Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit ấn độ với propyltriphenylphotphoni bromua và bƣớc đầu thăm dò ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ HÀ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ HÀ

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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng 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 bước 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 Trưởng khoa Hóa
học

Xác nhận của giáo
viên hướng dẫn
Khoa học

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền

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
mục

các

Danh
hình

.......................................................................................................vi
MỞ
ĐẦU
......................................................................................................................
.1
Chương
1.
TỔNG
............................................................................................2

QUAN

1.1.
Bentonit
................................................................................................................. 2
1.1.1.
Thành
phần
hóa
học
.....................................................2

và

cấu

trúc

của

bentonit

1.1.3.
Ứng
dụng
của
........................................................................................6

bentonit

1.1.4.
Các
phương
pháp
hoạt
....................................................................8

bentonit

hóa

1.1.5.
Các
nguồn
bentonit............................................................................................10
1.2.

Sét
hữu
cơ
............................................................................................................ 13
1.2.1.
Giới
thiệu
về
sét
....................................................................................13

hữu

1.2.2.
Cấu
trúc
sét
cơ............................................................................................13

cơ
hữu

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
cơ....................................................................................16

iii

hữu


1.2.5.
Ứng
dụng
của
sét
cơ...................................................................................18
1.2.6.
Các
phương
pháp
điều
cơ...............................................................19

hữu

chế

sét

hữu

1.3.
Giới
thiệu
về

xanh
................................................................................. 25

metylen

1.3.1.
Tổng
quan
về
xanh
..............................................................................25

metylen

1.3.2. Một số thành tựu
..........................................25

xử

lý

các

hợp

1.4.
Giới
thiệu
về
phương

.................................................................... 26

chất

xanh

pháp

metylen

hấp

phụ

1.4.1.
Khái
niệm
..........................................................................................................26
1.4.2.
Hấp
phụ
vật
lý
và
hấp
...................................................................26
1.4.3.
Cân
bằng
hấp

phụ
và
.............................................................27
1.4.4. Các phương trình cơ
...............................................29

bản

tải
của

quá

phụ

hóa

học

trọng

hấp

phụ

trình

hấp

Chương

2.
NGHIỆM.....................................................................................32
2.1.
Hóa
chất,
dụng
................................................................................................ 32

phụ
THỰC
cụ

2.1.1.
Hóa
chất.............................................................................................................3
2
2.1.2.
Dụng
cụ,
máy
............................................................................................32

iii

móc


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
Chương 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
PTPB
Bent

Nội
dung
Propyltriphenylphotphoni bromua
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 difraction - 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 d 001 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
v


................................................................. 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

vi


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
o
o
o
o
o
các nhiệt độ 30 C, 40 C, 50 C, 60 C, 70 C,
o
80 C................................... 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 bentA..................................................................... 47
Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của PTPB
...................................................................... 47


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
xanh

đối với

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 bước 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


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1.
Bentonit
1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonit
Thành phần khoáng vật: Bentonit là loại khoáng sét 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
Al2 O3 .4SiO2.nH2 O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức lý
tưởng của MMT là Si8 Al4O20 (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
Mg
Al

2+

3+

,... với ion Si

4+

3+

, Fe

3+

, Fe

2+

,

trong tứ diện SiO4 và

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 Al 2 O3 : SiO2 dao động từ 1 : 2 đến 1 : 4 [7], [10], [17].

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của

2


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

3


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
diện MeO6

Hình 1.3: Cấu trúc bát

Sự hình thành MMT trong tự nhiên thường có sự thay thế đồng hình
giữa Si

4+

với Al

3+

ở tấm tứ diện và của Al

3+

2+

2+
cho Mg
hoặc Fe
ở tấm

bát diện nên giữa các lớp MMT có điện tích âm. Các điện tích âm này được
+ +
2+
trung hòa bởi các cation kim loại kiềm hoặc kiềm thổ như Na , K , Ca ,
Mg

2+
,… 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


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
bentonit

chất

của

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
o
độ mất nước hấp phụ và nước nằm giữa lớp sét ở nhiệt độ thấp (100 - 200 C).
o
o

Mất nước cấu trúc bắt đầu từ 450 - 500 C và mất hoàn toàn ở 600 - 750 C.
o
Tiếp tục nung đến 800 - 900 C dẫn đến cấu trúc tinh thể tan rã và tạo ra các
chất mới như cristobalit, cordienrit, mullit,… phụ thuộc vào thành phần và
cấu trúc khoáng ban đầu. Khả năng hấp phụ và trương nở của
MMT nhanh chóng mất đi khi nung nóng đến nhiệt độ giới hạn, trong
o
khoảng từ 105 đến 390 C, 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


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 Vanđec-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

theo thứ tự M

+

>M

2+

3+
> M . 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:
+
+
+
2+
2+
2+
3+
Li > Na > K > Mg
> Ca
> Fe
> Al
.
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.


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 Al

3+

và ion Mg

2+

ở các đỉnh, các chỗ

gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt bentonit nên nếu lượng Al
Mg

2+

3+

và

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