Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ từ bentonit thanh hóa với heptyltriphenyl photphoni bromua

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LÊ THỊ HƯỜNG

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH
CỦA SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT THANH HÓA
VỚI HEPTYLTRIPHENYL PHOTPHONI BROMUA

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LÊ THỊ HƯỜNG

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH
CỦA SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT THANH HÓA
VỚI HEPTYLTRIPHENYL PHOTPHONI BROMUA

Ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

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

THÁI NGUYÊN - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khả năng
hấp

phụ

metylen

xanh

của

sét

hữu

cơ

từ

bentonit

Thanh

Hóa

với

heptyltriphenylphotphoni bromua" là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được cơng bố trong
một cơng trình nào khác.

Thái Nguyên, tháng 8 năm 2020
Tác giả

Lê Thị Hường

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thị Hà Thanh - người đã tận
tình chỉ bảo, giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hồn thành
luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Hóa học đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong q trình học tập, nghiên cứu để em hồn
thành luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo và các cán bộ phịng 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, Th.s Hoàng Tiến Phúc và các anh chị học
viên đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn.
Vì thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu cịn hạn chế nên kết quả nghiên cứu
có thể cịn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,
cơ giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 08 năm 2020

Tác giả

Lê Thị Hường

ii


MỤC LỤC
Lời cam đoan .................................................................................................................. i
Lời cảm ơn .....................................................................................................................ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt .......................................................................... v
Danh mục các bảng ....................................................................................................... vi
Danh mục các hình ......................................................................................................vii
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN........................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về bentonit ........................................................................................................... 3
1.1.1. Thành phần và cấu trúc của bentonit ............................................................................... 3
1.1.2. Tính chất của bentonit ....................................................................................................... 4
1.1.3. Ứng dụng của bentonit ...................................................................................................... 7
1.1.4. Nguồn bentonit trên thế giới và ở Việt Nam................................................................... 9
1.2. Sét hữu cơ ............................................................................................................................10
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ ..................................................................................................10
1.2.2. Cấu trúc của sét hữu cơ ...................................................................................................11
1.2.3. Tính chất và ứng dụng của sét hữu cơ ...........................................................................13
1.2.4. Tổng hợp sét hữu cơ ........................................................................................................15
1.2.5. Một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế sét hữu cơ bằng phương pháp
khuếch tán trong dung dịch nước ............................................................................................17
1.3. Giới thiệu về metylen xanh ................................................................................................18
1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ..................................................................................20

1.4.1. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ................................................................................20
1.4.2. Cân bằng hấp phụ, dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ ....................................21
1.4.3. Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt - Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .............22
Chương 2: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................... 24
2.1. Hóa chất, dụng cụ và các phương pháp nghiên cứu ........................................................24
2.1.1. Hóa chất ............................................................................................................................24
2.1.2. Dụng cụ.............................................................................................................................24
2.1.3 Các phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................24

iii


2.2. Tổng hợp sét hữu cơ ...........................................................................................................26
2.2.1. Quy trình điều chế sét hữu cơ .........................................................................................26
2.2.2. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ...............26
2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh của bent-TH và sét hữu cơ..........................31
2.3.1. Xây dựng đường chuẩn của metylen xanh....................................................................31
2.3.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của
bent-TH và sét hữu cơ ..............................................................................................................32
KẾT LUẬN................................................................................................................. 41

iv


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu, viết tắt

Tên gọi

bent-TH

Bentonit Thanh Hóa

CEC

Dung lượng trao đổi cation

d001

Khoảng cách giữa hai mặt mạng

HTPB

Heptyltriphenylphotphoni bromua

MMT

Montmorillonit

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét

XRD

Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa vào thành phần ba nguyên
tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si) ........................................................ 3
Bảng 1.2. Tóm tắt một số cơng trình của Kwolek và cộng sự (2003),Tang và
cộng sự (2003), Yilmaz (2004) và Lee (2004) ........................................ 13
Bảng 2.1. Kết quả phân tích hiệu ứng mất khối lượng của bent-TH và sét hữu cơ
tổng hợp ................................................................................................... 29
Bảng 2.2. Số liệu xây dựng đường chuẩn của metylen xanh ...................................... 31
Bảng 2.3. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào
pH của bent-TH và sét hữu cơ ................................................................. 32
Bảng 2.4. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian............. 34
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của khối lượng bent-TH, sét hữu cơ tổng hợp đến dung
lượng và hiệu suất hấp phụ metylen xanh ............................................... 35
Bảng 2.6. Ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh ban đầu đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ của sét hữu cơ ..................................................................... 37

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT .................................................................... 4
Hình 1.2. Quá trình trao đổi cation trong dung dịch của MMT ................................... 5
Hình 1.3. Lớp giữa bentonit sau khi bị hiđrat hóa ........................................................ 6
Hình 1.4. Cơng thức cấu tạo của muối ankyl amoni .................................................. 10
Hình 1.5. Q trình hữu cơ hóa khống sét ................................................................ 11
Hình 1.6. Sự định hướng của các ion ankyl amoni trong các lớp silicat: ................... 11
Hình 1.7. Cấu trúc sét nanocompozit.......................................................................... 14
Hình 1.8. Xử lí nước ơ nhiễm Cu2+, Ni2+, Cd2+ .......................................................... 15
Hình 1.9. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ......................................................... 23

Hình 1.10. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf................................................................... 23
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .................................................................... 26
Hình 2.2. Giản đồ XRD của bent-TH ......................................................................... 27
Hình 2.3. Giản đồ XRD của sét hữu cơ tổng hợp ....................................................... 27
Hình 2.4. Giản đồ phân tích nhiệt của bent-TH .......................................................... 28
Hình 2.5. Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ tổng hợp ....................................... 28
Hình 2.6. Ảnh SEM của bent-TH (a); sét hữu cơ tổng hợp (b) .................................. 30
Hình 2.7. Đường chuẩn của metylen xanh ................................................................. 31
Hình 2.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH dung dịch ........................................... 33
Hình 2.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian................................................... 34
Hình 2.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-TH, sét hữu cơ điều
chế đến dung lượng hấp phụ metylen xanh ............................................. 36
Hình 2.11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh ban đầu đến
khả năng hấp phụ metylen xanh của bent-TH và sét hữu cơ điều chế .... 38
Hình 2.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-TH đối với metylen xanh...... 38
Hình 2.13. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ metylen xanh của bent-TH .. 39
Hình 2.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ điều chế đối với
metylen xanh............................................................................................ 39
Hình 2.15. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ metylen xanh của
sét hữu cơ điều chế .................................................................................. 40

vii


MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển thì lượng chất thải sinh hoạt, công nghiệp cũng
tăng lên theo cấp số nhân. Lượng thải càng nhiều nhưng các hệ thống xử lý tập trung
không đủ để giải quyết, kèm theo các thói quen xả thải khơng tập chung đã làm ơ
nhiễm môi trường nước vô cùng nghiêm trọng.
Theo Unicef cho biết, tình trạng ơ nhiễm nguồn nước ở Việt Nam đang đứng

TOP 5, chỉ sau Trung Quốc, Philippines, Indonesia,Thái Lan có lượng rác thải đổ ra
sông, ra biển nhiều nhất thế giới hiện nay. Theo như Trung tâm Tư vấn Phát triển bền
vững Đà Nẵng cho biết, có khoảng 19 ngàn tấn rác thải nhựa trên ngày, cho thấy môi
trường nước đang phải gồng mình để chịu đựng sự ơ nhiễm nghiêm trọng.
Khi chung sống với nguồn nước ô nhiễm, con người dễ bị mắc các bệnh liên
quan đến vấn đề về da, tiêu hóa, tiêu chảy và nguy cơ mắc bệnh ung thư là khá cao.
Theo đánh giá chung tại một số địa phương, những ca bị mắc ca mắc bệnh ung
thư hay viên miễn phụ khoa, tiêu hóa đường ruột hay da thường cao hơn so với những
nơi có nguồn nước sạch. Tỉ lệ người mắc thường chiếm tới 40-50% một con số cực kỳ
cao, đáng báo động khi nguồn nước sử dụng đang bị ô nhiễm.
Xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ được ứng dụng phổ biến trong
việc làm sạch nước thải bị ô nhiễm. Đa phần nước thải chứa nhiều chất hữu cơ phát
sinh từ nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất,… mà các phương pháp khác không
thể xử lý triệt để. Dựa vào hiệu quả xử lý, chi phí đầu tư thấp cũng như khả năng hấp
phụ các chất khá cao nên sử dụng phương pháp này phù hợp nhất. Các vật liệu hấp
phụ thường dùng:
 Than hoạt tính: diện tích tiếp xúc với bề mặt nước thải lớn.
 Nhơm hoạt tính: thường sử dụng hấp phụ ẩm và hoạt động ở nhiệt độ cao.
 Silica gel: thường dùng để xử lý axit, dạng hạt, xốp.
 Alumin silicat: ứng dụng chủ yếu trong q trình tách nhưng hiệu quả chưa cao
do đó khó áp dụng ở quy mô lớn.
Sét hữu cơ là sản phẩm được tạo thành bởi quá trình thay thế các cation vô cơ
trong lớp giữa của bentonit bằng cation hữu cơ có kích thước lớn. Cation hữu cơ
thường được sử dụng là các cation amoni hữu cơ (bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4), các
aminoaxit, gần đây các muối photphoni cũng được nghiêm cứu. So với bentonit ban
đầu, sét hữu cơ có khoảng cách giữa các lớp (d001) và diện tích bề mặt lớn hơn, đặc

1

biệt là ưa hữu cơ nên đây là vật liệu tiềm năng trong việc xử lý nước ô nhiễm chứa
chất hữu cơ. Ngoài ra, các nghiên cứu cũng cho thấy sét hữu cơ bền với nhiệt, có
nhiệt độ phân hủy cao, khuếch tán tốt trong polime nên có thể dùng chế tạo vật liệu
nanocompozit trên nền polime.
Vì vậy, tơi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khả
năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ từ bentonit Thanh Hóa với
heptyltriphenyl photphoni bromua”.
Đề tài đặt ra mục tiêu:
- Tổng hợp được sét hữu cơ từ bentonit Thanh Hóa và heptyltriphenyl photphoni bromua.
- Nghiên cứu cấu trúc của sét hữu cơ điều chế bằng các phương pháp: phương pháp
nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phân tích nhiệt (TGA), phương pháp hiển vi điện
tử quét (SEM).
- So sánh khả năng hấp phụ metylen xanh của bentonit Thanh Hóa và sét hữu cơ điều
chế, khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ.

2


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonit
1.1.1. Thành phần và cấu trúc của bentonit
Thành phần khoáng vật:
Bentonit là một nguồn khống sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit, có cấu trúc
lớp. Thành phần chính là montmorillonit (MMT), vì vậy nó cịn được gọi là MMT,
ngồi ra cịn chứa một số khoáng sét khác như kaolinit, mica, thạch anh, cristobalit,
illit, quartz, biotit… và một số khoáng phi sét như canxit, pirit, manhetit, một số muối
kim loại kiềm khác và hợp chất hữu cơ.
Khống sét có thể được phân nhóm dựa vào tỉ lệ và kiểu liên kết giữa các đơn
vị cấu trúc tứ diện và bát diện. Nhóm sét lớp 1:1 có cấu trúc lớp cơ bản gồm 1 mạng
tứ diện liên kết với 1 mạng bát diện, đại diện là kaolinit, saponit. Trường hợp lớp bát

diện AlO6 bị kẹp giữa hai lớp tứ diện SiO4 thì khống sét có cấu trúc lớp kiểu 2:1 hay
còn gọi là silicat (smectit), đại diện là montmorillonit, nontronit, illit, vecmiculit,
talc…
Ngoài ra, dựa vào thành phần ba nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si)
có thể phân loại khống sét như bảng 1.1.
Bảng 1.1. Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa vào thành phần ba
nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (khơng kể Si) [6]
Sét trương nở
Tên khống sét

Sét khơng trương nở

Ngun tố có nhiều
trong thành phần

Tên khống sét

Ngun tố có nhiều
trong thành phần

Beidellit

Al

Illit

K, Al (Fe, Mg ít)

Montmorillonit

Al (Mg, Fe2+ ít)

Glauconit

K, Fe2+, Fe3+

Nontronit

Fe3+

Chrolit

Mg, Al, Fe

Saponit.

Mg, Al

Berthierin

Fe2+, Al (Mg ít)

Vecmiculit

Mg, Fe2+ ít

Kaolinit

Al

Thành phần hóa học:
Cơng thức phân tử chung của MMT là (M +x..nH2O)(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2,
trong đó M+ là cation trao đổi giữa các lớp (M+ = Na+, K+, Mg2+, Ca2+), trong điều
kiện lí tưởng x = 0,33 [14]. 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.

3


Tùy vào nguồn gốc mà thành phần của bentonit có sự thay đổi trong đó tỉ lệ
Al2O3:SiO2 dao động từ 1:2 đến 1:4 [11]. 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 SiO 4 và Al3+ trong bát
diện AlO6.
Cấu trúc:
Các lớp trong cấu trúc của khoáng sét được tạo ra từ 2 đơn vị cấu trúc cơ bản
là cấu trúc tứ diện SiO4 và cấu trúc bát diện MeO6, trong đó Me = Al, Fe, Mg...

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT
Do MMT có cấu trúc 2:1 dạng điocta đã tạo nên một lớp aluminosilicat. Giữa
các lớp aluminosilicat là các cation có khả năng trao đổi bị hiđrat hóa. Khoảng cách
giữa các lớp trong cấu trúc cơ bản của MMT là 9,6Å đối với trạng thái khô, khoảng
cách này bị thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng, bản chất các cation trao đổi
và lượng nước bị hấp phụ, thường có thể tăng lên khoảng 15 - 20Å. Khoảng cách này
cịn có thể tăng lên đến 30Å khi các cation trao đổi được thay thế bằng các ion vô cơ
phân cực, các phức cơ kim, các phân tử hữu cơ.
1.1.2. Tính chất của bentonit
Bentonit tương đối mềm, có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào
thành phần của Fe trong cấu trúc khoáng. Do bentonit gồm các lớp aluminosilicat

liên kết với nhau bởi lực Van der Waals, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các
lớp nên bentonit có các tính chất đặc trưng: tính trương nở, khả năng hấp phụ, trao
đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trao đổi ion,
tính trương nở và hấp phụ [11].

4


Khả năng trao đổi ion
Bentonit có khả năng trao đổi ion là do trên bề mặt các lớp sét có các trung
tâm (O, OH) mang điện tích âm và do sự thay thế đồng hình của các cation chủ yếu
xảy ra ở lớp bát diện và giữa hai lớp tứ diện, liên kết giữa cation và bề mặt sét là liên
kết yếu. Sự trao đổi ion của bentonit với ion của dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra
giữa các lớp cấu trúc, được thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tán trong dung dịch
muối có nồng độ thích hợp.

Hình 1.2. Quá trình trao đổi cation trong dung dịch của MMT
Ví dụ: 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+, Cr3+, Zn2+..., thì sự thay thế các ion
điện tích cao này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích
dương trong cấu trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét,
điện tích này được cân bằng bởi một số cation khác như K+, Na+, Mg2+, Ca2+ 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 (100 meq/100 g), rất ít
ảnh hưởng đến kích thước hạt. Khả năng trao đổi cation làm cho khống bentonit
khơng chỉ trao đổi với các cation vơ cơ, mà có liên kết với các phân tử hữu cơ như:
điquat, paraquat, protein [14].
Dung lượng trao đổi cation (cation exchange capacity - CEC) đặc trưng cho
khả năng trao đổi cation của bentonit. CEC là tổng số các cation trao đổi trong một
trọng lượng đất nhất định và được tính bằng mili đương lượng cho 1 gam đất (meq/g)

hoặc thông dụng hơn là mili đương lượng cho 100 gam đất (meq/100g). Trong hệ đơn
vị SI thì đơn vị đặc trưng cho khả năng này là Culong/gam (C/g), 1 meq = 96,5 C/g.
Nếu biết phân tử khối M và giá trị điện tích lớp của bentonit thì dung lượng
trao đổi cation được tính bằng cơng thức:
CEC = 105ζ/M (meq/100g)
(1.1)
ζ : điện tích tổng cộng của các lớp.
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. CEC của MMT tăng khi pH
của dung dịch lớn hơn hoặc bằng 6. Nếu lượng điện tích âm bề mặt càng lớn, nồng độ

5


cation trao đổi càng cao thì dung lượng trao đổi càng lớn. Dung lượng trao đổi cation
của sét dao động từ 80 ÷ 150 meq/100g bentonit khơ, gần tương đương với độ dư thừa
điện tích âm. Dung lượng trao đổi anion dao động từ 15 ÷ 40 meq/100g [9].
Sự chọn lọc trao đổi cation cịn phụ thuộc vào đặc tính hóa học của các
khống sét, thể hiện qua dãy hấp thụ các cation của các khoáng sét khác nhau:
MMT: Li+ < Na+ < K+ < H+ < Rb+ Kaolinit: Li+ < Na+ < H+ < K+ < Rb+ Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào hố trị, mức độ
hiđrat hóa 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 hố 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+.
- Q trình hiđrat hóa cation ở lớp giữa làm khoảng cách giữa hai mặt mạng tăng lên,
lực hút tĩnh điện giữa mặt mạng và cation giảm đo đó khả năng trao đổi cation với
môi trường tăng lên. Sự khác nhau về kích thước của các cation cũng gây nên sự thay
đổi đáng kể khoảng cách d001, các cation có kích thước cồng kềnh làm tăng khoảng

cách d001 và ngược lại.
Khả năng trương nở
Khi bentonit hấp phụ hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước phân cực sẽ
thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 14  15Å tùy
thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấp phụ gây ra sự trương nở. Sự tăng
khoảng cách d001 được giải thích là do sự hiđrat hóa của các cation giữa các lớp. Mức
độ trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng
hình của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong
môi trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào
khả năng hiđrat hóa của các cation trao đổi.

Hình 1.3. Lớp giữa bentonit sau khi bị hiđrat hóa
Khả năng trương nở trong nước của bentonit-Na (bent-Na) cao hơn rất nhiều
của bentonit chứa K, Ca hoặc Mg. Độ trương nở của bentonit-Ca (bent-Ca) từ 100 ÷
150%, đối với bent-Na độ trương nở lớn hơn.

6


Khả năng 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. 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 khoảng
800 m2/g, trong khi đó diện tích bề mặt của silicagen là 300 ÷ 600m2/g, của cao
lanh khoảng 15 ÷ 20m2/g) [24]. Diện tích bề mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt
ngồi và diện tích bề mặt trong. Cũng giống như các chất hấp phụ khác, bentonit có
cả khả năng hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học tuy nhiên hấp phụ vật lý cao hơn. 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 hoặc chất hữu cơ phân cực. 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 der Waals hoặc liên kết hiđro.
Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polime và đặc biệt là vi khuẩn chỉ
xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonit [3].
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp.
Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn tới khả năng hấp phụ, đặc trưng là tính chọn lọc hấp
phụ, nó chỉ có thể hấp phụ những cấu tử có đường kính nhỏ hơn lỗ xốp. Dựa vào điều
này người ta có thể dùng bentonit hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây là điểm khác
nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác [3].
1.1.3. Ứng dụng của bentonit
Với những tính chất đặc trưng trên, bentonit được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh
vực khác nhau, sau đây là một số ứng dụng chính:
Làm chất hấp phụ
Nhờ khả năng hấp phụ cao, bentonit được sử dụng rộng rãi trong các ngành
cơng nghiệp như: cơng nghiệp hóa than, công nghiệp lọc dầu, xử lý chưng cất dầu
mỏ, chế tạo ra các dung dịch khoan… với chất lượng cao và chi phí thấp.
Làm chất hấp phụ protein trong rượu bia. 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 ÷ 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 cịn hấp phụ cả
ion sắt, đồng và các tác nhân gây ra bệnh của rượu lại không làm mất hương vị của
rượu, bia [3].
Trong y học và dược phẩm, bentonit được dùng để điều chế chất khử trùng,
chống viêm, điều trị bỏng và các thương tổn trên da… Đặc biệt, từ nhiều thế kỉ trước,
người ta đã biết sử dụng trực tiếp khoáng sét bentonit để ngăn chặn dịch tả, lị, điều trị

7


ngộ độc thức ăn. Hiện nay có rất nhiều loại thuốc điều trị tiêu chảy với thành phần

hoạt tính là bentonit (được biết đến dưới tên gọi là diosmectite) [12].
Trong lĩnh vực mỹ phẩm: làm thuốc mỡ và kem dưỡng da [10], [16].
Làm chất độn
Một lượng lớn bentonit đã được sử dụng làm chất độn trong công nghiệp sản
xuất vật liệu tổng hợp (xà phòng, vải sợi...), trong sản xuất sơn, giấy, chất màu trong
một số ngành công nghiệp… Việc sử dụng bentonit trong vài thập kỉ gần đây cũng làm
thay đổi đáng kể ngành công nghiệp giấy. Khi trộn thêm 10% bentonit kiềm vào làm
tăng hàm lượng kaolin nguyên chất, giảm lượng xenlulo cần có trong giấy, làm tăng
đáng kể chất lượng và giảm giá thành của giấy.
Làm chất xúc tác
Do có độ axit cao nên bentonit có thể được dùng làm chất xúc tác trong các
phản ứng hữu cơ. Ngồi 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. Vì vậy, bentonit được sử dụng làm
chất mang xúc tác cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ
Làm nguyên liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit
Do khả năng trương nở tốt, người ta có thể điều chế được sét hữu cơ và các
polime - clay nanocompozit có các tính chất cơ học tốt, khả năng chịu nhiệt cao hoặc tạo
mạng phủ bền.
Dùng để xử lý mơi trường
Do có cấu trúc lớp và tương đối xốp, vì vậy trong lĩnh vực xử lý mơi trường
bentonit thường được sử dụng như là một vật liệu hấp phụ tự nhiên và làm pha nền để
phân tán xúc tác nhằm gia tăng diện tích bề mặt riêng của xúc tác cũng như tăng khả
năng hấp phụ của xúc tác.
Trong lĩnh vực xử lý chất thải, chất thải phóng xạ
Đây là một lĩnh vực sử dụng truyền thống lâu nay, bentonit được bổ sung
những vòng ion Al3+, Fe3+, Mg2+, Ca2+,… để tăng hoạt tính, được dùng để xử lý kiềm,
axit, nước thải, trong đó bentonit chủ yếu làm chất kết ngưng xúc tiến q trình đơng
quanh bùn thải. Là chất lọc có hiệu quả đối với nước thải có nhiều chất khơng tan,
chất lơ lửng và chất trơi nổi. Đối với chất thải có ơ nhiễm hóa chất, sử dụng bentonit
có hiệu quả tốt trong trường hợp nước bị nhiễm do khuếch tán acrylat [14].

Một số tính chất và ứng dụng khác
Tính kết dính: khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh. Do
đó trong các xưởng đúc gang, bentonit được dùng làm chất kết dính để vê quặng bột
thành viên trước khi đưa vào lị nung, hoặc làm chất kết dính trong khn cát để đúc.

8


Tính trơ: bentonit trơ và bền hóa học nên khơng độc, có thể ăn được. Người ta
dùng bentonit làm chất độn trong dược phẩm, phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn và
giúp điều tiết axit cho động vật, ...
Tính nhớt và dẻo: do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở
mạnh trong nước nên bentonit có tính nhớt và dẻo. Nhờ tính dẻo mà từ xưa bentonit
và sét tự nhiên đã được sử dụng phổ biến để chế tạo ra các vật dụng: dụng cụ nấu
nướng, bình đựng, đồ trang sức để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt, các tác phẩm
nghệ thuật,…[9].
1.1.4. Nguồn bentonit trên thế giới và ở Việt Nam
Bentonit có sẵn trong tự nhiên gồm hai loại: bent-Na (có khả năng trương nở,
tạo gel cao) và bent-Ca (thường có sẵn trên thế giới nhưng khả năng trương nở ít
hơn). Các mỏ bent-Na tự nhiên trên thế giới ít hơn nhiều lần các mỏ bent-Ca, nên để
có bent-Na, người ta hoạt hóa bent-Ca bằng một số biện pháp, tuy vậy các tính chất
của chúng cũng khơng thể cao bằng bent-Na tự nhiên.
Nguồn tài nguyên bentonit ở Việt Nam
Nước ta có nguồn bentonit khá dồi dào, hiện nay đã phát hiện được hơn 20 mỏ
và điểm quặng bentonit, đều có nguồn gốc trầm tích hoặc phong hóa. 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 Hố. Một số mỏ bentonit đã được thăm dị địa chất và khai thác như: mỏ
bentonit Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng chứa ion kiềm thổ (Ca2+, Mg2+), mỏ Tuy
Phong - Bình Thuận chứa ion kiềm (Na+, K+) nên độ trương nở cao hơn, có khả

năng trao đổi lớn hơn, mỏ Cổ Định - Thanh Hoá. Tại Cheo Reo, Phú Túc và cao
nguyên Vân Hòa đã phát hiện 26 tụ khoáng, điểm quặng bentonit.
Các kết quả của nhiều tác giả đã cho thấy rằng khả năng trao đổi ion của
khống sét Tuy Phong - Bình Thuận từ 96 ÷ 105 mgđl/100g, trong khi đó dung lượng
trao đổi ion trong bentonit của hãng Southerm clay Co là 110 ÷ 115 mgđl/100g, của
hãng Merck khoảng 120 mgđl/100g [2]. Các mỏ bentonit khác nói chung có trữ lượng
nhỏ, hàm lượng thấp và chưa được đánh giá đầy đủ [18].
Giới thiệu về bentonit Thanh Hóa:
Hiện nay ở Việt Nam, nguồn bentonit khá phong phú, có thể cho khai thác với
trữ lƣợng 20.000 – 24.000 tấn/năm trong 15 năm. Bentonit phân bố ở Cổ Định
(Thanh Hoá), Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nha Mé (Bình Thuận) và Bà Rịa – Vũng
Tàu. Trữ lượng quặng bentonit của Việt Nam đã xác định và dự báo khoảng 95 triệu
tấn. Theo Viên nghiên cứu, bentonit Thanh Hóa là là mỏ bentonit có chất lượng tốt
nhất Việt Nam.

9


Khống bentonit Thanh Hóa ( Cổ Định) có hàm lượng montmorinonit từ 70%,
CEC -53,21 mld/100g, khă năng hấp thụ: 12.37% và hàm lượng một số nguyên tố vi
lượng cao (Zn 74mg/kg, Mn:1163mg/kg, Cu:19mg/kg,Co:262mg/kg). Bentonit
Thanh Hóa (Cổ Định) chứa các nguyên tố cơ bản:
+ Tỷ lệ SiO2 /Al2O3 nằm trong khoảng từ 7,7 - 6,9. Đây là một tỷ lệ rất cao so với tỷ
lệ chung là 2 - 4. Điều đó chứng tỏ tạp chất rắn nhiều, hàm lượng MMT thấp. Hàm
lượng Fe2O3 lại quá cao (23% - 25%), đây chính là nguyên nhân gây ra mầu xám nâu
của Bentonite Thanh Hóa ( Cổ Định).
+ % MgO cao (10,2%) chứng tỏ có sự thay thế Al3+ cho Mg2+ nhiều, trong khi đó %
Na2O (0,1% ), K2O (0,2 – 0,4%) lại rất thấp. Hàm lượng cation Na+, K+ thấp sẽ ảnh
hưởng lớn tới khả năng trao đổi cation và hiđrat hóa.
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 vơ cơ trong một
số sét thuộc nhóm smectit có thể trao đổi với cation hữu cơ của nhiều dạng khác
nhau. Đặc biệt là MMT 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, tính hấp phụ cao và diện tích bề mặt lớn.
Các hợp chất hữu cơ thường dùng là các hợp chất hữu cơ phân cực hoặc các
cation hữu cơ có khả năng hoạt động bề mặt như các aminoaxit, ancol … nhất là các
amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch khơng nhánh, mạch nhánh và mạch vịng,
gần đây là các muối photphoni.
Phương pháp điều chế sét hữu cơ từ khống sét được biến tính bằng tác nhân hữu cơ
hóa là các muối ankyl amoni.

Hình 1.4. Cơng thức cấu tạo của muối ankyl amoni
Phần đuôi của hợp chất này có tính ưa dầu và là tác nhân làm giãn khoảng
cách giữa các lớp khống sét theo mơ hình:

10


Hình 1.5. Q trình hữu cơ hóa khống sét
Trong dung dịch nước, phản ứng hữu cơ hóa khống sét phụ thuộc nhiều vào
quá trình trương nở của MMT. Khả năng khuếch tán của muối ankyl 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 cao và do đó khả năng khuếch tán khống sét trong polime càng lớn.
Q trình trương nở và quá trình xâm nhập của các hợp chất hữu cơ, polime
vào giữa các lớp làm thay đổi khoảng cách giữa chúng có thể lên vài chục Å tùy
thuộc vào loại cation thế [4].
1.2.2. Cấu trúc của sét hữu cơ

Sự sắp xếp của các phân tử hữu cơ giữa các lớp aluminosilicat 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. Mạch ankyl càng dài, mật độ điện tích của sét càng lớn thì khoảng cách d001
càng lớn.
Theo tác giả [7], sự định hướng của các ion amoni hữu cơ trong các khoáng
sét đã lần đầu tiên được Lagaly và Weiss (1969) đề xuất và được đưa ra trên hình 1.6.





Hình 1.6. Sự định hướng của các ion ankyl amoni trong các lớp silicat:
a) Đơn lớp; b) Hai lớp; c) Giả ba lớp; và d), e) sắp xếp kiểu parafin của các ion
ankyl amoni với góc nghiêng khác nhau của các mạch ankyl

11


Đất sét hấp phụ các cation hữu cơ chỉ hình thành đơn lớp. Với đất sét
organophilic, các cation hữu cơ có thể tạo thành cấu trúc đơn lớp, hai lớp, giả ba lớp
hoặc parafin [11]
Đơn lớp: khi mật độ đan xen thấp, các gốc R nằm song song với các lớp
silicat, mạch hiđrocacbon trong hợp chất muối amoni và photphoni hữu cơ là mạch
thẳng và có số nguyên tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 khoảng 13,6Å.
Hai lớp: các gốc R nằm song song với lớp silicat, số nguyên tử cacbon từ 12 ÷ 18
thì giá trị d001 khoảng 17Å. Khi đó bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50%.
Giả ba lớp: các đuôi hữu cơ không phân cực của các ion ankyl amoni được gắn
với các lớp bằng cách hình thành nút thắt, các gốc hữu cơ chồng lên nhau. Độ dãn lớp
xen giữa được xác định bởi độ dày của ba chuỗi ankyl. Giá trị d001 khoảng 22Å.
Parafin: các nhóm amoni vẫn được gắn với các lớp silicat tuy nhiên các gốc

ankyl nằm chéo với các ion dương ở vị trí đối nhau. Khoảng cách lý thuyết được tính
như sau:
n = chẵn d = 11,3 + 1,27.n.sinα
n = lẻ

d = 11,3 + 1,27.n.sinα + 0,88.cosα

Với: α : góc tạo bởi mạch ankyl của phân tử chất hữu cơ với lớp sét.
n : số nguyên tử cacbon trong cation hữu cơ.
Hu và cộng sự [22], khi nghiên cứu sự sắp xếp các mạch ankyl của các chất hoạt
động bề mặt trong sét hữu cơ đã đưa ra cách tính góc α (hình 1.6) như sau:
sinα = (d001 - h)/l
(1.2)
Trong đó: h : chiều dày một lớp của MMT (9,6Å)
l : chiều dài của phân tử của chất hoạt động bề mặt.
Với HTPB sử dụng trong đề tài có l = 25,3Å.
Trong khi đó, Yui và cộng sự [31] cho rằng: khoảng cách d001 của sét hữu cơ
tăng khi tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhưng khi nồng độ này lớn hơn 1,0 CEC
thì mạch ankyl sắp xếp dạng parafin kiểu 2 lớp với góc α khơng đổi (35°).
Theo nhóm tác giả Zohra [33], giá trị d001 sẽ thay đổi tùy theo loại ankyl ammoni
sử dụng. Thông thường nếu là đơn lớp, 2 lớp, giả 3 lớp, parafin thì d001 lần lượt là
13,7Å; 17,7Å; 21,7Å và lớn hơn 22,0Å. Với CTAB, theo Yu và cộng sự [30], giá trị d001
trong khoảng 14,5 ÷ 14,7Å; 17,5 ÷ 18,5Å; 19,1 ÷ 20,2Å; 22,5 ÷ 25,0Å; 38,5 ÷ 41,3Å
thì mạch ankyl sắp xếp theo kiểu đơn lớp, 2 lớp, giả 3 lớp, parafin kiểu 1 lớp và parafin
kiểu 2 lớp.
Khoảng cách cơ sở của các sét hữu cơ được điều chế bởi Kwolek và cộng sự
(2003) [23], Tang và cộng sự (2003) [28], Yilmaz (2004) [29] và Lee (2004) [24]
được trình bày trên bảng 1.3.

12

Nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy khi sử dụng các chất hoạt động bề mặt
thì tính bền nhiệt và tính tương hợp của sét hữu cơ tăng lên. Các hợp chất này cung
cấp cho khoáng sét khả năng bền nhiệt cao và hầu như khơng có hiện tượng thối hóa
ở các nhiệt độ dưới 300oC (Zheng và cộng sự, 2006) [31].
Bảng 1.2. Tóm tắt một số cơng trình của Kwolek và cộng sự (2003),Tang và cộng
sự (2003), Yilmaz (2004) và Lee (2004)
Sét/khoáng sét

Montmorilonit

Montmorilonit

Hợp chất hữu cơ

Khoảng cách lớp

Tài liệu

d (nm)

tham khảo

Benzyltrimetyl amoni
bromua

1,45

Benzylbutyldimetyl amoni

bromua

1,46

Benzyldimetyldodecyl
amoni bromua

1,79

Octadecyl amoni bromua

2,46

Hexadecyltrimetyl amoni

2,50

Tang và
cộng sự
(2003)

bromua
Octadecylamoni bromua
Bentonit

Bentonit

Kwolek và
cộng sự
(2003)

1,36 (25% CEC)
1,42 (50% CEC)
1,84 (100% CEC)

Hexadecyltrimetylamoni
bromua

1,40 (25% CEC)
1,57 (50% CEC)
1,80 (100% CEC)

1-hexadecylamin

1,53

1-octadecylamin

1,57

Cetyltrimetyl amoni
bromua

2,04

Octadecyltrimetylamoni
bromua

2,07

Yilmaz,
Yapar
(2004)

Lee and Lee
(2004)

1.2.3. Tính chất và ứng dụng của sét hữu cơ
Sự có mặt của các cation hữu cơ bậc 4 trong không gian giữa hai phiến sét
không chỉ làm cho khoảng cách giữa các lớp phiến sét (d001) thay đổi mà còn tạo ra
vật liệu sét từ dạng ưa nước sang dạng ưa dầu với những gốc thế khác nhau, có khả
năng trương nở trong dung môi hữu cơ, tương hợp và khuếch tán tốt trong polime
thơng qua q trình hịa tan trong dung mơi hữu cơ hoặc q trình nóng chảy.

13


Các muối amoni hữu cơ thường dùng để biến tính bentonit có cơng thức chung
là [(CH3 )3NR]+.
- Nếu R là ankyl mạch ngắn, vật liệu thu được là sét hữu cơ hấp phụ (Adsorptive
Organoclay), có tính kị nước và ái lực với các chất hữu cơ thấp, bề mặt hấp phụ
thường chỉ có cấu trúc khơng gian hai chiều, chủ yếu là sự hấp phụ mao quản [2].
- Nếu R là ankyl mạch dài, vật liệu thu được là sét hữu cơ ưa dầu (Organophilic
Organoclay), có tính kị nước và ái lực với các chất hữu cơ lớn, bề mặt vật liệu có cấu
trúc khơng gian ba chiều, do đó khả năng hấp phụ sẽ được quyết định bởi ái lực của
nhóm ankyl với các chất hữu cơ [2]
Sét hữu cơ hiện nay được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
- Làm vật liệu xử lý môi trường, hấp phụ các nguồn ô nhiễm chất hữu cơ như dầu
khống, phẩm nhuộm, các chất ơ nhiễm nhóm BTEX (Benzen-Toluen-EtylbenzenXylen), xử lý nước thải ô nhiễm phenol của các ngành sản xuất chế biến gỗ, mây tre
đan, sản xuất nhựa phenolfomanđehit, dược phẩm, thuốc trừ sâu,...

- Làm phụ gia biến tính vật liệu polime để tổng hợp vật liệu nanocompozit, 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.

Hình 1.7. Cấu trúc sét nanocompozit
Việc ứng dụng màng nanocompozit được tạo thành sau khi phân tán 1,0 ÷ 4,0%
sét hữu cơ vào màng polietherimide đã loại bỏ tốt các ion kim loại nặng trong nước bị
ô nhiễm, cải thiện đáng kể chất lượng nước mà khơng có bất kỳ tác nhân tạo phức
bên ngoài (loại bỏ tối đa 69,3%, 76,2% và 82,5% cho 250 ppm dung dịch ion Cd2+,
Ni2+ và Cu2+ tương ứng) [10 ].

14


Hình 1.8. Xử lí nước ơ nhiễm Cu2+, Ni2+, Cd2+
bằng màng nanocompozit có thành phần sét hữu cơ
- Làm chất chống sa lắng trong sơn, sản xuất dầu bôi trơn, mực in, mỹ phẩm, nhựa
dẻo, dung dịch khoan gốc dầu.
1.2.4. Tổng hợp sét hữu cơ
Để tổng hợp sét hữu cơ, người ta thường dùng hai phương pháp sau:
Phương pháp ướt
Là phương pháp trao đổi giữa cation hữu cơ với bentonit đã hoạt hóa trong
mơi trường nước. Giữa các lớp sét là lực liên kết yếu Van der Waals, sự liên kết các
lớp sét với nhau rất kém nên các phân tử khác có thể dễ dàng xen vào khoảng giữa
các lớp sét.
Để làm cho MMT trở nên kị nước, tương hợp tốt với polime, các cation ở
khoảng giữa các lớp sét được thay thế bằng các chất hoạt động bề mặt cation như
ankyl amoni, ankyl photphoni. Các cation có thể thay thế thông dụng nhất là Na +,
Ca2+, Mg2+, H+, K+ và NH4+.

Có ba phương pháp điều chế sét hữu cơ trên cơ sở phương pháp ướt:
Phương pháp khuếch tán trong môi trường nước
Phương pháp này dựa trên sự khuếch tán của các chất hữu cơ và bentonit trong
môi trường nước. Sự khuếch tán được thực hiện nhờ khuấy liên tục hỗn hợp bentonit
và các tác nhân hữu cơ trong môi trường nước ở điều kiện (nhiệt độ, pH, tỉ lệ hữu
cơ/sét,..) nhất định. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, thực hiện dễ dàng và
chi phí thấp do đó được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam cũng như trên thế giới.
Trong luận văn này, phương pháp chúng tôi lựa chọn phương pháp khuếch
tán trong môi trường nước để thực hiện phản ứng trao đổi cation.
Phương pháp lị vi sóng
Dựa trên ngun tắc sử dụng vi sóng tác dụng lên hỗn hợp phản ứng và được
thực hiện trong lị vi sóng. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn
hơn, hiệu suất phản ứng cao hơn so với phương pháp khuếch tán do tập trung năng lượng

15


trong quá trình điều chế sét hữu cơ. Tuy nhiên do chi phí lớn về thiết bị, năng lượng và
hạn chế về cơng suất nên phương pháp này ít được sử dụng rộng rãi.
Phương pháp thủy nhiệt
Quá trình điều chế sét hữu cơ được thực hiện trong thiết bị thủy nhiệt, thực hiện
phản ứng ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm: cho
phép điều chế sản phẩm có tính đồng nhất cao, thành phần hóa học được điều chỉnh
một cách dễ dàng hoặc điều chỉnh tính chất của sản phẩm thơng qua điều chỉnh các
điều kiện phản ứng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ, thời gian của sự thủy phân,...
Tuy nhiên phương pháp này ít dùng vì thiết bị rất đắt tiền và dung lượng nhỏ.
Một số chất biến tính sét theo cơ chế trao đổi ion
Chất đầu tiên là amino axit được dùng để biến tính MMT trong cơng nghệ chế
tạo vật liệu nanocompozit đã được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu của hãng Toyota để
chế tạo nanocompozit poliamit-6, nhưng phổ biến nhất là ion ankyl amoni do chúng có

khả năng trao đổi dễ dàng với các ion nằm giữa các lớp sét.
Ion ankyl amoni: chỉ sử dụng ion ankyl amoni có ít nhất 4 ngun tử cacbon,
các ion tạo bởi các ankyl bậc 1 trong môi trường axit (cơng thức hố học chung là:
CH3 - (CH2)n - NH3+, trong đó n từ 1 ÷ 18). Độ dài của ion amoni tạo ra tính bền của
vật liệu nanocompozit. Các nghiên cứu gần đây cho thấy, khi biến tính sét với hợp
chất ankyl amoni có độ dài mạch ngắn hơn tạo nên cấu trúc nanocompozit xen lớp.
Nếu biến tính sét với hợp chất ankyl amino có số nguyên tử C lớn hơn 8 thì tạo nên
cấu trúc nanocompozit tách lớp. Do mạch ankyl dài nên làm giảm độ phân cực và
giảm năng lượng bề mặt của sét. Vì vậy khoảng cách giữa các lớp tăng lên, các phân
tử hữu cơ với độ phân cực khác nhau có thể xen vào giữa các lớp sét.
Muối photphoni: khả năng trao đổi với muối photphoni của MMT phụ thuộc
nhiều vào cấu tạo gốc R. Các gốc R có cấu tạo càng cồng kềnh thì khả năng trao đổi
thấp nhưng giá trị d001 của sét càng tăng và khả năng khuếch tán sét trong polime tăng
lên. Bằng phản ứng trao đổi, các cation photphoni bậc 4 (hexađecyltributyl
photphoni, tetraphenyl photphoni, metyltriphenyl photphoni, etyl và propyltriphenyl
photphoni) đã xen vào lớp giữa của MMT. Theo tác giả [21] cation photphoni ảnh
hưởng đáng kể tới kích thước hạt sét, với các gốc ankyl mạch dài thì hạt sét hình
thành sẽ mịn. Sự ổn định nhiệt của tetrabutyl photphoni, tetraphenyl photphoni-MMT

16