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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình điều chế sét hữu cơ từ nguồn bentonit Ấn Độ với TMAB trong môi trường nước. Nghiên cứu cấu trúc của sét hữu cơ điều chế bằng các phương pháp: phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp hiển vi điện tử quét. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit (Ấn Độ) với tetrađecyltrimetyl amoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ

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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 bent- A 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 http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, viết tắt Tên gọi bent-A 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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 bent- A 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 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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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: 𝑉 − 𝑉0 𝑛= 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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
- 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 Quốc gia 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn