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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

CHU THỊ HIỂN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

CHU THỊ HIỂN

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

Ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Thị Hà Thanh

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ
bentonit bình thuận 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 2018
Tác giả luận văn

Chu Thị Hiển

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 chân thành 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 2018
Tác giả

Chu Thị Hiển

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
1.1.2. Tính chất của bentonit..........................................................................................3
1.1.3. Ứng dụng của bentonit .........................................................................................5
1.1.4. Các phương pháp hoạt hóa bentonit ....................................................................8
1.1.5. Giới thiệu bentonit Bình Thuận- Việt Nam.............................................................. 9
1.2. Sét hữu cơ ...............................................................................................................9
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ .......................................................................................9
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ ............................................................................................ 10
1.2.3. Các hợp chất hữu cơ được sử dụng để điều chế sét hữu cơ ............................... 12
1.2.4. Tính chất của sét hữu cơ ....................................................................................13
1.2.5. Ứng dụng của sét hữu cơ ...................................................................................14
1.2.6. Các phương pháp điều chế sét hữu cơ ............................................................... 16
1.3. Giới thiệu về phenol đỏ ........................................................................................19
1.3.1. Tổng quan về phenol.......................................................................................... 19
1.3.2. Một số thành tựu xử lý các hợp chất phenol ......................................................20
1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .....................................................................22
1.4.1. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ .......................... 22
Dung lượng hấp phụ cân bằng .....................................................................................22
1.4.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ........................................................22
iii


Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM.....................................................................................25
2.1. Hóa chất, dụng cụ .................................................................................................25
2.1.1. Hóa chất .............................................................................................................25
2.1.2. Dụng cụ, máy móc ............................................................................................. 25

2.2. Thực nghiệm .........................................................................................................26
2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ .............................................................. 26
2.2.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phenol đỏ của
bent-BT và sét hữu cơ điều chế ...................................................................................27
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ...............................................................................28
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................................28
2.3.2. Phương pháp xác định hàm lượng (%) cation hữu cơ trong sét hữu cơ ...................28
2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................... 29
2.3.4. Phương pháp trắc quang ....................................................................................29
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 30
3.1. Điều chế sét hữu cơ............................................................................................... 30
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng .......................................................30
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng PTPB/bentonit ..................................32
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch .............................................................. 34
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .....................................................36
3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ..........38
3.2.1. Nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................39
3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt .................................................40
3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .............................. 42
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ của sét hữu cơ điều chế ........................... 43
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ .............................................................. 43
3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ........................................................... 44
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ điều chế ...................45
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ......................................................46
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mô hình đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir ..............................................................................................................48
KẾT LUẬN .................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................52

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt, kí hiệu

Nội dung

PTPB

Propyltriphenylphotphoni bromua

ETPB

Etyltriphenylphotphoni bromua

Bent

Bentonit

Bent-BT

Bentonit Bình Thuận

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 hóa học của bentonit Bình Thuận [12] ...................................... 9
Bảng 1.2: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện
tích sét bị che phủ ....................................................................................... 11
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 ....................................... 31
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng PTPB/bentonit đến giá trị d001 và hàm
lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điều chế ....... 33
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 ....................................... 36
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 ....................................... 37
Bảng 3.5: Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của bent-BT và sét hữu cơ điều chế ở
điều kiện tối ưu ........................................................................................... 41
Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ ............................................ 43
Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian ............. 44

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ phenol đỏ ....................................................................... 45
Bảng 3.9: Ảnh hưởng nồng độ đầu của phenol đỏ đến dung lượng và hiệu suất
hấp phụ của sét hữu cơ ............................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.10: Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir b của bentBT và sét hữu cơ điều chế .......................................................................... 50

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2 : 1 của MMT ...................................................................2
Hình 1.2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat ......................10
Hình 1.3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp .............. 11
Hình 1.4: Cấu tạo phân tử, cấu trúc không gian của phenol đỏ ..................................20
Hình 1.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .........................................................24
Hình 1.6: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .....................................................................24
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .....................................................................26
Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-BT và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở
các nhiệt độ 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC ............................................30
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 .............................................................. 31
Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-BT và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở
các tỉ lệ khối lượng PTPB/ bentonit lần lượt là 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 ....32
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ khối lượng
PTPB/bentonit của các mẫu sét hữu cơ điều chế .....................................33
Hình 3.5: Giản đồ XRD của bent-BT và các mẫu sét hữu cơ điều chế trong
dung dịch có pH lần lượt là 7, 8, 9, 10, 11 ...............................................35
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo pH dung dịch ...............35
Hình 3.7: Giản đồ XRD của bent-BT và các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong

thời gian 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ, 6 giờ .................................................37
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản ứng .......37
Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-BT ..................................................................39
Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu .........................39
Hình 3.11: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-BT ........................................................40
Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu .........40
Hình 3.13: Ảnh SEM của bent-BT (a), của sét hữu cơ điều chế (b) ........................... 42
Hình 3.14: Đường chuẩn của phenol đỏ ......................................................................43

vi


Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ
phenol đỏ của bent-BT và sét hữu cơ điều chế ........................................44
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-BT, sét hữu cơ điều
chế đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ ...................................................46
Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của phenol đỏ đến
khả năng hấp phụ phenol đỏ của bent-BT và sét hữu cơ điều chế ...........47
Hình 3.18: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-BT đối với phenol đỏ .....48
Hình 3.19: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của
bent-BT.....................................................................................................48
Hình 3.20: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ điều chế đối với
phenol đỏ ..................................................................................................49
Hình 3.21: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của sét
hữu cơ điều chế ........................................................................................49

vii


MỞ ĐẦU

Hiện nay, ô nhiễm môi trường nước vẫn luôn là vấn đề nóng bỏng gây bức xúc
trong dư luận. Nguyên nhân chủ yếu là do ô nhiễm của các chất thải từ nông nghiệp,
giao thông vận tải,… đặc biệt là từ các khu công nghiệp đã thải ra môi trường một
lượng lớn các chất hữu cơ độc hại. Các chất thải này tương đối bền vững và khó bị
phân hủy sinh học, làm ô nhiễm nguồn nước, gây tổn hại tới sức khỏe của con người.
Trước thực trạng đó, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã không ngừng
nghiên cứu điều chế các vật liệu có khả năng hấp phụ tốt, có tính năng vượt trội,
nhằm khắc phục hạn chế của các vật liệu hấp phụ thông thường như than hoạt tính,
zeolit (than hoạt tính và zeolit có kích thước mao quản nhỏ, không thích hợp cho việc
hấp phụ các chất có kích thước lớn hơn và cấu trúc cồng kềnh), đáp ứng yêu cầu xử
lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước.
Bentonit (bent) là một loại khoáng sét tồn tại trong tự nhiên, có cấu trúc lớp, có
diện tích bề mặt lớn nên có khả năng hấp phụ nhiều loại cation vô cơ và hữu cơ. Nhờ
khả năng hấp phụ và trao đổi ion tốt của bentonit nên bằng các phương pháp xử lý
khác nhau, người ta có thể tạo ra các vật liệu có chức năng khác nhau. 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). Mạch hiđrocacbon khi được ch n vào giữa các lớp của
bent 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. Trong đó,
sét hữu cơ với dẫn suất tetraankylphotphoni bậc bốn có những đặc tính ưu việt hơn so
với các hợp chất tương tự của nitơ, như sự ổn định nhiệt, ái lực với hợp chất phân cực
cao hơn và tương tác chọn lọc với các chất lỏng và hơi hữu cơ.
Bên cạnh đó nguồn tài nguyên bentonit của Việt Nam phong phú, dồi dào phân
bố từ Bắc vào Nam với trữ lượng lớn như: Thuận Hải- Bình Thuận, Cổ Định-Thanh
Hóa, Di Linh- Lâm Đồng …
Do vậy với mục đích điều chế được sét hữu cơ có khả năng hấp phụ tốt, đáp
ứng yêu cầu xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước chúng tôi đã chọn đề tài:
“Nghiên

cứu

điều

chế

sét

hữu

cơ

từ

bentonit

Bình

Thuận

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.
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 Al3+, 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 Al 2O3 :
SiO2 dao động từ 1 : 2 đến 1 : 4 [8], [11], [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
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

2


(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 [18], [22].
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 [17], [19], [21].
1.1.2. Tính chất của bentonit
Thành phần chính của bentonit là MMT là 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.
Khi nước được xen vào mạng lưới khoáng sét là yếu tố quan trọng để tính liên
kết, huyền phù, nén và một số tính chất khác của MMT. 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
3

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 [14], [19], [28], [34].
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 Van-đec-van
hoặc liên kết ở vị trí của hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các
polyme 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 [18], [28], [30], [36].

Khả năng trao đổi ion
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 cấu trúc có điện tích âm, điện tích này được
4


cân bằng bởi một số cation khác như K+, Ca2+, Mg2+ định vị trong khoảng không gian
giữa lớp. Các cation này liên kết lỏng lẻo với bề mặt lớp sét, do vậy MMT có dung
lượng trao đổi cation tương đối cao (100meq/100g), rất ít ảnh hưởng đến kích thước
hạt. Khả năng trao đổi cation làm cho khoáng bentonit không chỉ trao đổi với các
cation vô cơ mà có liên kết với các phân tử hữu cơ như: điquat, paraquat, protein [35].
Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm bề mặt, bản
chất của ion trao đổi và pH cảu môi trường trao đổi. Nếu lượng điện tích âm bề mặt
càng lớn, nồng độ cation trao đổi càng cao thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi.
- Cation hóa trị thấp dễ trao đổi hơn cation hóa trị cao: Me+ > Me2+ > Me3+.
- Đối với cation có cùng hoá trị bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn,
có thể sắp xếp theo trật tự sau: Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+.
Nhờ tính chất trao đổi ion này mà người ta có thể biến tính bentonit để tạo ra
những vật liệu có tính chất xúc tác hấp phụ và các tính chất hóa lí hoàn toàn khác
nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng [14].
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
Bentonit được sử dụng làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp: công
nghiệp lọc dầu, thăm dò và khai thác dầu, công nghiệp hóa than, công nghiệp tinh chế
nước, công nghiệp sản xuất rượu bia,... Cụ thể:
- Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonit được sử dụng rất lớn, bao gồm
bentonit tự nhiên và bentonit hoạt hóa. Lượng bentonit tự nhiên tiêu tốn cho quá

trình lọc dầu là 25% lượng dầu. Lượng bentonit mất đi trong quá trình tinh chế chỉ
bằng 0,5% lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra, phương pháp dùng bentonit còn có
mức hao phí dầu thấp hơn do tránh được phản ứng thu phân [10].
- Trong công nghiệp hóa than bentonit được sử dụng tinh chế benzen thô và các
sản phẩm khác. Với tư cách là một chấp hấp phụ đặc biệt tốt, bentonit có thể tạo ra các
dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng
với sự phát trển của nghành thăm dò và khai thác dầu, lượng bentonit được sử dụng

5


trong việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng và ngày nay ở Mĩ nó chiếm tới 40%
tổng sản lượng bentonit của nước này.
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 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 [5], [6], [12], [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%.
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

6


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 [11].
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
thải [3], [23]. 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 [10].
Một số ứng dụng khác
Nhờ đặc tính trương nở mạnh và tính dẻo của bentonit người ta còn sử dụng
bentonit trong các công trình thủy lợi như đê điều, mương máng và các công sự
phòng thủ bằng đất. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, bentonit được sử dụng làm
tác nhân liên kết trong sản xuất đạm và làm khuôn đúc. Điều đặc biệt, bentonit còn
được dùng làm phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit. Do có khả
năng hút ẩm trở lại nên bentonit còn được dùng làm chất chống ẩm sau khi sấy khô.
Hiện nay các nghiên cứu về khả năng sử dụng bentonit ngày càng phát triển
rộng rãi [11], [14], [36].
7


1.1.4. Các phƣơng pháp hoạt hóa bentonit
Bentonit tự nhiên đã là một chất hấp phụ, trao đổi nhưng để nâng cao tính
hấp phụ, tẩy trắng, hoạt tính xúc tác người ta cần tìm cách làm tăng bề mặt của nó.
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 [14], [26].
Ho t hóa

ng nhi t

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng nhiệt để tách nước ra khỏi mạng lưới
tinh thể của đất sét và đốt cháy các chất bẩn, chất mùn trong đó, đồng thời làm nứt một
phần các tinh thể để tạo thành trong mạng lưới đất sét những khe rãnh làm tăng bề mặt,
tăng độ xốp .
Tuy vậy, khi hoạt hóa bentonit bằng nhiệt, không được nung đến nhiệt độ quá
cao vì ở nhiệt độ cao bentonit s bị giảm khả năng hấp phụ và tẩy trắng. Đối với mỗi
loại sét thì có khoảng nhiệt độ thích hợp hoạt hóa riêng từ 110 - 150oC.
Ho t hóa

ng axit v cơ

Đây là phương pháp hoạt hóa hiệu quả nhất nên thường được sử dụng rộng
rãi trong thực tế. Trong quá trình hoạt hóa bằng axit, người ta có thể dùng các
axit vô cơ thông dụng như: HCl, HNO 3, H2SO4 .
Ho t hóa

ng ki m

Dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al 2 O3 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.
Ho t hóa

ng chất h u cơ

Khi bentonit được hoạt hóa bằng chất hữu cơ nó s tạo một lớp bao phủ tối

ưu của chất hữu cơ trên bề mặt bentonit. Vì vậy nó có khả năng hấp phụ tốt các
chất hữu cơ.

8


1.1.5. Giới thiệu bentonit Bình Thuận- Việt Nam
Ở nước ta bentonit được phát hiện ở nhiều nơi: Cổ Định (Thanh Hóa), Di Linh
(Lâm Đồng), Bình Thuận, Mộc Châu... với trữ lượng dồi dào. Trong đó mỏ bentonit
Bình Thuận có trữ lượng lớn hàng trăm triệu tấn, mới được tìm thấy năm 1987.
Bình Thuận được đặc trưng bởi khí hậu khô nóng, lượng mưa ít và là nơi phân
bố rộng rãi đá magma giàu kiềm (giàu Na và K). Với những đặc điểm trên bentonit
tạo thành bởi hai quá trình thủy phân và quá trình hấp phụ trao đổi cation. Trữ lượng
có thể khai thác được ở Nha Mé khoảng 42 triệu tấn còn ở thung lũng Vĩnh Hảo
khoảng 33 triệu tấn [5]. Hàm lượng MMT-Na trong sét Bình Thuận khá thấp, khoảng
từ 12% đến 20%. Tạp chất chủ yếu trong khoáng sét là canxit, thạch anh vi tinh thể,
phenspat, cao lanh. Bảng 1.1 giới thiệu thành phần hóa học của bentonit Bình Thuận [11].
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của bentonit Bình Thuận [12]
Thành phần
hóa học
Hàm lượng
(% trọng lượng)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 FeO

CaO MgO K2O Na2O CO2

68,4

5,8

9,26

2,1

0,49

0,48

1,51 1,26

1,87

3,31

1.2. Sét hữu cơ
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ
Sét hữu cơ là sản phẩm được tạo thành bởi sự thay thế cation vô cơ trong một số
sét thuộc nhóm smectit có thể trao đổi với cation hữu cơ của nhiều dạng khác nhau.
Cation hữu cơ được sử dụng gồm các cation amoni hữu cơ (bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4,
mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng), các aminoaxit, ancol,… trong đó các cation
amoni hữu cơ bậc 4 được dùng phổ biến nhất. Cụ thể là các loại khoáng sét MMT,
beidelit và nontronit đã được chế hóa với các dung dịch muối amoni hữu cơ khác
nhau. Khoáng sét hấp phụ các cation hữu cơ, làm tăng khoảng cách giữa các lớp so
với cùng loại khoáng sét đã được làm bão hòa bởi cation nhỏ hơn như canxi hoặc
hiđro. Liên kết của các cation hữu cơ với lớp silicat của MMT tạo thành một tập hợp
hữu cơ - vô cơ, có tính chất đặc biệt là ưa hữu cơ, nên có khả năng hấp phụ các hợp
chất hữu cơ trong môi trường lỏng trội hơn hẳn khiến chúng trở thành tiềm năng hữu
ích trong nhiều ứng dụng.

9


Hiện nay, ứng dụng quan trọng của các sét hữu cơ là trong lĩnh vực điều chế các
polime nanocompozit. Việc thêm sét hữu cơ vào môi trường polime s làm tăng các
tính chất hóa học, vật lý và cơ học của môi trường và làm giảm giá thành trong một
số trường hợp. Điển hình là sét hữu cơ thay thế các chất độn (fillers) talc hoặc thủy
tinh ở t lệ 3:1. Ví dụ, việc sử dụng 5% sét hữu cơ có thể thay thế cho 1550% chất
độn như canxi cacbonat để làm giảm giá thành và làm tăng các tính chất cơ học. Sét
hữu cơ là vật liệu thương mại ưu thế nhất để điều chế các polime nanocompozit,
chiếm khoảng 70% khối lượng đã sử dụng [13].
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
1.2 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) [26], [33].

Hình 1.2: Sự định hƣớng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
Năm 1976, Lagaly và cộng sự [33] 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 1.3).

10

Hình 1.3: 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).
Bảng 1.2: Ảnh hƣởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện
tích sét bị che phủ
Diện tích sét bị che phủ

Số nguyên tử

d001

Số lớp cation

Cacbon

(Å)

hữu cơ

(nm2)

(%)

0

9,6

-

-

-

3

13,5

1

0,38

23

4

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
t 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.

11


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 [37].
Các muối ankylamoni ậc ốn
Các muối ankylamoni bậc 4 là các chất hoạt động bề mặt cationic và là các
hợp chất hữu cơ đã được sử dụng nhiều nhất để điều chế các sét hữu cơ. Các cation
ankylamoni bậc 4 thích hợp hơn so với các cation ankylamoni bậc 1, 2 bởi vì sự thủy
phân (cân bằng ankylamoni/ankylamin) ít xảy ra và sự khử hấp phụ của alkylamin tự
do bị giảm mạnh. Một ưu điểm nữa là khi chứa một lượng lớn các vật liệu hữu cơ (30 40%) s làm giảm t khối của sét hữu cơ so với sét thông thường. Trong trường hợp
các sét hữu cơ được sử dụng để điều chế các nanocomposit, loại muối ankylamoni bậc
4 có ảnh hưởng đến ái lực giữa khoáng sét và polyme. Đối với polyme không phân cực
như là polypropylen và polyetylen thì các loại khoáng sét đã được biến tính bằng các
điankylđimetylamoni halogenua được sử dụng, trong khi đối với các polyme phân cực
như

là

polyamit

thì

các

khoáng

sét

lại

phải

được

biến

tính

bằng

ankylbenzylmetylamoni halogenua hoặc là ankylhiđroxyletylamoni halogenua.
Quá trình biến tính các khoáng sét cũng có thể được tiến hành với các hỗn hợp
muối ankylamoni bậc 4 với các hợp chất hữu cơ phân cực khác.
Các muối ankylphotphoni ậc ốn
Các cation photphoni, với công thức chung [PR3R']+ và khi kết hợp các anion
thích hợp tạo nhiều muối photphoni, đó là chất lỏng ở nhiệt độ phòng và chúng có

12

điểm nóng chảy thấp hơn 100°C. Ion photphoni có các ưu điểm sau: muối photphoni
có nhiệt ổn định hơn các muối amoni tương ứng và muối imiđazoli, nhất là các quá
trình hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 100°C (ví dụ: loại bỏ các sản phẩm phản ứng bằng
cách chưng cất). Hơn nữa, phòng ngừa nhiễm bẩn bởi các sản phẩm phân hủy là một
điều kiện tiên quyết cho việc sử dụng tái chế dung môi. Cation photphoni có tính axit.
Sét hữu cơ với dẫn suất tetraankylphotphoni bậc bốn có những đặc tính ưu việt
hơn so với các hợp chất tương tự của nitơ, như sự ổn định nhiệt, ái lực với hợp chất
phân cực cao hơn và tương tác chọn lọc với các chất lỏng và hơi hữu cơ [25].
1.2.4. Tính chất của sét hữu cơ
Tính trương nở
Sét hữu cơ có khả năng trương nở tốt trong các dung môi hữu cơ. Khi được
phân tán vào môi trường các chất hữu cơ, tính trương nở làm tăng độ phân tán của
các chất hữu cơ, do đó sét hữu cơ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
trong làm chất chống sa lắng trong sơn, trong mực in, làm sạch nước bị ô nhiễm bởi
dầu, mỡ,... Tuy nhiên, để ứng dụng được trong công nghiệp thì hệ dung môi của sét
phải được xem xét cẩn thận vì trong những dung môi khác nhau thì khả năng tạo gel
của sét cũng rất khác nhau. Các dung môi làm cho sét hữu cơ có khả năng trương nở
tốt thông thường có chứa các nhóm hoặc các phân tử ưa nước và kị nước. Vì vậy, các
hợp chất hữu cơ không phân cực tinh khiết s không làm cho sét hữu cơ trương nở
được vì các hợp chất này không có khả năng solvat các đuôi hữu cơ của các cation
amoni hữu cơ có trong sét. Trong khi đó, các dung môi hữu cơ phân cực như
nitrobenzen thậm chí ngay cả stiren cũng có thể làm cho sét hữu cơ trương nở tốt,
điều này có thể là do các nhóm phenyl có khả năng hấp phụ mạnh trên bề mặt silicat
và nó đóng vai trò như một chất hoạt hóa phân cực. Các chất hoạt hóa được ứng dụng
rộng rãi là MeOH, Me2CO3 hoặc propylen cacbonat được thêm vào với hàm lượng từ
10 - 50% theo khối lượng của sét hữu cơ. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng các chất trên
có thể thâm nhập sâu vào trong các lớp sét, hấp phụ trên bề mặt lớp aluminosilicat và
bắt đầu quá trình trương nở.

Khả năng keo tụ của sét hữu cơ thay đổi rất nhạy theo t lệ muối amoni hữu cơ
và sét, tại nồng độ muối amoni hữu cơ thấp thì sét không trương nở, có thể là do đuôi

13


hữu cơ của amin hấp phụ một lớp mỏng trên bề mặt silicat nên tác dụng của chúng
không được thể hiện rõ, nhưng ở nồng độ amin cao quá thì khả năng tạo gel của sét
hữu cơ cũng bị hạn chế [9], [14], [17], [24].
Tính hấp phụ
Sét hữu cơ có tính ưa hữu cơ nên sự hấp phụ xảy ra chủ yếu đối với các phân
tử hữu cơ trong môi trường lỏng hoặc khí. Sự hấp phụ của sét hữu cơ đối với các
phân tử hữu cơ trong môi trường lỏng tăng khi điện tích lớp, khoảng không gian của
các lớp, kích thước ankylamoni và ankylphotphoni tăng, và lượng cation hữu cơ
trong sét đạt xấp xỉ mức độ bão hòa với dung lượng trao đổi cation. Sự hấp phụ
các phân tử hữu cơ xảy ra bao gồm các tương tác kị nước và tương tác lưỡng cực.
Sự có mặt của các khoảng trống giữa các cation hữu cơ thâm nhập giữa các lớp
aluminosilicat là rất quan trọng [9].
Độ

n của s t h u cơ

Cation amoni bậc 4 và photphoni bậc 4 được hấp phụ rất mạnh lên vùng trao
đổi cation của bentonit. Vì vậy, chúng s khó có thể bị các dung môi hòa tan và cấu
trúc của phức hữu cơ - sét được ổn định mặc dù trong dung dịch có một lượng lớn các
cation kim loại. Độ bền của phức hữu cơ - sét một phần cũng là do lực hút Van-đecvan giữa các mạch hữu cơ và giữa các mạch hữu cơ với bề mặt hạt sét (hiệu ứng này
tăng nhanh theo chiều dài mạch hữu cơ) một phần khác là do độ bền nhiệt động học của
các cation amoni bậc 4 và photphoni bậc 4 trên bề mặt các hạt sét lớn hơn so với độ bền
nhiệt động học của chúng được hiđrat hóa. Do vậy phức hữu cơ - sét tương đối ổn định
nhiệt, nó có thể sử dụng ở nhiệt độ lên tới 250oC. Điều này cho phép sử dụng sét hữu cơ

trong dung dịch khoan, trong sơn lưu hóa nhiệt, trong chất bôi trơn,... [9], [14], [20], [40].
1.2.5. Ứng dụng của sét hữu cơ
Làm chất hấp phụ
Sét hữu cơ có chức năng tương tự như cacbon hoạt tính, nhựa trao đổi ion và
màng lọc tách dầu/nước. Bột sét ưa dầu có thể là một hợp phần hoặc nguyên liệu
chính của bột sét đông tụ. Chúng là chất hấp phụ cực mạnh để loại bỏ dầu hoặc chất
hoạt động bề mặt, các dung môi bao gồm metyl etyl xeton, t-butyl ancol (TBA) và
các chất khác.

14


Do loại bỏ dầu nhờn và dầu ở t lệ thể tích/khối lượng cao, sét ưa hữu cơ có
thể tiết kiệm tới hơn 50% chi phí hoặc hơn. Sét hữu cơ có thể dùng trong pha trộn
thiên nhiên ở nhà máy nhựa đường hoặc làm chất ổn định.
Ứng dụng môi trường của sét hữu cơ bao gồm: làm sạch nước bề mặt ở bãi rác
cũ và hồ chứa nước ngầm. Ứng dụng trong công nghiệp bao gồm: máy nén không
khí, làm lạnh nước, máy nén khí.
Ch t o vật li u polyme clay nanocompozit
Hiện nay, ứng dụng quan trọng nhất của sét hữu cơ là trong lĩnh vực điều chế
các polyme nanocompozit, sét hữu cơ chiếm 70% các loại vật liệu nano thương mại
được dùng để điều chế các polyme compozit. Quy trình làm tăng khả năng ưa dầu là
bước quan trọng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tách lớp thành công của các hạt
khoáng sét trong các polyme nền bởi tính ưa dầu làm giảm năng lượng của khoáng
sét và làm nó tương hợp nhiều hơn với các polyme hữu cơ. Việc thêm sét hữu cơ làm
tăng các đặc tính cơ học, lý học và hóa học của polyme nền. Chỉ với một lượng nhỏ
sét hữu cơ cỡ vài phần trăm khối lượng được đưa vào polyme để tạo vật liệu polyme
clay nanocompozit đã có thể nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu, nâng cao khả năng
chống cháy, hệ số chống thấm khí lên rất nhiều lần mà không làm thay đổi đáng kể
trọng lượng, độ trong của vật liệu.

Sét hữu cơ cũng được sử dụng làm chất chống sa lắng trong môi trường hữu
cơ do sét hữu cơ có khả năng trương nở và tạo gel trong dung môi hữu cơ. Hiện nay,
sét hữu cơ ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như đã được dùng làm chất tạo
cấu trúc cho dung dịch khoan trong công nghiệp dầu khí, trong sơn lưu hóa nhiệt,
chất làm sạch dầu trong nhũ tương dầu nước. Ngoài ra, sét hữu cơ còn được sử dụng
làm phụ gia sản xuất bôi trơn, sơn, mực, mỹ phẩm, chất chống thấm,…[14], [21], [22].
Xử lý m i trường
Sét hữu cơ là chất hấp phụ mạnh để loại bỏ dầu, chất hoạt động bề mặt và các
dung môi như metyletyl xeton, t-butyl ancol và các chất khác. Do khả năng loại bỏ dầu
và dầu nhờn của sét hữu cơ ở tỉ lệ thể tích cao, vì vậy khi sử dụng sét hữu cơ để tách
loại dầu có thể tiết kiệm tới hơn 50% chi phí. Sét hữu cơ có thể dùng làm chất ổn định
trong quá trình pha trộn nhiên liệu ở nhà máy sản xuất nhựa đường [9], [12], [14].
15