Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ tử Bentonit (Bình Thuận) với Butyltripphenyl Photphoni Bromua và khảo sát khả năng hấp phụ Metylen xanh (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ BẾN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ
TỪ BENTONIT (BÌNH THUẬN) VỚI
BUTYLTRIPHENYL PHOTPHONI BROMUA VÀ
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019

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

http://lrc.tnu.edu.vn


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM


NGUYỄN THỊ BẾN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ
TỪ BENTONIT (BÌNH THUẬN) VỚI
BUTYLTRIPHENYL PHOTPHONI BROMUA VÀ
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH
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

http://lrc.tnu.edu.vn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận
với butyltriphenyl photphoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh" 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

Nguyễn Thị Bến

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

http://lrc.tnu.edu.vn


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Hóa học - Trường Đại
học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.


Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới cô Phạm Thị Hà Thanh, cô đã trực tiếp
hướng dẫn và chỉ bảo tận tình em trong quá trình thực hiện luận văn.
Do khả năng thực nghiệm còn hạn chế và do một số yếu tố khách quan khác nên
đề tài của em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý
và chỉ bảo của các thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Tác giả

Nguyễn Thị Bến

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

http://lrc.tnu.edu.vn


MỤC LỤC
Lời cam đoan ..................................................................................................................i
Lời cảm ơn .....................................................................................................................ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu ......................................................................................iv
Danh mục các bảng ........................................................................................................ v
Danh mục các hình .......................................................................................................vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................2
1.1. Bentonit ...................................................................................................................2
1.1.1. Thành phần của bentonit ......................................................................................2
1.1.2. Cấu trúc của bentonit ...........................................................................................2
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 ...............................................................8
1.1.6. Nguồn tài nguyên bentonit trên thế giới và ở Việt Nam .....................................9
1.2. Sét hữu cơ .............................................................................................................12
1.2.1. Giới thiệu về sét hữu cơ .....................................................................................12
1.2.2. Cấu trúc sét hữu cơ ............................................................................................13
1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ ....................................................................................15
1.2.4. Giới thiệu các phương pháp điều chế sét hữu cơ ...............................................17
1.3. Metylen xanh ........................................................................................................22
1.3.1. Cấu tạo và tính chất ...........................................................................................22
1.3.2. Ứng dụng và tác hại của metylen xanh ..............................................................22
1.3.3. Một số thành tựu xử lý metylen xanh ................................................................23
1.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .....................................................................24
1.4.1. Khái niệm về phương pháp hấp phụ ..................................................................24
1.4.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ .......................................................24
1.4.3. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ ................................................26
Chương 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................................29
2.1. Hóa chất và dụng cụ..............................................................................................29
2.1.1. Hóa chất .............................................................................................................29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


2.1.2. Dụng cụ, máy móc .............................................................................................29
2.2. Thực nghiệm .........................................................................................................29
2.2.1. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ .............................................................29
2.2.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của
bent-B và sét hữu cơ điều chế ......................................................................................31
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ...............................................................................33
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................................33
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt .............................................................................33
2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng (%) cation hữu cơ trong sét hữu cơ ............34
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..........................................................35
2.3.5. Phương pháp trắc quang ....................................................................................35
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................36
3.1. 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 BTPB/bent-B ....................................38
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .....................................................40
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................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. Nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................44
3.2.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt .................................................46
3.2.3. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..............................48
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ điều chế......................49
3.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ...........................................................49
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bent-B, sét hữu cơ điều chế .....................50
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................52
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh ................................................53
3.3.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ metylen xanh theo mô hình đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir ...............................................................................................................55
KẾT LUẬN .................................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59
PHỤ LỤC

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

http://lrc.tnu.edu.vn


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
Chữ viết tắt, kí hiệu

Nội dung

bent-B

Bentonit (Bình Thuận)

BTPB

Butyltriphenyl photphoni brommua

d001

Khoảng cách giữa hai mặt mạng

MMT

Montmorillonit

Mgđl

Mili đương lượng gam (Tiếng Việt)

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

XRD

X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X

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

http://lrc.tnu.edu.vn


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của bent-B ..................................................................10
Bảng 1.2. Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện tích
sét bị che phủ ...........................................................................................14
Bảng 2.1. Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các nồng
độ khác nhau .............................................................................................31
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 .....................................37
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của khối lượng phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%)
cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ .....................................39
Bảng 3.3. 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 .....................................41
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của pH phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%) cation
hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ ................................................43
Bảng 3.5. Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của bent-B và sét hữu cơ điều chế ở điều
kiện tối ưu .................................................................................................47
Bảng 3.6. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian..............49
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của khối lượng bent-B, sét hữu cơ đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ metylen xanh .......................................................................51
Bảng 3.8. Ảnh hưởng pH đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của bent-B, sét hữu
cơ điều chế ................................................................................................52
Bảng 3.9. Ảnh hưởng nồng độ đầu của metylen xanh đến dung lượng và hiệu suất
hấp phụ của bent-B và sét hữu cơ điều chế ..............................................54
Bảng 3.10. Giá trị hấp phụ lớn nhất và hằng số Langmuir b của bent-B và sét hữu
cơ điều chế ................................................................................................57

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

http://lrc.tnu.edu.vn


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện SiO4 và bát diện MeO6 ......................................................2
Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc không gian của MMT ............................................................3
Hình 1.3. Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na+ trong khoảng giữa
hai lớp MMT...............................................................................................4
Hình 1.4. Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat ......................13
Hình 1.5. Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp ..............14
Hình 1.6. Công thức cấu tạo của metylen xanh ...........................................................22
Hình 1.7. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ..........................................................28
Hình 1.8. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf......................................................................28
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .....................................................................30
Hình 3.1. Giản đồ XRD của bent-B và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở các
nhiệt độ 20oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC ..........................................36
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 .....................................................................37
Hình 3.3. Giản đồ XRD của bent-B và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các tỉ
lệ khối lượng BTPB/bent-B lần lượt là 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 ...........38
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ BTPB/bent-B của
các mẫu sét hữu cơ điều chế .....................................................................39
Hình 3.5. Giản đồ XRD của bent-B và các mẫu sét hữu cơ phản ứng trong thời
gian 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ, 6 giờ, 7 giờ ...............................................41
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản ứng .......41
Hình 3.7. Giản đồ XRD của bent-B và các mẫu sét hữu cơ điều chế trong dung
dịch có pH lần lượt là 6, 7, 8, 9, 10, 11 ....................................................42
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo pH huyền phù...............43
Hình 3.9. Giản đồ XRD của bent-B .............................................................................45
Hình 3.10. Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế.......................................................45
Hình 3.11. Giản đồ phân tích nhiệt của bent-B ...........................................................46
Hình 3.12. Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu ..........47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hình 3.13. Ảnh SEM của bent–B (a), của sét hữu cơ điều chế (b) .............................48
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ metylen
xanh của bent-B và sét hữu cơ điều chế ...................................................50
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-B, sét hữu cơ điều chế
đến dung lượng hấp phụ metylen xanh ....................................................51
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ metylen
xanh của bent-B và sét hữu cơ điều chế ...................................................53
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh đến khả năng
hấp phụ của bent-B và sét hữu cơ điều chế ..............................................55
Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-B đối với metylen xanh ........55
Hình 3.19. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ metylen xanh của
bent-B .......................................................................................................56
Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ đối với metylen xanh ....... 56
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ metylen xanh của sét
hữu cơ .......................................................................................................57

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

http://lrc.tnu.edu.vn


MỞ 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 môi trường không khí, môi trường nước. Trong quá trình sản
xuất nông nghiệp cũng như công nghiệp nhu cầu sử dụng nước rất lớn đồng thời cũng
thải ra môi trường một lượng lớn các chất vô cơ và hữu cơ độc hại như phenol, metylen
xanh, hợp chất của phenol….đây là những hợp chất bền, khó bị phân hủy, khi xâm
nhập vào cơ thể sẽ gây ra một số bệnh như tim mạch, ung thư….ảnh hưởng đến sức
khỏe của con người và sinh vật trên trái đất. Vì vậy việc xử lý môi trường nước đang
là vấn đề quan tâm của toàn thể nhân loại.
Trong nhiều thập kỷ qua, con người đã biết sử dụng một số loại vật liệu hấp phụ
như than hoạt tính, zeolit…..tuy nhiên những vật liệu này có những hạn chế nhất định
như mao quản nhỏ không hấp phụ được một số hợp chất hữu cơ có kích thước cồng
kềnh. Trước những hạn chế đó nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã tích cực
nghiên cứu tìm ra nguồn vật liệu mới thay thế vật liệu cũ.
Bentonit là một loại khoáng vật tự nhiên có tính chất đặc trưng là tính trương nở,
kết dính, hấp phụ, nhớt, dẻo….do vậy bentonit được sử dụng làm chất hấp phụ trong
xử lý nước thải, chất tạo huyền phù trong sơn….
Bằng những cách biến tính khác nhau, vật liệu sét hữu cơ được tổng hợp từ pha
nền là bentonit và các hợp chất hữu cơ phân cực hoặc cation hữu cơ đặc biệt là amin
bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 hay mạch vòng…mạch hiđrocacbon khi được chèn vào giữa
các lớp của bentonit sẽ 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.
Do đó, sét hữu cơ được ứng dụng làm chất chống sa lắng trong sơn, dầu nhờn, mực in,
làm sạch nước bị ô nhiễm bởi dầu, mỡ, thuốc nhuộm hữu cơ.......
Ở Việt Nam có một trữ lượng khoáng sét dồi dào song mới được khai thác
trong phạm vi nhỏ và mới được sử dụng làm vật liệu gốm, vật liệu xây dựng, xử lý
môi trường, mà chưa được nghiên cứu nhiều để nâng cao tính năng sử dụng. Do
đó việc nghiên cứu để sử dụng một cách có hiệu quả nguồn khoáng sét ở Việt Nam
là nhiệm vụ cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Vì vậy mà tôi lựa chọn
đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit (Bình Thuận) với
butyltriphenyl photphoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Bentonit
Bentonit được hình thành chủ yếu từ sự phân hủy của dung nham, tro bụi của núi
lửa qua hàng triệu năm, đây là một loại khoáng sét cực mịn, có tính keo, trương phồng
mạnh trong nước được phát hiện năm 1848 bởi WilBbur C.knight người Mỹ.
1.1.1. Thành phần của bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonite
(MMT), do đó có thể gọi bentonit theo thành phần chính là MMT. Công thức đơn giản
nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Trong trường
hợp lý tưởng công thức của MMT là Si8Al4O20(OH)4 ứng với một đơn vị cấu trúc. Tuy
nhiên khi ion Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6 được thay thế đồng
hình bởi các ion kim loại Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+… khi đó thành phần của MMT luôn
khác với thành phần biểu diễn dưới dạng lý thuyết.
Như vậy thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy một số
nguyên tố khác như K, Na, Mg, Zn, Fe…..trong đó tỉ lệ Al2O3:SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1:
4. Thành phần chính của sét bentonit là MMT chiếm khoảng 60 – 70% [2], [5], [13].
Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonit thường còn chứa một số khoáng
sét khác như hectorit, saponit và một số khoáng vi sét như canxit, pirit, manhetit, các
muối kiềm và một số chất hữu cơ khác [11].
1.1.2. Cấu trúc của bentonit
Trong công thức lý tưởng của MTT, các nguyên tử Si nằm ở tâm mạng tứ
diện, còn các nguyên tử Al nằm ở tâm mạng bát diện và một số ion nhôm bị thay
thế bằng ion magie...

(a) Đơn vị cấu trúc tứ diện

(b) Đơn vị cấu trúc bát diện

Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện SiO4 và bát diện MeO6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc không gian của MMT
Cấu trúc tinh thể của MMT được trình bày ở hình 1.2. Cấu trúc này được tạo nên
bởi 2 mạng lưới tứ diện liên kết với mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc.
Tồn tại phân tử nước trong không gian giữa các lớp, ở đây nước có xu hướng tạo vỏ
hiđrat hóa với các cation trong mạng lưới.
MMT khi phân ly trong nước dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ
cỡ micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo với lực hút Van-đec-van. Chiều dày mỗi
lớp cấu trúc của MMT là 9,2 ÷ 9,8 Å. Khoảng cách lớp giữa trong trạng thái trương nở
khoảng từ 5 ÷ 12 Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở.
Trong tự nhiên khoáng sét MMT thường tích điện âm do trong mạng có khuyết
tật hoặc do có sự thay thế đồng hình của các cation (như Mg2+, Fe2+…) với Al3+ và Al3+
với Si4+. Vậy để trung hòa điện tích, MMT có xu hướng tiếp nhận các cation (Na+, K+,
Li+…) từ bên ngoài. Các cation này chủ yếu nằm trong vùng không gian giữa các lớp,
chỉ một phần nhỏ định vị ở mặt ngoài của mạng lưới tinh thể. Trong khoáng MMT các
cation có khả năng trao đổi với cation ngoài dung dịch với dung lượng trao đổi khác
nhau, thông thường dung lượng trao đổi dao động trong khoảng 80 ÷ 150 mgđl/100g.
Các cation (Na+, K+, Li+…) có thể chuyển động tự do giữa mặt phẳng tích điện âm,
đồng thời có thể biến tính MMT bằng phản ứng trao đổi ion [2], [3], [5], [13].
Khoảng cách giữa các lớp mạng có sự thay đổi nhờ quá trình trương nở và sự xâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


nhập của các cation, sự thay đổi này phụ thuộc vào loại cation xâm nhập (hình 1.3).

Hình 1.3. Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na+
trong khoảng giữa hai lớp MMT
1.1.3. Tính chất của bentonit
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,... Trong đó
quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion [2], [5], [13].
a. Khả năng trương nở
Trong nước, chiều dày của lớp cấu trúc tăng lên do các phân tử phân cực hoặc
các cation bị hấp phụ vào khe trống, đây được gọi là tính trương nở của bentonit, ngoài
ra cấu trúc lớp hai chiều của các khoáng sét làm cho chúng có có khả năng hấp phụ
lượng nước lớn. Mặt khác, do lực hút Van-đec-van giữa các lớp sét nằm phía trên yếu
và có độ hụt điện tích dương do sự thay thế đồng hình xảy ra ở cả tấm tứ diện và bát
diện làm cho nước và các ion trao đổi có thể xâm nhập vào giữa và chia tách các lớp
mạng, làm chiều dày lớp cấu trúc tăng lên. Vì vậy MMT dễ bị trương nở khi gặp nước.
Mức độ trương nở phụ thuộc vào bản chất của khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế
đồng hình cation và ion trong môi trường phân tán [5], [6], [13].
Khi bentonit hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc với hơi 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 thụ. Sự tăng khoảng cách d001 được
lý giải do sự hiđrat hóa của các cation giữa các lớp [2].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Độ trương nở của bentonit còn phụ thuộc vào bản chất 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 trên
mặt lớp sét. Do vậy khi bị hiđrat hóa, bentonit Na có khả năng trương nở từ khoảng
cách ban đầu giữa hai phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å [3].
Trong môi trường kiềm bentonit - Na bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ
tăng mạnh. Do vậy trong môi trường kiềm, huyền phù bentonit - Na rất bền vững.
Cation Ca2+ liên kết với 2 tâm điện tích âm nên sét bentonit - Ca khi bị hiđrat hóa,
khoảng cách giữa hai phiến sét tăng ít hơn so với bentonit - Na. Điều này hạn chế sự
trương nở hay khả năng tạo độ nhớt của bentonit - Ca [3].
b. Tính chất hấp phụ
Do kích thước hạt nhỏ nên bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn bao gồm diện
tích bề mặt trong và diện tích bề mặt ngoài. Diện tích bề mặt ngoài được xác định bởi
bề mặt của các mao quản chuyển tiếp, các mao quản này được tạo nên do sự tiếp xúc
của các hạt bentonit với nhau, chính kích thước các hạt bentonit quyết định kích thước
bề mặt ngoài, các hạt này càng nhỏ diện tích bề mặt ngoài càng lớn dẫn đến khả năng
trao đổi ion và khả năng hấp phụ tăng lên.
Chất bị hấp phụ ở bề mặt trong bao gồm: ion vô cơ, chất hữu cơ, dưới dạng ion,
chất hữu cơ phân cực.
Chất bị hấp phụ bề mặt ngoài: chất hữu cơ không phân cực, polyme và vi khuẩn.
Hấp phụ có tính chất chọn lọc: do có sự dư hóa trị trên các nguyên tử ở các nút
mạng tinh thể nên bentonit là một chất hấp phụ phân cực vì vậy nó sẽ ưu tiên hấp phụ
các chất phân cực. Tuy nhiên do lực Van- đec- van và tương tác hấp phụ chủ yếu là
tương tác cảm ứng nên bentonit vẫn có khả năng hấp phụ các chất không phân cực [2],
[3], [5], [6].
Do bentonit có cấu trúc lớp, độ phân tán cao nên có cấu trúc dạng rỗng và diện
tích bề mặt lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng lớn đến tính chất hấp phụ, đặc trưng là khả
năng hấp phụ có tính chất chọn lọc cao, chỉ những chất hấp phụ có kích thước phân tử
nhỏ hơn lỗ xốp mới chui qua được, dựa trên cơ sở đó bằng nhiều phương pháp biến
tính người ta sử dụng bentonit làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một đặc điểm mà
bentonit khác với các vật liệu hấp phụ khác [5].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


c. Khả năng trao đổi ion của bentonit
Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion, có được tính chất này do sự
thay thế đồng hình của các cation trong mạng lưới tứ diện và bát diện làm xuất hiện các điện
tích âm trong mạng lưới cấu trúc, sau đó lại được bù trừ bằng các cation như Na+, Ca2+...
chúng được gọi là các cation trao đổi [5].
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 là liên kết yếu và các
cation đó có thể bị thay thế bởi cation khác, khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào
điện tích âm trên bề mặt và số lượng ion trao đổi. Sự xuất hiện điện tích âm trong mạng
lưới cấu trúc sẽ được bù trừ bằng các cation trao đổi. Dung lượng trao đổi ion phụ thuộc
vào số lượng điện tích âm trên bề mặt. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao
đổi càng lớn. Dung lượng trao đổi của cation dao động từ 80 đến 150meq/100g còn của
anion từ 15 đến 40 meq/100g [2], [3], [8].
Khả năng trao đổi của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán kính của
cation trao đổi, các cation có điện tích thấp dễ trao đổi hơn cation có điện tích cao, thứ tự
sắp xếp như sau: 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+...
Nhờ tính chất trao đổi ion người ta có thể biến tính bentonit bằng nhiều phương
pháp khác nhau nhằm tạo ra vật liệu mới phù hợp với mục đích sử dụng [2], [3], [5], [6],
[13], [17].
Ngoài những tính chất quan trọng kể trên, bentonit còn một số tính chất khác như:
tính kết dính, tính nhớt, tính dẻo và tính trơ...
1.1.4. Ứng dụng của bentonit [2], [3], [5], [6], [13], [17], [19]
Từ một số tính chất đã được đề cập ở trên, bentonit có một số ứng dụng như sau:
Làm vật liệu hấp phụ
Do khả năng hấp phụ đặc biệt tốt nên bentonit được dùng rộng rãi làm chất hấp
phụ trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành khai thác dầu nó được dùng
để tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng rất cao.
Làm tăng sức chở của dung dịch khoan, tạo huyền phù với các tác nhân và mùn
khoan gây lắng khi ngừng lưu chuyển dung dịch khoan.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ việc tạo
nên lớp bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không chỉ ngăn
khỏi bị mất dung dịch mà có tác dụng như một cái màng làm bền thành lỗ khoan.
Trong công nghiệp tinh chế nước 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.
Khả năng hấp phụ cũng như tính chất trao đổi ion của bentonit đã làm cho nó
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhất là lĩnh vực xử lý môi trường như: hấp phụ
các cation kim loại nặng, hấp phụ các chất hữu cơ độc hại, làm nguyên liệu điều chế
sét hữu cơ…..
Làm chất chống sa lắng trong môi trường hữu cơ
Do sét hữu cơ có khả năng trương nở và tạo gel trong dung môi hữu cơ nên
bentonit hữu cơ được sử dụng làm chất sa lắng. Ví dụ: trong công nghiệp dầu khí,
bentonit hữu cơ được dùng làm chất tạo cấu trúc cho dung dịch khoan, trong sơn lưu
hóa nhiệt, chất làm sạch dầu trong nhũ tương dầu/nước. Trong sản xuất sét hữu cơ được
sử dụng làm phụ gia bôi trơn, sơn, mực, mỹ phẩm, chất chống thấm…
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. Trong những năm gần đây việc sử dụng bentonit trong
ngành công nghiệp sản xuất giấy cũng đem lại nhiều thành tựu đáng kể, việc trộn thêm
bentonit kiềm vào kaolin làm cho hàm lượng chất độn tăng lên.
Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit
Để tạo ra vật liệu mới có những tính chất đặc biệt, có tính chất ưu việt hơn người
ta thêm vào vật liệu đó một lượng nhỏ sét hữu cơ. Hiện nay công nghệ nano đang ưa
chuộng sử dụng bentonit sét hữu cơ trong việc chế tạo vật liệu mới.
Ví dụ, sét hữu cơ được trộn với các polime để chế tạo các vật liệu nanocompozit,
gọi là compozit - nano – bentonit hay vật liệu composite etylen vinyl axetat/sét hữu cơ
là vật liệu cách điện tốt khi hàm lượng sét hữu cơ bằng 1,5- 2%.
Bentonit dùng trong công nghiệp tinh chế nước
Hiện nay nguồn nước tại các ao hồ sông suối hay các nguồn giếng khoan bị ô
nhiễm vì vậy việc sử dụng bentonit để làm sạch nguồn nước đó có ý nghĩa thực tế quan
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


trọng. Bentonit có giá thành rẻ bên cạnh khả năng làm kết tủa các vẩn đục, hấp phụ các
chất độc hại với một lượng lớn, tiêu diệt vi khuẩn ngoài ra bentonit còn có khả năng
làm giảm tính cứng của nước.
Xử lý chất thải
Trong lĩnh vực xử lý chất thải bentonit được sử dụng với vai trò chủ yếu làm chất
kết ngưng, xúc tiến trong quá trình đông quánh của bùn thải đồng thời nó là chất chọn
lọc có hiệu quả với nước thải có nhiều chất không tan, chất trôi nổi.
Dùng làm chất xúc tác
Trên bề mặt bentonit tồn tại các nhóm hiđroxyl. Các nhóm hiđroxyl có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt bentonit những tâm axit Bronsted…làm cho
bentonit có khả năng xúc tác tốt đặc biệt trong các phản ứng như oxy hoá các ancol,
oxy hoá ghép đôi các thiol, các phản ứng tạo ra nhóm cacbonyl từ thioaxetal hoặc
thiocabonyl ... các phản ứng này xảy ra ở điều kiện dễ dàng (nhiệt độ, áp suất thường)
và cho độ chọn lọc cao.
Ngoài ra bentonit còn có nhiều ứng dụng khác như trong sản xuất nhiên liệu tổng
hợp, sản xuất các chất màu….nhiều ứng dụng trong công nghệ mỹ phẩm, trong công
nghiệp được sử dụng làm tác nhân trong sản xuất đạn, chất đúc khuôn…ngoài ra
bentonit còn được sử dụng làm phụ gia trong lĩnh vực sản xuất thức ăn chăn nuôi.
1.1.5. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Hiện nay, khoáng sét đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và những
ứng dụng của nó vẫn không ngừng tăng lên. Hoạt hóa bentonit là quá trình xử lý hóa
học (xử lý bằng axit hoặc kiềm) hoặc vật lý (xử lý nhiệt) để làm tăng tính chất của
bentonit: độ trương nở, khả năng trao đổi ion, hấp phụ... quá trình hoạt hóa làm thay
đổi các ion bù trừ điện tích giữa các lớp, làm sạch bề mặt của bentonit và loại bỏ các
hợp chất hữu cơ đã bị hấp phụ. Để phù hợp với từng loại bentonit cũng như mục đích
hoạt hóa đã có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để hoạt hóa bentonit như:
hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa bằng nhiệt, hoạt hóa bằng axit vô cơ, hoạt hóa bằng
chất hữu cơ [3], [5], [18].
Hoạt hóa bằng axit vô cơ
Khi sử dụng các axit mạnh như HNO3, HCl.... với nồng độ, nhiệt độ, thời gian
thích hợp để hoạt hóa bentonit, khi đó chỉ loại bỏ được một số tạp chất trong bentonit
nhưng không thể phá vỡ cấu trúc không gian của nó [3], [6].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hoạt hóa bằng kiềm
Việc hoạt hóa bằng kiềm sẽ tốt nhất là ở nhiệt độ cao nhưng khi đó nó dễ làm phá
vỡ cấu trúc cũ, do vậy khả năng hấp phụ và xúc tác của bentonit sẽ mất. Dùng kiềm
hòa tan một số oxit lưỡng tính như Al2 O3 để tạo trên bề mặt những lỗ xốp và trung
tâm hoạt động [5], [6].
Do vậy phương pháp hoạt hóa bằng kiềm ít được sử dụng, chỉ trong trường
hợp đặc biệt nào đó mà người ta mới sử dụng phương pháp này.
Hoạt hóa bằng nhiệt
Đây là phương pháp sử dụng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới tinh
thể của bentonit và đốt cháy các chất bẩn, chất bùn trong đó. Tuy vậy, khi hoạt hóa
bentonit bằng nhiệt không được nung với nhiệt độ quá cao vì bentonit sẽ bị giảm khả
năng hấp phụ. Khoảng nhiệt độ thích hợp từ 110oC đến 150oC [3], [5], [13].
Hoạt hóa bằng chất hữu cơ
Ngoài các phương pháp trên người ta có thể dùng các phương pháp khác để biến
tính bentonit như biến tính bentonit bởi chất hữu cơ. Chất hữu cơ ở đây thường dùng
là chất hoạt động bề mặt. Khi đất sét được biến tính bằng chất hữu cơ, nó tạo nên trên
bề mặt của đất một lớp bao phủ tối ưu của chất hữu cơ trên bề mặt đất sét. Vì vậy, nó
có khả năng biến đổi với các chất hữu cơ. Với sự biến tính chất hữu cơ thích hợp, nó
có thể tạo ra một chất hấp phụ đồng thời chất hữu cơ và chất vô cơ mà không có sự
cạnh tranh. Kim loại không chỉ có thể đi vào mạng lưới của bentonit nhờ những khoảng
trống chưa bị che lấp bởi những chất hữu cơ, mà chúng còn tạo liên kết với những
nhóm chức của chất hữu cơ. Tuy nhiên hạn chế là chất hoạt động bề mặt không có
nhiều trong công nghiệp.
1.1.6. Nguồn tài nguyên bentonit trên thế giới và ở Việt Nam
Nước ta có nguồn tài nguyên bentonit rất phong phú được phát hiện ở nhiều nơi với
trữ lượng lớn như: Cổ Định - Thanh Hóa, Tuy Phong - Bình Thuận. Tuy nhiên việc khai
thác và sử dụng bentonit ở nước ta trong phạm vi còn nhỏ [2].
Do hàm lượng smectit trong bentonit ở nước ta tương đối thấp nên không sử dụng
trực tiếp vì vậy để sử dụng trong một số ngành công nghệ cao người ta phải sử dụng các
phương pháp biến tính bentonit làm thay đổi cấu trúc và bề mặt của vật liêu nhằm đáp ứng
nhu cầu và mục đích sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Từ một số ứng dụng quan trọng của bentonit nên hiện nay trên thế giới đã có nhiều
nhà khoa học nghiên cứu về bentonit, tuy nhiên ở Việt Nam việc nghiên cứu để đưa
bentonit vào ứng dụng còn gặp nhiều khó khăn do dung lượng trao đổi còn thấp. Hiện nay
người ta đã phát hiện ra mỏ bentonit Tuy Phong - Bình Thuận tại Nha Mé- Vĩnh Hảo. Đây
là loại bentonit kiềm Na và được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm nhiều nhất, qua
kết quả khảo sát cho thấy đây là loại sét có khả năng trao đổi ion tương đối cao từ 96 ÷
105 mđl/100g đã tiệm cận được với một số hãng trên thế giới như: Southem Clay Co là
110/15 mđl/100g, của hãng Merck khoảng 120 mđl/100g.
Vì vậy chúng ta có thể kỳ vọng vào nguồn bentonit của Việt Nam có thể đáp ứng
được nhu cầu trong nước và xuất khẩu ra nhiều nước khác.
Bình Thuận là nơi có khí hậu khô nóng, lượng mưa ít là nơi có lượng lớn đá magma
giàu kiềm. Hàm lượng MMT - Na trong sét Bình Thuận khoảng 12 ÷ 20%. Tạp chất chủ
yếu trong khoáng là canxit, thạch anh vi tinh thể, phenspat, cao lanh [2].
Thành phần của bentonit Bình Thuận được trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của bent-B
Thành phần
hóa học

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 FeO

CaO MgO K2O

Na2O CO2

Hàm
lượng(%)
trọng lượng

68,4

9,26

2,1

0,49

0,48

5,8

1,51

1,26

1,87

3,31

Hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu, chế biến bentonit theo một số định
hướng sau:
- Nghiên cứu quá trình hoạt hóa bentonit bằng kiềm và axit để chế tạo vật liệu
xốp hấp phụ kim loại nặng và phóng xạ dùng trong xử lý môi trường (Viện Công nghệ
Xạ hiếm, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt).
- Nghiên cứu quá trình hoạt hoá biến tính bentonit bằng các hợp chất hữu cơ để
sử dụng chế tạo vật liệu nanocomposit, tăng chất lượng dầu mỡ bảo quản và ứng dụng
làm phụ gia lưu biến trong công nghiệp sơn (Viện Hoá học - Trung tâm khoa học Tự
nhiên và Công nghệ Quốc gia, Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện nghiên cứu khoa học
công nghệ quân sự).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


- Xây dựng công nghệ chế tạo vật liệu polymer-clay nanocomposit 3 thành phần
gồm polyanilin, sét hữu cơ và nền epoxy. Vật liệu ba thành phần có tính chống ăn mòn
tốt có thể thay thế vật liệu chống ăn mòn cũ trên cơ sở crom độc hại.
- Thử nghiệm ứng dụng một số polyme-clay nanocomposit: vật liệu
polyamid/sét hữu cơ có tính chất cơ lý hoá cao hơn so với polyamid composit thông
thường, vật liệu epoxy/sét hữu cơ có nhiệt độ làm việc cao hơn epoxy composit thông
thường, vật liệu mỡ/sét hữu cơ có nhiệt độ làm việc cao hơn so với mỡ bảo quản
thông thường.
- Ở một số cơ sở nghiên cứu như Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trường
Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và một số cơ sở khác đã nghiên
cứu sử dụng bent-B để điều chế sét biến tính sử dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp
hữu cơ, điều chế sét hữu cơ sử dụng trong sơn [2].
Tình hình nghiên cứu và sử dụng bentonit ở một số nước trên thế 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 Wyoming (Hoa Kỳ):
Bentonit được khai thác ở Wyoming chiếm đến 70% nguồn cung cấp bentonit
được biết đến trên thế giới như ở Hy Lạp, Nhật, Ý, Brazil, Rumani, Đức, Mexico,
Argentina, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Hungary, Ba Lan, Canađa, Thổ Nhĩ Kỳ. Tuy nhiên,
bentonit của Wyoming có những đặc điểm độc đáo hiếm khi được tìm thấy ở bất cứ
nơi nào khác. Nó có thể trương nở lên đến 16 lần kích thước ban đầu của nó và hấp thụ
lên đến 10 lần trọng lượng của nó trong nước. Những đặc điểm này được các nhà địa
chất giải thích rằng là do thành phần chủ yếu của bentonit của Wyoming là bentonit
natri [5].
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


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 bentonit
natri 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% CO32-) [5].
Sản xuất và sử dụng bentonit ở Trung Quốc:
Mỏ bentonit lớn nhất Trung Quốc là mỏ bentonit-Ca ở Xuân Hoa thuộc tỉnh Hồ
Bắc, ngoài ra còn nhiều mỏ bentonit ở Triết Giang, Quảng Đông...[3].
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 secmetit ngoài ra chúng có thể trao đổi với một số cation hữu cơ với
nhiều dạng khác nhau. Các cation hữu cơ thường được sử dụng là cation hữu cơ (bậc
1, bậc 2, bậc 3, bậc 4, mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng…) các amino axit, một số
ancol nhưng trong đó cation amoni hữu cơ bậc 4 được dùng phổ biến nhất. Khi khoáng
sét hấp phụ các chất hữu cơ làm tăng khoảng cách giữa các lớp so với cùng loại khoáng
sét đã được bão hòa bởi cation nhỏ hơn như canxi, hiđro...liên kết của cation hữu cơ
với lớp silicat của MMT tạo thành một tập hợp đặc biệt ưa hữu cơ nên có khả năng hấp
phụ tốt các chất hữu cơ trong môi trường lỏng [2], [5], [13].
Hiện nay 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 metylen xanh 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 [13], [16], [21], [22].
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


tử phân cực liên kết yếu với oxi bề mặt của đỉnh tứ diện SiO4 nằm trong đơn vị cấu trúc
sét bằng lực Van-đec-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 [16], [22].
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 1.4 cho thấy các ion hữu cơ có thể sắp xếp tạo lớp phẳng (đơn hoặc kép) trên bề
mặt silicat. Ngoài ra, tùy thuộc vào chiều dài mạch ankyl và mật độ gói ghém cho thấy
sự tạo thành các cấu trúc nghiêng với mạch ankyl hướng ra xa bề mặt silicat. Với các
lớp “3 phân tử”, do một số đầu mạch chồng chập lên các đầu mạch khác, nên khoảng
cách giữa các lớp được xác định bởi chiều dày của ba mạch ankyl (Bergaya và cộng
sự, 2006; Lagaly, 1981) [16], [22], [24].

Hình 1.4. Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat
Năm 1976, Lagaly 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 1.4) [22].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hình 1.5. Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp
Nếu mạch hiđrocacbon trong muối amoni và photphoni hữu cơ là mạch thẳng và
có số nguyên tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 là 13,6Å, nếu số nguyên tử C từ 12 đến
18 thì giá trị d001 khoảng 17Å (bảng 1.2) [2].
Bảng 1.2. Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001
và diện tích sét bị che phủ [2], [5]
Số nguyên tử
cacbon

d001
(Å)

Số lớp cation
hữu cơ

Diện tích sét bị che phủ
(nm2)

(%)

0

9,60

-

-

-

3

13,5

1

0,38

23

4

13,4

1

0,44

27

8

13,3

1

0,69

42

10

13,6

1

0,81

49

12

17,4

2

0,94

57

14

17,4

2

1,06

64

16

17,5

2

1,19

72

18

17,6

2

1,31

79

Quy luật này đã được phát hiện, khi các nhà khoa học nghiên cứu phản ứng trao
đổi cation giữa bentonit với các muối amoni và photphoni hữu cơ và sự tương quan
giữa tỷ lệ bề mặt phiến sét bị che phủ bằng các cation hữu cơ với số lớp cation hữu cơ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


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 [2], [5].
1.2.3. Tính chất của sét hữu cơ
Do cấu trúc lớp với các lá aluminosilicat qua nước và các cation trong phân tử
hữu cơ thâm nhập vào khoảng không gian giữa các lớp sét hữu cơ, về nguyên tắc đây
là vật liệu vừa qua nước vừa qua hữu cơ vì vậy sét hữu cơ có các tính chất đặc trưng
như: tính trương nở, khả năng hấp phụ….[2], [20].
Tính trương nở
Trong các dung môi hữu cơ sét hữu cơ có khả năng trương nở tốt. Những dung
môi làm cho sét hữu cơ trương nở tốt thông thường chứa các nhóm hoặc phân tử ưa
nước hoặc kị nước. Đối với chất hữu cơ không phân cực tinh khiết sẽ không làm cho
sét hữu cơ trương nở được vì các chất này không có khả năng sonvat các đuôi hữu cơ
của các amin trong sét hữu cơ. Trong khi đó một số dung môi hữu cơ như nitrobenzen,
hay stiren cũng có khả năng làm cho sét hữu cơ trương nở tốt, điều này được lý giải là
do nhóm phenyl có khả năng hấp phụ mạnh trên bề mặt silicat và nó đóng vai trò như
một chất hoạt hóa phân cực.
Khi được phân tán vào môi trường có các chất hữu cơ, nó làm tăng độ phân tán
của các chất hữu cơ. Vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như chất chống sa lắng trong sơn, trong mực in, làm sạch môi trường nước bị ô nhiễm.
Tuy nhiên để sử dụng sét hữu cơ trong công nghiệp thì hệ thống dung môi của sét phải
được xem xét cẩn thận vì những loại dung môi khác nhau thì khả năng tạo gel của sét
cũng khác nhau. Một điều cần chú ý là một lượng nước nhỏ 1 ÷ 2% so với trọng lượng
của sét hữu cơ cũng có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành gel [2], [3], [5],
[13].
Ngoài ra nước còn có vai trò đặc biệt làm cho các cation hữu cơ trên bề mặt sét
tăng lên, nước gây ra trạng thái lưỡng cực trên bề mặt sét tạo lực đẩy lưỡng cực giúp
quá trình trương nở được tốt hơn.
Tính hấp phụ
Dựa vào đặc điểm là ưa hữu cơ, nên sự hấp phụ của sét hữu cơ đối với các chất
hữu cơ chủ yếu xảy ra trong môi trường lỏng hoặc khí. Sự hấp phụ của sét hữu cơ trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×