intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu cacbon có cấu trúc lớp bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh làm chất tạo khung

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST
Báo xấu
19
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của luận văn là tổng hợp và đặc trưng vật liệu cacbon có cấu trúc lớp bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh làm chất tạo khung. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu cacbon có cấu trúc lớp bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh làm chất tạo khung

  1. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HÀ TIẾN DŨNG TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU CACBON CÓ CẤU TRÚC LỚP BẰNG CÁCH SỬ DỤNG KHOÁNG SÉT DI LINH LÀM CHẤT TẠO KHUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1 HÀ TIẾN DŨNG
  2. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HÀ TIẾN DŨNG TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU CACBON CÓ CẤU TRÚC LỚP BẰNG CÁCH SỬ DỤNG KHOÁNG SÉT DI LINH LÀM CHẤT TẠO KHUNG Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ Mã số: 60.44.27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TIẾN THẢO HÀ NỘI – 2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2 HÀ TIẾN DŨNG
  3. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BET Brunauer - Emmett - Teller (tên riêng) CHĐBM Chất hoạt động bề mặt CMK Vật liệu cacbon có cấu trúc mao quản CTAB Cetyltrimetylamoniumbromide TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét IR Phổ hồng ngoại EDX Phổ tán xạ tia X XRD Phổ nhiễu xạ tia X MQTB Vật liệu mao quản trung bình DL Di Linh Mont Montmorillonite Bent Bentonite NNĐMF N,N - đimetylformamit TEOS Tetraethyl orthosilicate LUẬN VĂN THẠC SĨ 3 HÀ TIẾN DŨNG
  4. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Các loại vật liệu cacbon mao quản từ các chất tạo cấu 19 trúc khác nhau Bảng 3.1 Các giá trị khoảng cách giữa hai lớp sét khi tăng lƣợng 36 CTAB Bảng 3.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng chống sét Bent- 38 DL bằng CTAB Bảng 3.3 Các tính chất hóa lý của các dung môi 38 Bảng 3.4 Khoảng cách (d001 – 9.6) của sét chống CTAB trong 39 dung môi khác nhau Bảng 3.5 Mẫu sét sử dụng điều chế vật liệu cacbon tƣơng ứng 48 LUẬN VĂN THẠC SĨ 4 HÀ TIẾN DŨNG
  5. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ô cơ sở và đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4 3 Hình 1.2 Các nhóm tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua cầu oxi 3 Hình 1.3 Cấu trúc bát diện 4 Hình 1.4 Các ion trao đổi trung hòa điện tích dƣơng của lớp tứ 5 diện và bát diện Hình 1.5 Mô hình cấu trúc pyrophyllite – Cấu trúc điocta 2:1 6 trung hòa Hình 1.6 Mô hình cấu trúc pyrophyllite – Cấu trúc 1:1 7 Hình 1.7 Cấu trúc 1:1 và 2:1 8 Hình 1.8 Phân tử cation hữu cơ bị hấp phụ giữa các lớp sét tạo nên 9 sét hữu cơ Hình 1.9 Các dạng nhóm hidroxi trên bề mặt khoáng sét 10 Hình 1.10 Một số polioxocation kim loại 12 Hình 1.11 Sơ đồ chống sét 13 Hình 1.12 Mô hình cấu trúc của sét hữu cơ (organo clay) 14 Hình 1.13 Sơ đồ minh họa quá trình tổng hợp vật liệu cacbon 18 maoquản trung bình sử dụng chất định khung mesoporous silica Hình 1.14 Sơ đồ tổng hợp vật liệu cacbon từ chất tạo cấu trúc 19 khác nhau Hình 1.15 Đƣờng hấp phụ giải hấp và phân bố mao quản của vật 20 liệu mesoporous cacbon Hình 1.16 Ảnh TEM phân giải cao của mẫu các vật liệu CMK 22 Hình 2.1 Hình các mặt phản xạ trong nhiễu xạ tia X 28 Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị kính hiển vị điện tử quét 31 Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua 32 LUẬN VĂN THẠC SĨ 5 HÀ TIẾN DŨNG
  6. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC Hình 2.4 Thiết bị phản ứng oxi hóa pha lỏng 34 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu sét hữu cơ với hàm lƣợng 37 CTAB khác nhau Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu sét chống trong dung 39 môi khác nhau Hình 3.3 Phân tích nhiệt vi sai DTA của mẫu Bent.DL.Na 41 Hình 3.4 Đƣờng phân tích nhiệt vi sai TG/DTA của mẫu Bent.DL 42 – CTAB 37,5% Hình 3.5 Phổ IR của mẫu sét chống Bent-DL-Na và Bent.DL- 43 CTAB 37,5% Hình 3.6 Ảnh SEM của Bent.DL.Na: A và mẫu Bent.DL – CTAB 44 37,5%: B Hình 3.7 Ảnh TEM của mẫu Bent.DL.Na 45 Hình 3.8 Ảnh TEM của mẫu Bent.DL – CTAB 37,5% 46 Hình 3.9 Phổ tán xạ EDX mẫu Bent.DL.Na: A và Bent.DL- 46 CTAB: B Hình 3.10 Ảnh SEM điểm tƣơng ứng mẫu Bent.DL.Na: A và 47 Bent.DL-CTAB: B Hình 3.11 Phổ nhiễu xạ tia X góc nhỏ của các vật liệu cacbon tổng 49 hợp Hình 3.12 Phổ nhiễu xạ tia X góc lớn của vật liệu cacbon tổng hợp 49 Hình 3.13 Đƣờng hấp phụ/giải hấp nito của các mẫu cacbon 50 Hình 3.14 Đƣờng phân bố mao quản của mẫu vật liệu cacbon 51 Hình 3.15 Ảnh SEM của các mẫu vật liệu cacbon tổng hợp 52 Hình 3.16Ảnh TEM của các mẫu vật liệu cacbon tổng hợp 53 Hình 3.17 Hình ảnh SEM (A) ghi phổ tán xạ tia X (B) và kết quả 55 phân tích LUẬN VĂN THẠC SĨ 6 HÀ TIẾN DŨNG
  7. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 11 1.Tổng quan về sét............................................................................................. 11 1.1. Hình thành bentonit ................................................................................................... 11 1.2. Tính chất đặc trƣng .................................................................................................... 11 1.3 Các đơn vị tế bào cơ bản ............................................................................................ 12 1.3.1. Tứ diện SiO4 .................................................................................................12 1.3.2. Bát diện MeO6 ..............................................................................................13 1.3.3. Ion giữa các lớp............................................................................................14 1.4 Các kiểu cấu trúc ......................................................................................................... 15 1.4.1. Kiểu 2:1 ........................................................................................................15 1.4.2. Kiểu 1:1. .......................................................................................................16 1.4.3. Kiểu 2:1+1 ...................................................................................................17 1.5. Các tính chất của sét .................................................................................................. 18 1.5.1. Tính chất vật lý .............................................................................................18 1.5.2. Tính chất hóa học .........................................................................................18 1.6. Sét biến tính ................................................................................................................ 19 1.6.1. Lý do biến tính sét ........................................................................................19 1.6.2. Các kiểu biến tính: .......................................................................................20 2. Ứng dụng của sét biến tính làm vật liệu chế tạo cacbon mao quản .................... 23 2.1 Vật liệu cacbon mao quản .......................................................................................... 23 2.2 Chất tạo cấu trúc cứng điều chế vật liệu cacbon xốp ............................................. 26 2.3 Đặc trƣng vật liệu mesoporous cacbon .................................................................... 29 2.4 Biến tính vật liệu cacbon mao quản trung bình....................................................... 33 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 35 2.1 Tổng hợp sét làm chất định trúc ................................................................................ 35 2.1.1 Xử lý sét thô ...................................................................................................35 LUẬN VĂN THẠC SĨ 7 HÀ TIẾN DŨNG
  8. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC 2.1.2 Điều chế sét hữu cơ ......................................................................................36 2.2 Điều chế vật liệu cacbon mao quản trật tự............................................................... 36 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu ................................................... 37 2.3.1. Nhiễu xạ tia X ...............................................................................................37 2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại IR ................................................................39 2.3 3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA .....................................................39 2.3.4. Phương pháp chụp ảnh điện tử quét ( SEM) ................................................40 2.3.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission Electron Microscopy) ............................................................................................................41 2.3.6 Phương pháp BET .........................................................................................41 2.3.7 Phân tích nguyên tố bề mặt bằng phương pháp EDX (Energy Dispersive X – Ray).........................................................................................................................43 2.4 Ứng dụng vật liệu cacbon tổng hợp làm chất mang xúc tác oxi hóa stiren ........ 43 2.4.1 Các bước tiến hành .......................................................................................43 2.4.2 Phân tích sản phẩm .......................................................................................43 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 45 3.1. Tổng hợp bent.DL-CTAB và nghiên cứu tính chất của bent.DL-CTAB ........... 45 3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CTAB đến khoảng không gian cơ sở của sét ....45 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ điều chế Bent.DL-CTAB .......................................46 3.2 Các đặc trƣng cơ bản của Bent.DL – CTAB ........................................................... 49 3.2.1 Giản đồ phân tích nhiệt vi sai .......................................................................49 3.2.2 Tính chất hấp thụ bức xạ hồng ngoại (phổ IR) .............................................52 3.2.3 Đặc trưng hình thái học của Bent.DL–CTAB ...............................................53 3.2.4 Hình ảnh TEM ...............................................................................................54 3.2.5 Xác định thành phần nguyên tố hóa học bề mặt sét chống CTAB bằng phương pháp EDX ..................................................................................................55 3.3 Kết quả tổng hợp vật liệu cacbon trật tự .................................................................. 56 3.4 Kết quả đặc trƣng vật liệu cacbon tổng hợp ............................................................ 57 3.4.1 Kết quá nhiễu xạ tia X ...................................................................................57 LUẬN VĂN THẠC SĨ 8 HÀ TIẾN DŨNG
  9. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC 3.4.2 Kết quả hấp phụ nitơ .....................................................................................59 3.4.3 Hình ảnh SEM của mẫu cacbon tổng hợp .....................................................60 3.4.4 Hình ảnh TEM của mẫu vật liệu cacbon tổng hợp .......................................62 3.4.5 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố.......................................................63 3.4.6 Ứng dụng của vật liệu cacbon tổng hợp .......................................................65 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN.................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ 9 HÀ TIẾN DŨNG
  10. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC MỞ ĐẦU Năm 1999, vật liệu mesoporous cacbon ra đời mang lại nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Tuy nhiên, họ vật liệu mesoporous cacbon (CMK-n, n = 1-9) đƣợc điều chế bằng từ hợp chất cơ nguyên tố tetraethyl orthosilicate (TEOS) và sucozơ, fructozơ, mantozơ... Ƣu điểm của phƣơng pháp này là vật liệu CMK-n có độ tinh khiết cao, cấu trúc mao quản đồng đều, có trật tự sắp xếp ngƣợc so với hệ thống mao quản của chất tạo khung meso silica. Tuy nhiên, để điều chế 1 gam CMK-n có cấu trúc mao quản phải cần đến 10-12 gam TEOS nên phƣơng pháp tổng hợp này là không kinh tế. Do vậy đã có nhiều phƣơng pháp tổng hợp mới đƣợc đề xuất nhằm tìm kiếm phƣơng pháp điều chế vật liệu cacbon có cấu trúc mao quản xốp hiệu quả hơn [19,26, 28]. Việt Nam có trữ lƣợng khoáng sét lớn, và sét Việt Nam có nhiều tính chất quí nhƣ lƣợng montmorollite cao, dễ biến tính. Do khoáng sét Việt Nam có trữ lƣợng lớn, giá thành thấp nên đƣợc ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xúc tác cho nhiều quá trình chuyển hóa hóa học [24]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng khoáng sét làm chất định khung để điều chế các vật liệu cacbon chƣa đƣợc thực hiện nhiều. Do vậy nhóm nghiên cứu của chúng tôi đặt vấn đề dùng khoáng sét biến tính Việt Nam làm chất tạo khung cho quá trình tổng hợp vật liệu cacbon xốp. So sánh với các chất định trúc chế tạo vật liệu cacbon trƣớc đây [30, 27, 28, 40], sét có cấu trúc khác biệt nhƣ cấu trúc lớp, chứa các oxit kim loại dễ hòa tan (Mg, Al, Na…) nên có thể dự đoán họ vật liệu cacbon điều chế có những tính chất mới (mao quản hẹp, tồn tại cả hệ mao quản trung bình và vi mao quản…), bất thƣờng (nanosheets, phiến nano sắp xếp một cách có trật tự theo 2 chiều) [10-13]. Các mẫu vật liệu tổng hợp giầu nhóm oxi bề mặt có thể ứng dụng làm chất hấp phụ, chất mang xúc tác cho các quá trình chuyển hóa hữu cơ, hóa dầu [8, 12-20]. Do vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Tổng hợp và đặc trƣng vật liệu cacbon có cấu trúc lớp bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh làm chất tạo khung”. LUẬN VĂN THẠC SĨ 10 HÀ TIẾN DŨNG
  11. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.Tổng quan về sét 1.1. Hình thành bentonit Khoáng sét đƣợc hình thành trong tự nhiên do sự phong hóa lâu đời đá mẹ nhƣ: felspart, magma… Tuy nhiên, thành phần đá mẹ ban đầu và điều kiện khí hậu nơi phân hóa đã khiến thành phần sét và cấu trúc sét có thể bị thay đổi. Ở những nơi khí hậu nắng nhiều, mƣa ít, sét đƣợc tạo thành thƣờng là dạng bentonit chứa ion kiềm hay kiềm thổ [10]. Khoáng sét là hợp chất thuộc họ aluminosilicat tồn tại trong tự nhiên dƣới các mỏ. Nó có cấu trúc lớp bao gồm lớp nhôm oxit và lớp silic oxit. Các lớp đƣợc liên kết với nhau qua cầu nguyên tử oxi. Tinh thể khoáng sét của lớp silic đƣợc tạo bởi các lớp tứ diện oxi silic sắp xếp thành mạng lục giác, liên kết với các mạng bát giác. Sét khi phân tán trong nƣớc tạo huyền phù có kích thƣớc rất nhỏ, khoảng vài micromet. Sét ngậm nƣớc thƣờng rất mềm và dẻo. Có rất nhiều loại khoáng sét khác nhau, tuy nhiên thành phần chính là Si và Al. Một số loại khoáng sét phổ biến là bentonit, saponit, baidellit, vermiculit... Ở Việt Nam, hai tỉnh Di Linh - Lâm Đồng, Tuy Phong - Bình Thuận là hai nơi có trữ lƣợng sét bentonit khá lớn. Với những đặc tính quý nêu trên, sét - nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến ở Việt Nam đã đƣợc chú ý từ rất lâu. Việc sử dụng nguồn sét bentonit (SiO2-51,9%, Al2O3-15,6%, CaO và MgO-4,05%, K2O và Na2O-4,05%, Fe2O3 -2,83%), đã đƣợc biến tính bằng CTAB nhằm năng cao khoảng cách giữa các lớp sét để dùng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp vật liệu xúc tác. Để tìm hiểu kỹ hơn chúng ta cùng xem xét các đặc trƣng cơ bản của sét. 1.2. Tính chất đặc trưng Sét tự nhiên thƣờng mang điện tích (-) và đƣợc đền bù bởi các cation Na+, K+, Mg2+, Ca2+… [1, 10]. Các ion kim loại kiềm có thể bị trao đổi với các cation khác. Chính nhờ tính chất trao đổi cation mà bentonit có nhiều ứng dụng thực tế. Ví dụ: LUẬN VĂN THẠC SĨ 11 HÀ TIẾN DŨNG
  12. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC ứng dụng làm xúc tác, chất hấp phụ, phụ gia… cũng nhƣ trong nhiều ngành công nghiệp khác. Khả năng ứng dụng của sét xuất phát từ đặc điểm cấu trúc, tính chất bề mặt của họ vật liệu này. 1.3 Các đơn vị tế bào cơ bản 1.3.1. Tứ diện SiO4 Bentonit sắp xếp các nguyên tử theo chiều dài, các mặt phẳng liên kết với nhau. Cấu trúc nhƣ vậy đƣợc gọi là lớp silicat hay phyllosilicate đƣợc tạo thành từ các đơn vị cơ sở SiO4 liên kết với nhau theo hai chiều. Trong đơn vị cấu trúc cơ sở mỗi một đơn vị nguyên tử silic đƣợc bao quanh bởi bốn nguyên tử oxi tạo nên tứ diện SiO4 nhƣ chỉ ra ở hình 1.1 [21]. Hình 1.1 Ô cơ sở và đơn vị cấu trúc tứ diện SiO4 Đây là đơn vị cấu trúc cơ bản nhất của khoáng sét (hình 1.1). Các cation silic tứ diện nối với nhau bởi các liên kết cộng hóa trị qua cầu nguyên tử oxi. Các oxi dùng chung tạo nên một mặt phẳng nguyên tử dọc theo đáy của các đơn vị cấu trúc tứ diện. Các đơn vị cơ sở nối với nhau hình thành mạng hai chiều nghĩa là đáy của cấu trúc lớp. Mạng hai chiều này đƣợc chỉ ra ở hình 1.2. Hình 1.2 Các nhóm tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua cầu oxi LUẬN VĂN THẠC SĨ 12 HÀ TIẾN DŨNG
  13. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC Các oxi đáy liên kết với nhau tạo thành các lỗ lục giác trong mạng lƣới nguyên tử oxi. Những lỗ trống này có vai trò rất quan trọng trong quá trình hình thành các mặt phẳng tứ diện liên tục và liên kết các lớp sét lại với nhau. Thông thƣờng, các cation trong lớp phối trí tứ diện là silic nhƣng đôi khi Si4+ bị thay bằng Al3+ hoặc Fe3+. Ngƣời ta luôn cho rằng tất cả các vị trí của silic trong phân lớp tứ diện đƣợc sắp xếp hợp thức, tất cả các anion trong hai mặt cơ bản đều là các nguyên tử oxi. 1.3.2. Bát diện MeO6 Trong cấu trúc của bentonit còn có các cation có số phối trí 6 với các nguyên tử oxi hay các nhóm hydroxyl trong các bát diện. Các cation bát diện cũng liên kết với các cation tứ diện qua các oxi chung hay oxi đỉnh của tứ diện silic. Trong cấu trúc của sét, các nguyên tử oxi đƣợc chia thành hai loại theo hƣớng của lớp sét và giữa các đơn vị tứ diện và bát diện [21]. Hình 1.3 Cấu trúc bát diện Các cation nằm trong phân lớp phối trí bát diện gồm nhiều ion kim loại M: Al3+, Mg2+, Fe2+... Một trong những anion đỉnh nối với phân lớp tứ diện để hình thành LUẬN VĂN THẠC SĨ 13 HÀ TIẾN DŨNG
  14. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC cấu trúc lớp của sét. Các nhóm anion OH- có thể đƣợc thay thế tới một phạm vi nhất định trong một số cấu trúc của sét bằng các anion F- và Cl-. 1.3.3. Ion giữa các lớp Ở bentonit có hiện tƣợng thay thế các ion có hóa trị thấp hơn silic ở phân lớp tứ diện và nhôm ở phân lớp bát diện đã làm mất cân bằng điện tích trong cấu trúc. Để cân bằng điện tích các cation phải nằm ở trong lỗ của lớp oxi đáy. Còn gọi là cation đền bù điện tích. Những phiến sét hai chiều đƣợc liên kết với nhau qua các cation đền bù này. Các phiến sét đƣợc liên kết chặt chẽ với nhau bởi các cation nằm ở trong lỗ trống. Lỗ trống có khuynh hƣớng bị biến dạng thành đitrigonal khi đƣợc tăng cƣờng bởi các ion có mặt ở các tứ diện. Sự biến dạng này làm thay đổi số phối trí của ion oxi trong một lớp từ 6 xuống 3. Điều này ảnh hƣởng tới tƣơng tác hút của các cation vào vị trí của tinh thể (hình 1.4). Hình 1.4 Các ion trao đổi trung hòa điện tích dƣơng của lớp tứ diện và bát diện Những ion đền bù điện tích nằm giữa các phân lớp tứ diện oxi đáy đƣợc chia thành hai loại: một loại liên kết rất chặt với bề mặt và một loại rất dễ trao đổi. Trong khoáng sét, các cation nằm giữa các lớp bị giữ chặt hầu nhƣ là kali. Những ion trao đổi có khả năng trao đổi rất khác nhau. Chúng có thể là các cation hóa trị I hoặc II. Bình thƣờng chúng ở dạng hidrat. Bất kì cation hidrat nào cũng có thể đƣợc tìm LUẬN VĂN THẠC SĨ 14 HÀ TIẾN DŨNG
  15. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC thấy ở các tâm trao đổi của sét. Trong khoáng sét tự nhiên, ion canxi là chủ yếu, các ion natri và magie cũng khá phổ biến. 1.4 Các kiểu cấu trúc 1.4.1. Kiểu 2:1 Cấu trúc này gồm hai đơn vị tứ diện và một đơn vị bát diện. Đơn vị bát diện đƣợc liên kết phối trí qua nguyên tử oxi chung với hai phân lớp tứ diện của silic. Các nhóm hydroxyl chỉ liên kết với các nguyên tử ở phân lớp bát diện. Hình 1.5 Mô hình cấu trúc pyrophyllite – Cấu trúc điocta 2:1 trung hòa Cấu trúc gồm hai phân lớp tứ diện và một phân lớp bát diện đƣợc gọi là cấu trúc điocta 2:1. Trong kiểu này có hai khả năng thế : - Kiểu thế bảo toàn điện tích: thay thế trung hòa điện tích ở phân lớp bát diện nghĩa là Al3+ = Fe3+. - Kiểu khác thay đổi điện tích cation trên lớp sét. Thay thế Al3+ bởi Mg2+; Si4+ bởi Al3+. Khi cấu trúc bị thiếu hụt điện tích, nên phần điện tích hụt đƣợc bù trừ bởi các phân tử phân cực hoặc các cation, thƣờng là Na, K, Ca, Mg… LUẬN VĂN THẠC SĨ 15 HÀ TIẾN DŨNG
  16. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC Sự bù điện tích là cần thiết khi một ion hóa trị thấp thay thế một ion hóa trị cao hơn. Sự thay thế này làm mất cân bằng điện tích của lớp sét cấu trúc 2:1, khiến cho các lớp sét xích lại với nhau một cách chặt chẽ (hình 1.5). 1.4.2. Kiểu 1:1. Khoáng sét có cấu trúc 1:1 là các khoáng sét có 1 phân lớp tứ diện kết hợp với 1 phân lớp bát diện (hình 1.6). Hình 1.6 Mô hình cấu trúc pyrophyllite – Cấu trúc 1:1 Đỉnh của các bát diện là các nhóm OH-. Tâm anion trung gian bị chiếm bởi cả hai anion OH-. Cần phân biệt các nhóm hidroxyl bên trong và bên ngoài. Nhóm OH- bên trong tƣơng tự với các vị trí trong khoáng cấu trúc 2:1, còn nhóm OH - bên ngoài không tồn tại trong các khoáng cấu trúc 2:1. Cấu trúc 1:1 có một phân lớp đơn giản của các cation bát diện nối với phân lớp silic tứ diện. Những anion ở đỉnh, không phối trí ở phân lớp bát diện là các nhóm OH - có khả năng trao đổi. Sự tiếp xúc giữa các lớp cấu trúc 1:1 là giữa những anion oxi liên kết ở đáy tứ diện và các nhóm OH- của phân lớp bát diện giống nhƣ cấu trúc 2:1. LUẬN VĂN THẠC SĨ 16 HÀ TIẾN DŨNG
  17. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC 1.4.3. Kiểu 2:1+1 Cấu trúc này đƣợc xây dựng từ cấu trúc kiểu 2:1 và 1 phân lớp bát diện của các ion mà trong đó các anion đỉnh nối với phân lớp tứ diện ngay cạnh bên (hình 1.7). Hình 1.7 Cấu trúc 1:1 (a) và 2:1 (b) Lớp bát diện này có chứa cation và các nhóm OH-. Các oxi đáy tứ diện đối diện với các nhóm OH-. Phân lớp bát diện giữa các lớp đƣợc gọi là brucite vì thành phần của nó tƣơng tự với khoáng magie hidroxit. Các ion trong cả hai phân lớp bát diện có thể đƣợc thay thế hoàn toàn bởi cation hóa trị II, Mg2+ = Fe2+, giống nhƣ sự thay thế kiểu bát diện – tứ diện. Độ dày tổng cộng của cấu trúc lớn hơn 14Ao một chút so với hai cấu trúc 1:1 chồng lên nhau. Tuy nhiên cấu trúc là rất khác nhau trong đó không có liên kết phối trí của các anion. Đỉnh của phân lớp bát diện với oxi đáy của phân lớp tứ diện sát cạnh. LUẬN VĂN THẠC SĨ 17 HÀ TIẾN DŨNG
  18. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC 1.5. Các tính chất của sét 1.5.1. Tính chất vật lý Kích thƣớc hạt, dạng sét phẳng, … ảnh hƣởng rất nhiều đến khả năng áp dụng khoáng sét trong công nghiệp. Ví dụ: Sét có thể dùng để pha loãng và làm tăng độ bền cơ học của sơn, polime... làm chất độn sản xuất cao su. Trong dung dịch khoan, sét cũng đƣợc sử dụng với số lƣợng lớn với tác dụng tạo huyền phù. 1.5.2. Tính chất hóa học 1.5.2.1. Khả năng trương phồng Một trong những tính chất lý hóa quan trọng của sét là khả năng trƣơng phồng. Tính chất này liên quan chặt chẽ đến khoảng cách, độ dày của lớp sét. Việc tìm cách nâng cao khoảng cách giữa các lớp sét là chèn các hợp chất cồng kềnh vào giữa các lớp sét dựa trên tƣơng tác của sét và các hợp chất hữu cơ phân cực (hình 1.8). Các điện tích âm bề mặt + + + + Hình 1.8 Phân tử cation hữu cơ bị hấp phụ giữa các lớp sét tạo nên sét hữu cơ Sở dĩ sét có khả năng chuyển thành sét hữu cơ vì nó có khả năng trƣơng phồng và hấp phụ các phân tử hữu cơ phân cực, ion hữu cơ giữa các lớp sét. Nhƣ vậy những phân tử hữu cơ nhỏ có thể đƣợc xen vào giữa các lớp sét trƣơng phồng, tạo nên cấu trúc đều đặn là đặc trƣng cơ bản của sét hữu cơ. 1.5.2.2 Khả năng hấp phụ. Một tính chất quan trọng khác của sét là có khả năng hấp phụ các hợp chất cao phân tử, nghĩa là các polime bị hấp phụ trên bề mặt các hạt sét (không phải xen kẽ vào giữa các lớp sét). Khi thêm chất điện ly vào dung dịch huyền phù sét, các phân LUẬN VĂN THẠC SĨ 18 HÀ TIẾN DŨNG
  19. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC tử chất điện ly polime bị kéo về bề mặt âm của các hạt sét, các hạt sét bị kéo tới cùng một lớp mang điện tích dƣơng, tạo nên hiện tƣợng keo tụ. Hiện tƣợng keo tụ của sét trong sự có mặt của các polime điện ly đƣợc ứng dụng để làm trong nƣớc, xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. 1.6. Sét biến tính 1.6.1. Lý do biến tính sét Trong sét, các lớp có chiều dài cỡ một vài nm. Giữa các lớp là khoảng trống và các lớp đƣợc liên kết với nhau bởi lực hút tĩnh điện. Khoảng cách của một lớp đơn vị là khoảng trống giữa hai lớp, gọi là khoảng cách cơ bản. Khoảng cách này có kích thƣớc vài chục Ao và khác nhau đối với mỗi loại sét hình thành do điều kiện địa chất, địa lý khác nhau. Ví dụ bentonit – Di Linh có khoảng cách từ 12Ao tới 15Ao. Trong sét có sự thay thế đồng hình giữa các cation ở tâm tứ diện và bát diện nhƣ các ion Si4+ ở tâm tứ diện có thể bị thay thế bởi các ion Al3+ hay Fe3+, còn các ion Al3+ bát diện bị thay thế bằng các ion Zn2+ hay Mg2+. Sự thay thế này làm cho sét mang điện tích âm và đƣợc bù bởi các cation kim loại nhƣ Na+, K+…bề mặt, các cation này có thể trao đổi với các cation vô cơ, hữu cơ. Sự trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lƣợng điện tích âm bề mặt và số ion trao đổi [22, 28]. Đây là lý do mà bentonit Di Linh với thành phần chủ yếu là montmorillonite lại có thể biến tính trở thành sét hữu cơ. Thực vậy, trong mạng lƣới tinh thể của montmorillonite còn tồn tại nhóm OH (hình 1.9). H OH OH O O O O Si Al Si Al O O O O O O O O (a) (b) (c) Hình 1.9 Các dạng nhóm hidroxi trên bề mặt khoáng sét (a) - Dạng silanol; (b) - Dạng nhôm hidroxit; (c) - Dạng liên kết cầu Trong đó, nhóm Si-OH silanol không có tính axit, không có hoạt tính xúc tác; nhóm Al-OH có tính axit yếu chỉ tác dụng với bazơ hữu cơ mạnh; nhóm hidroxi cầu trong Si-OH-Al có tính axit mạnh, có khả năng xúc tác cao (hình 7c). Nguyên tử H của LUẬN VĂN THẠC SĨ 19 HÀ TIẾN DŨNG
  20. TRƢỜNG ĐHKHTN KHOA HÓA HỌC nhóm này trong điều kiện nhất định có thể tham gia vào phản ứng trao đổi. Khả năng trao đổi cation còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính cation. Các cation có hóa trị và bán kính nhỏ thì dễ trao đổi hơn. Tuy nhiên khả năng trao đổi ion của montmorillonite phụ thuộc chủ yếu vào điện tích âm trên bề mặt và trong mạng l- ƣới. Bề mặt montmorillonite gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài liên quan đến kích thƣớc tinh thể. Kích thƣớc hạt càng nhỏ khả năng trao đổi càng lớn. Khả năng trao đổi cation bề mặt trong phản ánh lƣợng điện tích âm trong bề mặt mạng lƣới và khả năng hấp phụ của montmorillonite. Lƣợng cation bù trừ trong mạng lƣới càng lớn thì khả năng trao đổi càng lớn. Dung lƣợng trao đổi cation trong khoảng từ 80 đến 120 mgdlg/100 g [10]. Montmorillonite có thể trao đổi với nhiều cation khác nhau. Cation đa hóa trị khi đƣợc trao đổi sẽ nằm ở ngoài hoặc giữa các lớp nhôm silicat. Chúng có khả năng tạo phức với phối tử khác nhau trở thành những trung tâm hoạt động xúc tác. Ví dụ: Fe+2, Zn+2 có thể xúc tác cho phản ứng nitro hóa hợp chất thơm [10,21, 22]. Ngoài ra, ion kim loại đa hóa trị còn có thể tạo phức với nƣớc ở bề mặt nhôm silicat nên khi xử lý nhiệt thì liên kết phối trí nƣớc-kim loại bị phá vỡ, chuyển về dạng Me+n hoặc MexOy và đóng vai trò nhƣ tâm axit Liuyt. Hoạt tính xúc tác của montmorillonite có thể phụ thuộc ít hay nhiều vào bản chất cation trao đổi và mức độ trao đổi. Montmorillonite có hàm lƣợng kim loại kiềm lớn thì hoạt tính xúc tác giảm do các tâm axit mạnh bị trung hòa theo cơ chế: H Na O O O O O O O O Si Al O + NaOH Si Al O + H2O O O O O 1.6.2. Các kiểu biến tính: 1.6.2.1. Biến tính bằng các cation kim loại đa hóa trị Biến tính bằng các cation kim loại đa hóa trị rất đơn giản. Chủ yếu dựa vào sự trao đổi giữa các cation của sét với các ion dƣơng có kích thƣớc lớn hơn. Sau quá LUẬN VĂN THẠC SĨ 20 HÀ TIẾN DŨNG
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.09: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Quản Trị Kinh Doanh
81 tài liệu
1643 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2