Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên thế giới những nghiên cứu về vật liệu HT đã và đang diễn ra hết sức sôi nổi. HT được tổng hợp rất đa dạng với nhiều kim loại và anion khác nhau để ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xúc tác, xử lý môi trường, y sinh học,…. Trong khi đó ở Việt Nam vật liệu HT còn chưa được quan tâm chú ý nhiều. Thêm vào đó, xử lý môi trường ở nƣớc ta những năm gần đây đã trở thành vấn đề bức thiết. Do vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường”.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Hƣơng TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA MỘT SỐ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Hƣơng TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA MỘT SỐ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Hóa Vô cơ Mã số: 604425 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Phan Thị Ngọc Bích Hà Nội - 2011
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Thị Ngọc Bích, đã hướng dẫn tận tình về mặt khoa học đồng thời tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt giúp tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Hóa học - trường ĐH Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của tất cả những cán bộ nghiên cứu của phòng Hóa Vô cơ - Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã dành cho tôi trong thời gian tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ của Phòng sau đại học, Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công Nghệ Việt Nam; Các cán bộ thuộc Phòng sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, tất cả bạn bè, những người đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt những năm học tập vừa qua. Hà Nội, tháng 12 năm 2011 Học viên Trần Thị Hương
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU…………………………………………………………………. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN…………………………………………… 2 1.1. GIỚI THIỆU VỀ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP (HYDROTALCITE)…………………………………………………………….. 2 1.1.1. Đặc điểm cấu trúc của hydrotalcite……………………………………… 2 1.1.2. Tính chất của hydrotalcite……………………………………………...... 6 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HYDROTALCITE……………….. 10 1.2.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa (phƣơng pháp muối bazơ)…………………... 11 1.2.2. Phƣơng pháp trao đổi ion………………………………………………... 12 1.2.3. Phƣơng pháp xây dựng lại cấu trúc…………………………………….... 14 1.2.4. Phƣơng pháp muối – oxit………………………………………………… 14 1.2.5. Phƣơng pháp thủy nhiệt………………………………………………….. 15 1.3. ỨNG DỤNG HYDROTALCITE VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA NITRATE TRONG MÔI TRƢỜNG………………………………………………………... 15 1.3.1. Ứng dụng HT…………………………………………………………….. 15 1.3.2. Ảnh hƣởng của nitrate trong môi trƣờng và vai trò của hydrotalcite trong việc loại nitrate............................................................................. 18 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU…… 19 1.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)……………………………………… 19
1.4.2. Phƣơng pháp hồng ngoại (FTIR)............................................................ 21 1.4.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM).................................................... 22 1.4.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TA)........................................................... 23 1.4.5. Phƣơng pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX)............................... 23 CHƢƠNG II: MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM…………………………………………...... 25 2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU……………………………………………….. 25 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU……………………………………………….. 25 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM…………………. 25 2.3.1. Dụng cụ hoá chất……………………………………………………….... 25 2.3.2. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu………………………………………….. 26 2.3.3. Xác định các đặc trƣng của vật liệu………………………………………. 29 2.3.4. Thí nghiệm loại NO3- dùng các mẫu vật liệu đã chế tạo…………………. 30 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………...... 32 3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Cu-Al/CO3 ………………………………..... 32 3.1.1. Đặc trƣng cấu trúc và ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến cấu trúc vật liệu…………………………………………………………………………... 33 3.1.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu……………………………………….. 33 3.1.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng XRD của vật liệu………………. 36 3.1.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ muối ban đầu tới cấu trúc pha của vật liệu……… 38 3.1.2. Hình thái học vật liệu và ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến hình thái học của vật liệu…………………………………………………………….. 40 3.1.3. Xác định thành phần các nguyên tố trong vật liệu………………………. 42
3.1.4. Đặc trƣng nhiệt của vật liệu......................................................................... 43 3.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Al/Cl………………………………………… 43 3.2.1. Đặc trƣng cấu trúc và ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến cấu trúc vật liệu........................................................................................................... 44 3.2.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu........................................................... 44 3.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng XRD của vật liệu...................... 47 3.2.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ Mg:Al tới cấu trúc pha của vật liệu....................... 48 3.2.2. Hình thái học vật liệu…………………………………………………….. 49 3.2.3. Xác định thành phần các nguyên tố trong vật liệu………………………. 50 3.2.4. Đặc trƣng nhiệt của vật liệu………………………………………………. 50 3.3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Al/CO3………………………………………. 51 3.3.1. Đặc trƣng cấu trúc và ảnh hƣởng của các thông số đến cấu trúc vật liệu.................................................................................................................. 52 3.3.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu........................................................... 52 3.3.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ kim loại muối ban đầu tới cấu trúc pha của vật liệu................................................................................................................. 54 3.3.2. Đặc trƣng nhiệt của vật liệu Mg-Al/CO3………………………………… 56 3.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI NO3- TRÊN CÁC VẬT LIỆU ĐÃ TỔNG HỢP……………………………………………………………………... 57 3.4.1. Khả năng loại NO3- của vật liệu Mg-Cu-Al/CO3………………………… 57 3.4.1.1. Ảnh hưởng tỉ lệ kim loại trong vật liệu tới khả năng loại NO3-……….. 57 3.4.1.2. Ảnh hưởng của quá trình nung tới khả năng loại NO3- của vật liệu….. 59 3.4.2. Khả năng loại NO3- của vật liệu Mg-Al/Cl………………………………. 60
3.4.2.1. Ảnh hưởng tỉ lệ kim loại trong vật liệu tới khả năng loại NO3-……….. 60 3.4.2.2. Ảnh hưởng của quá trình nung tới khả năng loại NO3- của vật liệu...... 60 3.4.3. Khả năng loại NO3- của vật liệu Mg-Al/CO3……………………………. 61 3.4.4. Nhận xét chung về khả năng loại NO3- của các vật liệu đã tổng hợp đƣợc. 62 KẾT LUẬN………………………………………………………………... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….. 65 PHỤ LỤC………………………………………………………………………. 70
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tỉ lệ các nguyên tố trƣớc và sau khi trao đổi trong 2 dung môi khác nhau………………………………………………………………………………… 9 Bảng 2.1: Các vật liệu HT/CO3 đƣợc tổng hợp với các thông số phản ứng khác nhau………………………………………………………………………………... 27 Bảng 2.2: Các mẫu HT/Cl đƣợc tổng hợp với các thông số phản ứng khác nhau… 28 Bảng 2.3: Các mẫu Mg-Al/CO3 với tỉ lệ muối kim loại ban đầu khác nhau……… 29 Bảng 3.1: Kết quả loại NO3- của vật liệu HT1/CO3 chƣa nung và sau nung ở các nhiệt độ khác nhau…………………………………………………………….. 59 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng tỉ lệ Mg:Al đến khả năng loại NO3- của vật liệu…………… 60 Bảng 3.3: Kết quả loại NO3- của vật liệu HT3/Cl chƣa nung và sau nung ở nhiệt độ khác nhau……………………………………………………………………….. 61 Bảng 3.4: Kết quả loại NO3- cuả vật liệu HT1 chƣa nung và sau nung ở 5000C….. 61 Bảng 3.5: Kết quả loại NO3- của các vật liệu đã tổng hợp đƣợc…………………. 62
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Khoáng sét HT…………………………………………………………. 2 Hình 1.2: Hình dạng cấu trúc lớp của HT………………………………………… 4 Hình 1.3: Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion……………………………….. 5 Hình 1.4: Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học của anion……………………… 5 Hình 1.5: Quá trình trao đổi ion của HT-A’…………………………………….... 8 Hình 1.6: Các loại điện tử phát ra khi chiếu chùm tia điện tử lên mẫu..................... 22 Hình 3.1: Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO3 vừa tổng hợp….………………….. 33 Hình 3.2: Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO3 ……….………………………..… 34 Hình 3.3: Phổ FTIR của mẫu HT4/CO3 chƣa nung………………………...……… 35 Hình 3.4: Phổ FTIR của mẫu HT4/CO3 nung ở 5000C………………………….. 36 Hình 3.5: Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu tổng hợp ở các nhiệt độ khác……… 37 Hình 3.6: Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu sau nung…………………………. 37 Hình 3.7: Giản đồ XRD của các mẫu HT/CO3 chƣa nung với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau…………………………………………………………………………. 38 Hình 3.8: Giản đồ XRD của các mẫu HT/CO3 sau nung với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau………………………………………………………………………… 39 Hình 3.9: Ảnh SEM của mẫu (a- HT1/CO3;b- HT1/CO3-500; c- HT3/CO3)…… 40 Hình 3.10: Ảnh SEM của mẫu HT/CO3 sau nung ở các tỉ lệ muối ban đầu khác nhau………………………………………………………………………………… 41 Hình 3.11: Giản đồ phân tích EDX của mẫu HT4/CO3………………………….. 42 Hình 3.12: Giản đồ TGA của mẫu HT4/CO3……………………………………. 43 Hình 3.13: Giản đồ XRD của vật liệu HT3/Cl vừa tổng hợp ................................... 45 Hình 3.14: Giản đồ XRD của vật liệu HT3/Cl.......................................................... 46 Hình 3.15: Phổ FTIR của mẫu HT3/Cl……………………………………………. 47
Hình 3.16: Giản đồ XRD của các mẫu HT/Cl với nhiệt độ tổng hợp khác nhau...... 48 Hình 3.17: Giản đồ XRD của vật liệu HT/Cl ........................................................... 49 Hình 3.18: Ảnh SEM của vật liệu HT3/Cl ……………………………………… 49 Hình 3.19: Giản đồ phân tích các nguyên tố của mẫu HT5/Cl………………….. 50 Hình 3.20: Giản đồ TGA của mẫu HT3/Cl………………………………………. 51 Hình 3.21: Giản đồ XRD của mẫu HT1.................................................................... 52 Hình 3.22: Giản đồ XRD của mẫu HT1 nung 5000C................................................ 53 Hình 3.23: Phổ FTIR của mẫu HT1........................................................................... 53 Hình 3.24: Phổ FTIR của mẫu HT1 nung 5000C....................................................... 54 Hình 3.25: Giản đồ XRD của các mẫu với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau................. 55 Hình 3.26: Giản đồ XRD của các mẫu sau nung....................................................... 55 Hình 3.27: Giản đồ TGA của mẫu HT1.................................................................... 56 Hình 3.28: Phần trăm hấp phụ NO3- của các mẫu vật liệu sau nung ở 5000C với tỉ lệ kim loại trong muối ban đầu khác nhau………………………………………. 57 Hình 3.29. Giản đồ XRD của vật liệu sau khi hòa tan trong dung dịch KNO3……. 58
BẢNG HÝ HIỆU VIẾT TẮT HT Hydrotalcite HTC Hydrotalcite sau nung HT-500 Hydrotalcite nung ở 5000C HT/Cl Hydrotalcite chứa ion Cl- ở lớp xen giữa HT/CO3 Hydrotalcite chứa ion CO32- ở lớp xen giữa LDH Hydroxide cấu trúc lớp kép
MỞ ĐẦU Các hydroxide cấu trúc lớp kép (layered double hydroxide) thƣờng đƣợc gọi là hydrotalcite (HT) theo tên của một loại khoáng tồn tại trong tự nhiên Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O. Công thức chung của HT là [M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n.mH2O]x-. Với cấu trúc nhƣ vậy, các HT vừa có khả năng hấp phụ đồng thời có khả năng trao đổi ion rất cao. Một đặc tính thú vị nữa của các HT là sản phẩm sau khi nung có khả năng ghi nhớ cấu trúc lớp của chúng khi đƣa lại vào môi trƣờng dung dịch, chẳng hạn dung dịch chứa nitrate, tạo ra thuận lợi lớn trong việc tập trung các ion NO3- từ dung dịch vào khoảng giữa các lớp, do đó rất thích hợp là chất xúc tác hoặc chất mang xúc tác. Bên cạnh đó, bằng cách thay đổi, đƣa thêm vào các thành phần kim loại M2+ và M3+ khác nhau, có thể tạo ra các dạng HT khác nhau một cách linh hoạt tùy theo tính năng, mục đích sử dụng. Với những ƣu điểm này, vật liệu họ hydrotalcite nhận đƣợc sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu. Trên thế giới những nghiên cứu về vật liệu HT đã và đang diễn ra hết sức sôi nổi. HT đƣợc tổng hợp rất đa dạng với nhiều kim loại và anion khác nhau để ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhƣ xúc tác, xử lý môi trƣờng, y sinh học, …. Trong khi đó ở Việt Nam vật liệu HT còn chƣa đƣợc quan tâm chú ý nhiều. Thêm vào đó, xử lý môi trƣờng ở nƣớc ta những năm gần đây đã trở thành vấn đề bức thiết. Do vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường”.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. GIỚI THIỆU VỀ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP (HYDROTALCITE) Các hydroxide cấu trúc lớp kép (layered double hydroxide - LDH) đã đƣợc biết đến từ hơn 150 năm trƣớc đây. Công thức chung của các LDH là: [M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n. mH2O]x- Trong đó M2+ và M3+ là các cation kim loại hóa trị 2 và 3 tƣơng ứng và An- là anion. Chúng còn đƣợc gọi là vật liệu giống hydrotalcite hay đơn giản là vật liệu hydrotalcite (HT) theo tên gọi của một khoáng trong họ, tồn tại trong tự nhiên với công thức chính xác là Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O. Một tên nữa của họ hợp chất này là khoáng sét anion, để nhấn mạnh đến sự so sánh với các khoáng sét cation rất phổ biến trong tự nhiên. Vì vậy để đơn giản trong cách gọi tên trong luận văn này chúng tôi gọi hydroxide cấu trúc lớp kép là hydrotalcite [11]. Hình 1.1 là hình ảnh về khoáng sét HT trong tự nhiên. Hình 1.1: Khoáng sét HT 1.2.1. Đặc điểm cấu trúc của hydrotalcite [11, 13, 44]  Công thức HT Khoáng sét anion có công thức tổng quát là [M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n.mH2O]x-. Trong đó: M2+ là cation kim loại hóa trị 2 nhƣ Mg, Zn, Ca, Fe, Ni...
M3+ là cation kim loại hóa trị 3 nhƣ Al, Cr, Fe... An- là các anion rất đa dạng có thể là phức anion, anion hữu cơ, các polyme có khối lƣợng phân tử lớn, các halogen hay SO42-, CO32-... x là tỉ số nguyên tử M3+/(M2+ + M3+), x thƣờng nằm trong khoảng 0,20 x 0,33, cũng có một số tài liệu đã công bố HT có thể tồn tại với 0,1 x 0,5.  Cấu tạo HT HT đƣợc cấu tạo dạng lớp bao gồm: - Lớp hydroxit (lớp brucite): là hỗn hợp của các hydroxit của kim loại hóa trị 2 và hóa trị 3, tại đỉnh là các nhóm OH-, tâm là các kim loại hóa trị 2 và 3, có cấu trúc tƣơng tự nhƣ cấu trúc brucite trong tự nhiên. Cấu trúc này đƣợc sắp đặt theo dạng M(OH)6 bát diện. Những bát diện này dùng chung cạnh kế cận để hình thành nên các lớp không giới hạn. Các lớp hydroxit này có dạng [M2+1-xM3+x(OH)2]x+ trong đó một phần kim loại hóa trị 2 đƣợc thay thế bằng kim loại hóa trị 3 nên lớp hydroxit mang điện tích dƣơng. - Lớp xen giữa: [An-x/n] là các anion mang điện tích âm nằm xen giữa các lớp hydroxit, trung hòa điện tích dƣơng của lớp hydroxit. Ngoài anion, các phân tử nƣớc cũng đƣợc định vị ở lớp xen giữa những lớp hydroxit kim loại. Chỉ có các liên kết yếu tồn tại giữa các ion và phân tử này với lớp cơ bản. Điều này dẫn đến một trong những đặc điểm chủ yếu của họ vật liệu này là khả năng trao đổi anion của các anion lớp xen giữa. Cấu trúc lớp của HT đƣợc đƣa ra trên hình 1.2.
Hình 1.2: Hình dạng cấu trúc lớp của HT Tƣơng tác tĩnh điện giữa các lớp hydroxit kim loại với các anion ở lớp xen giữa và liên kết hydro giữa các phân tử nƣớc làm cho cấu trúc của hydrotalcite có độ bền vững nhất định. Các anion và các phân tử nƣớc trong lớp xen giữa đƣợc phân bố một cách ngẫu nhiên và có thể di chuyển tự do không có định hƣớng, có thể thêm các anion khác vào hoặc loại bỏ các anion trong lớp xen giữa mà không làm thay đổi đáng kể cấu trúc của HT. Tùy thuộc vào bản chất của các cation và anion mà mật độ lớp xen giữa và kích thƣớc hình thái của chúng thay đổi tạo cho vật liệu có những đặc tính riêng. L là khoảng cách giữa 2 lớp hydroxit L = 3-4 Å, đƣợc xác định bởi kích thƣớc của các anion, giá trị L phụ thuộc vào:
 Bán kính của các anion: anion có bán kính càng lớn thì khoảng cách lớp xen giữa L sẽ lớn (hình 1.3). Hình 1.3: Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion  Công thức cấu tạo không gian của anion: Ví dụ anion NO3- xen giữa lớp hydroxit với cấu tạo không gian khác nhau nên L có các giá trị khác nhau (hình 1.4) [33]. Hình 1.4: Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học của anion 1.2.2. Tính chất của hydrotalcite [13, 23, 24, 28, 31]
1.2.2.1. Độ bền hóa học Độ bền hóa học là rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng của HT, chẳng hạn nhƣ khi HT đƣợc dùng làm bể chứa các ion kim loại phóng xạ từ các chất thải hạt nhân. Độ bền hóa học của các HT tăng theo thứ tự Mg2+ < Mn2+ < Co2+ ≈ Ni2+ < Zn2+ đối với cation hóa trị 2 và Al3+ < Fe3+ đối với cation hóa trị 3. Điều này cũng phù hợp với giá trị pKsp của các hydroxit kim loại tƣơng ứng (Ksp là độ tan của sản phẩm). Bên cạnh đó có thể tính trực tiếp độ hòa tan. Allda và các đồng nghiệp đã tính đƣợc độ hòa tan của HT trong dung dịch từ số liệu nhiệt hóa học. Sự hòa tan hydroxit kim loại của HT ảnh hƣởng bởi anion trong lớp xen giữa. Ví dụ CO32-, BrO3-,… làm giảm khả năng hòa tan, trong khi ion NO3-, SO42- làm tăng khả năng hòa tan. 1.1.2.2. Độ bền nhiệt Mặc dù tính đa dạng về thành phần, phần lớn các HT thể hiện hành vi phân hủy nhiệt tƣơng tự nhau: Khi nung nóng, trƣớc hết các HT giải phóng nƣớc trong các lớp xen giữa, sau đó là quá trình dehydroxyl hóa của các lớp hydroxit và sự phân hủy các anion lớp xen giữa ở các nhiệt độ cao hơn, cấu trúc lớp bị phá hủy. Sự khác nhau thể hiện ở nhiệt độ xảy ra các quá trình này. Các nghiên cứu cho thấy rằng độ bền nhiệt tăng theo trật tự Co-Al < Zn-Al ≈ Cu-Al < Mg-Fe ≈ Ni-Al < Mg- Al ≈ Mg-Cr. Sự phân hủy nhiệt của các HT thành các oxit tƣơng ứng chịu ảnh hƣởng đáng kể bởi bản chất của các anion lớp xen giữa. Ví dụ, nghiên cứu phân tích DTA đã chỉ ra rằng Mg-Al/NO3 bền nhiệt hơn khi điện tích lớp x (x = Al/(Mg+Al)) tăng. Ngƣợc lại, Mg-Al/CO3 lại cho nhiệt độ phân hủy giảm khi x tăng. Các tinh thể HT chứa các anion hữu cơ có thể thay đổi khoảng cách cơ bản trong cấu trúc khi nung nhẹ, mở rộng hoặc thu hẹp khi mất nƣớc trong lớp xen giữa. 1.1.2.3. Chu trình nung – hydrat hóa và hiệu ứng nhớ lại cấu trúc
Các HT sau khi nung tạo thành oxit, có thể tái tạo lại cấu trúc lớp khi đƣa vào dung dịch. Đây là một tính chất rất thú vị của các vật liệu này. Quá trình nung – hydrat hóa tái tạo lại cấu trúc có thể lặp đi lặp lại nhiều lần thành chu trình. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra khá phức tạp. Hơn nữa, sự giảm dung lƣợng hấp phụ anion hay những thay đổi trong tính đối xứng của tinh thể có thể xảy ra sau một hay nhiều chu trình, hoặc pha sipnel cũng có thể xuất hiện trong những chu trình tiếp theo. Cũng có thể có các pha oxit không mong muốn khi lặp lại chu trình này… Khả năng tái tạo cấu trúc phụ thuộc vào bản chất của các cation kim loại thành phần. Một ví dụ điển hình cho nhận định này là việc mất hoạt tính khi rehydrat hóa các xúc tác oxit trở lại cấu trúc HT nếu dùng Ni2+ thay thế cho Mg2+ để tổng hợp HT. Điều kiện nung (nhiệt độ, tốc độ, thời gian nung) cũng là những yếu tố rất quan trọng, quyết định đến quá trình tái tạo cấu trúc của HT. Ví dụ nhƣ khi nung ở 6000C, cấu trúc HT có thể tái tạo sau 24 giờ rehydrat hóa, còn mẫu nung đến 7500C cần khoảng thời gian 3 ngày. 1.1.2.4. Tính chất trao đổi ion Các đa kim loại hay các oxit kim loại trong dung dịch có sức hấp dẫn rất lớn đối với HT. Do đó, HT trở thành một trong những hợp chất chủ yếu để trao đổi ion. Phƣơng pháp trao đổi có dạng sau: [M2+M3+A] + A’- = [M2+M3+A’] + A- A là anion ở lớp xen giữa A’ là anion cần trao đổi Hoặc có thể trao đổi ở dạng sau: HT-A’: HT có 1 anion xen giữa là A’. HT-AA’: HT có 2 anion xen giữa cùng tồn tại, lúc này quá trình trao đổi xảy ra không hoàn toàn, A không trao đổi hết với A’ (hình 1.5).
Khả năng trao đổi ion phụ thuộc rất lớn vào bán kính, điện tích của anion A’ và anion A cần trao đổi. Khi sử dụng HT trong phản ứng trao đổi ion thì kích thƣớc của lỗ xốp và diện tích bề mặt của HT cũng sẽ bị ảnh hƣởng. Ngoài ra độ tinh khiết của tinh thể cũng ảnh hƣởng lớn đến quá trình trao đổi. Đối với HT có lớp xen giữa là ion Cl- (HT/Cl), hoặc NO3- (HT/NO3) thì rất dễ tham gia phản ứng trao đổi ion. Phản ứng có thể thực hiện trong dung môi là nƣớc hoặc etanol. Hình 1.5: Quá trình trao đổi ion của HT-A’ Thực nghiệm cho thấy HT/NO3, HT/Cl trao đổi ion rất tốt đối với ion Mo7O246-, Fe(CN)63-, Fe(CN)64-, S4O62-,... hay các muối hữu cơ nhƣ: - OOC(CH2)4COO-. Đối với hydrotalcite chứa CO32- thì rất khó trao đổi ion trong dung dịch bởi cấu trúc này rất bền vững. So sánh kết quả của các nguyên tố trƣớc và sau khi trao đổi trong hai dung môi khác nhau thì cho kết quả sau: Bảng 1.1: Tỉ lệ các nguyên tố trước và sau khi trao đổi
trong 2 dung môi khác nhau Mẫu Mg:Al trƣớc Mg:Al sau khi trao đổi trao đổi Dung dịch nƣớc Dung dịch nƣớc và ethanol HT-Cl/NO3 (2:1) 2,00 : 1,00 1,34 : 1,00 1,88 : 1,00 HT-Cl/NO3 (3:1) 2,72 : 1,00 0,77 : 1,00 2,13 : 1,00 HT-Cl/NO3 (4:1) 3,67 : 1,00 1,68 :1,00 2,84 : 1,00 Lƣợng Mg bị hòa tan trong lúc trao đổi ở cả hai môi trƣờng: dung môi nƣớc, dung môi hỗn hợp ethanol và nƣớc, tuy nhiên khi trao đổi trong môi trƣờng nƣớc và ethanol Mg bị tan ít hơn trong dung môi nƣớc. Sự trao đổi ion phụ thuộc vào:  Tƣơng tác tĩnh điện của lớp hydroxit với anion xen giữa và năng lƣợng tự do của các anion cần trao đổi.  Ái lực của hydroxit với các anion cần trao đổi trong dung dịch và ái lực của lớp hydroxit với các anion trong lớp xen giữa.  Cấu tạo của anion cần trao đổi. Hằng số cân bằng trao đổi tăng khi bán kính anion trao đổi giảm, trao đổi ion sẽ thuận lợi với các anion trong dung dịch có nồng độ cao.  Anion hóa trị 2 đƣợc ƣu tiên hơn anion hóa trị 1 và thời gian trao đổi cũng nhanh hơn.  Khoảng cách lớp xen giữa L.  Sự trao đổi ion còn có sự ƣu tiên đối với các ion có trong mạng lƣới tinh thể vật liệu chất hấp phụ rắn, hoặc ít ra có cấu tạo giống với một trong những ion tạo ra mạng lƣới tính chất của chất hấp phụ.