Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, ngoài mặt tích cực là đem lại những thành quả to lớn đối với sự phát triển kinh tế, xã hội thì mặt trái của nó là việc thải ra môi trường một lượng lớn các chất thải độc hại, đáng chú ý là những chất hữu cơ độc hại bền vững, trong đó có phenol và các hợp chất của phenol trong nước thải, phẩm nhuộm…. Đây là nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học. Trong suốt những thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, zeolit đã được ứng dụng làm chất hấp phụ cũng như chất mang xúc tác để xử lý phenol trong môi trường nước nhưng còn hạn chế. Do đó, nhiều nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, tìm kiếm những vật liệu có tính năng vượt trội hơn nhằm đáp ứng nhu cầu cho việc xử lý môi trường bị ô nhiễm như bằng cách gắn kết vào bentonit một gốc hữu cơ, nhờ khả năng hấp phụ và trao đổi ion tốt của bentonit nên bentonit biến tính thành vật liệu ưa hữu cơ hơn. Sét hữu cơ được tạo thành có cấu trúc lớp, thuộc họ vật liệu mao quản trung bình đã khắc phục được nhược điểm của than hoạt tính, zeolit và có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ như các hợp chất phenol. Sét hữu cơ tổng hợp từ nguồn bentonit Bình Thuận với tetraetyl orthosilicat chưa được nghiên cứu nhiều trên thế giới và ở Việt Nam. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khả năng hấp phụ phenol đỏ của sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận với tetraetyl orthosilicat”. Trong đề tài này, chúng tôi đặt mục tiêu: Tổng hợp sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận và tetraetyl orthosilicat. Nghiên cứu cấu trúc của sét hữu cơ tổng hợp bằng một số phương pháp hóa lý. Khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ của bentonit Bình Thuận và sét hữu cơ tổng hợp.
Trang 1VỚI TETRAETYL ORTHOSILICAT
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
THÁI NGUYÊN - 2020
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
MAI THỊ NGỌC LINH
TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG
CẤU TRÚC VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHENOL ĐỎ CỦA SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT BÌNH THUẬN
VỚI TETRAETYL ORTHOSILICAT
Ngành: HÓA VÔ CƠ
Mã số: 8 44 01 13
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thị Hà Thanh
THÁI NGUYÊN - 2020
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Tổng hợp, nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc và khả năng hấp phụ phenol đỏ của sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận với tetraetyl orthosilicat" là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu
trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong một công trình nào khác
Thái Nguyên, tháng 08 năm 2020
Tác giả luận văn
Mai Thị Ngọc Linh
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thị Hà Thanh - người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Hóa học đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu để em hoàn thành luận văn
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên; Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các anh chị học viên đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn
Vì thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu
có thể còn nhiều thiếu xót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,
cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 8 năm 2020
Tác giả
Trang 5MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt v
Danh mục bảng vi
Danh mục hình vii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 TỔNG QUAN 2
1.1 Giới thiệu về bentonit 2
1.1.1 Thành phần và cấu trúc của bentonit 2
1.1.2 Tính chất của bentonit 3
1.1.3 Nguồn tài nguyên bentonit 7
1.1.4 Giới thiệu một số phương pháp hoạt hóa bentonit 8
1.2 Sét hữu cơ 9
1.2.1 Giới thiệu về sét hữu cơ 9
1.2.2 Cấu trúc của sét hữu cơ 11
1.2.3 Tính chất và ứng dụng của sét hữu cơ 13
1.2.4 Tổng hợp sét hữu cơ 15
1.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế sét hữu cơ bằng phương pháp khuếch tán trong dung dịch nước 17
1.3 Giới thiệu về phenol đỏ 19
1.4 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 20
1.4.1 Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 21
1.4.2 Cân bằng hấp phụ, dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ 21
1.4.3 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt - Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 23
Chương 2 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25
2.1 Hóa chất, dụng cụ 25
2.1.1 Hóa chất 25
Trang 62.1.2 Dụng cụ, máy mọc 25
2.1.3 Các phương pháp nghiên cứu 25
2.2 Khảo sát quá trình tổng hợp sét hữu cơ 27
2.2.1 Quy trình điều chế sét hữu cơ 27
2.2.2 Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ tổng hợp 28
2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ của bent-BT và sét hữu cơ điều chế 33
2.3.1 Xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ 33
2.3.2 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phenol đỏ của bent-BT và sét hữu cơ tổng hợp………41
KẾT LUẬN 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
Trang 7DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
bent-BT Bentonit Bình Thuận
bent-Ca Bentonit canxi
bent-Na Bentonit natri
CEC Dung lượng trao đổi cation
d001 Khoảng cách giữa hai mặt mạng
SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét
TĐTM Tetrađecyltrimetyl amoni bromua
TEOS Tetraetyl orthosilicat
TGA Phương pháp phân tích nhiệt
UV-Vis Phương pháp phổ hấp thụ phân tử
Trang 8DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa vào thành phần 3 nguyên
tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si) 2 Bảng 1.2 Thành phần bentonit Bình Thuận (sử dụng trong đề tài) 8 Bảng 1.3 Tóm tắt một số công trình của Kwolek và cộng sự (2003), Tang và
cộng sự (2003), Yilmaz (2004) và Lee (2004) 13 Bảng 2.1 Kết quả phân tích hiệu ứng mất khối lượng của bent-BT và sét hữu cơ
tổng hợp 31 Bảng 2.2 Số liệu xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ 33 Bảng 2.3 Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ vào pH
của bent-BT và sét hữu cơ 35 Bảng 2.4 Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian 36 Bảng 2.5 Ảnh hưởng của khối lượng bent-BT, sét hữu cơ đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ phenol đỏ 38 Bảng 2.6 Ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ban đầu đến dung lượng và hiệu
suất hấp phụ của sét hữu cơ 40 Bảng 2.7 Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir b của bent-
BT và sét hữu cơ điều chế 43
Trang 9DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT 3
Hình 1.2 Quá trình trao đổi cation trong dung dịch của MMT 4
Hình 1.3 Lớp giữa bentonit sau khi bị hiđrat hóa 5
Hình 1.4 Công thức cấu tạo của muối ankyl amoni 10
Hình 1.5 Quá trình hữu cơ hóa khoáng sét 10
Hình 1.6 Sự định hướng của các ion ankyl amoni trong các lớp silicat 11
Hình 1.7 Cấu trúc sét nanocompozit 14
Hình 1.8 Xử lí nước ô nhiễm Cu2+ , Ni2+, Cd2+ bằng màng nanocompozit có thành phần sét hữu cơ 15
Hình 1.9 Cấu tạo phân tử, cấu trúc không gian của phenol đỏ 19
Hình 1.10 Cơ chế chuyển màu của phenol đỏ 20
Hình 1.11 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 24
Hình 1.12 Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 24
Hình 2.1 Quy trình điều chế sét hữu cơ 27
Hình 2.2 Giản đồ XRD của bent-BT 28
Hình 2.3 Giản đồ XRD của sét hữu cơ tổng hợp 28
Hình 2.4 Giản đồ phân tích nhiệt của bent-BT 29
Hình 2.5 Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ tổng hợp 30
Hình 2.6 Ảnh SEM của bent-BT 32
Hình 2.7 Ảnh SEM của sét hữu cơ tổng hợp 32
Hình 2.8 Đường chuẩn của phenol đỏ 33
Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH dung dịch đến dung lượng hấp phụ phenol của bent-BT và sét hữu cơ tổng hợp 34
Hình 2.10 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ của bent-BT và sét hữu cơ điều chế 37
Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-BT, sét hữu cơ tổng hợp đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ 39
Trang 10Hình 2.12 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ ban đầu đến khả
năng hấp phụ phenol đỏ của bent-BT và sét hữu cơ điều chế 41 Hình 2.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của bent-BT đối với phenol đỏ 41 Hình 2.14 Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của
bent-BT 42 Hình 2.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sét hữu cơ đối với phenol đỏ 42 Hình 2.16 Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ của sét
hữu cơ tổng hợp 43
Trang 11
MỞ ĐẦU
Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, ngoài mặt tích cực là đem lại những thành quả to lớn đối với sự phát triển kinh tế, xã hội thì mặt trái của nó là việc thải ra môi trường một lượng lớn các chất thải độc hại, đáng chú ý là những chất hữu cơ độc hại bền vững, trong đó có phenol và các hợp chất của phenol trong nước thải, phẩm nhuộm… Đây là nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học
Trong suốt những thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, zeolit đã được ứng dụng làm chất hấp phụ cũng như chất mang xúc tác để xử lý phenol trong môi trường nước nhưng còn hạn chế Do đó, nhiều nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, tìm kiếm những vật liệu có tính năng vượt trội hơn nhằm đáp ứng nhu cầu cho việc xử lý môi trường bị ô nhiễm như bằng cách gắn kết vào bentonit một gốc hữu
cơ, nhờ khả năng hấp phụ và trao đổi ion tốt của bentonit nên bentonit biến tính thành vật liệu ưa hữu cơ hơn Sét hữu cơ được tạo thành có cấu trúc lớp, thuộc họ vật liệu mao quản trung bình đã khắc phục được nhược điểm của than hoạt tính, zeolit và có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ như các hợp chất phenol Sét hữu cơ tổng hợp từ nguồn bentonit Bình Thuận với tetraetyl orthosilicat chưa được nghiên cứu nhiều trên thế giới và ở Việt Nam Vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài:
“Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khả năng hấp phụ phenol đỏ của sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận với tetraetyl orthosilicat”.
Trong đề tài này, chúng tôi đặt mục tiêu:
- Tổng hợp sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận và tetraetyl orthosilicat
- Nghiên cứu cấu trúc của sét hữu cơ tổng hợp bằng một số phương pháp hóa lý
- Khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ của bentonit Bình Thuận và sét hữu cơ tổng hợp
Trang 12Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về bentonit
1.1.1 Thành phần và cấu trúc của bentonit
Thành phần khoáng :
Bentonit là một nguồn khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit, có cấu trúc lớp Thành phần chính là montmorillonit (MMT), vì vậy nó còn được gọi là MMT, ngoài ra còn chứa một số khoáng sét khác như kaolinit, mica, thạch anh, cristobalit, illit, quartz, biotit… và một số khoáng phi sét như canxit, pirit, manhetit, một số muối kim loại kiềm khác và hợp chất hữu cơ [1], [10], [25],[29]
Khoáng sét có thể được phân nhóm dựa vào tỉ lệ và kiểu liên kết giữa các đơn vị cấu trúc tứ diện và bát diện Nhóm sét lớp 1:1 có cấu trúc lớp cơ bản gồm 1 mạng tứ diện liên kết với 1 mạng bát diện, đại diện là kaolinit, saponit Trường hợp lớp bát diện AlO6
bị kẹp giữa hai lớp tứ diện SiO4 thì khoáng sét có cấu trúc lớp kiểu 2:1 hay còn gọi là silicat (smectit), đại diện là montmorillonit, nontronit, illit, vecmiculit, talc…
Ngoài ra, dựa vào thành phần 3 nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si)
có thể phân loại khoáng sét như bảng 1.1
Bảng 1.1 Phân loại một số khoáng sét thường gặp dựa vào thành phần
3 nguyên tố chủ yếu Al, Fe, Mg (không kể Si) [4]
Công thức phân tử chung của MMT là (M+
x..nH2O)(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2, trong đó M+ là cation trao đổi giữa các lớp (M+ = Na+, K+, Mg2+, Ca2+), trong điều
kiện lí tưởng x = 0,33 [10] Công thức đơn giản nhất của MMT là
Trang 13Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc Công thức lý tưởng của MMT là Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc
Cấu trúc:
Các lớp trong cấu trúc của khoáng sét được tạo ra từ 2 đơn vị cấu trúc cơ bản
là cấu trúc tứ diện SiO4 và cấu trúc bát diện MeO6, trong đó Me = Al, Fe, Mg
Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT
Do MMT có cấu trúc 2:1 dạng điocta đã tạo nên một lớp aluminosilicat Giữa các lớp aluminosilicat là các cation có khả năng trao đổi bị hiđrat hóa Khoảng cách giữa các lớp trong cấu trúc cơ bản của MMT là 9,6Å đối với trạng thái khô, khoảng cách này bị thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng, bản chất các cation trao đổi
và lượng nước bị hấp phụ, thường có thể tăng lên khoảng 15 - 20Å Khoảng cách này còn có thể tăng lên đến 30Å khi các cation trao đổi được thay thế bằng các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử hữu cơ [8]
1.1.2 Tính chất của bentonit
Bentonit tương đối mềm, có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe trong cấu trúc khoáng Do bentonit gồm các lớp aluminosilicat liên kết với nhau bởi lực Van der Waals, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp nên bentonit có các tính chất đặc trưng: tính trương nở, khả năng hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trao đổi ion, tính trương nở và hấp phụ [2], [7]
Khả năng trao đổi ion:
Bentonit có khả năng trao đổi ion là do trên bề mặt các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm và do sự thay thế đồng hình của các cation chủ yếu
Trang 14xảy ra ở lớp bát diện và giữa hai lớp tứ diện, liên kết giữa cation và bề mặt sét là liên kết yếu Sự trao đổi ion của bentonit với ion của dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ra giữa các lớp cấu trúc, được thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tán trong dung dịch muối có nồng độ thích hợp
Hình 1.2 Quá trình trao đổi cation trong dung dịch của MMT
Dung lượng trao đổi cation (cation exchange capacity - CEC) đặc trưng cho khả năng trao đổi cation của bentonit CEC là tổng số các cation trao đổi trong một trọng lượng đất nhất định và được tính bằng mili đương lượng cho 1 gam đất (meq/g) hoặc thông dụng hơn là mili đương lượng cho 100 gam đất (meq/100g) Trong hệ đơn
vị SI thì đơn vị đặc trưng cho khả năng này là Culong/gam (C/g), 1 meq = 96,5 C/g
Nếu biết phân tử khối M và giá trị điện tích lớp của bentonit thì dung lượng trao đổi cation được tính bằng công thức:
CEC = 105ζ/M (meq/100g) (1.1)
ζ : điện tích tổng cộng của các lớp
Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm bề mặt, bản chất của các ion trao đổi và pH của môi trường trao đổi CEC của MMT tăng khi pH của dung dịch lớn hơn hoặc bằng 6 [6]
Sự chọn lọc trao đổi cation còn phụ thuộc vào đặc tính hóa học của các khoáng sét, thể hiện qua dãy hấp thụ các cation của các khoáng sét khác nhau:
MMT: Li+ < Na+ < K+ < H+ < Rb+ <Mg2+ < Ca2+ = Sr2+< Ba2+
Kaolinit: Li+ < Na+ < H+ < K+ < Rb+ <Mg2+ < Ca2+ = Sr2+< Ba2+
Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào hoá trị, mức
độ hiđrat hóa và bán kính của các cation trao đổi
- Cation hoá trị thấp dễ trao đổi hơn cation hoá trị cao: Me+ > Me2+ > Me3+
Trang 15- Đối với cation có cùng hoá trị: 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+
Khả năng trương nở:
Khi bentonit hấp phụ hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước phân cực sẽ thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 14 15Å tùy thuộc vào loại bentonit và lượng nước bị hấp phụ gây ra sự trương nở Sự tăng khoảng cách d001 được giải thích là do sự hiđrat hóa của các cation giữa các lớp Mức
độ trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong môi trường phân tán [2], [3], [25],[27]
Hình 1.3 Lớp giữa bentonit sau khi bị hiđrat hóa
Khả năng trương nở trong nước của bentonit-Na (bent-Na) cao hơn rất nhiều của bentonit chứa K, Ca hoặc Mg Độ trương nở của bentonit-Ca (bent-Ca) từ 100 ÷ 150%, đối với bent-Na độ trương nở lớn hơn
Khả năng hấp phụ:
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt, cấu trúc rỗng và kích thước hạt của chúng, sự tương tác của các chất bị hấp phụ với các tâm hoạt tính trên bề mặt Với kích thước hạt nhỏ hơn 2µm và có cấu trúc mạng tinh thể dạng lớp nên bentonit có bề mặt riêng lớn (diện tích bề mặt của bentonit khoảng 800
m2/g, trong khi đó diện tích bề mặt của silicagen là 300 ÷ 600m2/g, của cao lanh khoảng 15 ÷ 20m2
/g) [20] Diện tích bề mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt ngoài
và diện tích bề mặt trong Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng nhỏ
bị hấp phụ bằng cách tạo liên kết trực tiếp với các cation trao đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước hoặc liên kết với các trung tâm
mang điện tích trên bề mặt các lớp sét [1]
Trang 16Với những tính chất đặc trưng trên, bentonit được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau, sau đây là một số ứng dụng chính:
Làm chất hấp phụ
Nhờ khả năng hấp phụ cao, bentonit được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp hóa than, công nghiệp lọc dầu, xử lý chưng cất dầu
mỏ, chế tạo ra các dung dịch khoan… với chất lượng cao và chi phí thấp
Làm chất hấp phụ protein trong rượu bia Trong công nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang, sử dụng bentonit hoạt hóa làm chất hấp phụ đã làm giảm 30 ÷ 40% chi phí [1]
Làm chất độn
Một lượng lớn bentonit đã được sử dụng làm chất độn trong công nghiệp sản xuất vật liệu tổng hợp (xà phòng, vải sợi ), trong sản xuất sơn, giấy, chất màu trong một số ngành công nghiệp…
Làm chất xúc tác
Do có độ axit cao nên bentonit có thể được dùng làm chất xúc tác trong các
phản ứng hữu cơ Ngoài ra, do bentonit có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ
các chất xúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp Vì vậy, bentonit được sử dụng làm chất mang xúc tác cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ
Làm nguyên i u điều ch sét h u cơ và n nocompozit
Do khả năng trương nở tốt, người ta có thể điều chế được sét hữu cơ và các polime - clay nanocompozit có các tính chất cơ học tốt, khả năng chịu nhiệt cao hoặc tạo mạng phủ bền
Dùng để xử ý môi trường
Do có cấu trúc lớp và tương đối xốp, vì vậy trong lĩnh vực xử lý môi trường bentonit thường được sử dụng như là một vật liệu hấp phụ tự nhiên và làm pha nền để phân tán xúc tác nhằm gia tăng diện tích bề mặt riêng của xúc tác cũng như tăng khả năng hấp phụ của xúc tác
Trong ĩnh vực xử ý chất thải, chất thải phóng xạ
Đây là một lĩnh vực sử dụng truyền thống lâu nay, bentonit được bổ sung những vòng ion Al3+, Fe3+, Mg2+, Ca2+,… để tăng hoạt tính, được dùng để xử lý kiềm,
Trang 17axit, nước thải, trong đó bentonit chủ yếu làm chất kết ngưng xúc tiến quá trình đông quanh bùn thải Là chất lọc có hiệu quả đối với nước thải có nhiều chất không tan, chất lơ lửng và chất trôi nổi [10], [22]
Một số tính chất và ứng dụng khác:
Tính k t dính: khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh Do
đó trong các xưởng đúc gang, bentonit được dùng làm chất kết dính để vê quặng bột
thành viên trước khi đưa vào lò nung, hoặc làm chất kết dính trong khuôn cát để đúc
Tính trơ: bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được Người ta
dùng bentonit làm chất độn trong dược phẩm, phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit cho động vật,
Tính nhớt và dẻo: do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở
mạnh trong nước nên bentonit có tính nhớt và dẻo Nhờ tính dẻo mà từ xưa bentonit
và sét tự nhiên đã được sử dụng phổ biến để chế tạo ra các vật dụng: dụng cụ nấu nướng, bình đựng, đồ trang sức để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt, các tác phẩm nghệ thuật,…[6]
1.1.3 Nguồn tài nguyên bentonit
Hiện nay, nguồn tài nguyên bentonit của nước ta khá phong phú, có thể cho khai thác với trữ lượng 20.000 - 24.000 tấn/năm Bentonit phân bố ở Cổ Định (Thanh Hoá), Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nha Mé (Bình Thuận) và Bà Rịa - Vũng Tàu Tuy nhiên, hiện nay bentonit mới được khai thác với quy mô lớn phục vụ chủ yếu cho công nghệ khoan
Trữ lượng nguồn bentonit của nước ta đã xác định và dự báo khoảng 95 triệu tấn [9], [11] Trong các mỏ và điểm mỏ bentonite đã phát hiện được ở nước ta thì mỏ Nha Mé - Bình Thuận có hàm lượng kiềm cao hơn cả với trữ lượng hàng triệu tấn, thuộc loại lớn trên thế giới
Các kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đã cho biết khả năng trao đổi ion của khoáng sét Tuy Phong - Bình Thuận từ 96 ÷ 105 mgdl/100g, trong khi đó dung lượng trao đổi ion trong bentonit của hãng Southerm clay Co là 110 ÷ 115 mgdl/100g, của hãng Merck khoảng 120 mgdl/100g [1]
Trang 18Mỏ sét bentonit Tuy Phong - Bình Thuận có thành phần khoáng montmorillonit thuộc loại kiềm, dung tích trao đổi cation chiếm chủ yếu là Na+, K+ (sodium montmorillonit, potasium montmorillonit), một số đặc trưng của chúng được trình bày trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Thành phần bentonit Bình Thuận (sử dụng trong đề tài) [12] Tên khoáng chất Hàm lƣợng (%) Thành phần hóa học Hàm lƣợng (%)
1.1.4 Giới thiệu một số phương pháp hoạt hóa bentonit
Bentonit tự nhiên là một chất hấp phụ trao đổi, có độ nở và khả năng tạo gel Tuy nhiên để nâng cao tính hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác người ta cần tìm cách làm tăng bề mặt của nó bằng phương pháp hoạt hóa [1], [2], [27]
Hoạt hó bằng kiềm:
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như: Fe2O3, Al2O3 để tạo trên bề mặt lỗ xốp và trung tâm hoạt động Khi hàm lượng kim loại kiềm lớn thì hoạt tính xúc tác của nhôm silicat giảm do ion Na+
đầu độc các tâm axit Đồng thời, một số liên kết nhôm silicat bị đứt tạo cấu trúc khác và một số chất khác không hòa tan bị loại do sa lắng Do vậy phương pháp hoạt hóa bằng kiềm
ít khi được sử dụng, chỉ trong những trường hợp đặc biệt nào đó người ta mới sử dụng phương pháp này [2]
Trang 19Hoạt hó bằng nhi t:
Dùng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới tinh thể của đất sét và đốt cháy các chất bẩn, chất mùn trong đó, đồng thời làm rạn nứt các tinh thể tạo thành trong mạng lưới đất sét những khe rãnh làm tăng độ xốp và tăng bề mặt Ở nhiệt độ thấp (gần 100oC) nước liên kết bắt đầu bị tách và khi đến khoảng 200oC thì nước bị tách hoàn toàn
Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này không được đun đến nhiệt độ quá cao
vì ở nhiệt độ cao bentonit bị giảm khả năng hấp phụ và tẩy trắng, nhiệt độ thích hợp nhất thường từ khoảng 110oC ÷ 150o
C
Hoạt hó bằng xit vô cơ:
Người ta đã dùng các axit vô cơ thông dụng như: HCl, HNO3, H2SO4 để tham gia quá trình hoạt hóa bentonit Trong các axit đó thì HCl ngoài khả năng hòa tan các oxit kim loại nó còn có khả năng hòa tan một phần SiO2 ở nhiệt độ cao do vậy HCl được đánh giá có khả năng hoạt hóa mạnh nhất
Khả năng hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác của bentonit đã hoạt hóa phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện hoạt hóa như: nồng độ axit dùng cho hoạt hóa, bản chất axit hoạt hóa, thời gian hoạt hóa, tỉ lệ bentonit trên axit, độ phân tán của bentonite, nhiệt độ hoạt hóa, … Mỗi yếu tố đều có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng bentonit hoạt hóa
Khi được hoạt hóa bằng axit sẽ sinh ra những tâm axit Ion H+
định vị trên nhôm nhưng do có độ linh động cao nên nó dễ dàng tác kích vào các liên kết Al-O, Si-O nên một phần liên kết Al-O bị đứt hình thành nên các tâm axit Bronsted và tâm axit Lewis Các cation bù trừ nằm trong lớp cấu trúc bị loại ra và được thay thế bởi ion H+ của axit để trung hòa diện tích âm trên nhôm [7]
Thực tế cho thấy đây là phương pháp hoạt hóa bentonit hiệu quả nhất được sử dụng rộng rãi cho đến thời điểm hiện tại
1.2 Sét hữu cơ
1.2.1 Giới thiệu về sét hữu cơ
Sét hữu cơ là sản phẩm được tạo thành bởi sự thay thế cation vô cơ trong một
số sét thuộc nhóm smectit có thể trao đổi với cation hữu cơ của nhiều dạng khác
Trang 20nhau Đặc biệt là MMT được sử dụng rộng rãi để điều chế các sét hữu cơ vì các tính chất đặc biệt của nó, chẳng hạn như dung lượng trao đổi ion cao, có khả năng trương
nở mạnh, tính hấp phụ cao và diện tích bề mặt lớn
Các hợp chất hữu cơ thường dùng là các hợp chất hữu cơ phân cực hoặc các cation hữu cơ có khả năng hoạt động bề mặt như các aminoaxit, ancol … nhất là các amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 có mạch không nhánh, mạch nhánh và mạch vòng, gần đây là các muối photphoni
Phương pháp điều ch sét h u cơ từ khoáng sét được bi n tính bằng tác nhân
h u cơ hó à các muối nky moni
Hình 1.4 Công thức cấu tạo của muối ankyl amoni
Phần đuôi của hợp chất này có tính ưa dầu và là tác nhân làm giãn khoảng cách giữa các lớp khoáng sét theo mô hình:
Hình 1.5 Quá trình hữu cơ hóa khoáng sét
Trong dung dịch nước, phản ứng hữu cơ hóa khoáng sét phụ thuộc nhiều vào quá trình trương nở của MMT Khả năng khuếch tán của muối ankyl amoni phụ thuộc vào điện tích thứ bậc của muối amoni và cấu tạo gốc R Các gốc hữu cơ càng cồng kềnh thì khả năng khuếch tán càng khó nhưng khả năng làm giãn khoảng cách giữa hai lớp MMT càng cao và do đó khả năng khuếch tán khoáng sét trong polime càng lớn
Trang 21Quá trình trương nở và quá trình xâm nhập của các hợp chất hữu cơ, polime vào giữa các lớp làm thay đổi khoảng cách giữa chúng có thể lên vài chục Å tùy thuộc vào loại cation thế [2]
Trong nước đã có nhiều tác giả nghiên cứu tổng hợp sét hữu cơ từ các nguồn bentonit khác nhau (Trung Quốc, Bình Thuận, Thanh Hóa - Việt Nam) với các muối amoni bậc bốn Sét hữu cơ tổng hợp được bước đầu đã được thăm dò ứng dụng trong một số lĩnh vực như chế tạo màng phủ epoxy, làm vật liệu hấp phụ, đã thu được các kết quả khả quan
1.2.2 Cấu trúc của sét hữu cơ
Sự sắp xếp của các phân tử hữu cơ giữa các lớp aluminosilicat phụ thuộc vào điện tích lớp, cấu trúc bề mặt, mức độ trao đổi của khoáng sét và chiều dài mạch của ion hữu cơ Mạch ankyl càng dài, mật độ điện tích của sét càng lớn thì khoảng cách
d001 càng lớn
Theo tác giả [6], sự định hướng của các ion amoni hữu cơ trong các khoáng sét
đã lần đầu tiên được Lagaly và Weiss (1969) đề xuất và được đưa ra trên hình 1.6
Hình 1.6 Sự định hướng của các ion ankyl amoni trong các lớp silicat: a) Đơn lớp; b) Hai lớp; c) Giả ba lớp; và d), e) sắp xếp kiểu parafin của các ion
ankyl amoni với góc nghiêng khác nhau của các mạch ankyl
Trang 22Đất sét hấp phụ các cation hữu cơ chỉ hình thành đơn lớp Với đất sét organophilic, các cation hữu cơ có thể tạo thành cấu trúc đơn lớp, hai lớp, giả ba lớp hoặc parafin [7]
Đơn ớp: khi mật độ đan xen thấp, các gốc R nằm song song với các lớp
silicat, mạch hiđrocacbon trong hợp chất muối amoni và photphoni hữu cơ là mạch thẳng và có số nguyên tử cacbon bằng 10 thì giá trị d001 khoảng 13,6Å
Hai lớp: các gốc R nằm song song với lớp silicat, số nguyên tử cacbon từ 12 ÷ 18
thì giá trị d001 khoảng 17Å Khi đó bề mặt phiến sét bị che phủ hơn 50%
Giả b ớp: các đuôi hữu cơ không phân cực của các ion ankyl amoni được gắn
với các lớp bằng cách hình thành nút thắt, các gốc hữu cơ chồng lên nhau Độ dãn lớp xen giữa được xác định bởi độ dày của ba chuỗi ankyl Giá trị d001 khoảng 22Å
Parafin: các nhóm amoni vẫn được gắn với các lớp silicat tuy nhiên các gốc
ankyl nằm chéo với các ion dương ở vị trí đối nhau Khoảng cách lý thuyết được tính như sau:
n = chẵn d = 11,3 + 1,27.n.sinα
n = lẻ d = 11,3 + 1,27.n.sinα + 0,88.cosα
Với: α : góc tạo bởi mạch ankyl của phân tử chất hữu cơ với lớp sét
n : số nguyên tử cacbon trong cation hữu cơ
Hu và cộng sự [18], khi nghiên cứu sự sắp xếp các mạch ankyl của các chất hoạt động bề mặt trong sét hữu cơ đã đưa ra cách tính góc α (hình 1.6) như sau:
sinα = (d001 - h)/l (1.2) Trong đó: h : chiều dày một lớp của MMT (9,6Å)
l : chiều dài của phân tử của chất hoạt động bề mặt
Khoảng cách cơ sở của các sét hữu cơ được điều chế bởi Kwolek và cộng sự (2003) [19], Tang và cộng sự (2003) [24], Yilmaz (2004) [25] và Lee (2004) [20] được trình bày trên bảng 1.3
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy khi sử dụng các chất hoạt động bề mặt thì tính bền nhiệt và tính tương hợp của sét hữu cơ tăng lên Các hợp chất này cung cấp cho khoáng sét khả năng bền nhiệt cao và hầu như không có hiện tượng thoái hóa
ở các nhiệt độ dưới 300oC (Zheng và cộng sự, 2006) [27]
Trang 23Bảng 1.3 Tóm tắt một số công trình của Kwolek và cộng sự (2003),
Tang và cộng sự (2003), Yilmaz (2004) và Lee (2004) Sét/khoáng sét Hợp chất hữu cơ Khoảng cách lớp
d (nm)
Tài liệu tham khảo
Montmorilonit
Benzyltrimetyl amoni
Kwolek và cộng sự (2003)
Yapar (2004) Hexadecyltrimetylamoni
bromua
1,40 (25% CEC) 1,57 (50% CEC) 1,80 (100% CEC)
1.2.3 Tính chất và ứng dụng của sét hữu cơ
Sự có mặt của các cation hữu cơ bậc 4 trong không gian giữa hai phiến sét không chỉ làm cho khoảng cách giữa các lớp phiến sét (d001) thay đổi mà còn tạo ra
vật liệu sét từ dạng ưa nước sang dạng ưa dầu với những gốc thế khác nhau, có khả năng trương nở trong dung môi hữu cơ, tương hợp và khuếch tán tốt trong polime thông qua quá trình hòa tan trong dung môi hữu cơ hoặc quá trình nóng chảy
Các muối amoni hữu cơ thường dùng để biến tính bentonit có công thức chung
là [(CH3 )3NR]+
Trang 24- Nếu R là ankyl mạch ngắn, vật liệu thu được là sét h u cơ hấp phụ (Adsorptive
Organoclay), có tính kị nước và ái lực với các chất hữu cơ thấp, bề mặt hấp phụ thường chỉ có cấu trúc không gian hai chiều, chủ yếu là sự hấp phụ mao quản [1]
- Nếu R là ankyl mạch dài, vật liệu thu được là sét h u cơ ư dầu
(Organophilic Organoclay), có tính kị nước và ái lực với các chất hữu cơ lớn, bề mặt
vật liệu có cấu trúc không gian ba chiều, do đó khả năng hấp phụ sẽ được quyết định bởi ái lực của nhóm ankyl với các chất hữu cơ [1]
Sét hữu cơ hiện nay được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
- Làm vật i u xử ý môi trường, hấp phụ các nguồn ô nhiễm chất hữu cơ như
dầu khoáng, phẩm nhuộm, các chất ô nhiễm nhóm BTEX Etylbenzen-Xylen), xử lý nước thải ô nhiễm phenol của các ngành sản xuất chế biến
(Benzen-Toluen-gỗ, mây tre đan, sản xuất nhựa phenolfomanđehit, dược phẩm, thuốc trừ sâu,
- Làm phụ gi bi n tính vật i u po ime để tổng hợp vật i u n nocompozit,
có thể nâng cao tính chất cơ lý của vật liệu, nâng cao khả năng chống cháy, hệ số chống thấm khí lên rất nhiều lần mà không làm thay đổi đáng kể trọng lượng, độ trong của vật liệu
Hình 1.7 Cấu trúc sét nanocompozit
Việc ứng dụng màng nanocompozit được tạo thành sau khi phân tán 1,0 ÷
4,0% sét hữu cơ vào màng polietherimide đã loại bỏ tốt các ion kim loại nặng trong nước bị ô nhiễm, cải thiện đáng kể chất lượng nước mà không có bất kỳ tác nhân tạo phức bên ngoài (loại bỏ tối đa 69,3%, 76,2% và 82,5% cho 250 ppm dung dịch ion
Cd2+, Ni2+ và Cu2+ tương ứng) [8]
Trang 25Hình 1.8 Xử lí nước ô nhiễm Cu 2+ , Ni 2+ , Cd 2+
bằng màng nanocompozit có thành phần sét hữu cơ
1.2.4 Tổng hợp sét hữu cơ
Để tổng hợp sét hữu cơ, người ta thường dùng hai phương pháp sau:
Phương pháp ướt: Là phương pháp trao đổi giữa cation hữu cơ với bentonit
đã hoạt hóa trong môi trường nước Giữa các lớp sét là lực liên kết yếu Van der Waals, sự liên kết các lớp sét với nhau rất kém nên các phân tử khác có thể dễ dàng
xen vào khoảng giữa các lớp sét
Có ba phương pháp điều chế sét hữu cơ trên cơ sở phương pháp ướt
Phương pháp khu ch tán trong môi trường nước
Phương pháp này dựa trên sự khuếch tán của các chất hữu cơ và bentonit trong môi trường nước Sự khuếch tán được thực hiện nhờ khuấy liên tục hỗn hợp bentonit
và các tác nhân hữu cơ trong môi trường nước ở điều kiện (nhiệt độ, pH, tỉ lệ hữu cơ/sét, ) nhất định Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, thực hiện dễ dàng và
chi phí thấp do đó được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam cũng như trên thế giới
Trong luận văn này, phương pháp chúng tôi lựa chọn phương pháp khuếch tán
trong môi trường nước để thực hiện phản ứng trao đổi cation
Phương pháp ò vi sóng
Dựa trên nguyên tắc sử dụng vi sóng tác dụng lên hỗn hợp phản ứng và được thực hiện trong lò vi sóng Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn hơn, hiệu suất phản ứng cao hơn so với phương pháp khuếch tán do tập trung năng lượng trong quá trình điều chế sét hữu cơ Tuy nhiên do chi phí lớn về thiết bị, năng lượng và hạn chế về công suất nên phương pháp này ít được sử dụng rộng rãi
Trang 26Phương pháp thủy nhi t
Quá trình điều chế sét hữu cơ được thực hiện trong thiết bị thủy nhiệt, thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao và áp suất cao Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm: cho phép điều chế sản phẩm có tính đồng nhất cao, thành phần hóa học được điều chỉnh một cách dễ dàng hoặc điều chỉnh tính chất của sản phẩm thông qua điều chỉnh các điều kiện phản ứng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ, thời gian của sự thủy phân,
Một số chất biến tính bentonit theo cơ chế trao đổi ion
Chất đầu tiên là amino axit được dùng để biến tính MMT trong công nghệ chế
tạo vật liệu nanocompozit đã được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu của hãng Toyota để chế tạo nanocompozit poliamit-6, nhưng phổ biến nhất là ion ankyl amoni do chúng có khả năng trao đổi dễ dàng với các ion nằm giữa các lớp sét
Ion ankyl amoni: chỉ sử dụng ion ankyl amoni có ít nhất 4 nguyên tử cacbon,
các ion tạo bởi các ankyl bậc 1 trong môi trường axit (công thức hoá học chung là:
CH3 - (CH2)n - NH3+, trong đó n từ 1 ÷ 18) Độ dài của ion amoni tạo ra tính bền của vật liệu nanocompozit
Muối photphoni: khả năng trao đổi với muối photphoni của MMT phụ thuộc
nhiều vào cấu tạo gốc R Các gốc R có cấu tạo càng cồng kềnh thì khả năng trao đổi thấp nhưng giá trị d001 của sét càng tăng và khả năng khuếch tán sét trong polime tăng lên Bằng phản ứng trao đổi, các cation photphoni bậc 4 (hexađecyltributyl photphoni, tetraphenyl photphoni, metyltriphenyl photphoni, etyl và propyltriphenyl photphoni) đã xen vào lớp giữa của MMT [17]
Một số phương pháp biến tính khác
Ngoài phương pháp trao đổi ion, người ta còn có thể dùng một số chất hoạt động bề mặt để biến tính sét mà tiêu biểu trong số đó là hợp chất silan
Silan thường được sử dụng trong chế tạo vật liệu nanocompozit trên cơ
sở polieste không no và khoáng sét Silan là các monome silicon hữu cơ được đặc trưng bởi công thức hoá học R–SiX3 Trong đó, R là nhóm chức hữu cơ được gắn vào
Si, X là nhóm có thể bị thuỷ phân tạo thành nhóm silanol Silan trước tiên được chuyển thành các hợp chất silanol bằng phản ứng thuỷ phân Sau đó silanol phản ứng với các nhóm OH gắn vào nguyên tử Si hoặc Al trên bề mặt sét tạo thành các liên kết oxan và liên kết hiđro
Trang 27Một số chất bi n tính sét khác có thể được sử dụng trực tiếp để tổng hợp vật
liệu polime-nanocompozit vì các chất này có thể hoặc tham gia trực tiếp vào phản ứng trùng hợp hoặc xúc tác phản ứng trùng hợp Ví dụ: khi tổng hợp vật liệu polime-nanocompozit trên cơ sở polistiren và khoáng sét, người ta có thể sử dụng amino metyl stiren hoặc LFRP (chất khơi mào phản ứng trùng hợp gốc tự do sống) làm chất biến tính cho sét
Phương pháp khô
Các phân tử chất hữu cơ có thể được chèn vào giữa các lớp sét khô bởi phản ứng ở trạng thái rắn Các cation có thể duy trì sự tiếp xúc với một lớp sét, nghĩa là các nguyên tử oxi của bề mặt silicat chiếm cứ các vị trí phối trí của các cation [7]
Thực tế, người ta ít áp dụng phương pháp khô để sản xuất sét hữu cơ vì mức
độ hấp phụ thay thế bằng các cation hữu cơ chỉ đạt được giá trị cực đại là 80% trên bề mặt lớp sét [8]
1.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế sét hữu cơ bằng phương pháp khuếch tán trong dung dịch nước
Phương pháp này có thể áp dụng với các chất hữu cơ dạng ion hoặc không phải ion Khoảng cách giữa các lớp sét phụ thuộc vào thành phần dung dịch, cấu tạo phân tử, nồng độ tác nhân hữu cơ, nhiệt độ,
nh hư ng củ cấu h nh phân tử
Nếu chất hữu cơ là amin mạch thẳng có số nguyên tử cacbon (nC) nhỏ hơn 13 thì
d001 là 13,6Å, còn 13<nC<18 thì d001 là 17,6Å (d001 của sét khô khoảng 12Å) Cation hữu
cơ có kích thước càng lớn và cấu trúc cồng kềnh thì càng khó bị khử hấp phụ ra khỏi bề mặt bentonit, sét hữu cơ tạo thành trên cơ sở muối amoni và photphoni hữu cơ bậc 4 (đặc biệt là cation amoni và photphoni hữu cơ bậc 4 có 14 ≤ nC ≤18) rất bền vững dưới tác dụng của dung môi và nhiệt [3], [6], [12]
nh hư ng củ thời gi n phản ng
Bản chất của tương tác giữa phân tử hữu cơ với bentonit là sự khuếch tán các cation hữu cơ vào giữa các lớp sét nên thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến chất lượng sét hữu cơ Khi thời gian phản ứng tăng, sự khuếch tán và hấp phụ của cation hữu cơ vào bentonit tăng lên và sau đó đạt giá trị bão hòa [3], [6], [12]
Trang 28nh hư ng củ nhi t độ sấy, nung
Khi làm khô mẫu sét hữu cơ ở nhiệt độ từ 50 ÷ 150oC, khoảng cách cơ bản d001tăng, sau đó giảm dần Khi tăng nhiệt độ sấy khô lớn hơn 200oC khoảng cách giữa các lớp cấu trúc giảm mạnh vì sự phân hủy các chất hữu cơ Giá trị này tiếp tục giảm khi tăng nhiệt độ tới 425oC Điều đó có thể được giải thích bởi sự phân bố dị thể của cation hữu cơ vào giữa các lớp aluminosilicat Việc tăng khoảng cách giữa các lớp trong khoảng nhiệt độ từ 50 ÷ 100oC là do có sự giãn nở và liên quan tới sự nóng chảy chất hoạt động bề mặt tạo ra môi trường giống như chất lỏng ở giữa các lớp Từ
100 ÷ 150oC do sự giãn nở nhiệt của chất hoạt động bề mặt dẫn tới việc tăng khoảng trống [3], [6], [12]
nh hư ng củ nhi t độ phản ng
Khi tăng nhiệt độ thì tốc độ phản ứng trao đổi tăng lên do đó sự hấp phụ và trao đổi của cation hữu cơ trên bề mặt bentonit cũng tăng Ở nhiệt độ thấp phản ứng khó diễn ra vì các hợp chất amoni ở trạng thái đông đặc Ở vùng nhiệt độ cao, huyền phù bentonit có hiện tượng đặc lên (tăng độ nhớt) do hiệu ứng keo tụ của các muối
amoni hữu cơ bị thủy phân [3], [6], [12]
nh hư ng củ pH dung d ch
pH dung dịch có ảnh hưởng tới chất lượng sét hữu cơ, ở pH cao (từ 9 ÷ 10) bent-Na bị trương nở mạnh đến từng lớp sét tạo điều kiện cho phản ứng trao đổi với cation hữu cơ dễ dàng hơn Ngoài ra, ở pH cao trên cạnh của phiến sét các trung tâm tích điện dương sẽ chuyển dần thành tích điện âm, tạo điều kiện cho các cation hấp phụ lên các cạnh, lượng cation tham gia vào trao đổi tốt hơn Do vậy quá trình hấp phụ cation hữu cơ vào giữa các lớp bentonit xảy ra tốt hơn [3], [6], [12]
nh hư ng củ nồng độ tác nhân h u cơ
Lượng cation hữu cơ dùng để trao đổi có thể lớn hơn dung lượng trao đổi cation của sét Với muối amoni hữu cơ có ba nhóm metyl và một nhóm hiđrocacbon mạch dài thì sét có thể hấp phụ một lượng cation trao đổi bằng 2,5 CEC của bentonit Với mạch hiđrocacbon có số nguyên tử cacbon nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì lượng muối amoni hữu cơ bị hấp phụ tương đương với dung lượng trao đổi cation của sét Khi số nguyên tử cacbon lớn hơn 8 thì lượng muối amoni hữu cơ bị hấp phụ có thể lớn hơn dung lượng trao đổi cation của sét, khi đó các cation hữu cơ bị hấp phụ sẽ sắp xếp thành hai lớp [3], [6], [12]