Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
1.1.2.2. Tính chất trương nở [9,37]
Khi nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào khe trống giữa
các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi là tính chất trương nở.
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. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc
vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi.
Khi bentonit hấp phụ hơi nước 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. Sự tăng khoảng cách d
001
được
giải thích là do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp.
Độ trương nở của bentonit phụ thuộc vào bản chất 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 trên
mặt lớp sét. Do vậy khi bị hyđrat hóa, bentonit Na có khả năng trương nở từ khoảng
cách ban đầu giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trường kiềm
bentonit-Na bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng mạnh. Do vậy trong môi
trường kiềm, huyền phù bentonit-Na rất bền vững.
Cation Ca
2+
liên kết với 2 tâm tích điện âm trên 2 phiến sét do vậy khi bentonit-
Ca bị hydrat hóa, khoảng cách giữa 2 phiến sét chỉ tăng từ 12,1Å đến 17Å. Điều này
hạn chế sự trương nở hay khả năng tạo độ nhớt của bentonit-Ca. Độ trương nở của
bentonit-Ca từ 100 đến 150%, đối với bentonit-Na độ trương nở lớn hơn.
1.1.2.3. Tính hấp phụ [1,7]
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc
lớp của chúng. 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 gồm diện tích bề
mặt ngoài và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt
của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc
vào kích thước hạt. Sự hấp phụ bề mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị
5
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
hấp phụ là các ion vô cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. 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. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn,
chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể
bằng lực Van der Walls hoặc liên kết hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân
cực, các polime và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonit
[5,6].
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và
bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các
khoáng sét, đặc trưng của nó là tính chọn lọc đối với chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử
nào có đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này
người ta có thể dùng bentonit hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm
khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác.
1.1.2.4. Tính kết dính
Khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh nên từ thời xa xưa con
người đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằm mục đích phục vụ
đời sống. Lợi dụng tính chất kết dính này, 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.
1.1.2.5. 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, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch
và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong
1.1.2.6. Tính nhớt và dẻo
6
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong nước nên
bentonit có tính nhớt và dẻo. Do có các tính chất này mà bentonit được sử dụng làm
phụ gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành của lỗ khoan, làm phụ gia trong xi măng
Portland, chế vữa và chất dính kết đặc biệt.
1.1.3. Ứng dụng của bentonit
1.1.3.1. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ [1,10,12,28]
Do có độ axit cao nên bentonit có thể được dùng làm chất xúc tác trong các
phản ứng hữu cơ. Bề mặt của bentonit mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình
của các ion Si
4+
bằng ion Al
3+
ở tâm tứ diện và ion Mg
2+
thay thế ion Al
3+
ở tâm bát
diện. Các ion thay thế Al
3+
, Mg
2+
có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm của
chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm axit Lewis được tạo thành
từ ion Al
3+
và ion Mg
2+
ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt
bentonit. Nếu lượng Al
3+
và Mg
2+
tăng lên ở bề mặt bentonit sẽ làm tăng độ axit
Lewis của chúng.
Trên bề mặt bentonit tồn tại các nhóm hiđroxyl. Các nhóm hiđroxyl có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt bentonit những tâm axit Bronsted. Số lượng
nhóm hiđroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của
bentonit.
Trong các vật liệu sét chống (pillared clays), giữa cột chống và các lớp
aluminosilicat của bentonit có những liên kết cộng hóa trị thực sự. Các liên kết này
dẫn đến sự giải phóng các phân tử nước và proton làm tăng độ axit và bền hóa cấu
trúc của bentonit chống.
Việc biến tính bentonit bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị
như Ti
4+
, Zr
4+
, Al
3+
, Si
4+
, tạo ra vật liệu sét chống có độ axit và độ xốp cao hơn, có
khả năng xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ. Ví dụ; việc sử dụng sét chống làm
chất 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 chất
xúc tác rắn ra khỏi hỗn hợp phản ứng.
7
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
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.
1.1.3.2. Làm vật liệu hấp phụ [18]
Bentonit được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp.
Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonit được sử dụng với lượng rất lớn, bao gồm
bentonit tự nhiên và bentonit đã hoạt hóa. Lượng bentonit tự nhiên tiêu tốn cho quá
trình lọc dầu là 25% khối lượng dầu và lượng bentonit đã hoạt hóa bằng 10% khối
lượng dầu. Việc sử dụng bentonit làm chất hấp phụ ưu việt hơn hẳn phương pháp cũ
là phương pháp rửa kiềm. Lượng bentonit mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng
0,5% lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra, phương pháp dùng bentonit còn có mức hao
phí dầu thấp do tránh được phản ứng thủy phân.
Trong công nghiệp hóa than, bentonit được sử dụng để tinh chế benzen thô và
các bán sản phẩm khác.
Với tư cách là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, bentonit có thể tạo ra các dung dịch
khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng với sự
phát triển của ngành thăm dò và khai thác dầu, lượng bentonit được sử dụng trong
việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng. Ngày nay ở Mỹ, lượng bentonit được
sử dụng làm dung dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonit của nước này.
Các chức năng quan trọng của bentonit trong dung dịch khoan là:
+ Làm tăng khả năng lưu chuyển của dung dịch khoan do có độ nhớt cao ngay
cả khi nồng độ chất rắn thấp.
+ Tạo huyền phù với các tác nhân và mùn khoan gây lắng khi ngừng lưu chuyển
dung dịch khoan vì một lí do nào đó.
+ Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ việc
tạo nên lớp bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không
8
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch mà còn có tác dụng như một cái màng cứng làm bền
thành lỗ khoan.
Ngoài ra, do có khả năng hấp phụ tốt nên bentonit còn được sử dụng làm chất
hấp phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trường…
1.1.3.3. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit [4,13]
Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành công
nghiệp đã sử dụng bentonit ngày càng nhiều. Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn
với các chất khác để chế tạo ra các vật liệu mới. Ví dụ, sét hữu cơ được trộn với các
polime để chế tạo các nanocompozit, gọi là composit-nano-bentonit. Các polime có
thể được trộn thêm các hạt nanobentonit khi được kéo thành màng sẽ cho màng kín
hơn rất nhiều so với polime không trộn vì khi kéo, cán, các lá nanobentonit này nằm
song song với bề mặt, có khả năng ngăn cản hiệu quả nhiều loại phân tử đi qua. Các
hạt nanobentonit này trộn với polime không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó
đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm để truyền dẫn thuốc, dẫn máu trong y tế.
1.1.3.4. Dùng trong một số lĩnh vực khác
Một lượng lớn bentonit đã được sử dụng làm chất độn trong công nghiệp sản
xuất vật liệu tổng hợp (xà phòng, vải sợi ). Đặc biệt trong công nghiệp sản xuất
giấy, việc trộn thêm bentonit làm tăng hàm lượng cao lanh, giảm lượng xenlulo cần
có trong giấy, làm tăng đáng kể chất lượng và giảm giá thành của giấy.
Trong công nghiệp bia, rượu, bentonit hấp phụ các chất hữu cơ, các chất béo,
các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men, đồng thời hấp phụ cả
ion sắt, đồng và các tác nhân gây bệnh của rượu, lại không làm mất hương vị của
rượu, bia.
Bentonit còn được sử dụng làm sạch nguồn nước mặt. Do bentonit làm kết tủa
các vẩn đục, hấp phụ các ion gây độc, một lượng lớn vi khuẩn gây bệnh và chất hữu
cơ có trong nước với giá thành tương đối rẻ.
9
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Do có đặc tính trơ, không độc hại nên bentonit còn được dùng làm phụ gia trong
thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit cho động vật, làm phụ gia dược phẩm.
1.1.4. Làm giàu, làm sạch bentonit
10
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Các mỏ bentonit kiềm trên thế giới thường có hàm lượng MMT cao, nên các
công trình nghiên cứu về làm giàu, làm sạch bentonit kiềm để nâng cao hàm lượng
MMT-Na của các tác giả trên thế giới không nhiều. Đối với những mỏ bentonit kiềm
có hàm lượng MMT cao như bentonit kiềm Wyoming (Mỹ) người ta có thể trực tiếp
sử dụng mà không cần qua giai đoạn làm giàu, hoặc biến tính nó để thu được sản
phẩm cho những mục đích khác nhau.
Tuy nhiên đối với loại quặng bentonit có hàm lượng MMT thấp - như bentonit
Tuy Phong, Bình Thuận của Việt Nam, người ta phải sử dụng phương pháp tuyển
trọng lực như của các tác giả ở công trình [2] hoặc phương pháp ướt như của các tác
giả ở Mỹ ở các công trình [3,4]. Theo phương pháp này, bentonit được pha với nước
theo một tỷ lệ thích hợp. Sử dụng chất phân tán Na(PO
3
)
6
để làm lắng các khoáng phi
sét theo nhiều giai đoạn, sau đó huyền phù mịn được lọc, sấy khô và nghiền mịn để
thu sản phẩm. Một số tác giả khác sử dụng phương pháp tuyển thủy xyclon, xử lý
nhiệt và hóa học để nâng cao hàm lượng MMT trong bentonit.
11
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Trên thế giới số lượng khoáng bentonit kiềm thổ (chứa các cation Ca
+2
, Mg
+2
,
…) với hàm lượng MMT cao tương đối nhiều, nhưng dạng bentonit kiềm lại mang lại
nhiều ứng dụng hơn trong nhiều lĩnh vực, vì vậy đã có rất nhiều nghiên cứu để
chuyển hóa bentonit kiềm thổ về dạng bentonit kiềm. Những nghiên cứu này đã có từ
trước những năm 1950 tại nhiều nước như Mỹ, Liên Xô cũ, [1,2, ]. Ngày nay công
nghệ chuyển hóa bentonit kiềm thổ sang dạng bentonit kiềm đã được đưa vào nhiều
nhà máy vận hành và sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn sản phẩm cho những lĩnh vực
khác nhau, như ở Hàn Quốc mỗi năm sản xuất hơn 800 nghìn tấn sản phẩm bentonit
hoạt hóa cho những mục đích khác nhau. Phương pháp hoạt hóa để chuyển bentonit
kiềm thổ về dạng bentonit kiềm như sau: quặng bentonit kiềm thổ được phân cấp,
đập, nghiền đến cỡ hạt thích hợp. Sau đó quặng được trộn đều với tác nhân hoạt hóa
(là các muối của natri như Na
2
CO
3
, NaCl, ) theo một tỷ lệ thích hợp và nung hỗn
hợp trong lò quay với nhiệt độ trong khoảng 300÷500
o
C, sản phẩm hoạt hóa sau đấy
được đóng bao và đưa đi sử dụng. Một điều đáng lưu ý ở đây là quặng bentonit kiềm
thổ trên thế giới thường có hàm lượng MMT cao nên quặng được đưa vào hoạt hóa
ngay mà không qua giai đoạn làm giàu, còn đối với quặng bentonit kiềm thổ Di Linh-
Lâm Đồng của chúng ta, do hàm lượng MMT không cao (khoảng 30÷40%) nên để sử
dụng cho một số mục đích chế tạo vật liệu sét hữu cơ thì trước khi hoạt hóa nên làm
giàu quặng để nâng hàm lượng MMT.
Người ta cũng sử dụng các tác nhân hoạt hóa khác như axit vô cơ (H
2
SO
4
,
HNO
3
, HCl) và các chất hữu cơ khác để hoạt hóa bentonit kiềm và bentonit kiềm thổ
nhằm thu nhanh các sản phẩm hoạt hóa cho những mục đích sử dụng khác nhau.
1.1.5. Giới thiệu về bentonit Bình Thuận – Việt Nam
Ở nước ta bentonit được phát hiện ở nhiều nơi: Cổ Định (Thanh Hóa), Di Linh
(Lâm Đồng), Bình Thuận, Mộc Châu v.v với trữ lượng dồi dào. Trong đó mỏ
bentonit Bình Thuận có trữ lượng lớn hàng trăm triệu tấn, mới được tìm thấy năm
1987.
12
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Bình Thuận được đặc trưng bởi khí hậu khô nóng, lượng mưa ít và là nơi phân
bố rộng rãi đá magma giàu kiềm (giàu Na và K). Với những đặc điểm trên bentonit
tạo thành bởi hai quá trình thủy phân và quá trình hấp phụ trao đổi cation. Trữ lượng
có thể khai thác được ở Nha Mé khoảng 42 triệu tấn còn ở thung lũng Vĩnh Hảo
khoảng 33 triệu tấn [6]. Hàm lượng MMT-Na trong sét Bình Thuận khá thấp, khoảng
từ 12% đến 20%. Tạp chất chủ yếu trong khoáng sét là canxit, thạch anh vi tinh thể,
phenspat, cao lanh. Trên bảng 1.1 đưa ra thành phần hóa học của bentonit Bình Thuận
[3,6].
Trong thực tế, tùy theo mục đích sử dụng cho từng lĩnh vực mà đòi hỏi về hàm
lượng montmorilonit cũng khác nhau, như khi dùng làm khuôn đúc trong ngành thép
hoặc để sử dụng trong nông nghiệp thì có thể dùng bentonit nguyên khai hay chỉ qua
khâu xử lý quặng sơ bộ, còn nếu dùng cho mục đích làm chất xúc tác, sử dụng trong
ngành y, dùng để sản xuất sét hữu cơ thì đòi hỏi phải làm sạch, làm giàu bentonit để
nâng hàm lượng montmorilonit trong bentonit lên cao. Có hai phương pháp hoạt hóa
bentonit thường được sử dụng là hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa bằng axit.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của bentonit Bình Thuận
Thành phần
hóa học
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
TiO
2
FeO CaO MgO K
2
O Na
2
O CO
2
Hàm lượng
(% trọng lượng)
68,4 9,26 2,1 0,49 0,48 5,8 1,51 1,26 1,87 3,31
1.2. Giới thiệu về sét hữu cơ [15]
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 nhau.
Cation hữu cơ được sử dụng gồm các cation amoni hữu cơ (bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4,
13
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng), các aminoaxit, ancol,… trong đó các cation
amoni hữu cơ bậc 4 được dùng phổ biến nhất. Cụ thể là các loại khoáng sét
montmorilonit, beidelit và nontronit đã được chế hóa với các dung dịch muối amoni
hữu cơ khác nhau. Khoáng sét hấp phụ các cation hữu cơ, làm tăng khoảng cách giữa
các lớp so với cùng loại khoáng sét đã được làm bão hòa bởi cation nhỏ hơn như
canxi hoặc hydro. Liên kết của các cation hữu cơ với lớp silicat của montmorilonit
tạo thành một tập hợp hữu cơ - vô cơ, có tính chất đặc biệt là ưa hữu cơ, nên có khả
năng hấp phụ các hợp chất hữu cơ trong môi trường lỏng trội hơn hẳn khiến chúng
trở thành tiềm năng hữu ích trong nhiều ứng dụng.
Các nghiên cứu về tương tác giữa các khoáng sét và các hợp chất hữu cơ đã
được thực hiện từ những năm đầu của thế kỷ XX và tăng lên không ngừng về số
lượng và đa dạng về đề tài. Nghiên cứu sự thâm nhập của các phân tử hữu cơ vào
khoảng cách giữa các lớp của các khoáng sét tự nhiên cũng đã được bắt đầu từ những
năm 20 của thế kỉ XX, sau khi xuất hiện phương pháp nhiễu xạ tia X vào năm 1913.
Một trong những bài báo sớm nhất là của Smith vào năm 1934 đã thông báo về sự
tương tác của khoáng sét với nicotin. Tuy nhiên, việc ứng dụng các khoáng sét làm
vật liệu hấp phụ hữu cơ thì đã được con người thực hiện sớm nhất là khoảng 7.000
năm trước công nguyên.
Hiện nay, ứng dụng quan trọng của các sét hữu cơ là trong lĩnh vực điều chế các
polime nanocompozit. Việc thêm sét hữu cơ vào môi trường polime sẽ làm tăng các
tính chất hóa học, vật lý và cơ học của môi trường và làm giảm giá thành trong một
số trường hợp. Điển hình là sét hữu cơ thay thế các chất độn (fillers) talc hoặc thủy
tinh ở tỷ lệ 3:1. Ví dụ, việc sử dụng 5% sét hữu cơ có thể thay thế cho 15÷50% chất
độn như canxi cacbonat để làm giảm giá thành và làm tăng các tính chất cơ học. Sét
hữu cơ là vật liệu thương mại ưu thế nhất để điều chế các polime nanocompozit,
chiếm khoảng 70% khối lượng đã sử dụng [28].
Sét hữu cơ cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng
này bao gồm các chất hấp phụ, các tác nhân kiểm soát tính lưu biến trong sơn, dầu
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét