Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoá học: Khảo sát quá trình làm giàu và hoạt hóa bentonite Bình Thuận bằng tác nhân axit

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài là nghiên cứu các thông số công nghệ của quá trình vận hành máy tuyển thuỷ xiclon. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa bentonite Tuy Phong - Bình Thuận (Việt Nam) bằng các tác nhân axit H2SO4. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoá học: Khảo sát quá trình làm giàu và hoạt hóa bentonite Bình Thuận bằng tác nhân axit

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  ĐOÀN MINH ĐỨC KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU VÀ HOẠT HÓA BENTONITE BÌNH THUẬN BẰNG TÁC NHÂN AXIT Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.0113 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2013 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Sỹ Lương Phản biện 1: PGS. TS Lưu Minh Đại Phản biện 2: TS Phan Thị Ngọc Bích Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Ngày 18 tháng 05 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐHSP THÁI NGUYÊN TRUNG TÂM HỌC LIỆU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Ngô Sỹ Lương người thầy đã tận tình chu đáo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo trường PT Vùng Cao Việt Bắc và Ban giám đốc viện công nghệ xạ hiếm đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2013 Tác giả Đoàn Minh Đức Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn Xác nhận của trưởng khoa chuyên môn PGS. TS. Ngô Sỹ Lương TS. Nguyễn Thị Hiền Lan Tác giả Đoàn Minh Đức Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................................v DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. vii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................1 PHẦN I: TỔNG QUAN ...........................................................................................................3 1.1.BENTONITE. .................................................................................................................3 1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonite [1,7,9] ...............................................3 1.1.2. Tính chất của bentonite...............................................................................................5 1.1.3. Ứng dụng của bentonite [9,20.29] ..............................................................................6 1.2. TÀI NGHUYÊN BENTONITE VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC, CHẾ BIẾN KHOÁNG BENTONITE Ở VIỆT NAM ........................................................10 1.2.1. Tổng quan về tài nguyên bentonite Việt Nam [1] ....................................................10 1.2.2. Giới thiệu về bentonite Bình Thuận [1, 6-10] ..........................................................11 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM GIÀU BENTONITE ...................................................14 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP HOẠT HÓA BENTONITE ...................................................18 . THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................21 2.1. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN. ............................21 2.1.1. Mục đích nghiên cứu. ...............................................................................................21 2.1.2. Nội dung nghiên cứu. ...............................................................................................21 2.2. NGUYÊN LIỆU, HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ. ......................................22 2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất ...............................................................................................22 2.2.2. Dụng cụ.....................................................................................................................22 2.2.3. Thiết bị ......................................................................................................................22 2.3. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM LÀM GIÀU VÀ HOẠT HÓA BENTONITE ...23 2.3.1. Phƣơng pháp thủy xiclon. .........................................................................................23 2.3.2. Quá trình thực nghiệm xác định khả năng hoạt hóa bentonite bằng dung dịch axit H2SO4..................................................................................................................................26 2.3.3. Các phƣơng pháp đánh giá .......................................................................................28 PHẦN III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................................30 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
iv 3.1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT CỦA MẪU BENTONITE TUY PHONG - BÌNH THUẬN ..................................................................30 3.2. NGHIÊN CỨU LÀM GIÀU BENTONITE TUY PHONG - BÌNH THUẬN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TUYỂN THỦY XICLON. ....................................................................32 3.2.1. Khảo sát sự phụ thuộc của giải kích thƣớc hạt sản phẩm thu đƣợc từ van tháo phía trên vào kích thƣớc van tháo...............................................................................................32 3.2.2. Khảo sát sự phụ thuộc của giải kích thƣớc hạt sản phẩm thu đƣợc từ van tháo phía trên vào nồng độ (tỷ trọng) của dòng liệu đi vào ................................................................33 3.2.3. Kết quả nghiên cứu sự phụ thuộc của giải kích thƣớc hạt sản phẩm thu đƣợc từ van tháo phía trên vào áp lực tác dụng lên dòng liệu đi vào .....................................................34 3.2.4. Xác định đƣờng cong công suất của xiclon 1 inch ...................................................35 3.2.5. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của kích thƣớc các van tháo liệu phần mịn phía trên và van tháo liệu phần thô phía dƣới của máy tuyển thuỷ xiclon tới tỉ lệ phân chia thể tích dung dịch nguyên liệu.........................................................................................................36 3.3. NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BENTONITE BẰNG PHƢƠNG PHÁP HOẠT HÓA AXIT ...................................................................................................................................42 3.3.1. Làm sạch với bentonite tự nhiên chƣa đƣợc làm giàu 40% MMT ...........................43 3.3.2. Làm sạch với bentonite đã đƣợc làm giàu 90% MMT .............................................47 3.4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BENTONITE ĐÃ ĐƢỢC LÀM GIÀU VÀ LÀM SẠCH ĐỂ ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ .....................................................................51 KẾT LUẬN ............................................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................56 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc mạng lƣới không gian của MMT [9]............................................. 3 Hình 1.2. Mô hình cấu trúc mạng lƣới MMT với sự thay thế đồng hình ở cả vị trí tứ diện và bát diện.. ........................................................................................................... 4 Hình 1.3. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị tuyển thủy xiclon [28] ..................................... 16 Hình 1.4. cân bằng khí trong tuyển thủy xiclon ..................................... 17 Hình 2.1. Thiết bị tuyển thuỷ xiclon“Mozley” C155 ................................................. 24 Hình 2.2. Nhiễu xạ kế tia X D8-Avandced Brucker (CHLB Đức) ........................... 29 Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu bentonite Bình Thuận nguyên khai ....................... 31 Hình 3.2. Đƣờng cong công suất của xiclone 1 inch .................................................. 35 Hình 3.3. Đƣờng cong hiệu suất phân chia................................................................. 36 Hình 3.4. Giản đồ XRD của mẫu bentonite nguyên khai và mẫu bentonite đã đƣợc làm giàu .............................................................................................................................. 42 Hình 3.5. Đồ thị sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào nồng độ dung dịch axit H2SO4 của khoáng bentonite 40%MMT.............................................................. 44 Hình 3.6. Đồ thị sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào thời gian hoạt hóa của khoáng bentonite 40%MMT. ............................................................................... 45 Hình 3.7. Đồ thị sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào tỉ lệ rắn/lỏng của khoáng bentonite 40%MMT. ...................................................................................... 46 Hình 3.8. Giản đồ XRD của mẫu bentonite 40% chƣa hoạt hóa ................................ 47 Hình 3.9. Giản đồ XRD của mẫu bentonite 40% sau khi hoạt hóa ........................... 47 Hình 3.10. Đồ thị sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào nồng độ dung dịch axit H2SO4 của khoáng bentonite 90% MMT............................................................. 48 Hình 3.11. Đồ thị sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào thời gian hoạt hóa của khoáng bentonite 90% MMT ............................................................................... 49 Hình 3.12. Đồ thị sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào tỉ lệ rắn/lỏng của khoáng bentonite 90% MMT ...................................................................................... 50 Hình 3.13. Giản đồ XRD của bentonite BìnhThuận (BT90) đã tinh chế (đã làm giàu bằng thủy xiclon và làm sạch bằng phƣơng pháp axit) .............................................. 51 Hình 3.14. Giản đồ XRD của bentonite thƣơng phẩm của Prolabo (Pháp)................ 51 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
vi 3.15. Giản đồ XRD của mẫu sét hữu cơ đƣợc điều chế trong thiết bị 1 lít, với tỷ lệ muối amoni/bentonite là 110mmol/100g. ............................................................... 52 Hình 3.16. ơ đƣợc điều chế từ bentonite BT90 với CTAB ..................................................................................................................................... 52 3.17. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu sét hữu cơ đƣợc điều chế với tỷ lệ muối amoni/bentonite là 110mmol/100gam bentonite ........................................................ 53 3.18. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu sét bentonite BT90 đƣợc điều chế không có muối amoni hữu cơ. ............................................................................................... 54 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hóa học của sét bentonite Bình Thuận, Varusev và Wyoming ..................................................................................................................................... 12 Bảng 1.2. Phân loại khoáng vật theo kích thƣớc và các phƣơng pháp làm giàu ........ 15 Bảng 3.1. Thành phần hoá học của bentonite Tuy Phong – Bình Thuận, bentonite Rajasthan (Ấn Độ), bentonite Wyoming (USA). ....................................................... 30 Bảng 3.2. Thành phần hoá học của mẫu bentonite Bình Thuận nguyên khai ............ 32 Bảng 3.3. Sự phụ thuộc của tỉ lệ giải hạt sản phẩm thu đƣợc từ van tháo phía trên vào kích thƣớc van tháo phía trên, % ................................................................................ 32 Bảng 3.4. Sự phụ thuộc của tỉ lệ giải hạt sản phẩm thu đƣợc từ van tháo phía trên trong vào nồng độ (tỷ trọng) của dòng liệu đi vào, % ................................................ 33 Bảng 3.5. Sự phụ thuộc của tỉ lệ giải hạt sản phẩm thu đƣợc từ van tháo phía trên vào áp lực tác dụng lên dòng liệu đi vào, psi .................................................................... 34 Bảng 3.6. Tỉ lệ phân chia thể tích tại áp lực 50 psi (Phần trăm theo thể tích của lƣợng nguyên liệu huyền phù đi xuống van tháo phần hạt thô ở đáy xiclon) ....................... 37 Bảng 3.7. Kết quả tuyển thuỷ xiclon .......................................................................... 38 Bảng 3.8. Kết quả tuyển thuỷ xiclon đối với bentonite Bình Thuận .......................... 39 Bảng 3.9. Thành phần hoá học của mẫu bentonite Bình Thuận nguyên khai và 4 mẫu bentonite đã đƣợc làm giàu. ........................................................................................ 40 Bảng 3.10. Thành phần khoáng vật của mẫu bentonite Bình Thuận trƣớc, sau khi ... 40 Bảng 3.11. Thành phần nguyên tố (theo % khối lƣợng) của mẫu bentonite nguyên khai, các mẫu bentonite đã làm giàu ........................................................................... 41 Bảng 3.12. Sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào nồng độ dung dịch axit H2SO4 của khoáng bentonite 40%MMT..................................................................... 43 Bảng 3.13. Sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào thời gian hoạt hóa axit H2SO4 của khoáng bentonite 40%MMT..................................................................... 45 Bảng 3.14. Sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation tỉ lệ rắn/lỏng của khoáng bentonite 40%MMT. ................................................................................................... 46 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
viii Bảng 3.15: Sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào nồng độ dung dịch axit H2SO4 của khoáng bentonite 90% MMT.................................................................... 48 Bảng 3.16: Sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation vào thời gian hoạt hóa của khoáng bentonite 90% ................................................................................................ 49 Bảng 3.17: Sự phụ thuộc của dung lƣợng trao đổi cation tỉ lệ rắn/lỏng của khoáng bentonite 90% MMT................................................................................................... 50 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
1 MỞ ĐẦU Bentonite là loại khoáng sét có thành phần chính là montmorillonite (MMT) với cấu trúc lớp, nên có nhiều đặc tính ƣu việt: trƣơng nở, trao đổi ion, hấp phụ, dẻo,… và vì vậy đã đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [1, 9]. Trong tự nhiên, bentonite thƣờng tồn tại ở dạng khoáng hỗn hợp, gồm MMT, quartz, hectorite, saponite, clorite, mica, calcite, pirrite, manhetite,… các muối kiềm, kiềm thổ và một số hợp chất hữu cơ. Do vậy các tính chất ƣu việt của bentonite bị giảm mạnh. Để tăng hàm lƣợng MMT và giảm bớt lƣợng tạp chất trong bentonite, ngƣời ta phải làm giàu, hoạt hóa bentonite [7,10]. Ngày nay các sản phẩm hoạt hoá của bentonite đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau: dùng làm chất hấp phụ và chế tạo xúc tác trong công nghệ hoá học và xử lý môi trƣờng, chất bảo lƣu trong công nghiệp giấy, chế tạo dung dịch khoan cho công nghiệp dầu khí và xây dựng, chất làm khuôn đúc trong công nghiệp luyện kim, chất giữ ẩm và chất mang các yếu tố vi lƣợng cho sản xuất nông nghiệp, phụ gia sản xuất dƣợc phẩm, mỹ phẩm … Sản lƣợng bentonite hoạt hoá và biến tính mỗi năm trên thế giới hàng trăm triệu tấn. Các nƣớc sản xuất hàng đầu là Mỹ, các nƣớc thuộc Liên Xô cũ, Hy Lạp, Trung Quốc… Bentonite hoạt hoá đƣợc bán trên thị trƣờng gồm hàng chục loại khác nhau với chất lƣợng khác nhau thể hiện ở hàm lƣợng MMT, thành phần hóa học và kích thƣớc hạt của chúng [1-3]. Để làm giàu bentonite, ngƣời ta có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau, trong đó thƣờng sử dụng là 2 phƣơng pháp: lắng gạn nhiều bậc và gần đây là thủy xiclon. Phƣơng pháp thủy xiclon đƣợc coi là phƣơng pháp đặc dụng nhất để làm giàu bentonite từ khoáng nghèo. Để hoạt hóa bentonite, ngƣời ta có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau: nhiệt [12], kiềm (khô hoặc ƣớt) [11] và axit, trong đó phƣơng pháp hoạt hóa bằng axit đƣợc sử dụng phổ biến hơn cả vì hiệu quả cao, dễ thực hiện. Các axit thƣờng đƣợc sử dụng trong hoạt hóa bentonite là axit sunfuric, clohydric, photphoric, ...[5,13,16,18]. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
2 Việt Nam có tài nguyên bentonite đa dạng về chủng loại, với trữ lƣợng hàng trăm triệu tấn. Tuy nhiên mới đƣợc khai thác ở quy mô nhỏ và dùng chủ yếu ở dạng thô, chƣa có sản phẩm đạt chất lƣợng cao và ổn định, phạm vi ứng dụng còn rất hạn chế. Hơn nữa chất lƣợng bentonite của nƣớc ta không cao và không thể sử dụng trong một số ngành công nghệ cao đòi hỏi vật liệu bentonite có hàm lƣợng lớn [3-6,10]. Hiện nay, nhu cầu bentonite hoạt hoá và biến tính cho ngành công nghiệp giấy, sơn, vv... cho các nghiên cứu triển khai công nghệ vật liệu cao đƣợc đáp ứng bằng nhập ngoại, với những khó khăn về giá cả và giao dịch,... Nhiều đề tài ứng dụng vật liệu này chỉ đƣợc thực hiện với lƣợng nhỏ và kết quả không thể triển khai vào thực tế. Những khó khăn này có thể khắc phục đƣợc bằng cách tự điều chế bentonite từ tài nguyên trong nƣớc [1-3]. Nhà nƣớc ta cũng đó có chủ trƣơng nghiên cứu phát triển và mở rộng các sản phẩm từ nguồn khoáng bentonite trong nƣớc, để mở rộng một cách hiệu quả việc sử dụng bentonite hoạt hoá và biến tính và tạo khả năng đáp ứng nhu cầu lớn trong tƣơng lai về vật liệu này cho các ngành công nghiệp và đời sống. Xuất phát từ thực tế nguồn quặng bentonite Việt Nam dồi dào, nhu cầu sử dụng bentonite đã đƣợc làm giàu và hoạt hóa cho các ứng dụng trong nƣớc là lớn, chúng tôi chọn đề tài cho luận văn là: “Khảo sát quá trình làm giàu và hoạt hóa bentonite Bình Thuận bằng tác nhân axit.” Chúng tôi đã lựa chọn khoáng sét bentonite ở Tuy Phong - Bình Thuận làm nguyên liệu đầu cho việc nghiên cứu vì đây là mỏ bentonite có trữ lƣợng lớn ở Việt Nam, đã và đang đƣợc khai thác sử dụng cho một số mục đích khác ở nƣớc ta. . Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
3 PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1.BENTONITE. 1.1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của bentonite [1,7,9] Dựa vào các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trong các tài liệu tham khảo có thể đƣa ra một số nét chính về thành phần, cấu trúc và tính chất của sét nhƣ sau: - Thành phần khoáng vật: Bentonite là là montmorillonite (MMT). Ngoài ra trong bentonite tự nhiên còn chứa một số khoáng sét khác nhƣ hectorite, saponite, clorite, mica,… và một số khoáng phi sét nhƣ calcite, pirrite, manhetite,… các muối kiềm và một số hợp chất hữu cơ . - Thành phần hóa học: Montmorillonite là thành phần chính của khoáng bentonite tự nhiên, 2O3.4SiO2.nH2O . - Cấu trúc: Cấu trúc mạng lƣới không gian của MMT đã đƣợc trình bày ở hình 1.1. Khi tồn tại trong tự nhiên, các ion trong mạng lƣới có thể bị thay thế và vì vậy thành phần hóa học của khoáng có thể bị thay đổi nhiều [9]. Hình 1.1. Cấu trúc mạng lưới không gian của MMT [9] MMT là khoáng có cấu trúc lớp 2:1 dạng diocta. Cấu trúc mạng lƣới tinh thể của nó gồm hai lá tứ diện liên kết với một lá bát diện ở giữa, các lá này kết hợp với nhau sao cho các đỉnh của tứ diện tạo thành một lớp chung chứa các nguyên tử oxi của silic cùng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
4 với nhóm hydroxyl của bát diện tạo nên một đơn vị tế bào mạng lƣới cơ bản. Trong trƣờng hợp này mạng aluminosilicate trung hoà điện, công thức lý thuyết là (OH)4Si8Al4O20.nH2O và công thức khai triển đƣợc mô tả trên hình 1.1, các lớp đƣợc mở rộng theo hƣớng a và b, xếp chồng lên nhau theo hƣớng c [27,29]. Hình 1.2. Mô hình dòng tuần hoàn bên dƣới cấu trúc mạng lưới MMT với sự thay thế đồng hình ở cả vị trí tứ diện và bát diện. Nói chung, các cation giữa các lớp đều được hydrat hóa. Trên thực tế quá trình thay thế luôn xảy ra trong cấu trúc của MMT, Al3+ 3+ có thể thay cho Si4+ , Mg2+, Fe2+, Zn2+, Ni2+có thể thay cho Al3+ . Hình 1.2 là mô hình sự thay thế đồng hình ở cả hai vị trí tứ diện và bát diện trong sét MMT. Do sự thay thế chẳng hạn Al3+ bằng Mg2+ 1/4÷1/5) và Si4+ bằng Al3+ . Nét đặc trƣng nhất c Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
5 ra khỏi nhau hoàn toàn [7-9]. 1.1.2. Tính chất của bentonite Do bentonite chứa chủ yếu là MMT có cấu trúc gồm các lớp aluminosilicate liên kết với nhau bằng liên kết hydro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp nên bentonite có các tính chất đặc trƣng: trƣơng nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trƣơng nở, hấp phụ và trao đổi ion. a. Tính trương nở [19,20] Cấu trúc lớp hai chiều của các khoáng sét làm cho chúng có có khả năng hấp phụ lƣợng nƣớc lớn và sau đó bóc tách, làm mất cấu trúc lớp của chúng và vì vậy chúng có thể tồn tại ở dạng phiến rất mỏng. Khi nƣớc bị hấp phụ vào giữa các lớp sét sẽ làm tăng khoảng cách giữa các lớp sét (giá trị d001) gây ra sự trƣơng nở của sét. Sự trƣơng nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, sự thay thế đồng hình trong các lớp bát diện và các ion (cation trao đổi) trong môi trƣờng phân tán. Lƣợng nƣớc đƣợc hấp phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrat hoá của các cation trao đổi. Ngoài ra, độ trƣơng nở của bentonite còn phụ thuộc vào bản chất của 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 trong cấu trúc của MMT. Vì thế khi bị hyđrat hoá, bentonite-Na có khả năng trƣơng nở từ khoảng cách cơ sở là từ 9,6Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trƣờng kiềm bentonite- Na bị hiđrat hóa mạnh hơn và vì vậy huyền phù bentonite-Na rất bền vững. b. Tính chất hấp phụ [4,8,20,29,21,22 ] Tính chất hấp phụ của bentonite đƣợc quyết định bởi đặc tính bề mặt, cấu trúc xốp và kích thƣớc hạt của chúng . Do bentonite có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và bề mặt riêng lớn. Với kích thƣớc hạt nhỏ hơn 2 µm và có cấu trúc Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
6 mạng tinh thể dạng lớp nên bentonite có bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt .. Khả năng hấp phụ của bentonite còn phụ thuộc vào tính chất, kích thƣớc, hình dạng của các tác nhân bị hấp phụ. Các chất hữu cơ phân cực có kích thƣớc và khối lƣợng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm giữa các lớp sét hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nƣớc. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thƣớc và khối lƣợng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lƣới tinh thể bằng lực van der Walls hoặc liên kết ở vị trí của hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polyme và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonite . c. Khả năng trao đổi ion của bentonite[8,9,11,36] Sự thay thế đồng hình của Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện và Al3+ bằng Mg2+ trong mạng lƣới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lƣới cấu trúc, các điện tích âm này sẽ đƣợc bù trừ bằng các cation nhƣ Na+, Ca2+,v.v.., chúng đƣợc gọi là các cation trao đổi. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lƣợng điện tích âm bề mặt, số lƣợng ion trao đổi và pH của môi trƣờng trao đổi. Nếu số lƣợng điện tích âm bề mặt càng lớn, số lƣợng cation trao đổi càng lớn thì dung lƣợng trao đổi càng lớn. Ngoài ra khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicate còn phụ thuộc vào hoá trị và bán kính của các cation trao đổi [8]: - Cation hoá trị thấp dễ trao đổi hơn cation hoá trị cao: Me+ > Me2+ > Me3+ - Đối với cation có cùng hoá trị thì bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn, có thể sắp xếp theo trật tự sau: Li+ > Na+ > K+> Mg2+> Ca2+> Fe2+> Al3+ 1.1.3. Ứng dụng của bentonite [9,20.29] Vì bentonite có các tính chất nêu trên, nên từ xa xƣa con ngƣời đó biết sử dụng các loại sét tự nhiên để chế tạo ra các vật dụng: dụng cụ nấu nƣớng, bình đựng, đồ trang sức Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
7 để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt. một trong số các loại khoáng sét đƣợc sử dụng nhiều nhất là bentonite. Hiện nay bentonite đã thâm nhập rộng rãi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau: - Dùng làm vật liệu hấp phụ, vật liệu trao đổi ion trong quá trình xử lý môi trƣờng nƣớc. - Sử dụng làm các chất mang, chất xúc tác trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ. - Chất độn trong ngành sản xuất giấy, cao su, nhựa - Dùng để pha chế dung dịch khoan. - Làm khuôn trong ngành đúc, luyện kim. - Dùng làm vật liệu xây dựng, - Sử dụng trong công nghiệp thực phẩm: làm sạch dầu thực vật và một số chế phẩm hữu cơ. Dùng làm chất kết dính, chất độn trong thức ăn gia súc. - Sử dụng trong công nghiệp mỹ phẩm. - Dùng để chế các vật dụng trang trí, đồ mỹ nghệ. - Dùng để chế tạo vật liệu chống sa lắng trong sơn, mực in, dầu, mỡ,.. - Gần đây là ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu nano-composit với các tính năng ƣu việt và đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực chống cháy, vật liệu xốp, bền cơ, bền hoá học,… Sau đây chúng tôi xin trình bày một số ứng dụng đáng quan trọng của bentonite: a. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ [12,21,22] Bentonite có tính chất cơ bản là độ axit cao nên có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ đó. Bề mặt của bentonite mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình của các ion Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở bát diện. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm của chúng không đƣợc bù trừ bởi các ion dƣơng. Do vậy tâm axit Lewis đƣợc tạo thành từ ion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt bentonite. Nếu lƣợng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt bentonite sẽ làm tăng độ axit Lewis của chúng. Trên bề mặt bentonite tồn tại các nhóm hidroxyl. Các nhóm hidroxyl có khả năng nhƣờng proton để hình thành trên bề mặt bentonite những tâm axit Bronsted. Số lƣợng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
8 nhóm hidroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của bentonite. Sự tƣơng tác giữa cột chống và lớp bentonite dẫn đến hình thành liên kết cộng hóa trị: cột chống-bentonite, giải phóng nƣớc và proton làm tăng độ axit và bền hoá cấu trúc của bentonite chống. Biến tính bentonite bằng phƣơng pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị, các chất hữu cơ tạo ra vật liệu xúc tác có độ axit và độ xốp cao hơn xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ. Ví dụ: Sử dụng các xúc tác axit rắn trong phản ứng hữu cơ ở pha lỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng. Sau khi kết thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗn hợp phản ứng có thể tách xúc tác rắn. Ngoài ra, do bentonite có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ các chất xúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp và đƣợc sử dụng làm chất xúc tác cho nhiều phản ứng. b. Làm vật liệu hấp phụ [22,30,34,35] Bentonite đƣợc dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp. Trong công nghiệp lọc dầu, lƣợng bentonite đƣợc sử dụng rất lớn, bao gồm bentonite tự nhiên và bentonite đã hoạt hóa. Việc sử dụng bentonite làm chất hấp phụ có ƣu điểm là: Lƣợng bentonite mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5% lƣợng dầu đƣợc tinh chế, mức hao phí dầu thấp do tránh đƣợc phản ứng thuỷ phân. Do khả năng hấp phụ tốt bentonite có thể tạo ra các dung dịch khoan với chất lƣợng cao và chi phí nguyên liệu thấp. Những chức năng quan trọng của bentonite trong dung dịch khoan là: + Làm tăng sức lôi cuốn của dung dịch khoan thông qua độ nhớt tăng ở nồng độ chất rắn thấp. + Tạo huyền phù với các tác nhân và mùn khoan gây lắng khi ngừng lƣu chuyển dung dịch khoan vì một lí do nào đó. + Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nƣớc nhờ việc tạo nên lớp bánh lọc không thấm nƣớc trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch mà còn có tác dụng nhƣ một cái màng làm bền thành lỗ khoan. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
9 Nhờ khả năng hấp phụ tốt nên bentonite còn đƣợc sử dụng làm chất hấp phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trƣờng... c. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ, sét chống và composite [1,6-10] Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành công nghiệp đã sử dụng đến vật liệu bentonite. Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn với các chất khác. Thí dụ, polyme để làm composite gọi là composite nano bentonite. Polyme có trộn thêm hạt nano bentonite khi kéo thành màng rất kín so với polyme không trộn vì khi kéo, cán, các tấm nano bentonite này nằm song song với bề mặt ngăn cản rất tốt nhiều loại phân tử đi qua. Các hạt nano bentonite này trộn với polime không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm để dẫn thuốc, dẫn máu dễ dàng trong y tế. Từ những thí dụ trên cho thấy có thể lấy hạt nano bentonite để làm chất độn, làm nano composite. d. Dùng làm chất độn màu trong công nghiệp sản xuất vật liệu tổng hợp [1,2,7] Trong công nghiệp sản xuất xà phòng, sản xuất vải sợi một lƣợng bentonite đã đƣợc sử dụng. Đặc biệt trong vài thập kỉ gần đây việc sử dụng bentonite vào trong ngành công nghiệp giấy đã làm thay đổi đáng kể chất lƣợng giấy, trƣớc kia giấy thƣờng xấp xỉ 50% xenlulo, hàm lƣợng cao lanh (chất độn) nguyên chất có trong giấy không thể vƣợt quá 45%. Nếu trộn thêm 10% bentonite kiềm vào thì hàm lƣợng cao lanh tăng lên 60% , nếu dùng 100% bentonite thì lƣợng cao lanh lên tới 84%. Giảm lƣợng xenlulo cần có trong giấy đi 3 lần. e. Dùng trong công nghiệp bia, rượu [1,4] Trong công nghiệp chế biến rƣợu vang và các chế phẩm từ rƣợu vang sử dụng bentonite hoạt hóa làm chất hấp phụ đã làm giảm 30% đến 40% chi phí. Bentonite không chỉ hấp phụ các chất hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men mà còn hấp phụ cả ion sắt, đồng và các tác nhân gây ra bệnh của rƣợu lại không làm mất hƣơng vị của rƣợu, bia. f. Dùng trong công nghiệp tinh chế nước [1, 17] Sử dụng bentonite làm sạch nguồn nƣớc mặt nhƣ: nƣớc sông ngòi, kênh mƣơng và các vùng giếng khoan. Do bentonite làm kết tủa các vẩn đục thay cho việc dùng phèn đắt tiền hơn nhiều. Không những thế mà bentonite còn có khả năng hấp phụ các ion gây độc Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
10 và một lƣợng lớn vi khuẩn, chất hữu cơ có trong nƣớc, khử tính cứng của nƣớc với giá thành tƣơng đối rẻ. Khả năng lắng cặn lơ lửng trong nƣớc, trao đổi ion và hấp phụ chất hữu cơ trong đó có các vi khuẩn gây bệnh tạo ra giá trị đặc biệt của bentonite trong công nghiệp xử lí nƣớc. g. Dùng trong một số lĩnh vực khác Trong các công trình thủy lợi nhƣ: đê điều, mƣơng máng và những công sự phòng thủ bằng đất sử dụng bentonite nhờ đặc tính trƣơng nở mạnh và đặc tính dẻo. Đặc biệt bentonite còn đƣợc dùng làm phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit. Hiện nay các nghiên cứu về khả năng ứng dụng bentonite-Na dạng nén làm vật liệu lấp các kho chứa chất thải phóng xạ nhờ vào độ dẫn thủy lực của sét đã đƣợc nén rất thấp giữ cho chì từ các chất thải phóng xạ không nhiễm vào nƣớc ngầm và khả năng trao đổi cation hấp phụ tất cả các nuclite thoát ra từ chất thải phóng xạ [8]. 1.2. TÀI NGHUYÊN BENTONITE VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC, CHẾ BIẾN KHOÁNG BENTONITE Ở VIỆT NAM 1.2.1. Tổng quan về tài nguyên bentonite Việt Nam [1] Theo tài liệu của các nhà địa chất, ở nƣớc ta đã phát hiện đƣợc hơn 20 mỏ và điểm quặng sét bentonite. Các mỏ và điểm quặng có quy mô lớn đều tập trung ở phần phía nam (thành phố Hồ Chí Minh, Bình Thuận, Lâm Đồng). Phía bắc sét bentonite với hàm lƣợng nhóm smectite thấp tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng bắc bộ và Thanh Hoá. Có thể phân bentonite Việt Nam theo 2 kiểu nguồn gốc: - Kiểu nguồn gốc trầm tích - Kiểu nguồn gốc phong hoá a. Bentonite nguồn gốc trầm tích tuổi Neogen thuộc hệ tầng Di Linh: Loại bentonite này nằm trong mặt cắt trầm tích hồ, hạt mịn, gồm nhiều lớp xen kẹp nhau của sét bentonite, sét chứa diatomite, sét caolin, sét than, than nâu cùng với trầm tích vụn thô cát, cát sét và phun trào bazan. Các lớp bentonite đƣợc thành tạo từ các lớp sét chứa vật chất núi lửa: tuff, tro bụi, thủ tinh núi lửa... trong môi trƣờng đầm hồ bị biến đổi tạo thành, nhƣ ở mỏ Tam Bố huyện Di Linh tỉnh Lâm Đồng. Các thân bentonite dạng lớp, dạng thấu kính. Chiều dày các Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/