Tài liệu Nghiên cứu điều chế bentonite biến tính bằng chất hữu cơ. ứng dụng để hấp phụ và xử lý một số chất ô nhiễm trong nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG VÀ GIAO THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONITE BIẾN TÍNH BẰNG CHẤT HỮU CƠ, ỨNG DỤNG ĐỂ HẤP PHỤ VÀ XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC GVHD: TS Mai Thị Hải Hà LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện báo cáo thực tập, nhóm chúng em đã nhận được sự giúp đỡ và ủng hộ của Thầy, Cô, người thân và bạn bè. Đó là động lực để nhóm hoàn thành tốt báo cáo thực tập. Nhóm chúng em chân thành cảm ơn tập thể Thầy Cô Viện nghiên cứu môi trường và giao thông đã hết lòng giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện báo cáo. Cảm ơn Cô TS Mai Thị Hải Hà, người trực tiếp hướng dẫn nhóm chúng em hoàn thành báo cáo thực tập. Cảm ơn Thầy ThS Trần Văn Thành, người phụ trách PTN Viện Nghiên cứu Môi trường & Giao thông đã hỗ trợ, hướng dẫn nhóm chúng em trong suốt quá trình tiến hành thí nghiệm. Thầy Cô nhiệt tình dẫn giải và theo sát báo cáo trong quá trình thực hiện. Một lần nữa nhóm chúng em chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 29 tháng 03 năm 2021 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TAI TP.HCM VIỆN NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG VÀ GIAO THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP Lớp: Kỹ thuật Môi trường 1. Tên đề tài: Nghiên cứu điều chế Bentonite biến tính bằng chất hữu cơ. Ứng dụng để hấp phụ và xử lý một số chất ô nhiễm trong nước. 2. Nhiê ̣m vụ: ‒ Viết đề cương nghiên cứu; ‒ Tổng quan tài liệu: phương pháp điều chế, vai trò các thông số thực nghiệm, phương pháp đánh giá đặc tính của sản phẩm, một số ứng dụng của sản phẩm theo hướng bảo vệ môi trường; ‒ Chuẩn bị hóa chất, dụng cụ PTN cần thiết; ‒ Lắp đặt bộ dụng cụ điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu; ‒ Tiến hành thí nghiệm; ‒ Phân tích số liệu, đánh giá hiệu quả của sản phẩm; ‒ Viết báo cáo thực tập tốt nghiệp. 3. Ngày giao đề tài: 25/01/2021 4. Ngày hoàn thành báo cáo: 29/03/2021 HKII 2020-2021 ii Phần dành cho GVHD : Người duyê ̣t: …………………………………………………………… Ngày bảo vê ̣: …………………………………………………………… Điểm tổng kết: …………………………………………………………. Nơi lưu trữ báo cáo: ……………………………………………………… Viện: …………………………………………………………………… NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. Điểm số bằng số:................................Điểm bằng chữ:..............................................… Thành phố Hồ Chí Minh, ngày... tháng... năm... Ký tên iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………………………………. Điểm số bằng số:................................Điểm bằng chữ:..............................................… Thành phố Hồ Chí Minh, ngày... tháng... năm... Ký tên iv MỤC LỤC LỜI CAM ƠN................................................................................................................. i BÁO CÁO THỰC TẬP.................................................................................................ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN..........................................................iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHAN BIỆN.............................................................iv MỤC LỤC..................................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH....................................................................................................vii DANH MỤC BANG..................................................................................................viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................................ix CHƯƠNG 1................................................................................................................... 1 GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề........................................................................................................1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................1 1.3. Nội dung thực tập tốt nghiệp............................................................................2 1.4. Phương pháp thực hiện.....................................................................................2 1.5. Cấu trúc báo cáo thực tập.................................................................................2 CHƯƠNG 2................................................................................................................... 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................................4 2.1. Khảo sát thị trường và trữ lượng tại Việt Nam....................................................4 2.2. Giới thiệu về bentonite........................................................................................5 2.3. Các tính chất hóa lý của bentonite......................................................................6 2.3.1. Tính trương nở.............................................................................................6 2.3.2. Tính chất trao đổi ion...................................................................................6 2.3.3. Tính chất hấp phụ.........................................................................................7 2.3.4. Tính kết dính................................................................................................8 2.3.5. Tính trơ........................................................................................................8 2.3.6. Tính nhớt và dẻo..........................................................................................8 2.4. Sét hữu cơ...........................................................................................................8 2.4.1. Giới thiệu về sét hữu cơ...............................................................................8 2.4.2. Phương pháp tổng hợp sét hữu cơ................................................................8 2.4.3. Ứng dụng sét hữu cơ....................................................................................9 2.5. Hấp phụ phenol trên vật liệu bentonite và bentonite biến tính..........................11 v 2.5.1. Giới thiệu về phenol đỏ..............................................................................11 2.5.2. Tình hình nghiên cứu phenol đỏ.................................................................13 CHƯƠNG 3................................................................................................................. 15 THỰC NGHIỆM.........................................................................................................15 3.1. Dụng cụ và hóa chất..........................................................................................15 3.1.1. Dụng cụ và thiết bị.....................................................................................15 3.1.2. Hóa chất.....................................................................................................16 3.2. Tổng hợp vật liệu CTAB...................................................................................16 3.2.1. Qui trình tổng hợp......................................................................................16 3.2.2. Anh hưởng của khối lượng CTAB.............................................................20 3.3. Phân tích cấu trúc vật liệu.................................................................................20 3.3.1. BET (Diện tích bề mặt riêng).....................................................................20 3.3.2. XRD (Phương pháp nhiễu xạ tia X)...........................................................21 3.4. Khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của vật liệu...........................................22 3.4.1. Lựa chọn hấp phụ.......................................................................................22 3.4.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu.....................................................22 CHƯƠNG 4................................................................................................................. 27 KẾT LUẬN.................................................................................................................27 4.1. Tổng hợp vật liệu CTAB-Bentonite..................................................................27 4.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của vật liệu...............................28 4.2.1. Xây dựng đường chuẩn..............................................................................28 4.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của vật liệu:...................................28 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIẾP THEO......................................................................30 TÀI LIỆU THAM KHAO...........................................................................................32 PHỤ LỤC.................................................................................................................... 33 NHẬT KÝ THỰC TẬP...............................................................................................33 vi DANH MỤC HÌ Hình 2. 1. Cấu trúc không gian của smectit...................................................................6 Hình 2. 2. Cấu trúc của phenol đỏ................................................................................12 Hình 2. 3. Các dạng cấu trúc của phenol đỏ khi tăng pH. [3].......................................12 Y Hình 3. 1. Quy trình tổng hợp CTAB-bentonite..........................................................16 Hình 3. 2. Dung dịch 1 sau khi khuấy mạnh trong 1h..................................................17 Hình 3. 3. Huyền phù 2 được khuấy mạnh trong 4h ở 50oC.........................................17 Hình 3. 4. Hỗn hợp được khuấy trong 4h ở 50oC.........................................................18 Hình 3. 5. Hỗn hợp sau khuấy.....................................................................................18 Hình 3. 6. Gia nhiệt hỗn hợp sau khuấy trong 15h ở 60oC...........................................19 Hình 3. 7. Lọc hỗn hợp CTAB-Bentonite....................................................................19 Hình 3. 8. CTAB-Bentonite sau khi lọc.......................................................................20 Hình 3. 9. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể......................................................22 Hình 3. 10. Dung dịch Phenol đỏ.................................................................................22 Hình 3. 11. Khuấy mẫu 0,1B và 0,2B bằng máy Jartest tốc độ 300 vòng/ phút trong 3h ở nhiệt độ phòng..........................................................................................................23 Hình 3. 12. Khuấy mẫu 1,0B bằng máy khuấy từ tốc độ 600 vòng/ phút trong 3h ở 50oC............................................................................................................................. 24 Hình 3. 13. Hỗn hợp mẫu 0,1B và 0,2B trước và sau khi ly tâm..................................24 Hình 3. 14. Khuấy mẫu bằng bếp khuấy từ..................................................................25 Hình 3. 15. Các mẫu sau khi khuấy.............................................................................26 Hình 3. 16. Các mẫu sau khi ly tâm.............................................................................26 Hình 4. 1. Giá trị khối lượng Bentonite biến tính sau khi sấy......................................27 Hình 4. 2. Đường chuẩn để khảo sát độ hấp phụ Phenol đỏ của vật liệu......................28 vii DANH MỤC BẢ Bảng 3. 1. Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu............................................15 Bảng 3. 2. Các hóa chất sử dụng trong tổng hợp vật liệu CTAB-Bentonit..................16 Bảng 3. 3. Các hóa chất sử dụng trong khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của vật liệu............................................................................................................................... 16 Bảng 3. 4. Ký hiệu tên các mẫu CTAB-bentonite tổng hợp bằng phương pháp trao đổi ion................................................................................................................................ 20 Bảng 3. 5. Giá trị hàm lượng các chất trong hỗn hợp khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của Bentonite ban đầu.............................................................................................23 Bảng 3. 6. Giá trị hàm lượng các chất trong hỗn hợp khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của Bentonite biến tính...............................................................................25 Y Bảng 4. 1. Kết quả giá trị khối lượng của Bentonite biến tính.....................................27 Bảng 4. 2. Thông số nồng độ pha loãng của Phenol đỏ...............................................28 Bảng 4. 3. Kết quả giá trị nồng độ còn lại của phenol đỏ bằng phương pháp UV-Vis của mẫu Bentonite ban đầu..........................................................................................28 Bảng 4. 4. Kết quả giá trị nồng độ còn lại của Phenol đỏ và độ màu bằng phương pháp UV-Vis của mẫu Bentonite biến tính...........................................................................29 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MMT: Montmorillonit CTAB: Cetyl trimethyl ammonium bromide B: Bentonite NONT: Nontronite IR: Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy) UV-Vis: Phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (Ultra Violet-Visible) XRD: Nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction) CEC: dung lượng trao đổi cation (cation exchange capacity) BET: Brunauer Emmett Teller PSP: Phenol đỏ (phenolsulfonphthalin) ix CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Đặt vấn đề Sét bentonite là một loại khoáng sét thiên nhiên quý, có cấu trúc lớp và tương đối xốp, thuộc nhóm Smectit. Sét bentonite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có 3 lĩnh vực chính sử dụng đến 80% sản lượng tiêu thụ sét bentonite của thị trường là dung dịch khoan dầu khí, khoan cọc nhồi trong xây dựng, chất kết dính cho khuôn đúc, chất kết dính ve viên tinh quặng sắt. Vì vậy, hiện nay bentonite được sản xuất ở nhiều nơi trên thế giới với sản lượng tương đối lớn. Trong nước, bentonite chủ yếu mới chỉ được sử dụng làm dung dịch khoan cọc nhồi trong ngành dầu khí, cầu đường, và ứng dụng trong 1 số lĩnh vực công nghiệp khác. Một số công trình nghiên cứu trong nước đã chứng minh rằng có thể nghiên cứu chế biến sét ở mỏ Cromit Cổ Định bằng phương pháp hoạt hóa khô để làm dung dịch khoan, nhằm thu hồi và nâng cao giá trị kinh tế của sét, lượng tài nguyên chiếm gần 40% trong mỏ. Nguồn sét Bentonite Cổ Định – Thanh Hóa còn có thể được sử dụng để làm phụ gia chống thấm hoặc làm chất hấp phụ, chất xúc tác trong công nghiệp tẩy màu, tẩy dầu mỡ, công nghiệp thực phẩm, phân bón tổng hợp, phân bón hữu cơ… Với nguồn cung cấp bentonite vô cùng phong phú, đa dạng trong đó có thành phần chính là MMT. Dù là bentonite thương mại hay trong thí nghiệm đều có thể tìm kiếm, dễ dàng đặt mua và giá thành rẻ. Cùng với khả năng hấp phụ tốt vì có diện tích bề mặt tốt, phương pháp tinh chế, điều chế dễ dàng. Sau khi biến tính có thể đem lại nhiều tiềm năng, được ứng dụng nhiều hơn về nhiều mặt trong cuộc sống hơn không chỉ là trong công nghiệp, nông nghiệp… Nó còn có thể ứng dụng nhiều hơn về lĩnh vực môi trường như xử lý chất gây ô nhiễm, các kim loại nặng. Điều đó góp phần cho chúng ta ngày càng tiến xa hơn trong việc điều chế và biến tính vật liệu bentonite này, để có thể tìm được nhiều hướng khác nhau, mang lại hiệu quả ngày càng tốt hơn, đem lại lợi ích kinh tế tốt hơn. Từ đó sẽ thu hút được nhiều nhà đầu tư quan tâm hơn về loại vật liệu này, cân nhắc và sử dụng nó 1 cách hiệu quả hơn. Bởi vì nhu cầu sản xuất và sử dụng bentonite vào đời sống ngày càng tăng, đã có nhiều nghiên cứu mới trên thế giới nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu này. Đây là nhiệm vụ cấp thiết trong tình trạng nguồn tài nguyên đất nước này đang ngày càng cạn kiệt. Trên cơ sở đó, nên chúng em thực hiền đề tài “Nghiên cứu điều chế bentonite biến tính bằng chất hữu cơ, ứng dụng để hấp phụ và xử lý một số chất ô nhiễm trong nước thải”. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu điều chế Bentonite biến tính bằng chất hữu cơ, khảo sát khả năng hấp phụ và xử lý một số chất ô nhiễm trong nước thải của vật liệu. Đối tượng nghiên cứu: Bentonite Tiết kiệm tối đa chi phí phục vụ cho việc nghiên cứu, tổng hợp điều chế vật liệu cho ra sản phẩm hiệu quả tốt, giá thành hợp lí. 1.3.     1.4. Nội dung thực tập tốt nghiệp Để thực hiện mục tiêu đề ra, nội dung báo cáo tập trung vào các vấn đề sau: Tổng quan về vật liệu. Đưa ra các phương pháp điều chế và chọn phương pháp điều chế hiệu quả nhất. Phân tích khả năng hấp phụ của vật liệu. Nghiên cứu tìm hiểu về các ứng dụng mới của vật liệu. Phương pháp thực hiện Đề tài được thực hiện bằng những phương pháp chính sau: Thu thập, tìm hiểu tài liệu về Bentonite đã được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam. Khảo sát, phân tích hiện trạng và xu hướng phát triển của vật liệu ở Việt Nam. Tìm hiểu thành phần, tính chất đặc trưng, khả năng hấp phụ và xử lý một số chất ô nhiễm trong nước của vật liệu. Từ đó, đưa ra hướng nghiên cứu phù hợp với điều kiện thực tế tại PTN Viện Nghiên cứu Môi trường & Giao thông, Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh.  Phương pháp thu thập và xử lý các tài liệu cần thiết cho đề tài một cách thích hợp.  Phương pháp điều chế  Phương pháp đánh giá đặc tính của sản phẩm  Phương pháp so sánh: So sánh ưu khuyết điểm của các tỷ lệ hàm lượng hóa chất trong từng mẫu. So sánh khả năng hấp phụ giữa Bentonite và Bentonite biến tính.  Phương pháp trao đổi ý kiến: Trong quá trình thực hiện đề tài, đã tham khảo ý kiến nhận được sự hướng dẫn của các giảng viên.  Phương pháp tính toán: Sử dụng các công thức toán học để tính toán các phương trình, đưa ra kết quả tối ưu trong quá trình thí nghiệm.  Phương pháp phân tích số liệu và đưa ra kết luận. 1.5. Cấu trúc báo cáo thực tập. Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thực nghiệm 1. Điều chế tổng hợp vật liệu CTAB-Bentonite bằng phương pháp trao đổi ion (Biến tính Bentonite) 2. Khảo sát khả năng hấp phụ Phenol đỏ của Bentonite ban đầu và Bentonite sau khi biến tính hữu cơ ở các điều kiện khác nhau về: nhiệt độ, tốc độ khuấy, khối lượng CTAB, khối lượng Bentonite… Chương 4: Kết quả 1. Kết luận về nội dung thực tập. 2. Kế hoạch thực hiện tiếp theo. Tài liệu tham khảo Phụ lục: Nhật ký thực tập. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Khảo sát thị trường và trữ lượng tại Việt Nam. Theo tài liệu của các nhà địa chất, hiện nay ở nước ta đã phát hiện được hơn 20 mỏ và điểm quặng sét bentonite. Các mỏ có triển vọng và quy mô lớn đều tập trung ở phía Nam (Lâm Đồng, Bình Thuận, Tp.Hồ Chí Minh,…). Phía Bắc thì sét bentonite tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, Thanh Hóa và chủ yếu thuộc nhóm smectit thấp. Trữ lượng bentonite ở Việt Nam rất dồi dào khoảng 47.000.000 tấn, tài nguyên dự báo khoảng 350.760.000m3.[1] Thị trường kinh doanh sản phẩm Bentonite đang ngày càng sôi động hơn với sự tham gia của nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước. Bentonite ở Việt Nam được xem là một trong những nơi chứa mỏ Bentonite có chất lượng tốt hàng đầu của Châu Á. Nhiều nơi ở Việt Nam có chứa mỏ khoáng sản Bentonite với trữ lượng lớn như Lâm Đồng, Thanh Hóa, Bình Thuận… Ở Việt Nam, việc nghiên cứu về ứng dụng đất sét Bentonite còn chưa được triển khai mạnh, các nhà khoa học về lĩnh vực này chỉ đếm trên đầu ngón tay. Việc sản xuất và sử dụng bentonite ở Việt Nam còn chưa được quản lý và kiểm soát chặt chẽ, chính vì thế dẫn đến có nhiều công ty khái thác chưa đúng cách, dẫn đến cung cấp nguồn bentonite chất lượng vẫn còn chưa cao. Hiện nay trên thị trường các nguồn cung cấp bentonite cho lĩnh vực khoan cọc nhồi là không nhiều, đặc biệt là trong tình trạng các nguồn tài nguyên đang ngày càng khan hiếm và cạn kiệt. Nguồn cung trên thị trường miền Bắc tính đến nay rất ít. Trong khi đó, hầu hết các công trình xây dựng vừa và lớn thì không thể không cần đến Bentonite. Các sản phẩm của nước ngoài xét về mặt chất lượng tại nguồn mỏ khoáng sản thì không hơn sản phẩm trong nước là mấy nhưng họ có sự đầu tư về công nghệ nên tạo ra được chất lượng sản phẩm tốt hơn. Các công ty trong nước kém chú ý về mặt đầu tư công nghệ, chính vì thế khi saen xuất sản phẩm còn lẫn nhiều tạp chất, kém chất lượng làm giảm tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Nhu cầu sản phẩm trong mùa xây dựng là rất cao, đặc biệt là đối với các công trình lớn như các dự án cầu, cống, khu chung cư đô thị… Để đáp ứng nhu cầu của thị trường thì các công ty đều chú ý đến việc cung cấp sản phẩm đảm bảo chất lượng cũng như số lượng. Tuy nhiên, tình hình đóng băng của bất động sản một vài năm qua đã gây ảnh hưởng lớn đến việc phát triển của ngành vật liệu xây dựng trong đó có ngàng sản xuất và kinh doanh sản phẩm dung dịch Bentonite. Cầu đối với sản phẩm trong thời gian này có thể giảm, tuy nhiên trong thời gian sắp tới, vật liệu này sẽ được phát triển theo nhiều hướng ứng dụng khác nhau đặc biệt là về môi trường và xử lý các chất gây ô nhiễm. Điều này tạo cơ hội cho những công ty kinh doanh Bentonite phát triển. Có thể nói thị trường mặt hàng này đang có tiềm năng rất lớn. Cung và cầu về sản phẩm có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau. Cầu về sản phẩm là tương đối lớn, đặc biệt là vào mùa cao điểm. Theo khảo sát, hiện nay trên thị trường không chỉ có nguồn cung sản phẩm trong nước mà còn có rất nhiều các nhà cung cấp sản phẩm ở ngoài nước. Nhìn chung thì nguồn cung trên thị trường đang tương quan với cầu, điều này ổn định cho sự cung cấp hàng hóa cũng như ổn định về giá cả sản phẩm trên thị trường. Nhưng cung cầu sản phẩm cũng chịu nhiều ảnh hưởng từ các yếu tố kinh tế bên ngoài, chính vì thế mà các doanh nghiệp kinh doanh sản phẩm dung dịch bentonite cần phải nghiên cứu, xem xét và tính toán cụ thể diễn biến của thị trường để có những kế hoạch sản xuất trong dài hạn nhằm đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường. [2] 2.2. Giới thiệu về bentonite. Bentonite là một loại khoáng sét tự nhiên hình thành từ quá trình tro hóa núi lửa, tương đối mềm, có màu từ trắng tới vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe trong cấu trúc khoáng. Thành phần chính của bentonite là montmorillonit (MMT). Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào cấu trúc. Trong trường hợp lý tưởng công thức của MMT là Si 8Al4O20(OH)4 ứng với một đơn vị cấu trúc. Trong đó tỷ lệ Al 2O3:SiO3 thay đổi từ 1:2 đến 3:4. Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonite còn chứa một số khoáng sét khác như hectorit, saponit, beidelit, nontronit,… và một số khoáng phi sét như canxit, pirit, một số muối kim loại kiềm khác và hợp chất hữu cơ. Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét sắp xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thường được gọi là khoảng cách “Van de Waals”, là khoảng không gian giữa hai lớp sét. Sự hình thành nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong lớp tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị 3 trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị 2 như Fe và Mg. Sự thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu cầu sét mang điện tích âm. Điện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim loại kiềm và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Na +, K+, Ca2+, Mg2+,…)chiếm giữ khoảng không gian giữa các lớp này. Bentonite là tên đại diện cho một số sét lớp 2:1 có thành phần hóa học khác nhau như: montmorillonit (MMT), nontronit (NONT). Hình 2. 1. Cấu trúc không gian của smectit Đôi khi trong MMT cũng có lẫn một số ít Fe. Do đó, khi vật liệu smectit có hàm lượng Fe3+ < 1% mol thì thuộc về nhóm MMT, còn khi Fe 3+ > 3% mol sẽ thuộc về nhóm NONT. Như bentonite ở Thuận Hải, bề ngoài có màu xanh xám, ít sát, ít nhôm, chứa nhiều khoáng MMT. Ở vùng Cổ Định, Thanh Hóa có mỏ bentonite chứa nhiều sắt, ít nhôm, đó là bentonite chủ yếu chứa khoáng NONT. Có nhiều phương pháp để xác định các đặc trung của sét, nhưng phương pháp hồng ngoại (IR) là một kỹ thuật được sử dụng phổ biến và hiệu quả nhất. [3] 2.3. Các tính chất hóa lý của bentonite. 2.3.1. Tính trương nở. Tính trương nở là khi bentonite hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm thay đổi chiều dài lớp cấu trúc, khoảng cách tăng lên tùy thuộc vào loại bentonite và lượng nước hấp thụ. Sự tăng khoảng cách này phụ thuộc vào bản chất của khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong môi trường phân tán. Lượng nước hấp thụ phụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation. Trong môi trường kiềm Sodium Bentonite bị hydrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng rất nhanh. Do vậy trong môi trường kiềm, huyền phù Sodium Bentonite rất bền vững. [3] 2.3.2. Tính chất trao đổi ion. Tính chất trao đổi ion là đặc trưng cơ bản của bentonite. Tính chất này được đánh giá thông qua giá trị CEC (dung lượng trao đổi cation); giá trị này càng lớn thì khả năng trao đổi cation càng nhiều. Tính chất đó là do sự thay thế đồng hình các cation. Nếu số lượng điện tích âm càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn. Nếu biết khối lượng phần tử M và giá trị điện tích lớp của bentonite thì dung lượng trao đổi được tính bằng phương trình sau: -MOH + H+ -MOH + OH -MOH2+ -MO- + H2O Tại điểm điện tích không pHpzc , bề mặt bentonite không mang điện tích nghĩa là tổng điện tích dương bằng tổng điện tích âm: [-MOH 2+] = [-MOH-]. Tại các giá trị pH pH pzc, bề mặt bentonite mang điện tích âm và ion H+ tham gia vào phản ứng trao đổi cation. Dung lượng trao đổi cation và anion của bentonite thay đổi trong khoảng rộng, phụ thuộc vào điện tích âm mạng lưới và pH của môi trường trao đổi. Trong môi trường kiềm, nói chung dung lượng trao đổi cation của bentonite là lớn. Dung lượng trao đổi caiton dao động trong khoảng 80 ÷ 150 mđl/100g, dung lượng trao đổi anion dao động trong khoảng 15 ÷ 40 mđl/100g. Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi. Các cation hóa trị nhỏ sẽ dễ bị trao đổi hơn các cation háo trị lớn. Nhờ tính chất trao đổi ion của bentonite, ta có thể biến tính bentonite để tạo ra vật liệu có tính chất xúc tác, hấp phụ và các tính chất hóa lý khác nhau tùy thuộc mục đích sử dụng.[3] 2.3.3. Tính chất hấp phụ. Tính chất hấp phụ của bentonite được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc mao quản của nó. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2µm và do đặc điểm của cấu trúc mạng lưới tinh thể, bentonite có diện tích bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Do khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao đổi giữa các lớp, phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất bị hấp phụ, nên bề mặt trong của bentonite cũng bị thay đổi trong quá trình hấp phụ. Diện tích bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt bentonite. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn. Do bentonite có cấu trúc tinh thể và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng lớn đến tính hấp phụ của các chất, đặc trưng cơ bản của nó là tính chọn lọc 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 hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonite làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonite và các chất hấp phụ khác.[3] Khả năng hấp phụ của bentonite còn phụ thuộc vào tính chất, kích thước, hình dạng của các chất bị hấp phụ. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp, hoặc liên kết với các cation đó qua các phân tử nước, do đó phụ thuộc vào số lượng phân tử nước liên kết ở không gian giữa các lớp. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bởi lực Van der Walls hoặc liên kết Hydro. Với các chất hữu cơ không phân cực, chất cao phân tử và đặc biệt là vi khuẩn thì sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonite. [3] 2.3.4. Tính kết dính. Khi trộn với nước, bentonite 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, bentonite 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. [4] 2.3.5. Tính trơ. Bentonite trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được. Người ta dùng bentonite 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…[4] 2.3.6. Tính nhớt và dẻo. Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong nước nên bentonite có tính nhớt và dẻo. Do có các tính chất này mà bentonite được sử dụng làm phụ gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành lỗ khoan, làm phụ gia trong xi măng Portland, chế vữa và chất kết dính đặc biệt.[4] 2.4. Sét hữu cơ. 2.4.1. Giới thiệu về sét hữu cơ. Sét hữu cơ hay bentonite hữu cơ là sản phẩm của quá trình tương tác giữa bentonite và các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là các amin bậc 1, 2, 3 và bậc 4 có mạch thẳng, nhánh và vòng. Mục đích của việc biến tính bentonite bằng phản ứng hữu cơ hóa bentonite là tạo ra vật liệu từ dạng ưa nước chuyển sang dạng ưa hữu cơ với những gốc thế khác nhau và có khả năng trương nở trong dung môi hữu cơ, khuếch tán và tương hợp tốt trong các polyme thông qua quá trình hòa tan trong dung môi hữu cơ hoặc quá trình nóng chảy. Sản phẩm được ứng dụng rộng rãi hơn đặc biệt dùng để điều chế vật liệu nanocomposit.[3] 2.4.2. Phương pháp tổng hợp sét hữu cơ. 2.4.2.1. Phương pháp chèn ghép (intercalation) các phân tử hữu cơ hay các cation hữu cơ vào giữa các lớp sét bằng cách hấp phụ hay trao đổi cation. Cơ chế của quá trình này là phản ứng trao đổi ion giữa các cation hữu cơ ammonium với ion kim loại Na+, K+, và Ca+ tồn tại trong khoảng giữa các lớp của bentonite: R-N+ + Na+-B B-N+-R + Na+. Tốc độ phản ứng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất, kích thước và cấu trúc của các chất hữu cơ, nhiệt độ, nồng độ, loại khoáng sét và kích thước không gian phản ứng (kích thước mao quản, kích thước hạt sơ cấp của bentonite). Với quá trình như vậy, bề mặt bentonite chuyển từ pha ưa nước sang pha kị nước và khoảng cách không gian giữa các lớp sét càng cao. Sự sắp xếp các mạch alkyl trong khoảng giữa các lớp cảu bentonite có thể có 1 lớp, hai lớp, giả bả lớp song song với bề mặt sét hay theo kiểu cấu trúc parafin và phụ thuộc vào mật độ điện tích của sét và loại chất hoạt động bề mặt. Các chất hữu cơ sử dụng phổ biến dùng làm tác nhân biến tính bentonite là: benzyl trimetylammmonium bromide, benzyl butyl dimethylammonium bromide, benzyl dimethyl dodecylammonium bromide, cetytrimethylammonium bromide, hexadecyltrimethylammonium bromide.[3] 2.4.2.2. Phương pháp ghép nối (grafting method) các nhóm chức hữu cơ với nhóm hydrolxyl ở góc cạnh các lớp của bentonit. Phương pháp ghép nối thường sử dụng trong các hợp chất silan để chức năng hóa bề mặt của bentonite. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào phản ứng giữa các hợp chất Organoalcoxysilan (công thức chung RSi(OR’) 3) với các nhóm OH của bentonite. Phản ứng này có thể xảy ra ở bề mặt bentonite hoặc ở các gờ cạnh bentonite chứa nhóm OH, hoặc xảy ra ở khoảng giữa các lớp bentonite. Vật liệu sét hữu cơ thu được có một số tính chất ưu việt như độ bền nhiệt cao, bề mặt có tính kị nước… Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy nhưng sét hữu cơ tổng hợp bằng phương pháp này có ít ứng dụng hơn so với sét tổng hợp bằng phương pháp trao đổi ion. Sỡ dĩ như vậy là vì số tâm OH hoạt động ở gờ các lớp sét ít, dẫn đến quá trình chức năng hóa bề mặt sét với các hợp chất silan ít hiệu quả. [3]. 2.4.3. Ứng dụng sét hữu cơ. 2.4.3.1. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ. Do có độ axit cao nên bentonite có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng hữu cơ. Bề mặt của bentonite mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình của các ion Si+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở tâm bát diện. Các ion thay thế Al 3+, Mg2+ 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 Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết trên bề mặt bentonite. Nếu lượng 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 nhường proton để hình thành trên bề mặt bentonite những tâm axit Bronsted. Số lượng nhóm hidroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của bentonite. Việc biến tính bentonite bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị như Ti , Zr4+, Al3+, Si4+… 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. 4+ 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. Vì vậy, bentonite được sử dụng làm chất mang xúc tác cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ. [5] 2.4.3.2. Làm vật liệu hấp phụ. Bentonite được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp. Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonite được sử dụng với lượng rất lớn, bao gồm bentonite tự nhiên và bentonite đã hoạt hóa. Lượng bentonite tự nhiên tiêu tốn cho quá trình lọc dầu là 25% khối lượng dầu và lượng bentonite hoạt hóa bằng 10% khối lượng dầu. Việc sử dụng bentonite làm chất hấp phụ ưu việt hơn hẳn phương pháp cũ là phương pháp rửa kiềm. Lượng bentonite mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5% lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra, phương pháp dùng bentonite còn có mức hao phí dầu thấp do tránh được phản ứng thủy phân. Trong công nghiệp hóa than, bentonite 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, bentonite 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 bentonite được sử dụng trong việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng cao. Ngày nay, ở Mỹ lượng bentonite được sử dụng làm dung dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonite của nước này. Các chức năng chính quan trọng của bentonite 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 chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch khoan mà còn có tác dụng như 1 cái màng cứng làm bền thành lỗ khoan. Ngoài ra, do có khả năng hấp phụ tốt nên bentonite còn được sử dụng làm chất hấp phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trường… [5] 2.4.3.3. Ứng dụng trong xử lý nước. Nước thải ở các căn cứ quân sự: Sân bay quân sự ở Bang Utah (Mỹ) có một hệ thống xử lý nước thải bao gồm kết bông khoáng, bể lắng ngoài trời, các cột chứa sét hữu cơ dạng hạt và các cột than hoạt tính. Sét hữu cơ, loại montmorillonit được sử lý bằng mỡ dymethyldyhydrogenated, được đựng trong 3 bình có đường kính 10 fit (3,048 m) với tốc độ chảy 350 gal/phút (1.385 l/p). Sét hữu cơ trong những cột này được trộn với 70% bột trợ lọc than antraxit loại đặc biệt (loại I) để làm giảm đến mức tối thiếu hiện tượng trương nở của sét. Nước bị nhiễm bẩn dầu và mỡ được đưa vào xử lý trung bình 28 ppm, với mức cao nhất là 85 ppm. Sau xử lý nước đã được khử sạch dầu mỡ. Hệ thống này hoạt động với mức giá thấp hơn 30% so với chỉ đơn thuần sử dụng sét hữu cơ.