Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit ấn độ với butyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.67 MB, 82 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TRẦN ANH VŨ
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHÊ SÉT HỮU CƠ TƯ BENTONIT
ẤN ĐỘ VỚI BUTYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA
VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TRẦN ANH VŨ
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHÊ SÉT HỮU CƠ TƯ BENTONIT
ẤN ĐỘ VỚI BUTYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA
VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG
Ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8 44 01 13
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thị Hà Thanh
THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Ấn
Độ với butyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng”. Là
do bản thân tôi thực hiện và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ công trình nào
khác. 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 2018
Tác giả
Trần Anh Vũ
Xác nhận
Xác nhận
của Trưởng khoa chuyên môn
của người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan
TS. Phạm Thị Hà Thanh
i
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chi bảo tận tình của
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, Đại học Thái Nguyên; khoa Hoá
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 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, chi 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 2018
Tác giả
Trần Anh Vũ
ii
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan............................................................................................................... i
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii
Mục lục...................................................................................................................... iii
Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu .................................................................................. iv
Danh mục bảng biểu................................................................................................... v
Danh mục các hình .................................................................................................... vi
MƠ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về bentonit.........................................................................................3
1.1.1. Thành phần của bentonit .........................................................................3
1.1.2. Cấu trúc của bentonit ...............................................................................3
1.1.3. Tính chất của bentonit..............................................................................4
1.1.4. Ứng dụng của bentonit .............................................................................6
1.1.5. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit ......................................................9
1.1.6. Nguồn tài nguyên bentonit .......................................................................10
1.2. Sét hữu cơ..........................................................................................................13
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ ..........................................................................13
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ.................................................................................13
1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ ...........................................................................15
1.2.4. Ứng dụng của sét hữu cơ........................................................................16
1.2.5. Tổng hợp sét hữu cơ .................................................................................17
1.3. Giới thiệu về xanh metylen..............................................................................21
1.3.1. Cấu tạo và tính chất................................................................................21
1.3.2. Ứng dụng và tác hại của xanh metylen.....................................................21
1.3.3. Một số thành tựu xử lý xanh metylen .......................................................22
1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ...............................................................22
1.4.1. Khái niệm ................................................................................................22
1.4.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ..........................................................23
1.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ ....................................................23
1.4.4. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ .......................................24
iii
Chương 2. THỰC NGHIỆM ..................................................................................28
2.1. Hóa chất, dụng cụ.............................................................................................28
2.1.1. Hóa chất ...................................................................................................28
2.1.2. Dụng cụ, máy móc ..................................................................................28
2.2. Thực nghiệm .....................................................................................................28
2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ .....................................................28
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
........................................................30
2.3. Các phương pháp nghiên cứu .........................................................................31
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .........................................................31
2.3.2. Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ ..........31
2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................32
2.3.5. Phương pháp trắc quang ...........................................................................32
Chương 3 KÊT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................................33
3.1. Điều chế sét hữu cơ ..........................................................................................33
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng..............................................33
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của ti lệ khối lượng BTPB/bentonit.........................35
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH của hệ ..........................................................37
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ............................................39
3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu
.......41
3.2.1. Nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .............................42
Giản đồ XRD của bentonit và sét hữu cơ tương ứng được trình bày trên
hình 3.9 và hình 3.10. .........................................................................................42
3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt ........................................43
3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM).....................45
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen của sét hữu cơ điều chế............45
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của xanh metylen ...............................................45
3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ..................................................47
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ điều chế ..........48
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen .......................................49
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ xanh metylen theo mô hình đẳng nhiệt
hấp phụ Langmuir ...............................................................................................50
KÊT LUẬN ..............................................................................................................54
PHỤ LỤC
iv
DANH MỤC CHỮ VIÊT TẮT, KÍ HIỆU
Chữ viết tắt, kí hiệu
Nội dung
MMT
Montmorillonit
BTPB
Butyltriphenylphotphoni bromua
bent-A
Bentonit (Ấn Độ)
Shc
Sét hữu cơ
XRD
X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X
SEM
Kính hiển vi điện tử quét
iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện
tích sét bị che phủ .................................................................................... 15
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%)
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ điều chế...................... 34
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của ti lệ khối lượng BTPB/bentonit đến giá trị d001 và
hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ
điều chế.................................................................................................... 36
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH của hệ đến giá trị d001 và hàm lượng (%) cation
hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ............................................... 39
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 điều chế...................... 41
Bảng 3.5: Kết quả phân tích giản đồ phân tích nhiệt của bent-A và sét hữu cơ
điều chế ở điều kiện tối ưu ...................................................................... 44
Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn của xanh metylen .................................... 46
Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian.................
47
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ xanh metylen .............................................................. 48
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen đến dung lượng và hiệu suất
hấp phụ của bentonit và sét hữu cơ điều chế ........................................... 50
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT................................................................... 4
Hình 1.2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat ................... 14
Hình 1.3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp ............ 14
Hình 1.4: Cấu tạo phân tử của xanh metylen ............................................................ 21
Hình 1.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ....................................................... 26
Hình 1.6: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf ................................................................... 26
Hình 1.7: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ..................................................... 27
Hình 1.8: Sự phụ thuộc lgq vào lgCf ......................................................................... 27
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .................................................................. 29
Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở
các nhiệt độ 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC .............................................. 33
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 .............................................................. 34
Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-A và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các
ti lệ BTPB/ bentonit lần lượt là 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 .............................. 35
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo ti lệ BTPB/
bentonit của các mẫu sét hữu cơ điều chế ................................................ 36
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 7, 8, 9, 10, 11 ........................................................ 38
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo pH của hệ .................. 38
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.................................................. 40
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản
ứng............. 40
Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-A .................................................................. 42
Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ...................... 42
Hình 3.11: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-A ........................................................ 43
Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ....... 43
Hình 3.13: Ảnh SEM của bent–A (a); của sét hữu cơ điều chế (b)........................... 45
Hình 3.14: Đường chuẩn của xanh metylen.............................................................. 46
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ
xanh metylen của bent-A, sét hữu cơ điều chế....................................... 47
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ điều
chế đến quá trình hấp phụ xanh metylen................................................ 49
Hình 3.17: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của bent-A đối với xanh metylem
..... 51
Hình 3.18: Sự phụ thuộc của C/q vào C đối với sự hấp phụ xanh metylen của bent-A
..... 51
Hình 3.19: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của sét hữu cơ điều chế đối
với xanh metylen .................................................................................... 52
Hình 3.20: Sự phụ thuộc của C/q vào C đối với sự hấp phụ xanh metylen của
sét hữu cơ điều chế ................................................................................. 52
vii
MƠ ĐẦU
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 quá trình sản xuất, nhu cầu sử dụng
nước rất lớn, đồng thời thải ra môi trường một lượng lớn các chất hữu cơ độc hại,
trong đó xanh metylen có trong thành phần của thuốc nhuộm và các hợp chất. Đây là
nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học. Khi xâm nhập vào cơ
thể, các hợp chất xanh metylen gây ra nhiều tổn thương cho các cơ quan như hệ thần
kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư, đột biến gen. Vì vậy việc quan tâm và xử lý
các hợp chất xanh metylen có một vai trò và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc
sống hiện tại và tương lai của loài người.
Trong suốt những thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, zeolit với hệ
thống vi mao quản đồng đều đã được ứng dụng làm chất hấp phụ cũng như chất mang
xúc tác để xử lý xanh metylen trong phẩm nhuộm dùng trong công nghiệp dệt may.
Tuy nhiên ứng dụng của than hoạt tính và zeolit bị hạn chế bởi kích thước mao quản
nhỏ dẫn đến không thích hợp cho quá trình hấp phụ các chất có kích thước lớn hơn và
cấu trúc cồng kềnh như phenol đỏ, xanh metylen...
Trước những hạn chế đó, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước không
ngừng nghiên cứu, tìm kiếm những vật liệu có tính năng vượt trội hơn nhằm đáp ứng
nhu cầu cho việc xử lý môi trường bị ô nhiễm. Bentonit 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 khả năng 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
bentonit và chất tạo cấu trúc là các hợp chất muối 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 bentonit sẽ làm tăng khoảng cách lớp, tăng tính kị nước, do đó 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 như xanh metylen.
1
Do vậy với mục đích từ nguồn nguyên liệu bentonit 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 Ấn Độ
với butyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng”.
2
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
1.1.1. Thành phần của bentonit
- Thành phần khoáng vật: Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, có thành phần
chính là montmorillonit (MMT), có thành phần hóa học không ổn định. Bằng các
phương pháp phân tích có thể xác định thành phần chính của bentonit: SiO 2 (4656%), Al2O3 (11-23%), Fe2O3(>5%), MgO (4-9%), CaO (0,8-3,5%) và có thể có K2O
và Na2O. Ngoài ra trong bentonit tự nhiên còn chứa một số khoáng sét khác như
hectorite, saponite, clorite, mica,… và một số khoáng phi sét như calcite, pirrite,
manhetite,…các muối kiềm và một số hợp chất hữu cơ [9], [14].
- 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 Si84O20(OH)4 cho 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 các ion kim loại
như: Al 3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+...với Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6.
Như vậy trong thành phần hoá học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al, còn có
các nguyên tố khác như: Fe, Zn, Mg, Na, K... trong đó tỷ lệ Al2O3 : SiO2 từ 1:2 đến
1:4 [9], [12].
1.1.2. Cấu trúc của bentonit
Cấu trúc mạng lưới không gian của MMT đã được trình bày ở hình 1.1. Khi
tồn tại trong tự nhiên, các ion trong mạng lưới có thể bị thay thế vì vậy thành phần
hóa học của khoáng có thể bị thay đổi nhiều [12], [14].
Cấu trúc tinh thể của MMT được tạo bởi hai mạng lưới tứ diện liên kết với
mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc. Trong không gian giữa các lớp
còn tồn tại nước và nước có xu hướng tạo vỏ hiđrat với các cation trong đó. Khi phân
ly trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ micromet
và ở trạng thái lỏng lẻo theo lực hút Vanđecvan. Chiều dày mỗi lớp cấu trúc của
MMT là 9,2 ÷ 9,8Å. Khoảng cách giữa các lớp trong trạng thái trương nở khoảng từ 5
÷ 12Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở.
3
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT
Trong tự nhiên, khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của các
cation hóa trị II (như Mg2+, Fe2+…) với Al3+ và Al3+ với Si4+ 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. Chi 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 xâm nhập cation vào không
gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách cơ sở lên vài chục Å tùy thuộc vào loại
cation thay thế [9], [12], [14].
1.1.3. Tính chất của bentonit
Do bentonit có thành phần chính là MMT có cấu trúc gồm các lớp
aluminosilicat liên kết với nhau bằng liên kết hiđro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại
giữa các lớp nên bentonit có các tính chất đặc trưng: trương nở, hấp phụ, trao đổi ion,
kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và
trao đổi ion.
4
Tính chất trương nở
Tính chất trương nở là khi bentonit hấp phụ 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 loại nước bị hấp phụ. Sự tăng khoảng
cách d001 được giải thích do sự hiđrat hóa của các cation giữa các lớp. Sự trương nở
phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, sự thay thế đồng hình trong các lớp tứ diện, bát
diện và các ion (cation trao đổi) trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp
phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hiđrat hoá của các cation trao đổi.
Ngoài ra, độ trương nở của bentonit còn phụ thuộc vào bản chất của cation trao đổi
trên bề mặt lớp sét. Ví dụ, ion Na+ với điện tích +1 có thể liên kết với một tâm tích
điện âm trong cấu trúc của MMT. Vì thế khi bị hiđrat hoá, bentonit-Na có khả năng
trương nở từ khoảng cách cơ sở là 9,6Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trường kiềm
bentonit-Na bị hiđrat hóa mạnh hơn và vì vậy huyền phù bentonit-Na rất bền vững.
Do khả năng trương nở tốt, bentonit được dùng để điều chế sét hữu cơ và
polyme clay nanocompozit là những vật liệu có các tính chất cơ học tốt, khả năng
chịu nhiệt cao hoặc tạo màng phủ bền [9], [14].
Tính chất 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. 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
Vanđecvan 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 chi xảy ra trên bề mặt của bentonit.
5
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc rỗng phức tạp
và bề mặt riêng lớn. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2 µm và có cấu trúc mạng tinh thể
dạng lớp nên bentonit có 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. Chi 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 [9], [16].
Khả năng trao đổi ion của bentonit
Đặc trưng cơ bản của bentonit là trao đổi ion, tính chất đó là do sự thay thế
đồng hình của các cation Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện và Al3+ bằng Mg2+ trong
mạng lưới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc, các điện tích
âm này sẽ được bù trừ bằng các cation như Na+, Ca2+,..., chúng được gọi là các cation
trao đổi. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm bề mặt, bản
chất của các ion trao đổi và pH của 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.
Điện tích lớp có ảnh hưởng tới dung lượng trao đổi cation, độ hấp phụ nước và
các chất hữu cơ phân cực khác. Điện tích lớp phụ thuộc vào điện tích các đơn vị
[O20(OH)4] và tổng điện tích các tứ diện và bát diện. Dung lượng trao đổi cation của
bentonit trong khoảng từ 80-150 mgđlg/100g bentonit khô.
Ngoài ra dung lượng trao đổi cation còn phụ thuộc vào hoá trị và bán kính của
các cation trao đổi.
- Cation hoá trị thấp dễ trao đổi hơn cation hoá 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 [9].
1.1.4. 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:
6
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 chi 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 chi 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 ki gần đây cũng làm
thay đổi đáng kể ngành công nghiệp giấy. Trước kia, giấy thường chứa xấp xi 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].
7
Làm chất xúc tác
Do có thành phần hóa học là các lớp aluminosilicat đã bị biến đổi nên bentonit
được ứng dụng làm chất xúc tác trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ. Vì tạo thành tâm
axit Lewis từ ion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên
bề mặt bentonit nên nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt bentonit sẽ 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 sẽ làm
tăng độ axit trên bề mặt của bentonit [10].
Xử lý chất thải
Trong lĩnh vực xử lý chất thải, chất thải phóng xạ, bentonit được bổ xung các
ion Al3+, Fe3+, Mg2+, Ca2+,… để tăng hoạt tính, được dùng để xử lý kiềm, axit, nước
thải [3], [24]. Đây là một lĩnh vực sử dụng truyền thống lâu nay, trong đó bentonit
chủ yếu làm chất kết ngưng xúc tiến quá trình đông quanh bùn thải. Nó là chất lọc có
hiệu quả đối với nước thải có nhiều chất không tan, chất lơ lửng và chất trôi nổi. Các
loại nước thải sau đây có thể xử lý bằng bentonit cho hiệu quả tốt: các chất dầu hòa
tan và dầu dạng nhũ tương; các chất phân tán dạng phức chất hữu cơ (nước thải do
giặt giũ, đãi quặng); nước thải công nghiệp từ công nghiệp chế biến thực phẩm, chăn
nuôi gia súc, gia cầm. Đối với chất thải có ô nhiễm hóa chất, sử dụng bentonit có hiệu
quả tốt trong trường hợp nước bị nhiễm do khuếch tán acrylat [38].
Làm nguyên liệu điều chê sét hữu cơ
Các khoáng sét có cấu trúc lớp thuộc họ smectit như: MMT, chlorit,
vermiculit, hectorit, saponit, và beidelit được sử dụng làm nguyên liệu đầu tiên điều
chế sét hữu cơ. Trong số đó, đã được sử dụng rộng rãi để điều chế các sét hữu cơ vì
các tính chất đặc biệt của nó, chẳng hạn như dung lượng trao đổi ion cao, có khả năng
trương nở mạnh, có các tính chất hấp phụ và diện tích bề mặt lớn [9].
Ngoài ra, bentonit còn được dùng làm xúc tác cho một loạt các phản ứng như
oxi hóa các ancol, oxi hóa ghép đôi các thiol, các phản ứng tạo ra nhóm cacbonyl từ
thioaxetal hoặc thiocabonyl…các phản ứng này xảy ra dễ dàng (nhiệt độ, áp suất
thường) và cho độ chọn lọc cao [17].
Hiện nay các nghiên cứu về khả năng sử dụng bentonit ngày càng phát triển
rộng rãi và phong phú hơn [8], [15].
8
1.1.5. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Bentonit là một chất có khả năng 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 gọi là sự hoạt hóa bentonit. Có nhiều
phương pháp hoạt hóa như hoạt hóa bằng axit vô cơ, hoạt hóa bằng kiềm hoạt hóa
bằng nhiệt và hoạt hóa bằng chất hữu cơ [8].
Hoạt hóa bằng axit vô cơ: Đây là phương pháp hoạt hóa bentonit hiệu quả
nhất nên thường được sử dụng một cách rộng rãi trong thực tế. Trong quá trình hoạt
hóa bentonit bằng axit, người ta có thể dùng các axit vô cơ thông dụng như: HCl,
HNO3, H2SO4,… Khả năng hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác của bentonit đã
hoạt hóa phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện hoạt hóa như: bản chất axit hoạt hóa, nồng
độ axit dùng cho hoạt hóa, thời gian hoạt hóa… Mỗi yếu tố đều có ảnh hưởng nhất
định đến chất lượng của bentonit hoạt hóa.
Hoạt hóa bằng kiềm: Dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al2O3,
Fe2O3 để tạo trên bề mặt những lỗ xốp và trung tâm hoạt động. Tuy nhiên một số liên
kết nhôm silicat bị đứt tạo cấu trúc khác và một số chất khác không bị hòa tan, bị loại
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 tâm axit. Do vậy phương pháp hoạt hóa bằng kiềm
ít được sử dụng, chi trong những trường hợp đặc biệt nào đó người ta mới sử dụng
phương pháp này.
Hoạt hóa bằng nhiệt: Đây là phương pháp sử dụng nhiệt để tách nước liên kết
ra khỏi mạng lưới tinh thể của đất sét và đốt cháy các chất bẩn, chất bùn trong đó. Tuy
vậy, khi hoạt hóa bentonit bằng nhiệt không được nung với nhiệt độ quá cao vì
bentonit sẽ bị giảm khả năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110oC đến 150oC.
Hoạt hóa bằng chất hữu cơ: quá trình hữu cơ hóa khoáng sét là quá trình
chuyển MMT vô cơ thành MMT hữu cơ. Đây chính là quá trình trao đổi ion Na+, K+
với nhóm mang điện tích dương phần đầu của hợp chất hữu cơ (điển hình là nhóm
amoni cation) có phần đuôi là các gốc hữu cơ khác nhau. 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 đất sét.
Vì vậy nó có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ.
9
1.1.6. Nguồn tài nguyên bentonit
Tình hình nghiên cứu và 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 và sử dụng bentonit ở Hàn Quốc [6]: 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 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.
Sản xuất và sử dụng bentonit ở Trung Quốc [6]: Mỏ bentonit lớn nhất Trung
Quốc là mỏ bentonit - Ca ở Xuân Hoa thuộc tinh 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.
10
Tổng sản lượng hàng năm đối với tất cả các loại sản phẩm bentonit của công
ty là 250.000 tấn. Hiện công ty sản xuất 6 loại mặt hàng với hơn 20 sản phẩm tinh
chế bentonit phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu.
Nguồn tài nguyên bentonit ở Việt Nam
Trữ lượng quặng bentonit ở Việt Nam: Trữ lượng khoáng bentonit ở Việt Nam
đã được xác định. Hiện nay ở nước ta đã phát hiện được hơn hai chục mỏ và điểm
quặng bentonit. Đa phần các mỏ có trữ lượng lớn đều tập trung ở phía Nam (Lâm
Đồng, Bình Thuận, thành phố Hồ Chí Minh,...). Ở phía Bắc, bentonit tập trung chủ
yếu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và Thanh Hoá. Một số mỏ bentonit lớn ở nước ta đã
được thăm dò, khai thác là:
Mỏ bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng đã được thăm dò địa chất và xác
nhận mỏ có trữ lượng khoảng 542.000 tấn, chất lượng bentonit khá tốt, điều kiện địa
chất thuỷ văn, địa chất công trình thuận lợi. Tại mỏ Tam Bố có 5 thân sét bentonit,
với chiều dài thay đổi từ 400 đến 840 m, chiều dày khoảng 1 – 7 m, diện tích phân bố
2,36 km2. Hàm lượng MMT trong sét dao động từ 40 đến 50%. Hệ số độ keo từ 0,29
– 0,42. Dung lượng trao đổi cation khoảng 25,01 – 48,5 mgđl/100g sét khô.
Mỏ bentonit Tuy Phong - Bình Thuận đã được phát hiện tại Nha Mé, Vĩnh Hảo
(huyện Tuy Phong, tinh Bình Thuận), đây là loại bentonit Na, hàm lượng MMT từ
10÷ 20%, hệ số độ keo từ 0,20÷0,22, dung tích trao đổi cation khoảng 15,62÷19,67
mgđlg/100g.
Mỏ bentonit Cổ Định (Thanh Hoá): nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa.
Bentonit là sản phẩm thải trong quá trình khai thác và làm giàu quặng cromit, hàm
lượng MMT nguyên khai dao động khoảng 35 ÷ 43,9%. Dung lượng trao đổi cation
khoảng 40 ÷ 52,9 mgđlg/100 g sét khô.
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 điều tra, đánh giá đầy đủ [9].
Dự báo khả năng khai thác quặng bentonit
Giai đoạn 2016 – 2025:
Dự kiến nâng công suất nhà máy chế biến bentonit Di Linh (Lâm Đồng) lên
50.000 ÷ 60.000 tấn/năm.
11
Tuỳ theo nhu cầu thị trường, dự kiến nâng công suất nhà máy chế biến tại
huyện Tuy Phong (Bình Thuận) lên 60.000 ÷ 70.000 tấn/năm và cơ sở sản xuất Lòng
Sông lên 70.000 ÷ 80.000 tấn/năm.
Nâng công suất khai thác và chế biến bentonit tại Cổ Định (Thanh Hóa) lên
50.000 ÷ 60.000 tấn/năm [9].
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 sản xuất ở
huyện Barmer Rajasthan gần Oakland Hathi-ki-Dhani và vùng đồi Rajmahal của
miền đông Ấn Độ.
Bentonit - Ấn Độ được hình thành các đây hàng triệu năm, từ tro của núi lửa
rơi xuống nước ứ đọng lại trong điều kiện nửa khô hạn. Do đặc tính tự nhiên của tro
núi lửa của vùng này mà thành phần hóa học của bentonit này cũng có một chút khác
biệt so với bentonit của các vùng khác trên thế giới. Hầu hết mỏ khoáng này là natri
bentonit với hàm lượng sắt cao hơn (hematit, manhetit) làm cho màu tối hơn, thành
phần chính của các mỏ khoáng này là MMT. Ngoài ra, còn có các thành phần phụ
khác như lưu huỳnh và cacbonat rất thấp (0,11% S, 0,07% CO3). Do kích thước phân
tử rất nhỏ, mịn bentonit - Ấn Độ có tính trương nở và liên kết vượt trội. Những đặc
điểm này giúp cho bentonit này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công
nghiệp khác nhau trên toàn thế giới. 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 [21], [22].
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
12
1.2. Sét hữu cơ
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ
Sét hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác giữa các khoáng có cấu trúc
lớp thuộc nhóm smectit, đặc trưng nhất là bentonit với các hợp chất hữu cơ phân cực
hoặc các cation hữu cơ, nhất là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch thẳng,
mạch nhánh và mạch vòng.
Các nghiên cứu về tương tác giữa các khoáng sét và các hợp chất hữu cơ đã
được thực hiện từ những năm đầu của thế ki XX và tăng lên không ngừng về số
lượng và đa dạng về đề tài. Năm 1939, Gieseking nhận thấy xanh metylen có khả
năng thay thế cation giữa các lớp sét. Kết quả này mở ra khả năng sử dụng các ion
amoni (NH3R+, NH2R2+, NHR3+ và NR4+) vào cơ chế trao đổi ion trong khoáng sét.
Năm 1945, Bradley [15] đã nghiên cứu sự gắn kết giữa MMT và các chất hữu cơ ở
thể lỏng (điamin, polyamin, glycol, polyglycol và polyglycol ete), kết quả cho thấy sự
hấp phụ các chất hữu cơ phân cực như ancol bậc thấp, glycol và amin trên bề mặt
phiến sét cũng tương tự như hấp phụ nước với cùng một mức năng lượng. Vì vậy các
hợp chất hữu cơ phân cực khi tiếp xúc với khoáng sét sẽ dễ dàng đẩy và chiếm chỗ
các phân tử nước nằm ở khoảng không gian giữa hai phiến sét. Các phân tử phân cực
liên kết yếu với oxi bề mặt của đinh tứ diện SiO4 nằm trong đơn vị cấu trúc sét bằng
lực Vanđecvan. Do vậy các phân tử hữu cơ phân cực trên bề mặt phiến sét rất linh
động và dễ dàng bị thay thế bằng các phân tử khác. Khác với chất hữu cơ phân cực,
cation hữu cơ thay thế các cation vô cơ nằm ở giữa hai phiến sét và liên kết chặt chẽ
với bề mặt phiến sét. Sự tương tác này được gọi là hấp phụ trao đổi ion. Nguyên tử
nitơ của cation hữu cơ gắn chặt vào bề mặt phiến sét còn đuôi hiđrocacbon sẽ thay thế
vị trí các phân tử nước đã bị hấp phụ từ trước và nằm song song hoặc vuông góc với
bề mặt sét [14].
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
13
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 [13], [17].
a)
c)
b)
d)
e)
Hình 1.2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat (a) lớp
đơn, (b) lớp kép, (c) lớp giả ba phân tử và (d, e) sự sắp xếp kiểu parafin
Năm 1976. Lagaly [17] và cộng sự 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) .
Hình 1.3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp
14
Nếu mạch hiđrocacbon trong muối amoni 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 1.1).
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001
và diện tích sét bị che phủ
Số nguyên tử
cacbon
d001
(Å)
Số lớp cation
hữu cơ
0
9,6
3
Diện tích sét bị che phủ
(nm2)
(%)
-
-
-
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 hữu cơ và sự tương quan giữa tỷ lệ
bề mặt phiến sét bị che phủ bằng các cation hữu cơ với số lớp cation hữu cơ sắp xếp
trong không gian giữa hai phiến sét. Khi bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50% thì các
cation hữu cơ bắt đầu sắp xếp thành hai lớp.
1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ
Tính hấp phụ: Do 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. Trong môi trường lỏng
khả năng hấp phụ tăng khi điện tích lớp, khoảng không gian của các lớp, kích thước
alkyl amoni tăng và lượng cation hữu cơ trong sét đạt xấp xi mức độ bão hòa với
dung lượng trao đổi cation [9], [11].
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
15
