Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit (Ấn Độ) với tetrađecyltrimetyl amoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN THỊ QUỲNH ANH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ
TỪ BENTONIT (ẤN ĐỘ)
VỚI TETRAĐECYLTRIMETYL AMONI BROMUA
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHENOL ĐỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN THỊ QUỲNH ANH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ
TỪ BENTONIT (ẤN ĐỘ)
VỚI TETRAĐECYLTRIMETYL AMONI BROMUA
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHENOL ĐỎ
Ngành: Hóa vô cơ
Mã ngành: 8.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thị Hà Thanh

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong
một công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019
Tác giả luận văn

Trần Thị Quỳnh Anh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành
Hóa Phân tích, Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, em
đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, các em sinh viên, bạn bè và gia
đình.
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS. Phạm Thị Hà Thanh,
cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em có thể

hoàn thành luận văn này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trong Khoa
Hóa 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, giúp đỡ em trong quá trình học tập và
nghiên cứu.
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 của em có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo để luận văn của em được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019
Tác giả luận văn

Trần Thị Quỳnh Anh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
Lời cam đoan .................................................................................................................. i
Lời cảm ơn .....................................................................................................................ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt ......................................................................... iv
Danh mục các bảng ........................................................................................................ v
Danh mục các hình ....................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu về bentonit ............................................................................................ 2

1.1.1. Thành phần hóa học của bentonit ....................................................................... 2
1.1.2. Cấu trúc của MMT.............................................................................................. 2
1.1.3. Tính chất của bentonit ........................................................................................ 4
1.1.4. Những ứng dụng của bentonit ............................................................................ 6
1.1.5. Nguồn tài nguyên bentonit trên thế giới ............................................................. 9
1.2. Sét hữu cơ ............................................................................................................ 11
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ .................................................................................... 11
1.2.2. Cấu tạo sét hữu cơ............................................................................................. 12
1.2.3. Biến tính sét hữu cơ .......................................................................................... 13
1.2.4. Tính chất của sét hữu cơ ................................................................................... 15
1.2.5. Ứng dụng của sét hữu cơ ................................................................................. 16
1.2.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế sét hữu cơ bằng phương
pháp khuếch tán trong dung dịch nước ....................................................................... 18
1.3. Giới thiệu về tetrađecyltrimetyl amoni bromua ................................................... 20
1.4. Giới thiệu về phenol đỏ ....................................................................................... 20
1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .................................................................... 22
1.5.1. Bản chất của quá trình hấp phụ......................................................................... 22
1.5.2. Phân loại hấp phụ .............................................................................................. 22
1.5.3. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ ....................................................... 23
1.5.4. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ ............................................... 25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 29
2.1. Hóa chất, dụng cụ ................................................................................................ 29
2.1.1. Hóa chất ............................................................................................................ 29
2.1.2. Dụng cụ ............................................................................................................. 29
2.2. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ trong môi trường nước .......................... 29

2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phenol đỏ của bentA và sét hữu cơ điều chế ............................................................................................. 30
2.4. Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 33
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................. 33
2.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ .................. 33
2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................... 34
2.4.4. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-VIS ..................................................... 35
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 36
3.1. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điều chế sét hữu cơ .................. 36
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ...................................................... 36
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A ................................. 38
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH .............................................................................. 40
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .................................................... 42
3.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ......... 44
3.2.1. Đánh giá sét hữu cơ bằng phương pháp nhiễu xạ tia X .................................... 44
3.2.2. Đánh giá sét hữu cơ bằng phương pháp phân tích nhiệt................................... 45
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ của sét hữu cơ điều chế .......................... 48
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH .............................................................................. 48
3.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ .......................................................... 50
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bent-A; sét hữu cơ điều chế .................... 51
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ..................................................... 53
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir ..................................................................................................................... 55
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 59
PHỤ LỤC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu, viết tắt
bent-A

Tên gọi
Bentonit Ấn Độ

CEC

Dung lượng trao đổi cation

d001

Khoảng cách giữa hai mặt mạng

MMT

Montmorillonit

TMAB

Tetrađecyltrimetyl amoni bromua

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét

XRD

Phương pháp nhiễu xạ tia X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Sản lượng bentonit của thế giới giai đoạn 2005 -2007 .................................9
Bảng 1.2: Thành phần bentonit Ấn Độ ........................................................................10
Bảng 2.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ ............................................32
Bảng 3.1: Giá trị d001 và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét
hữu cơ khảo sát theo nhiệt độ ...................................................................37
Bảng 3.2: Giá trị d001 và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét
hữu cơ khảo sát theo tỉ lệ TMAB/bent-A .................................................39
Bảng 3.3: Giá trị d001 và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét
hữu cơ khảo sát theo giá trị pH .................................................................41
Bảng 3.4: Giá trị d001 và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét
hữu khảo sát theo thời gian .......................................................................43
Bảng 3.5: Kết quả phân tích hiệu ứng mất khối lượng của bent-A và sét hữu cơ
điều chế ở điều kiện tối ưu .......................................................................46
Bảng 3.6: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào pH của bent-A
và sét hữu cơ .............................................................................................48
Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian ...................50
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ phenol đỏ .............................................................................52
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ban đầu đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ của sét hữu cơ ......................................................................54
Bảng 3.10: Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir b của bentA và sét hữu cơ điều chế...........................................................................57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể MMT được biểu diễn trong mạng tinh thể ........................3
Hình 1.2a: Cấu trúc tứ diện SiO2 ..................................................................................3
Hình 1.3b: Cấu trúc bát diện MeO6 ...............................................................................3
Hình 1.3: Mô tả cấu trúc của sét sau khi biến tính hữu cơ (organoclay) .....................12
Hình 1.4: Trạng thái phân ly của khoáng sét trong dung dịch.....................................13
Hình 1.5: Công thức cấu tạo của TMAB [CH3(CH2)13N(Br)(CH3)3] ..........................20
Hình 1.6: Công thức cấu tạo của phenol đỏ .................................................................20
Hình 1.7: Cân bằng phản ứng của phenol vàng và phenol đỏ .....................................21
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .....................................................................30
Hình 2.2: Đường chuẩn của phenol đỏ ........................................................................32
Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-A ............................................................................36
Hình 3.2: Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ khảo sát ở các nhiệt độ 20oC,
30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC ..................................................................37
Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của d001 vào nhiệt độ (oC) ............................38
Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ khảo sát theo các tỉ lệ khối lượng
TMAB/bent-A bằng 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 ........................................38
Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ của giá trị d001 vào tỉ lệ TMAB/bent-A .................39
Hình 3.6: Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ khảo sát theo giá trị pH bằng 6,
7, 8, 9, 10, 11 ............................................................................................40
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của giá trị d001 vào pH dung dịch ..........................................41
Hình 3.8: Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu cơ khảo sát theo thời gian 2, 3, 4, 5,
6, 7 giờ ......................................................................................................42
Hình 3.9: Sự phụ thuộc của giá trị d001 vào thời gian phản ứng ..................................43
Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu .........................44

Hình 3.11: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-A ...........................................................45
Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ..........45
Hình 3.13: Ảnh SEM của bent-A (a); sét hữu cơ điều chế (b) ....................................47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH dung dịch đến dung lượng hấp
phụ phenol đỏ của bent-A và sét hữu cơ điều chế ....................................49
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ
phenol đỏ của bent-A và sét hữu cơ điều chế ...........................................51
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu cơ điều
chế đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ ....................................................53
Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ban đầu đến khả
năng hấp phụ phenol đỏ của bent-A và sét hữu cơ điều chế ....................55
Hình 3.18: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-A đối với phenol đỏ ........55
Hình 3.19: Sự phụ thuộc của C f /q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của
bent-A .......................................................................................................56
Hình 3.20: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ điều chế đối với
phenol đỏ ..................................................................................................56
Hình 3.21: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của sét
hữu cơ điều chế .........................................................................................57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, 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. Thực tế cho thấy chính
các hoạt động của con người như khai thác khoáng sản không hợp lý, sự rò rỉ phóng
xạ, nước thải của các nhà máy,... làm cho nguồn nước nói chung và nguồn nước ngầm
nói riêng ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Đáng chú ý là sự tồn tại của các hợp chất hữu
cơ độc và khó bị phân hủy có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và gây nhiễm độc
cấp tính, mãn tính cho cơ thể con người cũng như sinh vật như: phenol, các hợp chất
của phenol, các loại thuốc nhuộm, Rhodamin, xanh metylen… Vì vậy việc xử lý và
loại bỏ các loại chất này là rất cần thiết và cấp bách. Do tính cấp thiết của vấn đề này
mà vài thập kỉ gần đây các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu thiết lập
các quy trình công nghệ xử lý nguồn nước ô nhiễm hoặc chế tạo các vật liệu để loại bỏ
các chất độc hại trong nguồn nước. Vì thế, nhiều phương pháp xử lý đã được ra đời
điển hình như: phương pháp hấp thụ, phương pháp sinh học, phương pháp oxi hóa
khử…
Trong đó phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu
điểm so với các phương pháp khác vì vật liệu sử dụng làm hấp phụ tương đối phong
phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn
nước ô nhiễm thêm. Trong số các vật liệu hấp phụ dùng để xử lý môi trường nói chung
thì bentonit là một trong những vật liệu được ứng dụng nhiều nhất.
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 từ môi trường nhiều chất vô cơ và
hữu cơ, đặc biệt là các chất có độc tính với con người, động vật và thực vật, bentonit
còn làm tăng độ bền cơ học, tăng tính dẻo và làm cho cấu trúc đất tăng tính trương và
giữ được dưỡng chất cần thiết trong đất; hạn chế hoặc chống lại sự rửa trôi các chất
dinh dưỡng về mùa mưa… Vì vậy, với mục đích điều chế được sét hữu cơ có khả năng
hấp thụ tốt, đáp ứng yêu cầu về xử lý môi trường nên tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
điều chế sét hữu cơ từ bentonit (Ấn Độ) với tetrađecyltrimetyl amoni bromua và
khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
Bentonit là một loại khoáng sét cực mịn, có tính keo cao,trương phồng mạnh
trong nước,được phát hiện vào năm 1848 bởi Wilbur C.Knight người Mĩ. Tên của
nó được đặt theo tên của thành phố Fort Benton thuộc tiểu bang Wyoming, Hoa Kì, nơi
đầu tiên phát hiện ra bentonit. Nhờ những thuộc tính ưu việt được phát hiện. Bentonit
ngày được ứng dụng ngày càng nhiều vào đời sống, sản xuất, nhất là trong xây dựng,
khai thác mỏ, sản xuất thực phẩm, các ứng dụng trong nông nghiệp.
1.1.1. Thành phần hóa học của bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, có thành phần chính là montmorillonite
(MMT). Vì vậy có thể gọi bentonit theo thành phần chính là MMT. Công thức đơn giản
của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa đơn vị tế bào cấu trúc. Công thức lý tưởng
của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình
của các ion kim loại như Fe3+, Fe2+, Mn2+… vào vị trí của Si4+ trong tứ diện SiO4 và
của Al3+ trong bát diện AlO6.
Như vậy thành phần hóa học MMT, ngoài sự có mặt của Si và Al, ta còn thấy có
sự xuất hiện của nguyên tố khác như: Fe, Zn, Mg, Na, K,…Trong đó tỉ lệ Al2O3 : SiO2 từ
1:2 đến 1:4. MMT là thành phần chính của sét bentonit (chiếm 60-70%) với hàm lượng
lớn MMT nên bentonit được gọi tên theo khoáng vật chính là MMT.
Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonit còn chứa một số khoáng sét
khác như hectorit, saponit và một số khoáng phi sét; canxit, pirit, manhetit, các muối
kiềm và một số chất hữu cơ khác.
1.1.2. Cấu trúc của MMT
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
(OH) định vị ở 6 góc của bát diện đều. Độ dày của mỗi lớp MMT khoảng 9,6 Å. Trong
không gian giữa các lớp cấu trúc còn tồn tại các phân tử nước và nước có xu hướng tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




vỏ hiđrat với các cation trong đó. Các lớp này liên kết với nhau bởi lực Van-đec-van
[8,] [10].

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể MMT được biểu diễn trong mạng tinh thể

Ion Si

Cation : Al, Mg

Oxi

Oxi

Hình 1.2a: Cấu trúc tứ diện SiO2

Hình 1.2b: Cấu trúc bát diện MeO6

Sự hình thành MMT trong tự nhiên thường có sự thay thế đồng hình giữa Si 4+
với Al3+ ở tấm tứ diện và của Al3+ cho Mg2+ hoặc Fe2+ ở tấm bát diện nên giữa các lớp
MMT có điện tích âm. Các điện tích âm này được trung hòa bởi các cation kim loại
kiềm hoặc kiềm thổ như Na+, K+, Ca2+, Mg2+,… ở giữa các lớp này. Các lớp MMT có
điện tích không giống nhau nên trong tính toán phải lấy giá trị điện tích trung bình của

toàn bộ tinh thể.
Trong MMT, các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch với
dung lượng trao đổi cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 [1], [8],
[10].
1.1.3. Tính chất của bentonit
Do thành phần chính của bentonit là MMT tương đối xốp, có cấu trúc lớp
aluminosilicat liên kết với nhau bằng liên kết hiđro, có sự bù trừ điện tích giữa các lớp
nên bentonit có các tính chất sau: khả năng trương nở, hấp phụ, trao đổi cation, kết
dính, nhớt dẻo và trơ... Trong đó tính chất quan trọng nhất của bentonit là tính trương
nở, hấp phụ và trao đổi ion [8], [9].
Tính chất trao đổi ion
Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do trên bề mặt của các
lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp phụ và trao đổi
cation. Đồng thời tính chất đó còn là do sự thay thế đồng hình các cation. Ví dụ như
khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+, hoặc Al3+ trong mạng bát
diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Zn2+... thì sự thay thế các ion điện tích cao này bằng
các ion điện tích thấp hơn sẽ gây thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc tứ diện và bát
diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.
Đối với bentonit sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa
hai lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét làm liên kết

yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao đổi mạnh
hay yếu 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 càng
lớn.
Khả năng trao đổi ion của nhôm silicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán kính
cation trao đổi. Điện tích cation càng thấp thì càng dễ trao đổi hơn cation điện tích cao:
Me+ > Me2+ > Me3+. Đối với các cation cùng điện tích, bán kính càng nhỏ thì khả năng
trao đổi càng lớn, có thể sắp xếp trật tự như sau: Li+ > Na+ > K+ > Cu2+ > Fe2+ > Al3+...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Tuy nhiên khả năng trao đổi của nhôm silicat chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện
tích âm bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới. Bentonit có cấu trúc lớp xốp,
gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phụ thuộc vào
kích thước tinh thể, phụ thuộc vào sự đứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước
hạt càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn. Khả năng trao đổi bề mặt trong bentonit
phản ánh lượng điện tích âm trong mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nó
phụ thuộc vào lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Số lượng cation bù trừ càng lớn
khả năng trao đổi càng lớn. Dung lượng cation dao động từ 80 ÷ 150 mgđl/100g
bentonit.
Dung lượng trao đổi anion dao động từ 15 ÷ 40 mgđl/100g bentonit. Ngoài ra,
sự trao đổi ion của bentonit còn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử hiđro trong
các nhóm hiđroxyl của MMT. Theo một số nghiên cứu, đỉnh của các tứ diện SiO4
hướng ra phía ngoài của lớp cấu trúc. Ở đỉnh này các nguyên tử của oxi bị thay thế bởi
các nhóm hiđroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp
và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Trong đó nhóm hiđroxyl của liên kết Si-OH
không có khả năng trao đổi hiđro, nhóm hiđroxyl trong liên kết Al-OH có tính axit yếu

nên khả năng trao đổi yếu. Nhóm hiđroxyl trong liên kết Si-OH-Al có tính trao đổi
mạnh nên có tính quyết định đến trao đổi cation H+ [7].
Tính trương nở
Sự trương nở của bentonit xảy ra 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 lượng 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, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong môi
trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng
hiđrat hóa của các cation. Độ trương nở (n) được tính theo công thức:
𝑛=

𝑉 − 𝑉0
100%
𝑉0

Trong đó: V0 là thể tích ban đầu của bentonit.
V là thể tích trương nở trong nước của bentonit.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Tính hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc
lớp của chúng. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2μm và có cấu trúc mạng tinh thể dạng lớp
nên bentonit có bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt
ngoài và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của
khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào

kích thước hạt. Sự hấp phụ bề mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị hấp phụ
là các ion vô cơ, chất hữu cơ phân cực [3].
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và
bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các khoáng
sét, đặc trưng của nó là tính chọn lọc đối với 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 có
thể dùng bentonit hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây cũng là điểm khác nhau giữa
bentonit và các chất hấp phụ khác.
1.1.4. Những ứng dụng của bentonit
Ngày nay bentonit được sử dụng rộng khắp trong nghành công nghiệp hóa học,
thực phẩm, xây dựng, khoan thăm dò khoáng sản, đặc biệt là trong công nghiệp dầu
khí, bentonit được dùng để pha chế dung dịch khoan và công nghiệp chế biến dầu mỏ,
làm keo chống thấm trong các đập thủy điện thủy lợi, các công trình xây dựng. Hiện
nay, phạm vi sử dụng bentonit lại càng được phát triển và mở rộng nhờ khả năng hấp
thụ và trao đổi ion nên bentonit được dùng để chế tạo các vật liệu hấp phụ dùng cho
mục đích sử lí môi trường, dùng làm sạch dầu thực vật và chế tạo xúc tác, trong công
nghiệp giấy, cao su, trong nghành đúc, luyện kim và ứng dụng trong việc chế tạo vật
liệu nano-compozit….
Một số ứng dụng chính của bentonit hiện nay:
Làm vật liệu hấp phụ
Bentonit được sử dụng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công
nghiệp. Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonit được sử dụng rất lớn, bao gồm
bentonit tự nhiên và bentonit đã hoạt hóa. Việc sử dụng bentonit làm chất hấp phụ ưu
việt hơn hẳn phương pháp cũ là phương pháp rửa kiềm. Lượng bentonit mất đi trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 do tránh được phản ứng thủy phân.

Ngoài ra, do tính hấp phụ đặc biệt tốt nên bentonit được sử dụng để tạo ra các
dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì vậy, cùng
với sự phát triển của nghành thăm dò và khai thác dầu khí, lượng bentonit được sử
dụng trong việc sản xuất dung dịch khoan ngày càng tăng.
Những chức năng quan trọng của bentonit trong dung dịch khoan là:
Làm tăng sức trở 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.
Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ việc
tạo nên bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không chỉ
ngăn cản khả năng thất thoát dung dịch mà còn có tác dụng như một lớp màng làm bền
thành lỗ khoan.
Làm chất xúc tác
Bentonit là một chất có độ axit cao nên có khả năng làm xúc tác trong các phản
ứng hữu cơ. Trên bề mặt của bentonit tồn tại các nhóm hyđroxyl, các nhóm hyđroxyl
có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt bentonit những tâm axit
Bronsterd. Số lượng nhóm hyđroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ
axit trên bề mặt của bentonit.
Ngoài ra, do bentonit có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ các chất xúc tác
trên bề mặt trong giữa các lớp và được sử dụng làm chất xúc tác cho nhiều phản ứng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Trong y tế và công nghiệp sản xuất mỹ phẩm
- Trong lĩnh vực y tế: Nó được sử dụng như là một thành phần quan trọng trong

các loại thuốc và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe. Nó là thành phần quan trọng trong
các loại kem, thuốc nước, chất kích thích và bôi. Bentonit có tác dụng giải độc cho các
trường hợp bị ngộ độc bởi các kim loại nặng nhờ khả năng hấp thụ tốt các ion của kim
loại này. Ngoài ra nó có tác dụng cải thiện khả năng tiêu hóa, giảm bớt hội chứng
kích thích đường ruột, có tác dụng cai nghiện, hấp thụ các vi-rut gây bệnh trong cơ
thể…
- Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm: Do có đặc tính hấp phụ cao và khả năng
giữ ẩm tốt, bentonit được ứng dụng trong nghành công nghiệp mỹ phẩm với vai trò làm
chất hấp phụ lượng protein thừa cũng như bụi bẩn, vi khuẩn trên da góp phần ngăn
ngừa mụn, đồng thời nhờ khả năng giữ ẩm cao nên nó giúp bảo vệ da, làm giảm các
nết nhăn, tăng độ nhớt của các sản phẩm làm đẹp….
Trong nông nghiệp
- Trong nghành trồng trọt: Do có khả năng hút ẩm cao và trương nở mạnh khi
tiếp xúc với nước nên bentonit tỏ ra hiệu quả trong việc cải tạo đất, tăng khả năng giữ
ẩm cho đất, tăng tính trương nở, tính dẻo, độ bền cơ học, độ bền trong nước của đất
cũng như tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng, hạn chế hoặc chống lại sự rửa trôi các
chất dinh dưỡng có trong đất vào mùa mưa, đồng thời loại bỏ các chất độc hại có trong
đất nhờ khả năng hấp thụ chúng, góp phần nâng cao chất lượng đất, tăng chất lượng
cũng như sản lượng nông sản….
- Trong chăn nuôi: Bentonit được ứng dụng nhiều trong việc chế biến thức ăn
gia súc, nó đóng vai trò như một chất hấp phụ các độc tố có trong thức ăn, tạo chất kết
dính, tăng độ bền của viên thức ăn đồng thời cũng làm chất độn, góp phần giảm giá
thành và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Trong công nghiêp xây dựng và luyện kim:
-Trong Xây Dựng: Công nghiệp xây dựng là một trong những nghành sử dụng
bentonit từ khá sớm, nó được ứng dụng rỗng rãi vào tất cả các lĩnh vực của nghành xây
dựng, từ những ứng dụng trong khoan gia cố nền móng, chống thấm trong các công
trình xây dựng dân dụng, đê điều, đập thủy điện tới những ứng dụng trong ngành sản
xuất vật liệu xây dựng xi măng, gạch….
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

- Trong công nghiệp Luyện kim: nhờ có tính dẻo ưu việt nên bentonit được sử
dụng để chế tạo các khuôn đúc, vê nhỏ quặng trước khi đưa vào lò, hay những ứng
dụng của tính chất hấp thụ tốt trong công tác tuyển và sơ chế quặng trước khi đưa vào
quá trình luyện kim.
1.1.5. Nguồn tài nguyên bentonit trên thế giới
Trên thế giới
Tình hình sản xuất:
Hiện nay bentonit được sản xuất ở nhiều nơi trên thế giới với sản lượng tương
đối lớn. Năm 2007 sản lượng bentonit toàn cầu ước đạt 16 triệu tấn, trong đó Mĩ và
Trung Quốc là hai quốc gia dẫn đầu về sản xuất bentonit với sản lượng lần lượt ước đạt
khoảng 5,1 triệu và 3,2 triệu tấn, chiếm hơn 50% sản lượng bentonit toàn thế giới.
Ngoài ra phải kể đến một số nước có sản lượng bentonit lớn khác như Hy Lạp, Ấn
Độ, Mexico, Italia, Nhật Bản, Nga, Thổ Nhĩ Kì….(bảng 1.1).
Bảng 1.1: Sản lượng bentonit của thế giới giai đoạn 2005 -2007
Sản lượng (tấn)
Năm

2005

2006

2007

Toàn thế giới

140000000

14800000

15700000

Mỹ

47100000

4940000

5070000

Trung Quốc

23000000

3200000

3200000

Hy Lạp

11250000

1100000

1100000

Ấn Độ

5900000

610000

630000

Thổ Nhĩ Kì

5830000

400000

400000

Nga

5000000

456000

460000

Brazil

4600000

419000

330000

Mexico

4260000

435000

614000

Italia

4460000

470000

560000

Nhật bản

4220000

425000

425000

Đức

3500000

364000

385000

Các nước khác

24860000

1981000

2526000

Quốc gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Trong nước
Trữ lượng và khả năng khai thác bentonit ở nước ta
Hiện nay nguồn bentonit ở nước ta khá phong phú, có thể khai thác với trữ lượng
ước đạt 93 triệu tấn quặng. Bentonit phân bố ở một số nơi như: Cổ Định (Thanh Hóa),
Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nhá Mé (Bình Thuận) và một số địa điểm ở Bà Rịa Vũng
Tàu. Mỏ sét Nha Mé (Tuy Phong - Bình Thuận) là mỏ bentonit kiềm duy nhất ở Việt Nam
có trữ lượng hàng triệu tấn, thuộc loại lớn trên thế giới hiện nay.
Quặng bentonit của Việt Nam được các chuyên gia đánh giá cao về chất lượng
cũng như tiềm năng khai thác lớn. Vì vậy chúng ta hoàn toàn có thể kì vọng vào nguồn
bentonit trong nước có khả năng đáp ứng đầy đủ các tính chất để đáp ứng được nhu
cầu trong nước, hạn chế việc phải nhập khẩu từ bên ngoài và còn nâng cao trữ lượng
để xuất khẩu ra thị trường thế giới [8], [11].

Giới thiệu về bentonit Ấn Độ
Các mỏ bentonit được tìm thấy trong khu vực Kutch, ở vùng Gujarat ở phía Tây
của Ấn Độ có nguồn gốc núi lửa. 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 là hơi khác so với bentonit
trên thế giới. Bentonit với hàm lượng sắt cao hơn mang đến cho nó màu sẫm hơn các
loại bentonit khác. Do kích thước hạt rất mịn, bentonit này cho khả năng trương nở và
kết dính mạnh. 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.
Thành phần của bentonit Ấn Độ được trình bày trong bảng 1.2.
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 bao gồm các cation amoni hữu cơ (bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc
4, mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng), các aminoaxit, ancol… trong đó các cation
amoni hữu cơ bậc 4 được dùng nhiều nhất. Cụ thể các loại khoáng sét MMT, beidelit,
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 các 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.
Các nghiên cứu về tương tác giữa các khoáng sét và các hợp chất hữu cơ đã
được thực hiện từ những năm đầu của thế kỉ XX và tăng lên không ngừng về số lượng
và đa dạng về đề tài. Năm 1939, Gieseking nhận thấy xanh metylen có khả năng thay
thế cation giữa các lớp sét. Kết quả này mở ra khả năng sử dụng các ion amoni (NH3R+,
NH2R2+, NHR3+ và NR4+) vào cơ chế trao đổi ion trong khoáng sét.. 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 đỉnh tứ diện SiO4 nằm trong đơn vị cấu trúc sét bằng lực Vanđec-van. Do vậy các phân tử hữu cơ phân cực trên bề mặt phiến sét rất linh động và dễ
dàng bị thay thế bằng các phân tử khác. Khác với chất hữu cơ phân cực, cation hữu cơ
thay thế các cation vô cơ nằm ở giữa hai phiến sét và liên kết chặt 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. Điều
này xảy ra tương tự với các ion photphoni.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.2.2. Cấu tạo sét hữu cơ
Hữu cơ hóa MMT là phản ứng trao đổi giữa các cation kim loại có trong cấu
trúc khoáng sét với các cation amoni hữu cơ. Đây chính là quá trình trao đổi ion Na+,
K+ với nhóm mang điện tích dương ở đầu mạch của hợp chất hữu cơ mà điển hình là
nhóm cation amoni với phần đuôi là các gốc hữu cơ khác nhau.

Phần đuôi của hợp chất này có tính ưa dầu và là tác nhân đẩy xa khoảng cách

giữa các lớp khoáng sét. Sự tương tác cũng làm thay đổi sự phân cực của các lớp bằng
sự giảm năng lượng tự do trên bề mặt của sét. Số các ion có thể xếp vào các khe phụ
thuộc vào mật độ điện tích của sét và dung lượng cation trao đổi. Độ dài mạch của chất
hoạt động bề mặt cũng sẽ ảnh hưởng đến khoảng cách cơ bản giữa các lớp. Ở mật độ
điện tích nhỏ, chất hoạt động bề mặt thâm nhập và tạo thành một đơn lớp trong khe
giữa các lớp. Khi mật độ điện tích tăng lên có thể tạo ra hai lớp, ba lớp chất hoạt động
bề mặt trong khe giữa các lớp. Ở những dung lượng cation trao đổi cation rất cao (trên
120 mgdl/100g) và các chất hoạt động bề mặt có mạch cacbon dài (trên 15C), sự thâm
nhập có thể được sắp xếp như cấu trúc loại parafin. Các đầu điện tích dương gắn chặt vào
bề mặt của lớp sét, còn đuôi hữu cơ lấp đầy khoảng không gian giữa các lớp, vì vậy mà
khoảng cách cơ bản d001 của sét hữu cơ sẽ lớn hơn của sét ban đầu.

Hình 1.3: Mô tả cấu trúc của sét sau khi biến tính hữu cơ (organoclay)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Quá trình giãn khoảng cách lớp MMT làm tăng khả năng xâm nhập của các chất
hữu cơ hay polyme vào khoảng xen giữa các lớp.
1.2.3. Biến tính sét hữu cơ
Bentonit là chất vô cơ, có tính ưa nước, trong khi đó nền polyme có tính kỵ nước
nên bentonit rất khó trộn hợp với polyme. Để tăng sự tương hợp giữa bentonit và
polyme, người ta đã phải biến tính bentonit. Một số phương pháp có thể dùng để biến
tính bentonit như: phương pháp trao đổi ion, phương pháp dùng chất hoạt động bề mặt,
phương pháp trùng hợp các monome tạo polyme trực tiếp, trong đó thường sử dụng là
phương pháp trao đổi ion được mô tả trong hình 1.4.

Hình 1.4: Trạng thái phân ly của khoáng sét trong dung dịch
Phản ứng hữu cơ hóa MMT xảy ra theo phương trình sau:

R - N+ + Na+ - MMT 

MMT - N+ - R + Na+

Khả năng khuếch tán của muối alkyl amoni phụ thuộc vào điện tích thứ bậc của
muối amoni và cấu tạo gốc R. Các gốc hữu cơ càng cồng kềnh thì khả năng khuếch tán
càng khó nhưng khả năng làm giãn khoảng cách giữa hai lớp MMT càng lớn.
Phương pháp trao đổi ion
Để làm cho MMT trở nên kị nước, tương hợp tốt với polyme, các cation ở
khoảng giữa các lớp clay được thay thế bằng các chất hoạt động bề mặt cation như
ankyl amoni hay ankyl photphat. Các cation có thể thay thế thông dụng nhất là Na +,
Ca2+, Mg2+, H+, K+ và NH4+. Quá trình thay thế xảy ra như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




 Khi

biến tính bằng các chất hoạt động bề mặt cation thì đầu mang điện

dương hướng về phía các mặt sét (do tương tác điện Culong) còn các mạch ankyl
hướng ra ngoài.
 Sau

khi biến tính hữu cơ, bề mặt sét trở nên kị nước một phần, năng lượng bề

mặt của nó giảm nên dễ tương hợp với các polyme hữu cơ. Kích thước của nhóm ankyl
càng lớn thì tính kỵ nước và khoảng cách giữa các lớp sét càng cao.
 Sự

sắp xếp mạch ankyl trong khoảng giữa các lớp sét phụ thuộc vào 2 yếu tố

là mật độ điện tích của sét và loại chất hoạt động bề mặt. Mạch ankyl càng dài, mật độ
điện tích của sét càng lớn thì khoảng cách giữa các lớp càng lớn.
 Mạch

ankyl có thể sắp xếp song song với bề mặt sét tạo nên cấu trúc đơn lớp

(khi mạch ankyl ngắn), hai lớp (khi mạch ankyl trung bình), hoặc giả ba lớp (khi mạch
ankyl dài) (Hình 1.4). Tuy nhiên mạch ankyl cũng có thể không nằm song song mà lại
nằm chéo so với bề mặt sét, khi đó tạo ra cấu trúc paraffin. Cấu trúc paraffin cũng có thể
đơn lớp hoặc hai lớp (hình 1.4). Khi mật độ điện tích sét cao và chất hoạt động bề mặt
có kích thước lớn thường tạo thành dạng 2 lớp giống chất lỏng. Với dạng đơn lớp, hai
lớp, giả ba lớp, khoảng cách cơ sở giữa các lớp sét tương ứng là d = 13,2 Å; 18,0 Å; 22,7
Å thể hiện sự sắp xếp không trật tự, giống chất lỏng. Với dạng prafin, thì sự sắp xếp có
trật tự hơn, các mạch ankyl không nằm song song với các mặt sét nữa mà nằm chéo với
các ion dương ở vị trí đối nhau.
Một số chất biến tính sét theo cơ chế trao đổi ion
Chất đầu tiên được dùng để biến tính sét trong công nghệ chế tạo vật liệu
nanocomposite là amino axit. Nhưng nhóm chất phổ biến nhất là các ion ankyl amoni,
do chúng có khả năng trao đổi dễ dàng với các ion nằm giữa các lớp clay.
 Ion

ankyl amoni: MMT sau khi trao đổi cation với các ion ankyl amoni mạch

dài thì có thể phân tán được trong các chất lỏng hữu cơ phân cực tạo nên cấu trúc gel.
Các ion ankyl amoni có thể xen vào giữa các lớp sét một cách dễ dàng tạo ra amino
axit để tổng hợp nên nanocomposite trên cơ sở polyme. Ion ankyl amoni được sử dụng
rộng rãi nhất là các ion tạo bởi các ankyl bậc 1 trong môi trường axit. Công thức hoá

học chung của chúng là: CH3 - (CH2)n - NH3+, trong đó n =1 ÷ 18.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




 Amino

axit: Amino axit là những phân tử có chứa cả nhóm amino (- NH2)

mang tính bazơ và nhóm cacboxylic (-COOH) mang tính axit. Trong môi trường axit,
một proton của nhóm -COOH chuyển sang nhóm -NH2 tạo thành NH3+. Lúc này có sự
trao đổi cation giữa NH3+ và các cation tồn tại ở giữa các lớp sét (như Na+, K+) làm cho
sét biến tính có tính ưa dầu. Trong công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite
trên cơ sở polyamit-6 và sét của nhóm các nhà khoa học thuộc tập đoàn Toyota, loại
ω-amino axit này đã được sử dụng thành công để biến tính sét [8].
Một số phương pháp biến tính khác
Ngoài phương pháp trao đổi ion, người ta còn có thể dùng một số chất hoạt động
bề mặt để biến tính sét mà tiêu biểu trong số đó là hợp chất silan.
Silan thường được sử dụng trong chế tạo vật liệu nanocomposite trên cơ sở
polyeste không no và sét. Silan là các monome silicon hữu cơ được đặc trưng bởi công
thức hoá học R-SiX3. Trong đó, R là nhóm chức hữu cơ được gắn vào Si, X là nhóm
có thể bị thuỷ phân để tạo thành nhóm silanol. Silan có thể phản ứng với bề mặt của
các chất vô cơ tạo nên các liên kết oxan hoặc hyđro. Các bề mặt này có đặc trưng là
chứa các nhóm OH gắn vào nguyên tử Si hoặc Al. Trong nanoclay, các nhóm OH xuất
hiện trên bề mặt các lớp sét. Silan trước tiên được chuyển thành các hợp chất silanol
bằng phản ứng thuỷ phân. Sau đó silanol phản ứng với các nhóm OH trên bề mặt sét
tạo thành các liên kết oxan và liên kết hyđro [16].
1.2.4. Tính chất của sét hữu cơ
Do có cấu trúc lớp với các lá aluminosilicate ưa nước và các cation hoặc phân

tử hữu cơ thâm nhập vào khoảng không gian giữa các lớp nên sét hữu cơ, về nguyên
tắc, là vật liệu vừa ưa nước ưa hữu cơ. Vì vậy sét hữu cơ có các tính chất đặc trưng như:
hấp phụ các chất hữu cơ từ pha lỏng và pha hơi, trương nở tốt thậm chí bóc tách lớp trong
môi trường hữu cơ lỏng hoặc nóng chảy, lưu biến tốt trong môi trường 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,...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN