu
quả tốt trong trường hợp nước bị nhiễm do khuếch tán acrylat [38].
Làm nguyên li u đi u ch s t h u cơ
Các khoáng sét có cấu trúc lớp thuộc họ smectit như: MMT, chlorit,
vermiculit, hectorit, saponit, và beidelit được sử dụng làm nguyên liệu đầu tiên điều
chế sét hữu cơ. Trong số đó, đã được sử dụng rộng rãi để điều chế các sét hữu cơ vì
các tính chất đặc biệt của nó, chẳng hạn như dung lượng trao đổi ion cao, có khả năng
trương nở mạnh, có các tính chất hấp phụ và diện tích bề mặt lớn [9].
Ngoài ra, bentonit còn được dùng làm xúc tác cho một loạt các phản ứng như
oxi hóa các ancol, oxi hóa ghép đôi các thiol, các phản ứng tạo ra nhóm cacbonyl từ
thioaxetal hoặc thiocabonyl…các phản ứng này xảy ra dễ dàng (nhiệt độ, áp suất
thường) và cho độ chọn lọc cao [17].
Hiện nay các nghiên cứu về khả năng sử dụng bentonit ngày càng phát triển
rộng rãi và phong phú hơn [8], [15].
1.1.4. Các phƣơng pháp hoạt hóa bentonit
Khoáng sét có rất nhiều ứng dụng thực tiễn và những ứng dụng của nó vẫn
không ngừng tăng lên. Đó là do sự phong phú của khoáng sét và do sự biến tính bề

mặt của sét rất dễ dàng. Tính chất trương nở, tính hấp phụ bề mặt, hiện tượng keo tụ
có thể được tối ưu hóa và được điều chỉnh để ứng dụng vào những mục tiêu khác
nhau. Tất cả các cách làm với mục đích như vậy được gọi là sự hoạt hóa bentonit.
Có nhiều phương pháp hoạt hóa bentonit áp dụng cho từng loại bentonit và mục
đích hoạt hóa, nhưng có các phương pháp chính là: hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa
bằng nhiệt, hoạt hóa bằng axit vô cơ, hoạt hóa bằng chất hữu cơ [12], [15], [27].

8


Ho t hóa

ng nhi t

Đây là phương pháp sử dụng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới
tinh thể của bentonit và đốt cháy các chất bẩn, chất bùn trong đó. Tuy vậy, khi hoạt
hóa bentonit bằng nhiệt không được nung với nhiệt độ quá cao vì bentonit s bị
giảm khả năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110oC đến 150oC [15].
Ho t hóa

ng axit v cơ

Riêng hoạt hóa bentonit bằng axit mạnh với nồng độ, nhiệt độ và thời gian
thích hợp nó s loại bỏ tạp chất trong khung xốp của bentonit nhưng không phá vỡ
cấu trúc không gian của nó. Các axit vô cơ thường được sử dụng để hoạt hóa bentonit
là axit HCl, H2SO4.
Khi được xử lý bằng axit thì s sinh ra những tâm axit. Các cation bù trừ nằm
trong lớp cấu trúc bị loại ra và được thay thế bởi ion H+ của axit để trung hòa điện
tích âm trên nhôm. Ion H+ định vị trên nhôm nhưng do có độ linh động cao nên nó dễ
dàng tấn công vào các liên kết Al-O và Si-O (do bán kính nguyên tử Al lớn hơn bán

kính nguyên tử Si), nên một phần liên kết Al-O bị đứt hình thành nên các tâm acid
Bronsted và tâm axit Lewis.
Đây là phương pháp hoạt hóa hiệu quả nhất nên thường được sử dụng rộng
rãi trong thực tế [12].
Đối với mỗi loại bentonit và mỗi một mục đích sử dụng người ta s sử
dụng điều kiện thích hợp nhất để hoạt hóa bentonit một cách tối ưu nhất để cho
nó có khả năng hấp phụ tốt nhất.
Ho t hóa

ng ki m

Việc hoạt hóa bằng kiềm s tốt nhất là ở nhiệt độ cao nhưng khi đó nó dễ làm
phá vỡ cấu trúc cũ, do vậy khả năng hấp phụ và xúc tác của bentonit s mất. Dùng
kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al2O3 để tạo trên bề mặt những lỗ xốp
và trung tâm hoạt động. Tuy nhiên một số liên kết nhôm silicat bị đứt tạo thành
cấu trúc khác và một số chất khác không bị hòa tan do sa lắng. Mặt khác khi hàm
lượng kim loại kiềm lớn thì hoạt tính xúc tác của nhôm silicat giảm do ion Na +
đầu độc các trung tâm axit.
Do vậy phương pháp hoạt hóa bằng kiềm ít được sử dụng, chỉ trong
trường hợp đặc biệt nào đó mà người ta mới sử dụng phương pháp này.

9


Ho t hóa

ng chất h u cơ

Mục đích của việc hữu cơ hóa MMT là chuyển từ vật liệu ưa nước sang vật
liệu dầu với những gốc thế khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu

cơ, khuếch tán và tương tác tốt trong các polime thông qua quá trình hòa tan trong
dung môi hữu cơ. Hay nói cách khác quá trình hữu cơ hóa khoáng sét là quá trình
chuyển MMT vô cơ thành MMT hữu cơ. Đây chính là quá trình trao đổi ion Na +, K+
với nhóm mang điện tích dương phần đầu của hợp chất hữu cơ (điển hình là nhóm
amoni cation) có phần đuôi là các gốc hữu cơ khác nhau. Phần đuôi của hợp chất này
có tính ưa dầu và là tác nhân đẩy xa khoảng cách giữa các lớp sét theo mô hình :

MMT
MMT
Na+ Na+

MMT

MMT
MMT
Na+

MMT

MMT
Hình 1.4: Sơ đồ mô hình hữu cơ hóa khoáng sét
1.1.5. Các nguồn bentonit
Tình hình nghiên cứu và sử dụng entonit ở một số nước trên th giới:
Trên thế giới nguồn khoáng bentonit được khai thác ngày càng nhiều và sử
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế và xã hội. Sau đây là tình hình sản xuất và sử
dụng bentonit điển hình ở một số nước.
Sản xuất và sử dụng entonit ở Wyoming (Hoa Kỳ):
Năm 2011, Hoa Kỳ là nhà sản xuất bentonit hàng đầu với gần 1/3 thị phần thế
giới, tiếp theo là Trung Quốc và Hy Lạp. Wyoming (Hoa Kỳ) là quốc gia dẫn đầu
trong sản xuất bentonit với gần 5 triệu tấn bentonit được sản xuất mỗi năm. Năm

2015, có 3,7 triệu tấn bentonit được sản xuất tại Wyoming.
Bentonit được khai thác ở Wyoming chiếm đến 70% nguồn cung cấp bentonit
được biết đến trên thế giới như ở Hy Lạp, Nhật, Ý, Brazil, Rumani, Đức, Mexico,

10


Argentina, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Hungary, Ba Lan, Canada, Thổ Nhĩ Kỳ và Síp. Tuy
nhiên, bentonit của Wyoming có những đặc điểm độc đáo hiếm khi được tìm thấy ở
bất cứ nơi nào khác. Nó có thể trương nở lên đến 16 lần kích thước ban đầu của nó và
hấp thụ lên đến 10 lần trọng lượng của nó trong nước. Những đặc điểm này được các
nhà địa chất giải thích rằng là do thành phần chủ yếu của bentonit của Wyoming là
bentonit natri [40].
Sản xuất và sử dụng entonit ở Trung Quốc:
Mỏ bentonit lớn nhất Trung Quốc là mỏ bentonit-Ca ở Xuân Hoa thuộc tỉnh
Hồ Bắc, ngoài ra còn nhiều mỏ bentonit ở Triết Giang, Quảng Đông,...
Công ty FCC INC tại thành phố nổi tiếng Triết Giang là một công ty hàng đầu
trong lĩnh vực sản xuất và chế biến bentonit của Trung Quốc. Công ty bao gồm các
cơ sở nghiên cứu phát triển, các cơ sở sản xuất chế biến và thương mại những sản
phẩm sét hữu cơ, phụ gia lưu biến, đất tẩy trắng, phụ gia cho dung dịch khoan dầu
khí, chăn nuôi gia súc,...
Tổng sản lượng hàng năm đối với tất cả các loại sản phẩm bentonit của công
ty là 250.000 tấn. Hiện công ty sản xuất 6 loại mặt hàng với hơn 20 sản phẩm tinh
chế bentonit phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu [8], [10], [15].
Giới thi u v

entonit Ấn Độ:

Các mỏ bentonit lớn ở Ấn Độ nằm ở Kutch với hai nhà máy chế biến ở Bhuj(ở
vùng Gujarat ở phía Tây của Ấn Độ) và Chennar. Bentonit cũng được sản xuất ở

huyện Barmer Rajasthan gần Oakland Hathi-ki-Dhani và vùng đồi Rajmahal của
miền đông Ấn Độ.
Bentonit - Ấn Độ được hình thành các đây hàng triệu năm, từ tro của núi lửa
rơi xuống nước ứ đọng lại trong điều kiện nửa khô hạn. Do đặc tính tự nhiên của tro
núi lửa của vùng này mà thành phần hóa học của bentonit này cũng có một chút khác
biệt so với bentonit của các vùng khác trên thế giới. Hầu hết mỏ khoáng này là natri
bentonit với hàm lượng sắt cao hơn (hematit, manhetit) làm cho màu tối hơn, thành
phần chính của các mỏ khoáng này là MMT. Ngoài ra, còn có các thành phần phụ
khác như lưu huỳnh và cacbonat rất thấp (0,11% S, 0,07% CO3). Do kích thước phân

11


t rt nh, mn bentonit - n cú tớnh trng n v liờn kt vt tri. Nhng c
im ny giỳp cho bentonit ny c ng dng rng rói trong nhiu ngnh cụng
nghip khỏc nhau trờn ton th gii. Dung lng trao i cation (CEC) = 98
meq/100g. Nhng khỏc bit ny lm bentonit õy cú s lng ng dng ln nht
trong cỏc ngnh cụng nghip khỏc nhau trờn ton th gii [28], [40].
Bng 1.1 Thnh phn bentonit n
Thnh phn

Hm lng (%)

Thnh phn

Hm lng (%)

SiO2

53,44

TiO2

1,24

Al2O3

16,12

Cr2O3

0,02

Fe2O3

13,65

MnO

0,11

MgO

2,84

NiO

0,01

Na2O

2,31

P2O5

0,04

K2 O

0,27

S

0,16

CaO

1,28

Cht khỏc

8,03

Ngun ti nguyờn entonit Vi t Nam
ở Việt Nam khoáng sét bentonit có hai nguồn chính là ở Di Linh - Lâm Đồng
và ở Tuy Phong - Bình Thuận. Sét Di Linh - Lâm Đồng là sét chứa ion kiềm thổ (Ca2+,
Mg2+), sét ở Tuy Phong chứa ion kiềm (Na+, K+) nên độ tr-ơng nở cao hơn, có khả
năng trao đổi ion lớn hơn.
M bentonit Tuy Phong - Bỡnh Thun ó c phỏt hin ti Nha Mộ, Vnh
Ho (huyn Tuy Phong, tnh Bỡnh Thun) vi din tớch gn 10 km2, bao gm cỏc lp

bentonit chiu dy ti a 11 m, trung bỡnh 4 m. õy l loi bentonit kim tp trung
i khụ Thun Hi (c) chim din tớch khong 4 km2, thnh phn khoỏng vt chớnh
gm MMT, thch anh, calxit, ilmenit. Hm lng MMT t 10-20%. H s keo t
0,20 0,22.
Cỏc kt qu ca nhiu tỏc gi ó cho thy rng kh nng trao i ion ca khong
sột Tuy Phong - Bỡnh Thun t 96 - 105 mgl/100g. Trong khi ú, dung lng trao i
ion trong bentonit ca hóng Southerm Clay Co l 110 - 115 mgl/100g, ca hóng Merck
khong 100 - 120 mgl/100g, [10], [14].

12


1.2. Sét hữu cơ
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ
Sét hữu cơ hay bentonit biến tính là sản phẩm của quá trình tương tác giữa
bentonit và các hợp chất hữu cơ có khả năng hoạt động bề mặt. Vật liệu sét hữu cơ
được tổng hợp từ pha nền là bent và chất tạo cấu trúc là các dẫn xuất tetraankylamoni
và dẫn xuất tetraankylphotphoni (bậc 1, 2, 3 và 4 có mạch thẳng, mạch nhánh và
mạch vòng. Các nghiên cứu về tương tác giữa các khoáng sét và các hợp chất hữu cơ
đã được thực hiện từ những năm đầu của thế kỉ XX và tăng lên không ngừng về số
lượng và đa dạng về đề tài.
Năm 1939, Gieseking nhận thấy xanh metylen có khả năng thay thế cation
giữa các lớp sét. Kết quả này mở ra khả năng sử dụng các ion amoni (NH3R+,
NH2R2+, NHR3+ và NR4+) vào cơ chế trao đổi ion trong khoáng sét [32].
Vì vậy các hợp chất hữu cơ phân cực khi tiếp xúc với khoáng sét s dễ dàng
đẩy và chiếm chỗ các phân tử nước nằm ở khoảng không gian giữa hai phiến sét. Các
phân tử phân cực liên kết yếu với oxi bề mặt của đỉnh tứ diện SiO4 nằm trong đơn vị
cấu trúc sét bằng lực Van-đec-van. Do vậy các phân tử hữu cơ phân cực trên bề mặt
phiến sét rất linh động và dễ dàng bị thay thế bằng các phân tử khác. Khác với chất
hữu cơ phân cực, cation hữu cơ thay thế các cation vô cơ nằm ở giữa hai phiến sét và

liên kết chặt ch với bề mặt phiến sét. Sự tương tác này được gọi là hấp phụ trao đổi
ion. Nguyên tử nitơ của cation hữu cơ gắn chặt vào bề mặt phiến sét còn đuôi
hiđrocacbon s thay thế vị trí các phân tử nước đã bị hấp phụ từ trước và nằm song
song hoặc vuông góc với bề mặt sét [12], [15]. Điều này xảy ra tương tự với các ion
photphoni [26], [34], [33], [37].
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ
Sự sắp xếp của các phân tử hữu cơ giữa các lớp sét phụ thuộc vào điện tích lớp,
cấu trúc bề mặt, mức độ trao đổi của khoáng sét và chiều dài mạch của ion hữu cơ. Hình
1.4 cho thấy các ion hữu cơ có thể sắp xếp tạo lớp phẳng (đơn hoặc kép) trên bề mặt
silicat. Ngoài ra, tùy thuộc vào chiều dài mạch ankyl và mật độ gói ghém cho thấy sự tạo
thành các cấu trúc nghiêng với mạch ankyl hướng ra xa bề mặt silicat. Với các lớp “3
phân tử”, do một số đầu mạch chồng chập lên các đầu mạch khác, nên khoảng cách giữa
các lớp được xác định bởi chiều dày của ba mạch ankyl (Bergaya và cộng sự, 2006;
Lagaly, 1981) [27], [36].
13


Hình 1.5: Sự định hƣớng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
Năm 1976, Lagaly và cộng sự [36] đã nghiên cứu sự tạo thành các lớp đơn,
lớp kép và lớp “3 phân tử” của các ion ankylamoni trong khoảng không gian giữa các
lớp của MMT và nhận thấy khoảng cách cơ sở của ankylamoni MMT phụ thuộc vào
chiều dài mạch của ankylamoni (hình 1.6).

Hình 1.6: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp
Nếu mạch hiđrocacbon trong muối amoni và photphoni hữu cơ là mạch thẳng
và có số nguyên tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 là 13,6Å, nếu số nguyên tử C từ 12
đến 18 thì giá trị d001 khoảng 17Å (bảng 1.2).
14

Bảng 1.2: Ảnh hƣởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001
và diện tích sét bị che phủ
Số nguyên tử
Cacbon
0

d001
(Å)
9,6

Số lớp cation
hữu cơ
-

3

13,5

4

Diện tích sét bị che phủ
(nm2)
(%)
-

-

1

0,38

23

13,4

1

0,44

27

8

13,3

1

0,69

42

10

13,6

1

0,81

49

12

17,4

2

0,94

57

14

17,4

2

1,06

64

16

17,5

2

1,19

72

18

17,6

2

1,31

79

Quy luật này đã được phát hiện, khi các nhà khoa học nghiên cứu phản ứng trao
đổi cation giữa bentonit với các muối amoni và photphoni hữu cơ và sự tương quan giữa
tỷ lệ bề mặt phiến sét bị che phủ bằng các cation hữu cơ với số lớp cation hữu cơ sắp xếp
trong không gian giữa hai phiến sét. Khi bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50% thì các
cation hữu cơ bắt đầu sắp xếp thành hai lớp [15], [16].
1.2.3. Các hợp chất hữu cơ đƣợc sử dụng để điều chế sét hữu cơ
Các phân tử sinh học
Các khoáng sét cũng có thể được biến tính với các phân tử sinh học như
protein, enzym, amino axit, peptit,… và điều này s mở ra nhiều ứng dụng mới. Ví
dụ: bentonit với những ưu điểm như không chứa độc tố, độ hoạt động hóa học và tính
hút nước cao có thể được sử dụng làm chất mang để cố định các phân tử sinh học.
Năm 2007, Ozturk và cộng sự đã biến tính bentonit với histidin. Liên kết cộng
hóa trị được tạo thành giữa các nhóm amino của histidin với cation Al3+ trong tấm bát
diện của khoáng sét. Sét hữu cơ này được sử dụng để tinh chế globulin miễn dịch-G
(một lớp phân tử sinh học quan trọng trong chuẩn đoán và điều trị nhiều bệnh ở
người) từ huyết tương globulin miễn dịch của người một cách hiệu quả và kinh tế.
Theo các tác giả, compozit histidin - bentonit với các đặc tính tuyệt vời có thể được
sử dụng làm chất hấp phụ trong quá trình tinh chế kháng sinh [39].
15