1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về bentonite
1.1.1. Thành phần và cấu trúc

Hình 1.1. Mẫu bentonite
(a) Mẫu quặng bentonite nguyên khai
(b) Mẫu bentonite đã được nghiền phân cấp sơ bộ
Khoáng sét là hợp chất thuộc họ aluminosilicat tồn tại trong tự nhiên thành mỏ. Ở
Việt Nam có nhiều mỏ khoáng sét trên cả ba miền. Khoáng sét có cấu trúc lớp bao gồm
lớp các oxit nhôm và lớp của oxit silic. Các lớp liên kết với nhau qua cầu nguyên tử oxi.
Tinh thể khoáng sét của lớp silicat được cấu tạo từ các tứ diện oxit silic sắp xếp thành
mạng lục giác, liên kết với các mạng bát giác. Hạt sét khi phân tán trong nước tạo huyền
phù có kích thước rất nhỏ khoảng một vài micromet. Khoáng sét ngậm nước là vật liệu
mềm dẻo. Hai nguyên tố chiếm thành phần chính trong khoáng sét là nhôm và silic.
Khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp, các lớp trong cấu trúc khoáng sét hình thành


2

từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản:
- Cấu trúc tứ diện của oxit silic (tetra hedral - hình 1.2a).
- Cấu trúc bát diện của oxit nhôm (octa hedral – hình 1.2b).

Hình 1.2. (a).

(b).

Nếu chỉ có lớp tứ diện sắp xếp theo trật tự kế tiếp liên tục thì sẽ hình thành cấu trúc
kiểu 1:1, đây là cấu trúc tinh thể của caolin. Nếu lớp bát diện nhôm oxit (hydroxyt) bị

kẹp giữa hai lớp oxit silic thì khoáng sét đó thuộc cấu trúc 2:1. Sét có cấu trúc 2:1 điển
hình là Bentonite và Vecmiculite.
Bentonite (bent) là một loại sét tự nhiên, có thành phần chính là khoáng
montmorillonit (MMT) có công thức hóa học tổng quát là Al2O3.4SiO2.nH2O và thêm
một số loại khoáng sét khác như saponit Al2O3[MgO]4SiO2.nH2O; nontronit
Al2O3[Fe2O3]4SiO2.nH2O; beidellit Al2O3.3SiO2.nH2O. Ngoài ra trong bentonite còn có
một số khoáng sét khác như kaolinit, clorit, mica và khoáng phi sét như canxit, pirit,


3

manhetit, biolit…các muối kiềm và các muối vô cơ. Vì thành phần chính trong bentonite
là mont (60→70%) vì vậy bentonite được gọi theo tên khoáng vật chính là MMT. Thành
phần hóa học và độ tinh khiết của MMT ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của nó.

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể kiểu 1:1 và 2:1 của các loại khoáng sét
Cấu trúc tinh thể của MMT được tạo bởi hai mạng lưới tứ diện liên kết với mạng
lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc (hình 1.4).


4

Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể của Montmorillonit
Dung lượng trao đổi cation (CEC) của MMT dao động trong khoảng 70 – 150 mdl/
100g. Khoảng cách giữa các lớp (interlayer) trong từng điều kiện có giá trị từ 5 - 30 A o.
Bề mặt hình học của bentonite vào khoảng 500→760m2/g (ở trạng thái trương nở). Bề
mặt của bentonite gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong. Bề mặt trong được xác định bởi bề
mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Bề mặt ngoài được xác
định bởi bề mặt của các mao quản chuyển tiếp (hình thành do sự tiếp xúc của các hạt
MMT).

Sét Bentonite ở Việt Nam có hai nguồn chính: ở Di Linh - Lâm Đồng và ở Tuy
Phong - Bình Thuận. Sét Di Linh - Lâm Đồng là sét chứa ion kiềm thổ (Ca2+, Mg2+ ) còn
sét ở Tuy Phong - Bình Thuận chứa ion kiềm (Na+ , K+) nên có độ trương nở cao hơn, và
khả năng trao đổi ion lớn. Tính chất trao đổi ion là một đặc trưng quý báu của bentonite.
Nhờ đó mà người ta có thể biến tính bentonite để tạo ra vật liệu có tính chất xúc tác, hấp
phụ và các tính chất hóa lý hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng chúng.

1.1.2. Tính chất
Bentonite thể hiện một số tính chất đặc trưng sau:
- 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 khoảng cách này tăng
lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonite và lượng nước bị hấp thụ. Sự
tăng khoảng cách d001 được giải thích do sự hydrat hóa của các cation giữa các
lớp. Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế
đồng hình trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp
phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation.
- Khả năng trao đổi ion: đặc trưng cơ bản của bentonite là trao đổi ion, tính
chất đó là do sự thay thế đồng hình cation. Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào
lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm


5

càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi ion càng lớn.
Nếu biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của bentonite thì
dung lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình :
CEC ( cmol/kg ) = 105ζ/M
ζ : điện tích tổng cộng của các lớp.
- Tính hấp thụ/hấp phụ: tính chất hấp thụ/hấp phụ được quyết định bởi đặc
tính bề mặt và cấu trúc lớp của chúng. 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 chất hấp phụ của các chất, đặc trưng 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.
1.1.3.Các hiện tượng vật lý của đất sét với nước
Sự rã: là hiện tượng đất sét bị mềm ra và cuối cùng tạo thành khối mềm nhão.
Hiện tượng này tạo ra đất sét ở dạng paste. Để rã tốt người ta dùng nước có khuấy trộn.
Sự rã thường kèm thêm sự tăng thể tích và nhiệt độ khối vật liệu.
Sự trương: là hiện tượng tăng thể tích khi đất sét ngâm trong nước. Nguyên nhân
là do sự hấp thu nước vào tạo mạng tinh thể, đặc biệt là đối với mạng tinh thể của
khoáng monmorillonite có khả năng trương được.
Lượng sét trương trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Loại và lượng khoáng hiện diện trong đất sét.
- Những ion có khả năng trao đổi kết hợp với đất sét.
- Hình dạng và kích thước hạt.
- Cấu tạo của khối sét.
- Các muối tan trong nước.


6

- Các phụ gia thêm vào khối sét đã trương.
- Đất sét có thể trương trong các dung môi hữu cơ. Đặc biệt đối với amin béo thì
hiệu quả trương cao hơn do nó có dãy alkyl dài từ 10 nguyên tử carbon trở lên.
Monmorillonite đã giãn nở thì có khả năng hấp thụ cao và có các đặc điểm, tính
chất khác có giá trị.
Nhiệt ẩm: là hiện tượng phát sinh nhiệt khi sét trộn với nước hay các dung môi
hữu cơ. Nhiệt ẩm này còn được gọi là hiệu ứng Pouillet.

Ứng dụng của 3 hiện tượng rã, trương và sinh nhiệt ẩm:
- Tác dụng tẩy: làm giảm sức căng bề mặt của nước. Ứng dụng của tính chất này
là tạo thành hỗn hợp của đất sét và xà phòng, có cùng tác dụng tẩy rữa như xà phòng,
đất sét thêm vào để hạ giá thành.
- Tác dụng chuyển sang thể nhũ tương: đất sét có hoạt tính chuyển thành thể nhũ
tương rất mạnh, nghĩa là hỗn hợp dầu và nước sẽ nhanh chóng tách pha và duy trì thể
nhũ tương khi cho khoảng 1% đất sét vào.

1.1.4. Nguồn bentonite ở nước ta hiện nay
Hiện nay, nguồn bentonite của nước ta khá phong phú, có thể cho khai thác với
trữ lượng 20.000 – 24.000 tấn/năm trong 15 năm. Bentonite phân bố ở Cổ Định (Thanh
Hoá), Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nha Mé (Bình Thuận) và Bà Rịa – Vũng Tàu. Tuy
nhiên, bentonite hiện mới chỉ được Công ty dịch vụ dầu khí khai thác với quy mô lớn
phục vụ cho công nghệ khoan, trong khi đó diện tích đất bạc màu, đất cát, đất thoái hoá
cần cải tạo phục vụ cho nông nghiệp của nước ta rất lớn.
Trữ lượng quặng bentonite của Việt Nam đã xác định và dự báo khoảng 95 triệu
tấn. Mỏ sét bentonite thuộc thung lũng Nha Mé (tại xã Phong Phú – huyện Tuy Phong
– Tỉnh Bình Thuận, Việt Nam) là mỏ bentonite kiềm duy nhất ở Việt Nam có trữ lượng
hàng triệu tấn, thuộc loại lớn trên thế giới hiện nay.

1.1.5. Các khả năng biến tính của bentonite
1.1.5.1. Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhôm silicat


7

Như đã đề cập ở trên, đặc trưng cơ bản của bentonite là tính chất trao đổi. Tính
chất đó có được là do sự thay thế đồng hình các ion Si 4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện
và thay thế ion Al3+ bằng Mg2+ trong mạng lưới bát diện, làm xuất hiện điện tích âm
trong mạng lưới cấu trúc. Khả năng thay đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng điện

tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm bề mặt càng lớn, số
lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi của bentonite càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của nhôm silicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán kính
cation trao đổi. Điện tích cation càng thấp thì càng dễ trao đổi hơn cation điện tích cao
Me+ > Me2+ > Me3+.
Đối với các cation cùng điện tích, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng
lớn, có thể sắp xếp theo trật tự như sau: Li+ > Na+ > K+ > Cu2+ > Fe2+ > Al3+.
Tuy nhiên khả năng trao đổi của nhôm silicat chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích
âm bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới. Bentonite có cấu trúc lớp xốp, gồm
bề mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích
thước tinh thể, phụ thuộc vào sự đứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt
càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trong mạng lưới và
khả năng hấp phụ của bentonite. Nó phụ thuộc vào lượng cation bù trừ trong mạng
lưới. Số lượng cation bù trừ càng lớn thì khả năng trao đổi càng lớn. Dung lượng trao
đổi anion dao động từ 15 ÷ 40 mgdl/100g.
Ngoài ra, sự trao đổi ion của bentonite còn liên quan đến sự thay thế các nguyên
tử hydro trong các nhóm hydroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu, đỉnh
các tứ diện SiO4 hướng ra phía ngoài của lớp cấu trúc. Ở đỉnh này các nguyên tử oxi bị
thay thế bởi các nhóm hydroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu
giữa các lớp và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Trong montmorilonit còn có các
nhóm hydroxyl nằm ở đỉnh các bát diện AlO 6. Trong sáu đỉnh của bát diện có hai đỉnh
là nhóm OH còn bốn đỉnh kia là oxi (hình 1.5).


8

Hình 1.5: Vị trí các nhóm OH có trong mạng lưới cấu trúc của bentonite
Trong đó nhóm hydroxyl của liên kết Si – OH (hình 1.5.I) không có khả năng trao
đổi hydro, nhóm hydroxyl trong liên kết Al – OH (hình 1.5.II) có tính axit yếu nên khả

năng trao đổi yếu. Nhóm hydroxyl trong liên kết Si – O – Al (hình 1.5.III) có tính trao
đổi mạnh nên có tính quyết định đến dung tích trao đổi cation H+.

1.1.5.2. Biến tính làm biến đổi cấu trúc lớp nhôm silicat
Khoáng bentonite tự nhiên chứa nhiều tạp chất như các canxit (CaCO 3), dolomite
(MgCO3), một số oxit: Fe2O3, FeO, TiO2, v.v… và các tạp chất khác.
Hoạt hóa bentonite là dùng kiềm hoặc axit hòa tan một số oxit lưỡng tính như
Al2O3, Fe2O3 để tạo trên bề mặt sét những lỗ xốp và trung tâm hoạt động. Việc sử dụng
nồng độ kiềm hoặc axit cao có khả năng hòa tan Al2O3 làm thay đổi cấu trúc bentonite.

1.1.6. Tính chất cấu trúc hấp phụ
Chính vì bentonite có cấu trúc lớp và độ phân tán cao cho nên nó có cấu trúc xốp
phức tạp và bề mặt riêng lớn.
Cấu trúc lỗ xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các chất, đặc trưng
của nó là tính chất 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 để tham gia vào quá trình hấp phụ. Dựa vào điều
này người ta có thể tiến hành hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonite làm vật liệu tách
chất. Đây cũng là điểm khác nhau giữa bentonite và các chất hấp phụ khác.


9

Nhờ dư điện tích trên các nguyên tử của các nút mạng tinh thể cho nên bentonite
là một chất hấp phụ phân cực và vì vậy nó sẽ ưu tiên hấp phụ các chất phân cực. Tuy
nhiên, bentonite vẫn có thể hấp phụ các chất không phân cực do lực Van der Walls và
tương tác hấp phụ chủ yếu là tương tác cảm ứng. Bề mặt bentonite có diện tích tương
đối lớn bao gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong. Bề mặt trong bao gồm bề mặt của các
lớp nhôm silicat chồng lên nhau và được ngăn cách bằng các cation kim loại đền bù
điện tích trên bề mặt bentonite. Bề mặt ngoài được xác định bởi bề mặt của các mao
quản chuyển tiếp. Các mao quản này được tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonite

o

và có kích thước khoảng 40 ÷ 90

A

. Diện tích của bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích

thước các hạt bentonite, hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn. Khả năng
trao đổi ion lớn cùng với khả năng hấp phụ tốt mà ta có một loại vật liệu xử lý kim loại
nặng rất hiệu quả từ bentonite.

1.1.7. Khả năng hấp thu ion của bentonite
1.1.7.1. Cơ chế hấp thu
Các ion kim loại có thể được hấp thu trên bề mặt bentonite hoặc trong các khe
giữa các lớp. Cơ chế hấp thu có thể bao gồm cả cơ chế hấp thụ, hấp phụ vật lý và hấp
phụ hoá học.
Bentonite có thể hấp thu kim loại nặng theo hai cách khác nhau:
- Hấp thu các cation vào khe giữa các lớp
Do bentonite có cấu trúc lớp, lại có thể có sự thay thế các ion Al3+ và Si4+ trong
mạng lưới của bentonite bằng các ion có điện tích dương bé hơn làm cho mạng lưới
mang điện tích âm. Đồng thời trên bề mặt của các lớp có thể có tồn tại các nhóm -OH
có khả năng trao đối ion H+ đối với các cation có mặt trong dung dịch nước. Việc hấp
thu các cation vào trong các khe giữa các lớp phụ thuộc vào kích thước của khe trống,
kích thước của các cation, bản chất của cation.


10

- Hấp thu các ion lên trên bề mặt của các hạt bentonite

Trong trường hợp này, các cation có tham gia hình thành các phức chất cầu nội
thông qua nhóm Si – O- và Al - O- tại bề mặt của bentonite. Lúc này có thể có cả sự tự
trao đổi ion và hấp phụ bằng lực Van der Walls. Vì vậy dung lượng hấp thu trong
trường hợp này phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt của hạt bentonite.
Cả hai kiểu hấp thu trên điều được thực hiện trong điều kiện môi trường axit (pH
< 4).
Nhiệt động học của quá trình hấp thu:
Năng lượng tự do của sự hấp phụ riêng ∆G0 được tính toán từ biểu thức:
∆G0 = ∆H0 - T∆S0

(1.1)

Bởi vì quá trình hấp phụ là toả nhiệt nên quá trình hấp thu xảy ra tốt khi nhiệt độ
thấp. Do ion kim loại được solvat hoá tốt vì vậy để cho ion kim loại được hấp phụ
chúng phải mất một phần lớp vỏ hydrat hoá của chúng. Quá trình đề hydrat hoá này đòi
hỏi năng lượng. Năng lượng của quá trình đề hydrat hoá được cung cấp bởi sự hấp phụ
toả nhiệt. Sự loại bỏ nước khỏi ion là quá trình thu nhiệt, dường như sự thu nhiệt của
quá trình đề solvat hoá vượt quá nhiệt độ do sự hấp phụ phát ra nên giá trị năng lượng
tự do ∆G° âm, quá trình hấp phụ là tự diễn biến.
1.1.7.2. Khả năng hấp thu - Đối tượng bị hấp thu
Do bentonite là vật liệu xốp có cấu trúc lớp, chúng có các diện tích bù trừ trong
mạng lưới nên có khả năng hấp thu các ion kim loại. Khả năng hấp thu của bentonite
phụ thuộc vào điện tích âm bề mặt và lượng cation bù trừ trong mạng lưới. Bentonite
có thể hấp thu tốt các ion kim loại nặng, khả năng hấp thu đối với các ion là khác nhau.
Nó phụ thuộc vào điện tích và bán kính ion. Ion có hoá trị thấp dễ trao đối hơn các ion
hoá trị cao. Ion cùng hoá trị, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đối càng lớn.

1.1.7.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thu các ion kim loại
nặng



11

1.1.7.3.1. Ảnh hưởng của pH
pH của dung dịch nước là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hấp phụ của
kim loại trên bentonite. Sự hấp phụ của kim loại giảm khi pH giảm thấp vì nhóm Si O- và Al - O- được nhận nhiều hơn một proton, vì vậy chúng lưu giữ kim loại kém hơn.
Tác động này mạnh đối với Cu, Pd, Cd và kém rõ rệt đối với những kim loại khác.
Nhưng nếu pH cao quá nó sẽ làm giảm bề mặt tích điện âm trên bentonite, mà sự hấp
thu xảy ra chủ yếu do sự thu hút ion kim loại của các bề mặt điện tích âm này nhờ lực
culong. Khi pH tăng quá cao (pH > 5) dung lượng điện tích âm trên bề mặt của
bentonite giảm đi, dẫn đến khả năng hấp phụ kém đi. Theo khảo sát pH thích hợp để
hấp phụ tốt nhất là 4.

1.1.7.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại.
Bởi vì quá trình hấp phụ là tỏa nhiệt nên khi nhiệt độ tăng thì không có lợi cho
quá trình hấp phụ, sự hấp phụ thuận lợi khi nhiệt độ thấp, nhưng các ion kim loại trong
dung dịch nước bị bao phủ bởi các lớp solvat, vì vậy để hấp phụ lớp solvat này phải bị
phá vỡ, quá trình phá vỡ này thuận lợi khi nhiệt độ tăng. Như vậy trong quá trình hấp
phụ nhiệt độ có ảnh hưởng trái ngược nhau, tăng nhiệt độ thì thuận lợi cho sự phá vỡ
lớp solvat bao bọc ion, làm dễ dàng hơn cho sự hấp phụ ion, nhưng lại không thuận lợi
về mặt nhiệt động học của quá trình hấp phụ. Còn nếu nhiệt độ thấp thì quá trình
hấp phụ thuận lợi về mặt động học nhưng nếu mà nhiệt độ thấp quá thì lớp solvat
bao bọc kim loại không bị phá vỡ nên sự hấp phụ khó xảy ra. Cho nên trong quá
trình hấp phụ nhiệt độ cần phải có giá trị thích hợp để cho sự hấp phụ xảy ra tốt nhất.

1.1.7.3.3. Ảnh hưởng của thời gian
Thời gian có ảnh hưởng mạnh đến dung lượng hấp phụ của bentonite. Với
nồng độ và thể tích của ion kim loại, khối lượng của bentonite xác định đến
khoảng thời gian nào đó dung lượng của bentonite không thay đổi. Khi đó ta có hấp



12

dung cực đại, thời gian đó gọi là thời gian cân bằng hấp phụ được thiết lập, nó phụ
thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ chất điện ly, khối lượng chất hấp
phụ, thể tích dung dịch hấp phụ.

1.1.7.3.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt, điều kiện khuấy trộn
Sự hấp phụ tăng với sự tăng diện tích bề mặt, tức là diện tích tiếp xúc giữa
ion kim loại và chất hấp phụ. Vì vậy để cho sự hấp phụ đạt kết quả tốt kích thước
hạt phải thật nhỏ, mịn. Mặt khác ta biết rằng bentonite là khoáng sét nó có đặc
điểm là dẻo và dính nên trong dung dịch nó thường bám kết với nhau, làm giảm
khả năng hấp phụ, vì vậy phải tiến hành khuấy để chúng phân tán làm cho sự tiếp
xúc giữa ion và bentonite tốt hơn.

1.1.7.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng
Tỷ lệ khối lượng của chất hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ ảnh
hưởng đến khả năng hấp phụ của ion kim loại trên bentonite với mỗi kim loại có
một tỷ lệ xác định và tối ưu, phụ thuộc vào nồng độ của ion kim loại, bản chất của
chất hấp phụ, nhiệt độ, nồng độ các chất điện ly và thời gian hấp phụ.

1.1.7.3.6. Ảnh hưởng của các chất điện ly
Ảnh hưởng của chất điện ly đối với sự hấp phụ của bentonite với các ion
khác nhau là khác nhau. Nhưng, nói chung nồng độ các chất điện ly trong dung dịch
tăng thì khả năng hấp phụ bị giảm đi. Do sự tạo phức của các chất điện ly với các
ion kim loại, sự thủy phân, ảnh hưởng đến khuếch tán của các ion kim loại.

1.2. Những ứng dụng chủ yếu của bentonite
Do có khả năng hấp phụ tốt nhiều chất vô cơ và hữa cơ, nên bentonite có nhiều

ứng dụng khá đa dạng và phong phú trong sự phát triển của xã hội.

1.2.1. Bentonite dùng làm chất hấp phụ


13

Bentonite được dùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp với vai trò là chất
hấp phụ.
Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonite được sử dụng khá 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 phải lọc cùng với một lượng bentonite đã hoạt hóa
bằng 10% khối lượng dầu.
Trong công nghiệp tinh chế dầu thực vật để sản xuất dầu ăn, mỡ, bơ, xà phòng,
việc sử dụng bentonite làm chất hấp phụ là 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 điều chế than cốc phục vụ cho công nghiệp luyện kim,
bentonite được sử dụng để tinh chế benzen thô và các bán sản phẩm khác. Nhờ có đặc
điểm hấp phụ đặc biệt tốt, bentonite còn được sử dụng rộng rãi để sản xuất nhiên liệu
lỏng tổng hợp, sản xuất các chất màu, sản xuất các vitamin,.v.v...

1.2.2. Bentonite dùng để chế tạo dung dịch khoan
Bentonite có thể tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chí phí
nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng với việc phát triển của ngành thăm dò và khai thác dầu,
lượng bentonite sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng. Ngày nay ở
Mỹ, lượng bentonite sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản
lượng bentonite của nước này.


1.2.3. Bentonite dùng làm chất độn
Trong công nghiệp sản xuất các vật liệu tổng hợp. Một lượng lớn bentonite dùng
cho công nghiệp xà phòng, công nghiệp sản xuất vải sợi. Việc sử dụng bentonite trong
vài thập kỷ gần đây cũng đã làm thay đổi đáng kể ngành công nghiệp giấy.


14

Trước kia giấy thường chứa xấp xỉ 55% xenlulo và hàm lượng caolin nguyên chất
có trong giấy không thể vượt quá 45%. Nếu trộn thêm 10% bentonite kiềm (cation trao
đối là kim loại kiềm, chủ yếu là Na +) vào caolin thì có thể nâng hàm lượng chất độn
này lên tới 60%. Nếu trộn thêm 20% bentonite kiềm thì hàm lượng chất độn có thể
nâng lên đến 64% và nếu dùng 100% bentonite thì chất độn lên tới 84%, nghĩa là giảm
lượng xenlulo cần có trong giấy đi ba lần.

1.2.4. Bentonite dùng trong công nghiệp rượu bia
Việc sử dụng bentonite hoạt hóa làm chất hấp phụ đã làm giảm 30% đến 40% chi
phí công nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang. Bentonite có khả
năng hấp phụ không chỉ các axit hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong
muốn trong quá trình lên men mà còn cả ion sắt và đồng là những tác nhân gây ra bệnh
hả rượu. Ưu điểm đặc biệt trong quá trình xử lý với chất hấp phụ là bentonite là hương
vị riêng của rượu không bị mất đi.

1.2.5. Bentonite dùng trong công nghiệp tinh chế nước
Ở nhiều vùng chưa có nhà máy nước trên thế giới, việc sử dụng bentonite để làm
sạch các nguồn nước mặt, như nước sông ngòi, kênh mương và các nguồn giếng khoan
có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bentonite không những có khả năng làm kết tủa các
vẩn đục, thay cho việc dùng phèn đắt hơn nhiều, mà nó còn có khả năng hấp phụ một
loạt các ion gây độc và một lượng lớn các vi khuẩn, chất hữu cơ có trong nước.
Bentonite là một chất trao đối có trong tự nhiên, nó có khả năng khử tính cứng của

nước với giá thành tương đối rẻ. Khả năng lắng cạn lơ lửng trong nước, đồng thời với
tác dụng trao đối 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 nghệ xử lý nước.

1.2.6. Một số ứng dụng khác
Cũng từ các đặc tính của bentonite là tính trương nở mạnh, tính dẻo người ta còn
sử dụng bentonite trong các công trình thủy lợi như đê điều, mương máng và những


15

công trình phòng thủ bằng đất. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, bentonite được
dùng làm tác nhân liên kết trong sản xuất đạn và làm khuôn đúc. Đặc biệt bentonite
còn được dùng làm phụ gia trong thức ăn cho động vật, với vai trò tăng thời gian lưu
trữ thức ăn trong cơ quan tiêu hóa giúp tiêu hóa thức ăn và điều tiết axit. Bentonite còn
được sử dụng làm chất chống ấm bằng cách sấy khô và do đặc tính hút ẩm trở lại mà
có ứng dụng này (bentonite có khả năng hấp phụ lượng nước lớn gấp khoảng 10 lần
khối lượng của chúng).
Do những ứng dụng phong phú của bentonite mà trên thế giới người ta có nhu
cầu khai thác và sử dụng bentonite rất lớn. Năm 1995, lượng sản phấm từ bentonite
được ước lượng tương đối chính xác là 9,8 triệu tấn, trong đó Mỹ là nước sử dụng
bentonite thuần Na nhiều nhất. Các nước khác như Hy Lạp, Thố Nhĩ Kỳ, Đức,
Australia cùng với Mỹ tiêu thụ khoảng 84% tổng sản lượng bentonite trên toàn thế
giới, trong đó Australia đóng góp một nữa số này. Năm 1985, tổng sản lượng bentonite
và sét được ước tính vào khoảng 1452 triệu tấn sét dùng để hồ vải. Giá thành của
bentonite vào năm 1997 - 1998 là vào khoảng 98 USD/tấn. Sau đó, do nhu cầu thay đổi
hàng năm mà giá bentonite dao động từ 50 ÷ 250 USD/tấn.
Việt Nam có các mỏ có trữ lượng lớn như Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng, Thuận
Hải - Bình Thuận, ở Gia Quỳ - Long Đất – Đồng Nai. Trong đó mỏ Tam Bố - Di Linh Lâm Đồng được ước tính có trữ lượng lên tới 24.10 6 m3 và đã được tiến hành thăm dò
tỷ mỷ, đã bắt đầu khai thác quy mô công nghiệp.


1.3. Biến tính bentonite
Bentonite tự nhiên đã là một chất hấp phụ trao đổi, nhưng để nâng cao tính hấp
phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác người ta cần tìm cách làm tăng bề mặt của nó. Tất cả
các cách làm với mục đích như vậy được gọi là sự biến tính bentonite. Có nhiều phương
pháp biến tính bentonite, áp dụng cho từng loại bentonite và mục đích biến tính, nhưng
có ba phương pháp chính là: biến tính bằng nhiệt, biến tính bằng kiềm và biến tính bằng
axit vô cơ.


16

1.3.1. Biến tính bằng nhiệt
Nguyên tắc của phương pháp này là 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 một phần các tinh thể để tạo thành trong mạng lưới đất sét những khe rãnh
làm tăng bề mặt và tăng độ xốp.
Nước liên kết bắt đầu bị tách ra ở ngay nhiệt độ thấp (gần 1000) và đến khoảng
2000C thì có thể tách ra hoàn toàn. Tuy vậy, khi biến tính bentonite bằng nhiệt, không
được đun đến nhiệt độ quá cao vì ở nhiệt độ cao bentonite sẽ bị giảm khả năng hấp
phụ và tẩy trắng. Đối với mỗi loại đất sét thì có khoảng nhiệt độ thích hợp riêng,
thường từ khoảng 110 ÷ 1500C.

1.3.2. Biến tính bằng kiềm
Dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như: Al2O3, Fe2O3 để tạo trên bề mặt
những lỗ xốp và trung tâm hoạt động. Tuy nhiên, một số liên kết nhôm silicat bị đứt
tạo cấu trúc khác và một số chất khác không bị hòa tan bị loại do sa lắng. Mặt khác,
khi hàm lượng kim loại kiềm lớn thì hoạt tính xúc tác của nhôm silicat giảm do ion
Na+ đầu độc các tâm axit. Do vậy, phương pháp biến tính bằng kiềm ít được sử
dụng, chỉ trong những trường hợp đặc biệt nào đó người ta mới sử dụng phương

pháp này.

1.3.3. Biến tính bằng axit vô cơ
Đây là phương pháp biến tính bentonite hiệu quả nhất nên thường được sử
dụng một cách rộng rãi trong thực tế. Trong quá trình biến tính bentonite bằng axit,
người ta có thể dùng các axit vô cơ thông dụng như: HCl, HNO3, H2SO4.
Trong những axit đó thì tác dụng của HCl có khả năng biến tính mạnh nhất, vì
ngoài khả năng hòa tan các oxit kim loại nó còn khả năng hòa tan một phần SiO2 ở
nhiệt độ cao. Tuy vậy, HCl dễ bay hơi nên gây khó khăn cho thao tác hay điều


17

chỉnh nhiệt độ. Tuy vậy, lợi dụng chính điểm yếu này mà người ta sáng chế một dây
chuyền biến tính bentonite bằng HCl, trong đó cho phép thu hồi và tái sử dụng HCl
để làm giảm chi phí, tăng hiệu quả kinh tế. Khả năng hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính
xúc tác của bentonite đã biến tính phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện biến tính như:
bản chất axit biến tính, nồng độ axit dùng cho biến tính, thời gian biến tính, tỷ lệ
bentonite trên axit, nhiệt độ biến tính, độ phân tán của bentonite, v.v… Mỗi yếu tố
đều có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng bentonite biến tính. để nghiên cứu ảnh
hưởng của một yếu tố nào đó người ta thường dùng phương pháp cô lập, nghĩa là
cố định các yếu tố còn lại. đối với mỗi loại bentonite và với mỗi mục đích người
ta sẽ tìm thấy một điều kiện thích hợp nhất để biến tính bentonite một cách tối ưu
nhất để cho nó có khả năng hấp phụ tốt nhất.

1.3.4. Phương pháp khác
Biến tính bằng chất hữu cơ: ta biết rằng đất sét thông thường ở điều kiện tự
nhiên hay biến tính bằng chất vô cơ thường hấp phụ chất ô nhiễm vô cơ, nhờ vào
khả năng biến đổi của nó với chất vô cơ. Nhưng ngày nay chất ô nhiễm hữu cơ ngày
càng nhiều do sự phát triển của khoa học kỹ thuật., nhiều ngành công nghiệp, giao

thông vận tải, v.v… Vì vậy, để hấp phụ các chất hữu cơ ta phải tiến hành biến tính
đất sét với chất hữu cơ. Chất hữu cơ ở đây thường dùng là chất hoạt động bề mặt.
Khi đất sét được biến tính bằng chất hữu cơ nó tạo trên bề mặt của đất một lớp bao
phủ tối ưu của chất hữu cơ trên bề mặt đất sét. Vì vậy, nó có khả năng biến đổi với
các chất hữu cơ. Với sự biến tính với chất hữu cơ thích hợp, nó có thể tạo ra một
chất hấp phụ đồng thời chất hữu cơ và vô cơ mà không có sự cạnh tranh, bởi và
chúng được hấp phụ đồng thời lên lớp bề mặt. Kim loại không những đi vào mạng
lưới của bentonite nhờ những khoảng trống chưa bị che lấp bởi những chất hữu cơ,
mà chúng còn tạo liên kết với những nhóm chức của chất hữu cơ. Tuy nhiên hạn
chế là chất hoạt động bề mặt không có nhiều trong công nghiệp.

1.4. Các phương pháp phân tích


18

1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
XRD là 1 phương pháp đáng tin cậy nhất để nhận ra một oxit cụ thể do nó dựa
trên trật tự khoảng xa của các nguyên tử.
XRD nhận ra sự sắp xếp tầm xa, đều đặn của các nguyên tử trong tinh thể nhờ đó
tên khoáng cùng tính chất hóa học của nó được xác định và vì thế nó là phương pháp
đáng tin cậy nhất để nhận dạng các oxit sắt cụ thể.
Giản đồ nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và thành phần các
pha tinh thể. Trong đó, vị trí và cường độ các peak nhiễu xạ sẽ cho biết cấu trúc tinh
thể (kiểu tinh thể, thông số mạng, thành phần pha) khi so sánh với phổ tham chiếu.
Cường độ các peak còn phản ánh hàm lượng các pha tinh thể . Ngoài ra, bề rộng của
chân peak, độ đối xứng của peak, độ ổn định của đường nền sẽ giúp xác định độ lớn, sự
ổn định tinh thể.
Công thức thực nghiệm để xác định kích thước hạt từ các thông số trên phổ nhiễu
xạ tia X:

D=

kλ
β cos θ

Trong đó:
k: hệ số thực nghiệm, k = 0,89
λ: bước sóng tia X
β: độ rộng trung bình của vạch phổ đặc trưng của các pha tương ứng, tính bằng
radian
θ: góc nhiễu xạ tia X.
Giản đồ nhiễu xạ tia X được đo trong khoảng 2θ từ 20 đến 500 trên máy nhiễu xạ
tia X BRUKER XRD - D8 ADVANCE (hình 2.2) của Viện công nghệ hóa học – Tp.
Hồ Chí Minh.


19

Hình 1.6. Máy nhiễu xạ tia X Bruker XRD-D8 ADVANCE

1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phương pháp phổ hồng ngoại được dùng để xác định các nhóm nguyên chức đặc
trưng trong cấu trúc của bentonite. Các mẫu bentonite hấp phụ bức xạ hồng ngoại tùy
thuộc vào tần số dao động của các nhóm chức trong thành phần cấu trúc của chúng
như nhóm –OH.
Các mẫu bentonite được sấy khô, nghiền mịn với KBr tinh khiết, ép viên và đo
mẫu. Mẫu được ghi trên máy phổ hồng ngoại FT- IR BRUKER EQUINOX 55 (hình
2.3) trong vùng từ 400 ÷ 4000 cm-1, tại Phòng Phân Tích – Viện công nghệ hóa học Tp Hồ Chí Minh.



20

Hình 1.7. Máy đo phổ FT- IR BRUKER EQUINOX 55

1.4.3. Xác định bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ BET
(Brunauer – Emmett – Teller)
Đối với các nghiên cứu hấp phụ, diện tích bề mặt riêng của chất được cho là có
ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ.Thông thường, một diện tích bề mặt riêng lớn sẽ có
lợi cho quá trình hấp phụ. Vì thế để đánh giá tương đối hiệu quả khả năng hấp phụ
chúng tôi sử dụng phương pháp đo bề mặt riêng BET, được phân tích theo phương
pháp hấp phụ/giải hấp N2 ở 770K.
Nguyên tắc và công thức tính toán:
Ở vùng áp suất hay nồng độ cao, sự hấp phụ thường là nhiều lớp (đa phân tử).
Phương trình thực nghiệm của BET (Brunauer-Emmett-Teller) có dạng tuyến tính như
sau:
P
1
C −1 P
=
+
.
V ( P0 − P ) Vm .C Vm .C P0


21

Trong đó:
P: Áp suất cân bằng hấp phụ của khí
P0: Áp suất hơi bão hòa
V: Tổng thể tích khí bị hấp phụ (nhiều lớp) trên một gam chất rắn

Vm: Thể tích khí hấp phụ bão hòa đơn phân tử trên một gam chất rắn
C: Hằng số thực nghiệm. C được tính theo công thức C = e Δq/RT với Δq là hiệu số
nhiệt hấp phụ khí trong lớp đơn phân tử và nhiệt hóa lỏng

Xuất phát từ phương trình BET, nếu dựng đồ thị

S=

biểu diễn là đường thẳng có độ dốc

Vm =

tính được

1
S +i

C=

và.

S
+1
i

C −1
Vm .C

P
V ( P0 − P )


i=

và cắt trục tung tại

theo

1
Vm .C

P
P0

thì đường

. Từ đây có thể

.

Nếu Vm là thể tích hấp phụ cực đại ứng với sự che phủ 1 lớp đơn phân tử trên
toàn bộ bề mặt của một gam chất hấp phụ và biểu diễn bằng cm 3 khí ở 00C và 1atm, thì
diện tích bề mặt riêng S (m2/g) được tính theo công thức:
S=

Vm
.N 0 . Am .10 −20
22414

(m2/g)


Trong đó:
N0: Số Avogadro
Am : diện tích mà phân tử chất bị hấp phụ chiếm trên bề mặt tĩnh bằng (A o)2. Đối
với N2 ở trạng thái lỏng (770K) thì Am = 16,2 (Ao)2
Qui trình đo:


22

Chế độ làm việc:
Cơ sở phương pháp: đo bề mặt riêng trên cơ sở hấp phụ khí Nitơ.
Giới hạn xác định: lớn hơn 0,01 m2/g.
Chất hấp phụ: khí Nitơ.
Chất làm lạnh: Nitơ lỏng.
Áp suất vào của khí: 800 mmHg.
Thể tích xilanh: Vs =4,26 cm3.
Xử lí mẫu: Mẫu được xử lí nhiệt trong dòng nitơ ở nhiệt độ 150 – 300 0C trong 2
giờ.
Đo đường cong hấp phụ: Quá trình đo với sự không có mặt của mẫu nhằm xác
định sự gia tăng áp suất tương ứng với sự gia tăng liên tục của thể tích khí và nhằm xác
định áp suất hơi bão hòa của chất hấp phụ.
Đo sự hấp phụ của mẫu: Nhằm xác định thể tích V i của khí nitơ trong mẫu và đo
áp suất hấp phụ Pi tại mỗi thời điểm từ sự hấp phụ riêng phần của thể tích V i. Phép đo
sẽ hoàn tất khi giá trị Pi /P0 đạt đến 0,3 hoặc 2 lần cho kết quả giống nhau.
Tính toán: từ tập hợp các bộ số P i , Vi dựng thành đường thẳng, xác định hệ số
góc và tung độ góc từ đồ thị, từ đó xác định hằng số BET và giá trị V m. Dựa vào
phương trình BET, khi đã biết Vm, ta có thể tính được diện tích bề mặt riêng của mẫu.
SBET được xác định trên thiết bị CHEMBET 3000, với phần mềm xử lý số liệu
Quantachrome tại Viện công nghệ hóa học – Tp. H ồ Chí Minh.


1.4.4. Phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope)
Với độ phân giải rất nhỏ, phương pháp này thích hợp cho những nghiên cứu trên
đối tượng hạt có kích thước dao động từ µm đến nm. Vì thế nó có thể cung cấp các dữ
liệu liên quan đến kích hạt, độ xốp, hình thái tinh thể, trạng thái bề mặt tinh thể, … của
sản phẩm.
Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi điện tử quét là tạo một chùm tia điện tử rất
mảnh và điều khiển chùm tia này quét theo hàng và theo cột trong diện tích rất nhỏ


23

của bề mặt mẫu nghiên cứu. Chùm tia phản xạ từ mẫu được ghi nhận và chuyển thành
hình ảnh.

Hình 1.8. Hệ thống hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM JSM 7401F


24

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
2.1.1. Mục tiêu
- Biết được cấu tạo và ứng dụng của bentonite.
- Biết được các phương pháp biến tính bentonite.
- Khảo sát sự thay đổi các thông số hóa lí giữa các loại bentonite (trước và sau khi
biến tính).

2.1.2. Nội dung
- Khảo sát khả năng hấp phụ của bentonite trước và sau khi biến tính.
- Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ kết tinh đến biến tính bentonite.

- Từ những kết quả khảo sát ta thiết lập được điều kiện tối ưu để quá trình biến
tính thu được sản phẩm tốt nhất theo mong muốn.

2.2. Nguyên liệu hóa chất và thiết bị
2.2.1. Nguyên liệu và hóa chất
Nguyên liệu của quá trình biến tính chính là bentonite Tuy Phong - Bình Thuận.
Bảng 2.1. Danh sách hóa chất chủ yếu
STT

Tên

Độ tinh khiết

Xuất xứ

1

H2SO4

98%

Trung quốc

2

NaCl

Tinh khiết

Trung quốc


3

Benzen

4

KMnO4

5

H2C2O4

Trung quốc
98%

Trung quốc


25

2.2.2. Thiết bị
Bảng 2.2. Danh sách các thiết bị sử dụng
Tên dụng cụ

Qui cách kỹ thuật

Nơi SX

Bercher


500ml

Đức

Bercher

250ml

Đức

Erlen

250ml

Đức

Pipet

10ml

Pipet

5ml

Bình định mức

250ml

Đức


Bình định mức

100ml

Đức

1000C

Trung quốc

Phễu lọc chân không
Máy lọc chân không
Nhiệt kế
Cối nghiền
Rây phân tử

Việt Nam
100µm

Lò nung
Mấy khuấy từ
Tủ sấy
Cân kĩ thuật

Chính xác đến 0,01g

2.3. Thực nghiệm biến tính bentonite