Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit ấn độ với metyltriphenylphotphoni brommua và bước đầu thăm dò ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÙI HUY QUANG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN - 2016

http://www.l tc.tnu.edu.vn


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÙI HUY QUANG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI
METYLTRIPHENYLPHOTPHONI 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 - 2016

http://www.l tc.tnu.edu.vn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit
Ấn Độ với metyltriphenylphotphoni brommua và bước đầu thăm dò ứng
dụng” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung
thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm.
Thái nguyên, tháng 04 năm 2016
Tác giả

Bùi Huy Quang

i


Xác nhận của
Trưởng khoa
Hóa học

PGS.TS.
Nguyễn
Thị Hiền
Lan

Xác
nhận
của
giáo
viên
hướn
g dẫn
Khoa
học

TS.
Phạm
Thị Hà
Thanh

i


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sư hương dân chi bao tận tinh cua
TS. Phạm Thị Hà Thanh , cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này.
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 Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm,
Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong
quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng
thí nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm , Đai hoc Thái Nguyên ;
khoa Hoá học , Trường Đại học Khoa hoc Tư nhiên , Đại học Quốc gia Hà
Nội; Viện Khoa hoc Vât liêu , Viên Han lâm Khoa học va C ông nghê Việt
Nam và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn

thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên
cứu của bản thân 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, các
bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong
luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016
Tác giả
Bùi Huy Quang

ii


MỤC LỤC
Lời cam đoan ..................................................................................................... i
Lời cảm ơn ....................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................... iii
Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu ........................................................................ iv
Danh mục các bảng........................................................................................... v
Danh mục các hình .......................................................................................... vi
MƠ ĐÂU ......................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 2
1.1. Bentonit ..................................................................................................... 2
1.1.1. Thành phần và cấu tạo của bentonit ........................................................ 2
1.1.2. Tính chất của bentonit ............................................................................. 3
1.1.3. Ứng dụng của bentonit ............................................................................ 5
1.1.4. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit ................................................... 6
1.1.5. Các nguồn bentonit trên thế giới và Việt Nam .........................................
7

1.2. Giới thiệu về metyltriphenylphotphoni bromua (MTPB)..........................
12
1.3. Sét hữu cơ ................................................................................................ 12
1.3.1. Cấu trúc sét hữu cơ ............................................................................... 12
1.3.2. Biến tính sét hữu cơ .............................................................................. 14
1.3.3. Tính chất của sét hữu cơ........................................................................ 17
1.3.4. Ứng dụng của sét hữu cơ....................................................................... 18
1.3.5. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ bằng
phương pháp khuếch tán trong dung dịch nước............................................... 19
1.3.6. Tình hình nghiên cứu sét hữu cơ ........................................................... 21
1.4. Giới thiệu về xanh metylen ...................................................................... 23
1.4.1. Tổng quan về xanh metylen .................................................................. 23
1.4.2. Một số thành tựu xử lý các hợp chất xanh metylen ............................... 24
1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ......................................................... 24
iii


1.5.1. Khái niệm ............................................................................................. 24
1.5.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ....................................................... 24
1.5.3. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt ........................................................... 27
1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ......................................... 31
Chương 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
2.2. Thực nghiệm ............................................................................................ 32
2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ .................................................. 33
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 .....................................................
34

2.3. Các phương pháp nghiên cứu ................................................................... 35
2.3.1. Phương phap nhiêu xa tia X (XRD) ...................................................... 35
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt ................................................................. 35
2.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) ............................................ 35
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .............................................. 36
2.3.5. Phương pháp xác định hàm lượng (%) cation hữu cơ trong sét hữu cơ ..
36
2.3.6. Phương pháp phân tích trắc quang ....................................................... 37
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 38
3.1. Điều chế sét hữu cơ.................................................................................. 38
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ........................................... 38
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng MTPB/bentonit ...................... 40
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch .................................................. 43
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .......................................... 45
3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu
...... 47
3.2.1. Nghiên cưu băng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...........................
47
3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) ................ 48
iv


3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt ..................................... 51
3.2.4. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ...................
53
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen của sét hữu cơ điều chế ...........
54
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của xanh metylen............................................. 54
3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ............................................... 55
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bentonit , sét hữu cơ điều chế ........

56
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen .................................... 57
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ xanh metylen theo mô hình đẳng
nhiệt hấp phụ Langmuir ................................................................................ 59
KẾT LUẬN ................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 64
PHỤ LỤC

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU

Chữ viết tắt, kí hiệu
MTPB
Bent

Nội dung
Metyltriphenylphotphoni bromua
Bentonit

Bent-A

Bentonit Ấn Độ

MMT

Montmorillonit

Sét HC

Sét hữu cơ

XRD

X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X

SEM

Phương pháp hiên vi điên tư quet

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Sản lượng khai thác bentonit trên thế giới năm 2010 ........................ 8
Bảng 1.2: Thành phần bentonit Ấn Độ .............................................................. 9
Bảng 1.3: Các muối photphoni bậc bốn được Patel và cộng sự (2007) sử
dụng để điều chế sét hữu cơ và khoảng cách cơ sở tương ứng.........
22
Bảng 1.4: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ........................................ 27
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 ...................... 39
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng MTPB /bentonit đến giá trị d001
và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét h ữu
cơ điêu chê ...................................................................................... 42
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 ............................. 44
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 ............................. 46

Bảng 3.5: Kêt qua phân tich gian đô nhiêt cua

bent-A va set h ữu cơ điêu

chê ở điêu kiên tôi ưu...................................................................... 52
Bảng 3.6: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch xanh metylen với các
nồng độ khác nhau .......................................................................... 54
Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian ...
55
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ đến dung lượng
và hiệu suất hấp phụ xanh metylen.................................................. 56
Bảng 3.9: Ảnh hưởng nồng độ đầu của xanh metylen đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ của sét hữu cơ ..................................................... 58
Bảng 3.10: Giá trị hấp phụ lớn nhất và hăng sô Langmuir b

của bent -A và

sét hữu cơ điều chế.......................................................................... 61
iv


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT ......................................................... 2
+

Hình 1.2: Quá trình xâm nhập của cation Na trong khoảng giữa hai lớp MMT
.... 3
Hình 1.3: Cấu tạo của phân tử MTPB ............................................................. 12
+

Hình 1.4: Sự trao đổi giữa cation Na và các cation hữu cơ ........................... 13
Hình 1.5: Mô tả cấu trúc của sét sau khi biến tính hữu cơ (organoclay) ......... 13
Hình 1.6: Công thức cấu tạo của xanh metylen ............................................... 23
Hình 1.7: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .............................................. 29
Hình 1.8: Đồ thị sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf ................................................ 29
Hình 1.9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ............................................ 31
Hình 1.10: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb ........................................................... 31
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ ......................................................... 33
Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt
o

o

o

o

o

o

ở các nhiệt độ 20 C, 30 C, 40 C, 50 C, 60 C, 70 C........................ 38
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 .............................................. 39
Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở
các tỉ lệ MTPB/bentonit lần lượt là 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 ......... 41
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ MTPB/
bentonit cua cac mâu set hưu cơ điêu chê ........................................ 41
Hình 3.5: Giản đồ XRD của bent -A va các mẫu sét hữu cơ điều chế trong

dung dich co pH lân lươt la 6, 7, 8, 9, 10, 11 ................................... 43
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d 001 theo pH dung dich .....
44
Hình 3.7: Giản đồ XRD của bent-A va các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong
thời gian 2giơ, 3giơ, 4giơ, 5giơ, 6giơ, 7giơ ..................................... 45
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d 001 theo thời gian
phản ứng ......................................................................................... 46
v


Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-A ........................................................ 48
Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ơ điê u kiên tôi ưu ..............
48
Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của mẫu MTPB .................................................... 49
Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của mẫu bent-A................................................... 49
Hình 3.13: Phổ hồng ngoại mẫu sét hữu cơ điều chế từ bent–A với
MTPB ............................................................................................. 50
Hình 3.14: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-A ............................................... 51
Hình 3.15: Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chởế điều kiện tối ưu ....
52
Hình 3.16: Ảnh SEM của bent–A (a), của sét hữu cơ điều chế (b) .................. 53
Hình 3.17: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ..................... 55
Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ
xanh metylen của bent -A và set hưu cơ điêu chê .............................
56
Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent -A, sét hữu cơ
điêu chê đến quá trình hấp phụ xanh metylen .................................. 57
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen đến khả
năng hấp phụ xanh metylen của bent-A và sét hữu cơ điêu chê ....... 58
Hình 3.21: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cua bent -A đôi vơi xanh

metylen ........................................................................................... 59
Hình 3.22: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ xanh metylen
của bent-A ...................................................................................... 60
Hình 3.23: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cua set hưu cơ điêu chê
đôi vơi xanh metylen ....................................................................... 60
Hình 3.24: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ xanh metylen
của sét hữu cơ điều chế ................................................................... 61

vi


MƠ ĐÂU
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề quan tâm của toàn nhân
loại trên thế giới, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước.Trong môi trường nước các
hợp chất hữu cơ, đặc biệt là các chất hữu cơ mạch vòng , các chất có phân tử
khối lớn , câu truc công kênh khi xâm nhập vào cơ thể có thể gây ra nhiều
tổn thương cho các cơ quan như hệ thần kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư,
đột biến gen.
Bentonit la khoang set tư nhiên , thuôc nhom smectit, chưa thanh phân
chính montmorillonit (MMT) và một số khoáng khác như hectorit

,

saponit, clorit, mica,... môt sô khoang phi set như calcit , pirrit,... Tính chất cơ
bản của bentonit la kha năng trương nơ lơn trong nươc , khả năng trao đôi ion
cao , tính kêt dinh , tính hấp phụ /hâp thu . Dưa vao nhưng tinh chât nay ma
bentonit đa đươc ưng dung trong nhiêu linh vưc như lam đô gia dung
(bát, đia, chum vại...), làm vật liệu tẩy lọc tốt trong các nghà

nh công

nghiêp , lọc dầu , thưc phâm,... làm phụ gia trong ngành công nghiệp cao su
, giây, sơn,... làm dung dịch khoan sâu .
Vật liệu sét hữu cơ được tổng hợp từ pha nền là bent và chất tạo cấu trúc
là các dẫn xuất tetraankyl amoni và dẫn xuất tetraankyl photphoni (bậc 1, 2, 3
và 4 có mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng). Mạch hiđrocacbon khi được
chèn vào giữa các lớp của bent sẽ làm tăng khả năng hâp phụ củ a vật liệu
với các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất hữu cơ mạch vòng, các chất có
phân tử khối lớn, câu trúc công kênh. Sét hữu cơ với dẫn suất tetraankyl
photphoni bậc bốn có những đặc tính ưu việt hơn so với các hợp chất tương
tự của nitơ, như sự ổn định nhiệt và tương tác chọn lọc với các chất lỏng và hơi
hữu cơ.
Với mục đích điều chế được sét hữu cơ có khả năng hấp phụ tốt, đáp ứng
yêu cầu xử lí chất thải hữu cơ trong môi trường nước hiện nay, chúng tôi lựa
chọn đề tài "Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Ấn Độ với
metyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng". Chúng
tôi hy vọng các kết quả thu được sẽ góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu vật
liệu sét hữu cơ.
1


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Bentonit

2


1.1.1. Thành phần và cấu tạo của bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là

montmorillonit (MMT), vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là
MMT. Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế
bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lý tưởng công thức của MMT là
Si8Al4O20(OH)4 ứng với một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên thành phần của MMT
luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của
3+

3+

2+

2+

ion kim loại Al , Fe , Fe , Mg … với ion Si

4+

trong tứ diện SiO4 và Al

3+

trong bát diện AlO6. Như vậy thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt
của Si và Al còn thấy các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó tỉ
lệ Al2O3: SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4.
Trên cơ sở cấu trúc tứ diện và bát diện, nếu sét chỉ có lớp tứ diện sắp xếp
theo trật tự kế tiếp liên tục thì sẽ hình thành cấu trúc kiểu 1:1, đây là cấu trúc
tinh thể kiểu kaolinit. Nếu lớp bát diện nhôm oxit bị kẹp giữa hai lớp silic oxit
thì khoáng sét đó thuộc cấu trúc 2:1. Sét có cấu trúc 2:1 điển hình là bentonit
và vermiculit. Cấu trúc tinh thể của MMT được giới thiệu trên hình 1.1. Khi hòa
tan trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ

micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo với lực hút Van-đec-van. Chiều dày
mỗi lớp cấu trúc của MMT là 9,2 ÷ 9,8 Å. Khoảng cách giữa các lớp trong
trạng thái trương nở khoảng từ 5 ÷ 12 Å tùy theo cấu trúc tinh thể.

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT

3


Trong tự nhiên khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của
2+

2+

các cation hóa trị II (như Mg , Fe …) với Al

3+

và Al

3+

với Si

4+

hoặc do

khuyết tật trong mạng nên chúng tích điện âm. Để trung hòa điện tích của
mạng, MMT tiếp nhận các cation từ ngoài. Chỉ một phần rất nhỏ các cation này

+

+

+

(Na , K , Li …) định vị ở mặt ngoài của mạng còn phần lớn nằm trong vùng
không gian giữa các lớp. Trong khoáng 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. 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 trương nở, quá trình xâm nhập của các
cation vào khoảng xen giữa các mạng làm thay đổi khoảng cách giữa chúng và
được biểu diễn trên hình 1.2 [7].

Hình 1.2: Quá trình xâm nhập của cation Na

+

trong khoảng giữa hai lớp MMT
Quá trinh xâm nhâp cation vao không gian hai lơp MMT làm dan
khoảng cách cơ sở từ 9,6 Å lên vai chuc Å phụ thuôc vao loai cation t hay
thế.

1.1.2. Tính chất của bentonit
Do bentonit chu yêu la MMT co câu truc gôm cac lơp aluminosilicat liên
kêt vơi nhau băng liên kêt hiđro , có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp
nên bentonit co cac tinh chât đăc trưng
kêt

4

: trương nơ , hâp phu , trao đôi ion ,


dính, nhơt, dẻo và trơ . Trong đo quan trong nhât la kha năng trương nơ

,

hâp phụ và trao đổi ion .
Tính trương nở: tính trương nở là khi bentonit hấp thụ hơi nước hay
tiếp xúc với nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm
khoảng cách này tăng lên từ 12,5Å đến 20Å tùy thuộc vào loại bentonit và
lượng nước bị hấp thụ. Sự tăng khoảng cách d 001 được giải thích do sự hiđrat
hóa của các cation giữa các lớp. Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất
khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong môi trường phân tán.
Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng h iđrat
hóa của các cation [7], [8].
Khả năng trao đổi ion: là đặc trưng cơ bản của bentonit, tính chất đó là
do sự thay thế đồng hình cation. Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào lượng
điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm càng
lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi ion càng lớn.
Nếu biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của bentonit thì
dung lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình :

5

CEC (dung lượng trao đổi ion) = 10 ζ/M
ζ : điện tích tổng cộng của các lớp.
Tính hấp thụ/hấp phụ: tính chất hấp thụ/hấp phụ được quyết định bởi
đặc tính bề mặt và cấu trúc lớp của chúng. Do bentonit có cấu trúc tinh thể
và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp
ảnh hưởng 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 thì 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 [7].
Tính kết dính: bentonit co kha năng kêt dinh manh nên ngươi ta thương sư
dụng bentonit lam chât găn kê.tTrong cac xương đuc gang, bentonit đươc cho
vao đê
5


vê viên bôt quăng trươc khi đưa vao lo nun,ghoăc làm chât kêt dni h trong khuôn
cat để đúc [7].
Tính nhớt va dẻo : do bentonit co tinh nhơt va deo nên đươc sư dung
lam chât phu gia bôi trơn mui khoan , gia cô thanh cua lô khoan , làm phụ gia
trong ximăng polăng, vưa va chât kêt dinh đăc biêt[5].
Tính trơ : bentonit trơ va bên hoa hoc nên co thê ăn đươc
dùng bento nit lam chât đôn trong dươc phâm

. Người ta

, thưc ăn gia suc , my phẩm

, làm chất lọc sạch , tây mau cho bia , rươu vang va mât ong [7].
1.1.3. Ứng dụng của bentonit
Lam chất xúc tác
Bentonit có tinh chât cơ ban co thê dung lam chât xuc tác trong các
phản ứng hữu cơ là độ axit cao . Bê măt cua bentonit mang điên tich âm do sư
thay thê đông hinh cua cac ion Si
3+

4+

băng ion Al

3+

và ion Mg

2+

ở bát diện .

2+

Các ion thay thê Al , Mg có khả năng cho điện tử nếu tại đ ó điện tích âm
của chúng không đươc bu trư bơi cac ion dương . Trên bê măt bentonit tôn tai
cac nhom hiđroxyl . Các nhóm hiđroxyl có khả năng nhường proton để hình
thành trên bề măt bentonit nhưng tâm axit Bronsted . Sô lương nho m
hiđroxyl co kha năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của
bentonit giữa cột chống và các lớp aluminosilicat của bentonit có những liên kết
cộng hóa trị thực sự .
Biên tinh bentonit băng phương phap trao đôi cation kim loai đa hoa tri

, các chất hữu cơ tạo ra vật liệu xúc tác có độ axit và độ xốp cao hơn xúc tác
cho môt sô phan ưng hưu cơ . Ví dụ : sư dung cac xuc tac axit răn trong phan
ưng hưu cơ ơ pha long thuân lơi hơn nh iêu so vơi axit long . Sau khi kêt thuc
phan ứng chỉ cần lọc hỗn hợp phản ứn g co thê tach xuc tac răn [6], [7] , [8].
Lam vật liệu hấp phụ
Bentonit đươc dung rông rai lam chât hâp phu trong nhiêu nganh công
nghiêp. Trong công nghiêp loc dâu, lượng bentonit đươc sư dung rât lơn, bao
gôm bentonit tư nhiên va bentonit hoat hoa . Lương bentonit tư nhiên tiêu tôn
cho qua trình lọc dầu là 25% lương dâu. Lương bentonit mât đi trong qua trinh
6


tinh chê chỉ

7


băng 0,5% lương dâu đươc tinh chê. Ngoài ra, phương phap dung bentonit con
co mưc hao phi dâu thâp hơn do tranh đươc phna ưng thuy phân[7].
Trong công nghiêp hoa than bentonit đươc sư dung tinh chê benzen thô
và các sản phâm kha c. Vơi tư cach la môt châ t hâp phu đăc biêt tôt , bentonit
co thê tao ra cac dung dich khoan vơi chât lương đăc biêt cao va chi phi nguyên
liêu thâp .
Nhưng chưc năng quan trong cua bentonit trong dung dich khoan la :
- Làm tăng sức chở

(mang ) của dung dịch khoan thông qua độ

nhớt đươc tăng ơ nông đô chât răn thâp .
- Ngăn can sư mât dung dich vao cac tâ ng có áp suất thấp , thâm nươc

nhơ viêc tao nên lơp banh loc không thâm nươc trên tha

nh lô khoan .

Lơp bánh lọc này không chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch mà có tác dụng như
môt cai mang lam bên thanh lô khoan

.

- Làm nguyên liệu điêu chê set hưu cơ

: bentonit đươc sư dung lam

nguyên liêu đâu tiên điêu chê set hưu 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 chât hâp phu và diện tích bề mặt lớn [6], [7].
1.1.4. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Hoạt hóa bentonit là quá trình xử lý hóa học (xử lý bằng axit hoặc kiềm)
hoặc vật lý (xử lý nhiệt) để làm tăng tính chất của bentonit: độ trương nở, khả
năng trao đổi ion, hấp phụ,.. Quá trình hoạt hóa làm thay đổi các ion bù trừ
điện tích giữa các lớp (thường là từ các ion kim loại kiềm thổ, phổ biến là Ca
+

2+

+

được thay thế bằng H hoặc Na ), làm sạch bề mặt của bentonit và loại bỏ
các hợp chất hữu cơ đã bị hấp phụ [11], [17], [18].
Hoạt hóa bằng axit

Quá trình làm sạch vật lý, ngay cả khi dùng thủy cyclone về cơ bản chỉ
loại bỏ được các tạp chất hạt thô chứa các khoáng phi sét lẫn với hỗn hợp sét
8


smectite, như thạch anh, feldspar, hyđromica,... Muốn làm sạch smectit phải
thực hiện quá trình xử lý bằng axit. Quá trình hoạt hóa bằng axit được thực hiện
bằng các axit loãng, trước hết là các axit vô cơ như H2SO4, HCl, H3PO4. Người
ta cũng có thể dùng các axit hữu cơ như: axit axetic, axit oxalic [15].
Hoạt hóa bằng kiềm
Quá trình xử lý bentonit - Ca để chuyển về dạng bentonit - Na có thể
bằng phương pháp ướt (xử lý với dung dịch muối natri: cacbonat, clorua,
nitrat… hoặc khô (trộn trực tiếp muối natri cacbonat rồi đem sấy trong các lò
quay. Quá trình hoạt hóa bằng kiềm cũng dẫn tới hòa tan các oxit lưỡng tính,
tạo trên bề mặt sét những lỗ trống và các trung tâm hoạt động [12]
Hoạt hóa bằng nhiệt
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
o

bentonit sẽ bị giảm khả năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110 C đến
o

150 C [8]. Hoạt hóa bằng chất hữu cơ
Khi bentonit được hoạt hóa bằng chất hữu cơ nó sẽ tạo một lớp bao phủ
tối ưu của chất hữu cơ trên bề mặt bentonit. Vì vậy nó có khả năng hâp phu t
ốt các chất hữu cơ [12].
1.1.5. Các nguồn bentonit trên thế giới và Việt Nam
a, Một số nguồn bentonit trên thê giới va Việt Nam

Trong những năm gần đây bentonit được phát hiện ở nhiều quốc gia trên
thế giới như: Canada, Nam Phi, Ý, Hungari, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản,
Việt Nam...[6], [8].

9


Bảng 1.1: Sản lượng khai thác bentonit trên thế giới năm 2010
Quốc gia

Sản lượng (nghìn tấn)

Hoa Kì

4,000

Thổ Nhĩ Kì

1,050

Hi Lạp

860

Mexico

5200

Đức

380

Ukraine

320

Brazil

245

Tây Ban Nha

165

Italy

150

Cộng Hòa Séc

120

Quốc gia khác

2,400

Ở Việt Nam đã phát hiện được hơn 20 mỏ quặng sét bentonit đều có nguồn
gốc trầm tích hoặc phong hóa. Các mỏ quặng có quy mô lớn đều tập trung ở
phía Nam (thành phố Hồ Chí Minh , Bình Thuận , Lâm Đồng ), ở phía Bắc
bentonit có hàm lượng nhóm smectit thấp tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng

Bắc bộ và Thanh Hoá. Một số mỏ bentonit đã được thăm dò địa chất và khai
thác như: mỏ bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng, mỏ bentonit Tuy Phong
- Bình Thuận, mỏ bentonit Cổ Định (Thanh Hoá). Tại Cheo Reo, Phú Túc
và cao nguyên Vân Hòa đã phát hiện 26 tụ khoáng, điểm quặng bentonit.
Các mỏ bentonit khác nói chung có trữ lượng ít, hàm lượng thấp và chưa được
đánh giá đầy đủ [6], [8].
Giới thiệu về bentonit 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

10


sản xuất ở huyện Barmer Rajasthan gần Oakland Hathi-ki-Dhani [24]. Nó được
hình thành từ hàng triệu năm trước đây, có thể từ tro núi lửa rơi vào nước muối
ứ đọng trong điều kiện khô cằn. Do các đặc tính tự nhiên của tro núi lửa, thành
phần hóa học của bentonit này hơi khác so với bentonit trên thế giớ i.
Bentonit Ấn Độ có hàm lượng sắt cao hơn do đó nó có màu sẫm hơn các loại
bentonit khác. Với kích thước hạt rất mịn, bentonit này cho khả năng trương
nở và kết dính mạnh. Dung lượng trao đổi cation (CEC) = 98 meq/100g.
Những khác biệt này làm bentonit ở đây có số lượng ứng dụng lớn nhất trong
các ngành công nghiệp khác nhau trên toàn thế giới [23].
Bảng 1.2: Thành phần bentonit Ấn Độ
Thành phần

Hàm lượng (%)

Thành phần

Hàm lượng(%)

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

Chất khác

8,03

b) Tình hình nghiên cứu va sử dụng bentonit ở một số nước trên thê 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 va sử dụng bentonit ở Han Quốc: Công nghiệp sản xuất bentonit
của Hàn Quốc bắt đầu từ năm 1968, đến nay có 9 công ty sản xuất các mặt
hàng bentonit cho công nghiệp giấy, luyện kim, xây dựng dân dụng, nông
nghiệp, thức ăn gia súc... Công ty Sued- Chemie liên doanh với CHLB Đức là
cơ sở hàng đầu với hệ thống hoạt hoá bentonit tiên tiến chế tạo các sản phẩm

11


bentonit chất lượng cao từ nguồn trong nước và nhập khẩu với công suất 6500
tấn/tháng. Công ty có hệ thống phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu công
nghệ và thử nghiệm chất lượng (thành phần cấp hạt, bề mặt riêng, dung lượng
trao đổi, độ nhớt, sức căng bề mặt, mức độ trương nở, pH, hàm ẩm...) các sản
phẩm bentonit theo tiêu chuẩn quốc tế [8], [9], [17].
Sản xuất va sử dụng bentonit 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, ...
Năm 1980, Công ty bắt đầu sản xuất sét hữu cơ trên cơ sở bentonit – Na.
Từ đầu năm 1990 đã phát triển và sản xuất sét hữu cơ trên cơ sở bentonit - Ca.
Năm 1996, Công ty đã xây dựng một dây chuyền sản xuất sét hữu cơ lớn nhất
của Trung Quốc. Từ năm 1999, bắt đầu phát triển và sản xuất các loại sản
phẩm sét hữu cơ dễ phân tán và trở thành công ty đầu tiên của Trung Quốc sản
xuất vật liệu tiên tiến này. Năm 2000, đây cũng là công ty đầu tiên của Trung
Quốc phát triển các sản phẩm vật liệu nano loại smectit. Sản lượng các sản

phẩm loại này khoảng 5000-8000 tấn/năm, đứng hàng thứ tư trên thế giới,
đáp ứng 60% thị trường Trung Quốc cho các ứng dụng trên lĩnh vực sơn, mực
in, dầu mỡ.
Tổng sản lượng hàng năm đối với tất cả các loại sản phẩm bentonit của
công ty là 250000 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], [9],
[17]
c) Tình hình nghiên cứu về bentonit ở Việt Nam
Những công trình nghiên cứu địa chất nhằm tìm kiếm và đánh giá tài
nguyên bentonit trong phạm vi cả nước (Cục Địa chất và khoáng sản, Viện Địa
12


chất khoáng sản), những nghiên cứu quy hoạch dài hạn về tài nguyên bentonit
Việt Nam (Cục Địa chất và khoáng sản), đã có một số công trình nghiên cứu
chế biến bentonit theo các hướng sau đây:
- Xử lý bentonit thô để loại tạp chất, nâng cao hàm lượng MMT, cải thiện
đặc trưng lưu biến để dùng trong công nghiệp khoan dầu và khuôn đúc (Công
ty dung dịch khoan dầu khí).
- Nghiên cứu các đặc trưng của sét bentonit để ứng dụng trong việc cải tạo
đất trồng trọt (Viện Nông hoá thổ nhưỡng - Bộ NN &PTNT).
- Nghiên cứu các quá trình hoạt hoá biến tính bentonit bằng các polyoxo
kim loại để chế tạo xúc tác (Đại học Quốc gia Hà Nội , Viện Hoá Công
nghiệp Viêt Nam).
- Nghiên cứu các quá trình hoạt hoá kiềm và axit đối với bentonit để chế
tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng và phóng xạ dùng trong xử lý môi trường
(Viện Công nghệ Xạ hiếm, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt).
- Nghiên cứu quá trình hoạt hoá biến tính bentonit bằng các hợp chất hữu
cơ để sử dụng chế tạo vật liệu nanocomposit, tăng chất lượng dầu mỡ bào
quản, và ứng dụng làm phụ gia lưu biến trong công nghiệp sơn (Viện Hoá

học - Trung tâm Khoa hoc Tư nhiên va Công nghê Quôc gia , Đại học Bách
khoa Hà Nội, Viện nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự).
- Chế tạo vật liệu nano hữu cơ có khoảng cách các lớp 17 ÷ 31 Å, gốc thế
hữu cơ có số nguyên tử C đến 16, có tính ưa dầu cao, tương hợp tốt với dung
môi hữu cơ và các polyme nền, tương đương chất lượng vật liệu sét hữu cơ của
các phòng thí nghiệm thế giới.
- Thực hiện phản ứng trùng hợp cation polyanilin xen trong lớp khoáng
o

sét, chế tạo vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao 295- 450 C mở ra triển vọng
ứng dụng vật liệu này trong các ngành công nghệ ky thuật cao.
- Xây dựng công nghệ chế tạo vật liệu polyme - clay nanocompozit 3
thành phần gồm polyanilin, sét hữu cơ và nền epoxy. Vật liệu ba thành phần có

13