Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit (Bình Thuận) với butyltriphenyl photphoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình điều chế sét hữu cơ từ nguồn nguyên liệu bent-B ban đầu trong nước. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu so với bent-B. 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 (Bình Thuận) với butyltriphenyl photphoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh

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 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 FeO CaO MgO K2O Na2O CO2 hóa học Hàm lượng(%) 68,4 9,26 2,1 0,49 0,48 5,8 1,51 1,26 1,87 3,31 trọng lượng 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