Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu các đặc trưng và khả năng ứng dụng của một số loại bentonite Việt Nam trong dược học

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

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài đã xác định thành phần hóa học và cấu trúc của hai loại bentonite Việt Nam là bentonite Thuận Hải (Bình Thuận) và bentonite Cổ Định (Thanh Hóa); đã xử lý hai loại bentonite này bằng một số phương pháp như tinh chế và hoạt hóa với các tác nhân hoạt hóa khác nhau,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu các đặc trưng và khả năng ứng dụng của một số loại bentonite Việt Nam trong dược học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐOÀN VĂN THÀNH NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI BENTONIT VIỆT NAM TRONG DƯỢC HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐOÀN VĂN THÀNH NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI BENTONIT VIỆT NAM TRONG DƯỢC HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN THỊ NGỌC BÍCH Hà Nội – Năm 2012
MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….....1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN……………………………………………………………3 1.1. Giới thiệu chung về khoáng sét………………………………………………….....3 1.1.1. Thành phần của khoáng sét………………………………………………………3 1.1.2. Cấu trúc của khoáng sét………………………………………………….............4 1.1.3. Sù thay thÕ vµ sù tÝch ®iÖn trong m¹ng l-íi cña kho¸ng sÐt..............................................7 1.2. Giới thiệu về bentonite……………………………………………………………..8 1.2.1. Thành phần hóa học………………………………………………………...........8 1.2.2. Cấu trúc tinh thể …………………………………………………………............9 1.2.3. Các tính chất hóa lý của bentonite………………………………………............10 1.2.3.1. Tính chất trao đổi ion………………………………………………………….11 1.2.3.2. Tính chất trƣơng nở……………………………………………………...........12 1.2.3.3. Độ kiềm…………………………………………………………………........13 1.2.3.4. Tính chất hấp phụ…………………………………………………………….14 1.2.4. Ứng dụng cơ bản của bentonite…………………………………………………16 1.2.5. Nguồn khoáng bentonite tại Việt Nam…………………………………............16 1.3. Các phƣơng pháp xử lý bentonit………………………………………… ………17 1.3.1. Phƣơng pháp xác định thành phần hóa học……………………………………..17 1.3.2. Một số phƣơng pháp xác định cấu trúc, tính chất……………………................18 1.3.2.1 Phƣơng pháp phổ Rơnghen (XRD)…………………………………………...18 1.3.2.2 Phƣơng pháp hồng ngoại (FTIR).......................................................................18 1.3.2.3. Phƣơng pháp phổ tử ngoại và khả kiến UV/VI …………………………..19
1.3.2.4 Phƣơng pháp xác định dung lƣợng trao đổi tổng cation………………………19 1.3.3 Phƣơng pháp hoạt hóa bentonite………………………………………………...20 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM………………………………………………………23 2.1. Mục đích nghiên cứu ……………………………………………………………23 2.2. Đối tƣợng………………………………………………………………………...23 2.3. Nội dung nghiên cứu ……………………………………………………………23 2.4. Hóa chất và dụng cụ……………………………………………………………..23 2.5.Các phƣơng pháp nghiên cứu………………………………………………........24 2.6 . Xác định các đặc trƣng…………………………………………………………26 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................30 3.1. Xác định thành phần hóa học……………………………………………...........30 3.1.1. Bentonite Thuận Hải……………………………………………………….…30 3.1.2. Mẫu Cổ Định………………………………………………………………….32 3.2. Nghiên cứu cấu trúc…………………………………………………………….33 3.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnnghen…………………………………………….33 3.3.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại…………………………………………………45 3.3. Xác định các đặc trƣng đối với bentonite dùng làm nguyên liệu trong dƣợc phẩm……………………………………………………………………….................49 3.3.1. Độ trƣơng nở…………………………………………………………………..49 3.3.2 Dung lƣợng trao đổi cation tổng……………………………………………….50 3.3.3. Hàm lƣợng kim loại nặng……………………………………………………...51 3.3.4. Khả năng hấp phụ strychnine sunphate………………………………………..52 KẾT LUẬN…………………………………………………………………………..56 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………....57
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1. Phân loại khoáng sét 4 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của các mẫu bentonite Thuận Hải 31 Bảng 3.2. Thành phần hóa học của mẫu bentonite Cổ Định sơ chế 32 Bảng 3.3: Độ trương nở của các mẫu bentonite Thuận Hải 49 Bảng 3.4: Dung lượng trao đổi cation tổng (CEC) của các mẫu bentonit 50 Thuận Hải Bảng 3.5. Kết quả xác định hàm lượng kim loại nặng của các mẫu bentonit Thuận Hải 51 Bảng 3.6: Kết quả với thuốc thử Mayer của các mẫu bentonit Thuận 52 Hải Bảng 3.7: Kết quả đo trắc quang của các mẫu khi xây dựng đường chuẩn 53 Bảng 3.8: Kết quả đo mật độ quang (APS) và % hấp phụ 54 Strychnine sunphate theo UV-Vis
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4 và mạng tứ diện silic 5 Hình 1.2 : Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxy đáy trong mạng tứ diện. 5 Hình 1.3 : Đơn vị cấu trúc bát diện và mạng bát diện 5 Hình 1.4: Liên kết tứ diện và bát diện qua anion oxy 6 Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét 7 Hình 1.6: Cấu trúc của montmorilonit 10 Hình 3.1 : Giản đồ XRD của mẫu bentonite Thuận Hải sơ chế (BTH) 34 Hình 3.2 : Giản đồ XRD của các mẫu bentonite Thuận Hải tinh chế 36 Hình 3.3 Giản đồ XRD của các mẫu bentonite (a- mẫu Pháp, b- mẫu ban 37 đầu, c- tinh chế, d- hoạt hóa HCl, e- hoạt hóa H2SO4+Na2SO4) Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu bentonite Thuận Hải hoạt hóa bằng 39 axit Hình 3.5 : Giản đồ XRD của các mẫu bentonite Thuận Hải hoạt hóa bằng 41 hỗn hợp muối và axit. Hình 3.6 : Giản đồ XRD của các mẫu bentonite Thuận Hải BTH1, BTH2, 41 BTH3, BTH5, BTHNa1. Hình 3.7 : Giản đồ XRD của các mẫu bentonite Thuận Hải hoạt hóa bằng 42 H2SO4 (BTH5) và NaOH (BTH6). Hình 3.8 : Giản đồ XRD của các mẫu bentonite Cổ Định 44 Hình 3.9 : Giản đồ XRD của các mẫu bentonite BTC, BTC0, BTH, BTH0, 45 BTPhap. Hình 3.10 : phổ hồng ngoại của bentonite Thuận Hải sơ chế (BTH) 46 Hình 3.11 : phổ hồng ngoại của bentonite Thuận Hải tinh chế (BTH0) 47 Hình 3.12 . Phổ hồng ngoại của các mẫu BTH5, BTH3, BTH6. 48 Hình 3.13 : Đồ thị đường chuẩn của strychnine sunphate 54
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên gọi Viết tắt Montmorillonit MMT Mili đương lượng gam Mlđlg Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử UV-Vis Dung lượng trao đổi cation tổng CEC Bentonite Thuận Hải sơ chế BTH Bentonite Thuận Hải tinh chế BTH0 Bentonite Thuận Hải sơ chế hoạt hóa bằng dung dịch HCl 2N ở t0 phòng. BTH1 Bentonite Thuận Hải sơ chế hoạt hóa bằng dung dịch HCl 2N ở 600C. BTH2 Bentonite Thuận Hải tinh chế hoạt hóa bằng dung dịch HCl 2N ở t0 phòng. BTH3 Bentonite Thuận Hải tinh chế hoạt hóa bằng dung dịch HCl 2N ở 600C. BTH4 Bentonite Thuận Hải tinh chế hoạt hóa bằng dung dịch H2SO4 50% ở 950C BTH5 – 980C. Bentonite Thuận Hải tinh chế hoạt hóa bằng dung dịch NaOH 2N ở t0 BTH6 phòng. Bentonite Thuận Hải sơ chế hoạt hóa bằng dung dịch HCl 2N/NaCl 2N BTNa1 theo tỷ lệ 1/3 về khối lượng ở t0 phòng. Bentonite Thuận Hải tinh chế hoạt hóa bằng dung dịch H2SO4 50%/ BTNa2 Na2SO4 50% ở 950C – 980C. Bentonite Cổ Định sơ chế BTC Bentonite Cổ Định tinh chế BTC0 Bentonite Cổ Định tinh chế hoạt hóa bằng dung dịch HCl 2N ở t0 phòng. BTC1 Độ mất khối lượng khi nung MKL
MỞ ĐẦU Khoáng sét tự nhiên là một loại vật liệu lâu đời nhất mà con người đã sử dụng, nhưng cũng đầy hấp dẫn và luôn luôn mới lạ với chúng ta. Một trong những khoáng sét có nhiều ứng dụng nhất trong hầu hết các ngành công nghiệp và trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân là bentonite. Bentonit được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa học, dầu mỏ, thực phẩm, xây dựng, y học…Ngày nay, phạm vi sử dụng bentonite lại càng phát triển và mở rộng hơn nhờ khả năng hấp phụ, xúc tác và khả năng trao đổi ion của nó. Bentonite được dùng làm chất hấp phụ và trao đổi ion trong quá trình xử lý nước, làm xúc tác và chất mang xúc tác cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ, trong các quá trình gia công và chế biến dầu mỏ, bentonite được coi là chất đệm, chất xúc tác, chất hấp phụ và chất tạo khung nền…Trong y học và dược phẩm, bentonite được dùng để điều chế chất khử trùng, chống viêm, điều trị bỏng và các thương tổn trên da, làm tá dược…Đặc biệt, từ nhiều thế kỉ trước, người ta đã biết sử dụng trực tiếp khoáng sét bentonite để ngăn chặn dịch tả, lị, điều trị ngộ độc thức ăn. Hiện nay có rất nhiều loại thuốc điều trị tiêu chảy với thành phần hoạt tính là bentonite (được biết đến dưới tên gọi là diosmectite). Khả năng xúc tác và hấp phụ tuyệt vời của bentonite đã gây ấn tượng mạnh mẽ và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các quá trình biến đổi hóa học đã xảy ra trong lòng đất dưới tác dụng của các tầng khoáng sét vẫn đang là bài toán mà con người chưa giải đáp được, đã thúc giục các nhà khoa học khám phá những tiềm năng bí ẩn của khoáng sét. Việc nghiên cứu tính chất và ứng dụng của khoáng sét nói chung và bentonite nói riêng vẫn đang tiếp tục. Ở nước ta bentonite được tìm thấy ở nhiều nơi: Cổ Định (Thanh Hóa), Di Linh (Lâm Đồng), Thuận Hải …với trữ lượng dồi dào. Trong đó bentonite Thuận Hải có trữ lượng lớn hàng trăm triệu tấn, được tìm thấy năm 1987. Do vậy nghiên cứu thành phần, cấu trúc và tính chất của bentonite Việt Nam để làm cơ sở cho sự điều chỉnh tính chất của bentonite nhằm định hướng sử dụng chúng có hiệu quả trong các 1
lĩnh vực khác nhau là hết sức cần thiết góp phần tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên quý báu của đất nước trong công cuộc xây dựng nền kinh tế nước nhà. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế biến làm nguyên liệu cho dược phẩm từ nguồn bentonite Việt Nam hầu như chưa được nhắc đến. Chính vì bentonite là vật liệu sẵn có, rẻ tiền lại là nguồn tài nguyên tương đối dồi dào của đất nước cùng với tính chất hấp phụ tuyệt vời của nó đã thôi thúc tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu các đặc trƣng và khả năng ứng dụng của một số loại bentonite Việt Nam trong dƣợc học” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về khoáng sét 1.1.1. Thành phần của khoáng sét Khoáng sét tồn tại trong tự nhiên ở dạng các lớp mỏng, thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 µm, có tính dẻo và dễ phân tán trong nước. Chúng liên kết với nhau bởi lực Van der Walls. Bằng các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, người ta biết được khoáng sét là một loại Alumino Silicat được cấu tạo từ các tứ diện oxit silic (SiO4) liên kết với các mạng bát diện (MeO6) trong đó Me có thể là Al hoặc Mg. Tất cả các khoáng sét đều chứa 2 nguyên tố chính là Si và Al, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Fe, Mg và một lượng nhỏ Na, K, Ca có trong thành phần của mỗi loại sét là chất “chỉ thị” cho từng loại sét đó. Al là nguyên tố có mặt thường xuyên trong thành phần của sét và có hàm lượng lớn thứ hai sau nguyên tố silic. Tùy theo thành phần vật chất của đất đá ban đầu, điều kiện lý hóa (môi trường axít, kiềm, trung tính), khí hậu mà kết quả quá trình phong hóa có thể tạo thành các loại đất sét có thành phần khoáng vật và tính chất rất khác nhau. Hiện nay người ta đã phát hiện được trên 40 loại khoáng sét khác nhau [39]. Có rất nhiều cách để phân loại khoáng sét, thông thường người ta có ba cách phân loại sau: Phân loại theo nguồn gốc hình thành, theo thành phần khoáng vật của sét và theo khả năng trương nở của sét khi gặp nước cũng như các dung môi phân cực (glycol, glyxerin...). Theo nguồn gốc hình thành: người ta phân ra thành hai loại sét eluvi và sét trầm tích • Sét eluvi: hình thành do sự tích tụ tại chỗ của các sản phẩm phong hóa từ đất đá. • Sét trầm tích: hình thành do sự dịch chuyển và lắng đọng tại một vị trí khác của sản phẩm đất đá bị phong hóa. 3
Theo thành phần khoáng vật của sét: người ta chia sét thành nhiều loại, mỗi loại có thành phần hóa học và cấu trúc mạng tinh thể khác nhau. Một trong những chỉ tiêu đánh giá khoáng vật sét là tỉ số Al2O3/SiO2. Tỉ số này đánh giá khả năng trương nở và phân tán của sét khi gặp nước. Tỉ số càng nhỏ thì tính ưa nước của đất sét càng mạnh, sét trương nở và phân tán mạnh trong nước, ngoài ra sét còn khác nhau bởi khoảng cách cơ bản d001. Một số loại khoáng sét cơ bản được đưa ra trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Phân loại khoáng sét Sét trương nở Thành phần D001 Sét không Thành phần d001 Chính trương nở Chính Beidellite Al, Si 17 Illite K, Al, (Mg,Fe 10 hàm lượng thấp) Montmorillonite Al,(Mg,Fe.. 17 Glauconite K, Fe2+, Fe3+ 10 Hàm lượng nhỏ) Nontronite Fe3+ 17 Celadonite K, Fe2+, Fe3+, 10 Mg, Al Saponite Mg, Al 17 Clorite Fe3+, Mg, Al 14 Vermicullite Mg, Fe2+, Al 15,5 Berthieril Fe3+, Al, (Mg 7 lượng nhỏ) Kaolinite Al 7 Talc Fe2+, Mg 9,6 1.1.2. Cấu trúc của khoáng sét Khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp. Các lớp trong cấu trúc của khoáng sét được tạo ra từ 2 đơn vị cấu trúc cơ bản. Đơn vị cấu trúc thứ nhất là tứ diện SiO4 (hình 1.1). Đơn vị cấu trúc thứ hai là bát diện MeO6 (hình 1.3), trong đó Me = Al, Fe, Mg... 4
Trong tứ diện oxit silic, bốn nguyên tử oxy bao quanh một nguyên tử silic nằm ở tâm. Silic có thể bị thay thế bởi nhôm và đôi khi có thể bằng Fe3+. Tất cả các anion trong tứ diện đều là oxy. Các nguyên tử Si trong tứ diện liên kết với nhau qua một nguyên tử oxy góp chung tạo thành mạng tứ diện. Các nguyên tử oxy góp chung nằm trên một mặt phẳng được gọi là oxy đáy. Các nguyên tử oxy ở cuối mạng tứ diện gọi là oxy đỉnh. Hình 1.1: a) Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4 b) Mạng tứ diện silic Hình 1.2 : Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxy đáy trong mạng tứ diện. Hình 1.3 : Đơn vị cấu trúc bát diện và mạng bát diện 5
Trong đơn vị cấu trúc bát diện, các cation nằm giữa thường là Al 3+, Mg2+, Fe2+, đôi khi có thể là Fe3+, Ti, Ni, Zn, Cr…Các cation này liên kết với 6 nguyên tử oxy hay nhóm hydroxyl nằm ở đỉnh. Các cation trong các đơn vị bát diện liên kết với nhau qua các anion góp chung (O2- hoặc OH-) tạo thành mạng bát diện (hình 1.4). Hình 1.4: Liên kết tứ diện và bát diện qua anion oxy Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau qua oxy đỉnh theo những quy luật và trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc tinh thể khác nhau: Cấu trúc 1:1, cấu trúc 2:1, cấu trúc 2:1+1 [12,39]. Nhóm khoáng sét 1:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm 1 mạng tứ diện liên kết với 1 mạng bát diện. Đại diện cho nhóm này là kaolinit, halloysit…(hình 1.5a, 1.5b). Nhóm khoáng sét 2:1, cấu trúc lớp cơ bản gồm 1 mạng bát diện nằm giữa hai mạng tứ diện. Đại diện cho nhóm này là montmorillonit, vermicul…(hình 1.5c, 1.5d). Nhóm khoáng sét 2:1+1, cấu trúc lớp cơ bản gồm một lớp cấu trúc tương tự 2:1, còn thêm một mạng lưới bát diện. Đại diện cho nhóm này là clorit…(hình 1.5e). Montmorillonit có cấu trúc diocta 2:1 [14, 17, 27,43]. Sự kết hợp lý tưởng của mạng tứ diện và bát diện cho cấu trúc cân bằng về điện tích. Tuy nhiên trong thực tế một phần cation trong tâm tứ diện hoặc bát diện bị thay thế bằng cation có hóa trị nhỏ hơn, vì thế tạo ra điện tích âm trên bề mặt. Sự thay thế này gọi là thay thế đồng hình. Ví dụ silic trong tứ diện bị thay thế bằng sắt hay trong bát diện nhôm bị thay thế bằng magie. Điện tích âm trên bề mặt sẽ được 6
trung hòa bằng các cation Ca2+, Na+, K+. Các cation này có thể bị thay thế bằng các cation khác, vì vậy được gọi là cation trao đổi. Nhờ vào tính chất này mà một số khoáng sét có khả năng phản ứng hóa học cao. Hình 1.5: Các loại cấu trúc của khoáng sét 1.1.3. Sự thay thế và sự tích điện trong mạng lƣới của khoáng sét Sự thay thế ion Tính chất của sét phụ thuộc rất nhiều vào sự thay thế đồng hình của các cation nằm trong lớp cấu trúc. Ở lớp tứ diện: Cation silic thường chiếm vị trí ở tâm tứ diện. Trong một số trường hợp được thay thế đồng hình bởi ion Al3+, thỉnh thoảng là Fe3+, các anion trong tứ diện là các oxy (hình 1.4). Ở lớp bát diện: ion Mg2+ có thể bị thay thế bởi những ion có hóa trị 2 và 1 như Fe2+, Ni2+, Li+. Đối với ion Al3+ có thể bị thay thế bởi những ion có hóa trị 2 và 3 7
như Fe3+, Cr3+, Zn2+, Mn2+. Các anion trong bát diện không chỉ là oxy mà cả anion hydroxyl. Các anion góp chung giữa các tứ diện và bát diện chỉ là anion oxy. Các anion là nhóm hydroxyl khi nó không góp chung với bất cứ một nhóm tứ diện hoặc bát diện nào. Còn các anion góp chung giữa các bát diện có thể là anion oxy hoặc anion hydroxyl (hình 1.4). Sự tích điện trong mạng lưới của sét Khi có sự thay thế đồng hình xảy ra với những ion không cân bằng về điện tích thì trên các lớp tứ diện và bát diện sẽ xuất hiện điện tích dương hoặc âm. Nếu cation thay thế và cation bị thay thế có cùng hóa trị thì điện tích mạng lưới sẽ trung hòa. Nếu cation thay thế có hóa trị thấp hơn thì mạng lưới sẽ mang điện tích âm. Điện tích âm xuất hiện ở mạng lưới bát diện là do sự thay thế đồng hình của Al3+ bởi ion Mg2+ ứng với tỷ lệ Mg : Al ~ 1: (4-5). Điện tích âm xuất hiện ở mạng lưới tứ diện do sự thay thế ion Si 4+ bởi ion Al3+ ứng với tỷ lệ Al : Si ~ 1: (15-30). Tùy thuộc vào số lượng và các loại cation thay thế mà mạng lưới khoáng sét mang điện tích âm cao hay thấp. Điện tích âm trong mạng sẽ được bù trừ bởi các cation nằm giữa các lớp. Chính những điện tích này sẽ gây ra lực liên kết tĩnh điện giữa các lớp và làm ảnh hưởng rất đáng kể đến các tính chất của khoáng sét. 1.2. Giới thiệu về bentonite 1.2.1. Thành phần hóa học Bentonite là tên gọi của một loại khoáng sét được tìm thấy tại mỏ sét “Benton” ở Mỹ có thành phần chính là montmorillonite với công thức hoá học tổng quát: Al2O3.4SiO2.nH2O và thêm một số khoáng khác như: beidellit - Al2O3SiO2.nH2O saponit – Al2O3[MgO].4SiO2.nH2O ; nontronit – Al2O3[Fe2O3]4SiO4.nH2O; Ngoài ra trong bentonite còn có một số loại khoáng khác như kaolinite, kronite, canxit, thạch anh, pirit…,các muối của các kim loại kiềm và các chất hữu cơ. Trong thành 8
phần hoá học của bentonite ngoài hai nguyên tố chính là nhôm và silic còn có các nguyên tố khác như: Fe, Ca, Mg, Ti, K, Na… Trong đó tỷ lệ Al2O3/SiO2 của montmorillonite nằm trong khoảng 1/2 đến 1/4. Hàm lượng nước nằm trong khoảng n = 4 đến 8 Trong thực tế người ta chia Bentonite thành hai loại: Bentonite Na có thành phần chính là montmorillonite Na, khi bão hoà nước có thể tăng thể tích đến 20 lần. Bentonite Ca có thành phần chính là montmorillonite Ca, khả năng trương nở thấp hơn nhiều so với bentonite Na (bằng khoảng 1/5) nên thường được coi là loại bentonite không trương nở. Thành phần hóa học của montmorillonit (bentonite) ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, tính chất và khả năng sử dụng chúng. Xác định chính xác thành phần hóa học của bentonite là hết sức cần thiết nhằm định hướng biến tính của chúng cho các mục đính sử dụng hiệu quả nhất. 1.2.2. Cấu trúc tinh thể Năm 1933, U. Hoffman, K. Endell và D. Wilm công bố cấu trúc tinh thể lý tưởng của montmorillonit (MMT). MMT có cấu trúc lớp 2:1. Cấu trúc tinh thể của MMT gồm hai mạng tứ diện SiO4 và xen giữa là một mạng bát diện MeO6 (Me = Al, Mg). Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hydrat hoá (hình 1.7). Trong mạng cấu trúc của MMT thường xảy ra sự thay thế các cation. Ở mạng bát diện Al3+ bị thay thế bằng Mg2+, còn ở mạng tứ diện Si4+ bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+. Lượng Si4+ được thay thế bằng Al3+ không vượt quá 15% [37, 46]. Sự thay thế trên được gọi là sự thay thế đồng hình. Sự thay thế đồng hình làm cho bề mặt tinh thể MMT xuất hiện điện tích âm. Các điện tích âm này được trung hòa bằng các cation (Na+, K+, Ca2+, Li+…) nằm giữa hai phiến sét. Các cation này dễ bị hydrat hóa khi tiếp xúc với nước và dễ dàng được thay thế bằng các cation khác. 9
Người ta nhận thấy rằng điện tích âm trong mạng lưới của MMT xuất hiện chủ yếu ở mạng bát diện do sự thay thế đồng hình của ion Al3+ bằng ion Mg2+, ứng với tỉ lệ Mg:Al  1:(4 – 5). Điện tích âm của mạng tứ diện do sự thay thế ion Si4+ bởi ion Al3+ ứng với tỉ lệ Al:Si  1:(15 - 30). Vì vậy điện tích âm của mạng phân bố sâu trong lớp cấu trúc mà không nằm ở bề mặt ngoài của lớp cấu trúc của mạng thấp, các cation có thể chuyển động tự do giữa các mặt phẳng tích điện âm và có thể trao đổi với các cation khác, tạo ra khả năng biến tính MMT bằng cách trao đổi ion. Lượng cation trao đổi của MMT dao động trong khoảng 0,7–1,2 mđlg/g. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách không gian giữa chúng. Chiều dày của một lớp cấu trúc là 9,6 Ao đối với trạng thái khô. Khi hấp thụ nước thì khoảng cách giữa lớp cấu trúc tăng lên khoảng 15-20Ao. Khoảng cách này còn có thể tăng lên đến 30Ao khi các cation trao đổi được thay thế bằng các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử hữu cơ [15, 47, 25, 11, 44, 45, 48]. Hình 1.6: Cấu trúc của montmorilonit Những chấm đen chỉ ra vị trí của sự thay thế đồng hình trong bát diện và tứ diện. 1.2.3. Các tính chất hóa lý của bentonite 10
Do bentonite chứa chủ yếu là MMT có cấu trúc gồm các lớp aluminosilicate liên kết với nhau bằng kiên kết hydro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp nên bentonite có các tính chất đặc trưng: trương nở, trao đổi ion, hấp phụ, kết dính, nhớt, dẻo và trơ. Trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion. 1.2.3.1. Tính chất trao đổi ion Tính chất trao đổi ion là đặc trưng cơ bản của bentonite. Có hai nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi ion của bentonite. Sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ trong mạng lưới tứ diện và bằng Mg2+ (thông thường là Mg2+) trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc. Thông thường điện tích âm của mạng lưới được bù trừ bởi các cation trao đổi. Dung lượng trao đổi ion của bentonite phụ thuộc vào số lượng điện tích âm bề mặt. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn. Điện tích âm này có thể được thay thế bởi các nhóm hyđrôxyl thay thế nguyên tử oxy trong cấu trúc. Trong mạng lưới tinh thể của bentonite tồn tại nhóm OH. Nguyên tử trong nhóm này trong điều kiện nhất định có thể tham gia vào phản ứng trao đổi. Các nhóm OH liên kết với cation Al3+ hoặc cation Mg2+ trong mạng lưới bát diện mang tính chất giống nhau như nhóm OH trên bề mặt của oxyt nhôm và oxyt magiê. Điểm đẳng điện của  Al2O3 ở vùng pH  9,2, của MgO ở vùng pH  12,5. Ở môi trường có pH lớn hơn điểm đẳng điện thì các oxyt này được xem như là một axit, ngược lại ở môi trường pH thấp hơn, chúng được coi như là một bazơ. Vậy nhóm OH cũng tham gia vào phản ứng trao đổi ion. Các nhóm OH nằm ở mặt bên của tinh thể liên kết với nguyên tử Si, được xem như nhóm OH trên bề mặt Si. Điểm đẳng điện của silic ở vùng pH =1,7. Ở pH nhỏ hơn, nhóm OH này tham gia vào phản ứng trao đổi anion. Ở pH lớn hơn, ion H+ của nhóm này tham gia vào phản ứng trao đổi cation. Dung lượng trao đổi cation lớn nhất trong môi trường kiềm. Có tới 80% dung lượng trao đổi ion là do sự thay thế đồng hình tạo nên, 20% còn lại là do nguyên nhân khác. 11
Dung lượng trao đổi cation và anion của bentonite thay đổi trong khoảng rộng, phụ thuộc vào số lượng cation trao đổi và pH của môi trường trao đổi. Trong môi trường kiềm, nói chung dung lượng trao đổi cation của bentonite là lớn. Dung lượng trao đổi trao đổi cation dao động trong khoảng 80 – 150 mgđlg/100g, dung lượng trao đổi anion dao động trong khoảng từ 15 – 40 mgđlg/100g [28,29,30]. Khả năng trao đổi ion của bentonite phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi. Các cation hóa trị nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cation hóa trị cao theo thứ tự Me+ > Me2+ > Me3+. Đối với các cation cùng hóa trị, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn. Có thể sắp xếp khả năng trao đổi ion theo trật tự sau [14,39]. Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ Giá trị của dung lượng trao đổi ion phản ánh hai tính chất cơ bản của bentonite: đó là diện tích bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới. Bề mặt của bentonite gồm bề mặt ngoài và bề mặt bên trong. Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt ngoài phản ánh kích thước của tinh thể, phụ thuộc vào sự gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì dung lượng trao đổi càng lớn. Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trong mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonite. Nó phụ thuộc vào số lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn, thì dung lượng trao đổi càng lớn. Còn đối với các anion, hóa trị của các anion càng lớn, khả năng trao đổi càng kém. Đó là sự phân ly của liên kết giữa anion với mạng lưới cấu trúc kém hơn. Tính chất trao đổi ion là một đặc trưng quý báu của bentonite. Nhờ có tính chất trao đổi cation này mà người ta có thể biến tính bentonite để tạo ra những mẫu có tính chất xúc tác, hấp phụ và các tính chất hóa lý hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng. 1.2.3.2. Tính chất trương nở 12
Trương nở là một trong những tính chất đặc trưng của bentonite. Như chúng ta đã biết, khoảng cách cơ bản giữa các lớp cơ bản của mạng lưới tinh thể mont bị thay đổi từ 10Ao – 30Ao phụ thuộc vào lượng nước liên kết nằm trong không gian giữa các lớp. Khi tiếp xúc với nước bentonite hấp phụ H2O trên các tâm hấp phụ giữa các lớp. Tuy nhiên ở đó luôn tồn tại các cation. Nhờ khả năng hyđrat hóa của các cation đó mà H2O hấp phụ rất đáng kể , thể tích có thể bị tăng lên từ 15 đến 20 lần so với thể tích ban đầu khi bão hòa nước [23]. Trong quá trình trương nở, nước xâm nhập vào và bị giữ lại trong khoảng không gian giữa hai phiến sét. Lượng nước này (nước hấp phụ) phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation. Khả năng hydrat hóa của các cation tăng theo thứ tự: Li+> Na+> NH4+> K+>Mg2+>Ca2+ >Al3+>H+ Kích thước và hình dạng của các cation nằm ở lớp giữa cũng ảnh hưởng đến sự hydrat hóa và trương nở. Các cation có bán kính hydrat hóa lớn sẽ làm cho khoảng cách giữa hai phiến sét rộng ra, tạo điều kiện cho sự trương nở . Ngoài ra sự liên kết của các cation kim loại với điện tích trên bề mặt phiến sét cũng có ảnh hưởng đến sự trương nở. Ví dụ ion Na+ chỉ liên kết với một tâm tích điện âm trên một phiến sét, do vậy khi bị hydrat hóa, các phiến sét dễ dàng tách rời nhau. Trái lại cation Ca2+ liên kết với hai tâm tích điện âm trên hai phiến sét làm cho các phiến sét liên kết với nhau chặt chẽ hơn. Điều này làm hạn chế sự trương nở của bentonit Ca. Trong môi trường nước, do sự trương nở, d001 của bentonite Na có thể tăng từ 9,6A0 đến ít nhất là 17A0. Còn d001 của bentonite Ca chỉ tăng từ 12,1A0 đến 17 A0. Trong môi trường kiềm bentonite Na bị hydrat hóa mạnh hơn, d001 có thể tăng tới 40 A0, vì vậy huyền phù bentonite Na rất bền vững. Có thể thay đổi độ trương nở của, khả năng hấp thu nước và độ phân tán của các bentonite bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation để tạo ra các bentonite có các tính chất khác nhau. 1.2.3.3. Độ kiềm 13