Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ TRÙNG CỦA VẬT LIỆU BENTONITE (TAM BỐ, LÂM ĐỒNG) GẮN NANO BẠC ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM PHỤ GIA THỨC ĂN CHĂN NUÔI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
–––––––––––––––––

HOÀNG THỊ MAI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ TRÙNG CỦA VẬT LIỆU
BENTONITE (TAM BỐ, LÂM ĐỒNG) GẮN NANO BẠC ĐỂ ỨNG
DỤNG LÀM PHỤ GIA THỨC ĂN CHĂN NUÔI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội -2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
–––––––––––––––––

HOÀNG THỊ MAI


NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ TRÙNG CỦA VẬT LIỆU
BENTONITE (TAM BỐ, LÂM ĐỒNG) GẮN NANO BẠC ĐỂ ỨNG
DỤNG LÀM PHỤ GIA THỨC ĂN CHĂN NUÔI
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng
Mã số: 60520320
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Giáo viên hƣớng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Hoài Châu
TS. Ngô Thị Lan Phƣơng

Hà Nội -2015


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Nguyễn
Hoài Châu và TS. Ngô Thị Lan Phƣơng – những ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn em
thực hiện Luận văn này, ngƣời luôn quan tâm giúp đỡ em trong suốt quá trình làm
Luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa
Môi trƣờng, đặc biệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Môi trƣờng –
trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã trang bị cho em
những kiến thức bổ ích, thiết thực cũng nhƣ sự nhiệt tình, ân cần dạy bảo trong hai
năm học vừa qua.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên phòng Công nghệ thân
môi trƣờng – Viện Công nghệ môi trƣờng đã tạo điều kiện và trực tiếp giúp đỡ em
trong quá trình nghiên cứu, thực hiện Luận văn.
Cuối cùng em xin gửi lời biết ơn chân thành tới bố mẹ, bạn bè đã quan tâm
động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Hà Nội, ngày 09 tháng 12 năm 2015
Học viên

Hoàng Thị Mai


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu khả năng
khử trùng của vật liệu bentonite (Tam Bố, Lâm Đồng) gắn nano bạc để ứng dụng
làm phụ gia thức ăn chăn nuôi” là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS.
Nguyễn Hoài Châu – Viện Công nghệ môi trƣờng - VHLKHCNVN và TS. Ngô Thị
Lan Phƣơng – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN. Đây không phải là

bản sao chép của bất kỳ cá nhân, tổ chức nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những nội dung mà mình trình bày
trong Luận văn này.
Hà Nội, ngày 09 tháng 12 năm 2015
Học viên

Hoàng Thị Mai


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................... 3
1.1. Đặc điểm cơ bản của bentonite …………..…………………………..……..….3
1.1.1. Thành phần khoáng của bentonite ................................................................... 3
1.1.2. Thành phần hóa học của bentonite .................................................................. 3
1.1.3. Đặc tính trương nở và hấp phụ của bentonite ................................................. 4
1.1.4. Mỏ bentonite Tam Bố ....................................................................................... 7
1.2.
Các phƣơng pháp tinh chế và biến tính bentonite ........................................... 9
1.2.1. Phương pháp tinh chế bentonite ...................................................................... 9
1.2.2. Các phương pháp biến tính bentonite ............................................................ 10
1.3.
Một số vi khuẩn gây bệnh ở vật nuôi ............................................................ 20
1.3.1. Vi khuẩn E.coli ............................................................................................... 20
1.3.2. Vi khuẩn Salmonella ...................................................................................... 21
1.4.
Ứng dụng của vật liệu bentonite làm phụ gia thức ăn chăn nuôi .................. 22
1.4.1. Trên thế giới ................................................................................................... 22
1.4.2. Ở Việt Nam ..................................................................................................... 26
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 28
2.1.
Phƣơng pháp biến tính bentonite .................................................................. 28
2.1.1. Phương pháp biến tính bentonite bằng axit H2SO4 ....................................... 29
2.1.2. Phương pháp biến tính bentonite bằng dung dịch Na2CO3 ........................... 29
2.1.3. Biến tính bentonite bằng LiOH ...................................................................... 29
2.1.4. Gắm nano bạc trên bentonite ......................................................................... 30
2.2.
Các phƣơng pháp xác định đặc tính hóa lý của bentonite............................. 32
2.2.1. Phương pháp phân tích thành phần khoáng vật ............................................ 32
2.2.2. Phương pháp phân tích thành phần hóa học ................................................. 34
2.2.3. Phương pháp xác định bề mặt riêng .............................................................. 35
2.2.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét .......................................................... 36
2.2.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua ................................................ 36
2.3.
Phƣơng pháp đánh giá hiệu quả khử trùng của vật liệu bentonite ................ 37
2.3.1. Vật liệu ........................................................................................................... 37
2.3.2. Phương pháp thí nghiệm ................................................................................ 38
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 40
3.1.
Thành phần hóa học ...................................................................................... 40
3.2.
Thành phần khoáng vật ................................................................................. 40
3.3.
Biến tính bentonite bằng H2SO4.................................................................... 42
3.3.1. Thành phần hóa học của bentonite biến tính axit .......................................... 42
3.3.2. Thành phần khoáng vật mẫu bentonite biến tính axit .................................... 43
3.3.3. Cấu trúc bề mặt của bentonite biến tính axit ................................................. 44
3.3.4. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của bentonite biến tính H2SO4 .................... 45
3.4.
Biến tính bentonite bằng Na2CO3 ................................................................. 46


3.4.1. Thành phần hóa học của mẫu bentonite biến tính Na2CO3 ........................... 46
3.4.2. Thành phần khoáng vật mẫu bentonite biến tính Na2CO3 ............................. 46
3.4.3. Một số đặc trưng của bentonite biến tính Na2CO3 ........................................ 47
3.4.4. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của bentonite biến tính Na2CO3 .................. 48
3.5.
Biến tính bentonite bằng LiOH ..................................................................... 48
3.5.1. Thành phần hóa học của bentonite biến tính LiOH ....................................... 48
3.5.2. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của bentonite biến tính LiOH ...................... 50
3.5.3. Phân bố kích thước hạt của vật liệu bentonite biến tính ............................... 51
3.6.
Gắn nano bạc lên bentonite ........................................................................... 52
3.6.1. Phân tích nhiễu xạ tia X ................................................................................. 53
3.6.2. Phân tích huỳnh quang tia X .......................................................................... 54
3.6.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét .......................................................... 56
3.6.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua ................................................ 57
3.7.
Đánh giá khả năng khử trùng của bentonite ................................................. 58
3.7.1. Xác định khả năng khử trùng của bentonite dựa trên vòng kháng khuẩn ..... 58
3.7.2. Xác định vòng kháng khuẩn của bentonite gắn nano bạc với hàm lượng khác
nhau ………………………………………………………………………………59
3.7.3. Đánh giá khả năng khử trùng trực tiếp của bentonite ................................... 60
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 72


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAS: Quang phổ hấp thụ nguyên tử
B.Thô: Bentonite thô
B.TC: Bentonite tinh chế
B.H: Bentonite biến tính axit
B.Na: Bentonite biến tính Na2CO3
B.Li: Bentonite biến tính LiOH
B.TC.Ag: Bentonite tinh chế gắn nano bạc
B.H.Ag: Bentonite biến tính axit gắn nano bạc
B.Na.Ag: Bentonite biến tính bằng ion Na+gắn nano bạc
B.Li.Ag: Bentonite biến tính LiOH gắn nano bạc
MMT: Montmorillonite
PDA: Potato Dextrose Agar
CFU: Colony Forming Unit
PCA: Plate Count Aga
CEC: Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity)
2WHA: Lƣợng nƣớc bị hấp phụ sau 2 giờ (2 Hour Water Adsorption)
US EPA: Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ (United States Environmental Protection
Agency)
SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope)
XRD: Phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)
XRF:Phổ huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence)
BET:Phƣơng pháp xác định bề mặt riêng (Bruner - Emmett - Teller)
ICP – MS: Khối phổ plasma cao tần cảm ứng


DANH MỤC BẢNG
Bảng
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 2.1
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9
Bảng 3.10
Bảng 3.11
Bảng 3.12
Bảng 3.13
Bảng 3.14

Nội dung
Thành phần hóa học của sét bentonite
Đặc trƣng của bentonite-Ca và bentonite-Na đƣợc biến
tính bằng H2SO4
Ký hiệu các loại mẫu bentonite tinh chế, biến tính
Thành phần hoá học của bentonite Tam Bố
Thành phần khoáng vật của bentonite Tam Bố
Thành phần hóa học của bentonite biến tính H2SO4
Thành phần khoáng vật mẫu bentonite biến tính H2SO4
Đặc trƣng bề mặt của bentonite biến tính H2SO4
Thành phần oxit của bentonite biến tính Na2CO3 3%
Thành phần khoáng vật của các mẫu bentonitebiến tính
Na2CO3 3%
Một số đặc trƣng của bentonite biến tính Na2CO3
Thành phần hóa học của bentonite biến tính LiOH
Phân bố kích thƣớc hạt của các loại bentonite biến tính
Phần trăm khử trùng E.coli theo hàm logarit của các loại
vật liệu
Phần trăm khử trùng Salmonella theo hàm logarit của các
loại vật liệu
Nồng độ khử trùng tối thiểu E.coli của các loại bentonite
gắn bạc
Nồng độ khử trùng tối thiểu Salmonella của các loại
bentonite gắn bạc

Trang
4
11
37
40
41
42
43
44
46
47
47
49
52
60
61
63
65


DANH MỤC HÌNH
Hình
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 2.1
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10

Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13

Nội dung
Trang
Cấu trúc của MMT
5
Vị trí mỏ bentonite
8
Sét bentonite xám xanh – mỏ Tam Bố
8
Sự phân tách các hạt Na – MMT trong nƣớc
14
+
Ảnh hƣởng của liều lƣợng Na2CO3 đến sự biến tính Na
15
Sơ đồ hình thành nano bạc gắn trên bentonite
30
Mô phỏng quá trình ăn mòn lớp bát diện trong cấu trúc
45
của MMT
Ảnh SEM bentonite biến tính axit H2SO4
45
Ảnh SEM mẫu bentonite hoạt hóa Na2CO3
48
Ảnh SEM mẫu B.Li.124% và mẫu B.TC
51
Màu sắc của các mẫu bentonite gắn bạc với các tỷ lệ khác
52
nhau
Phổ XRD của các mẫu bentonite gắn nano bạc với tỷ lệ
53
khác nhau
Phổ XRF của các mẫu bentonite gắn bạc với hàm lƣợng
55
khác nhau
Ảnh SEM của một số mẫu bentonite gắn bạc và không
57
gắn bạc
Hình ảnh TEM của mẫu bentonite gắn 2% bạc
57
Khả năng tạo vòng kháng khuẩn của bentonite các loại
58
với các chủng vi khuẩn Salmonella (a, d) và E.coli (b, c)
trên môi trƣờng PCA ở 370C sau 48 giờ
Vòng kháng khuẩn của bentonite có hàm lƣợng bạc khác
59
nhau đối với E.coli và Salmonella
Biểu đồ biểu diễn khả năng khử trùng Salmonella và
62
E.coli của các loại vật liệu bentonite
Biểu đồ biểu diễn hàm lƣợng vật liệu cần thiết để tiêu diệt
66
hoàn toàn Salmonella và E.coli ở mật độ 106 cfu/ml


MỞ ĐẦU
Bentonite là một loại khoáng sét có thành phần chính là montmorilonite
(MMT), có cấu trúc lớp xốp và khả năng trƣơng nở cao. Khoáng chất này có khả
năng hấp phụ, trao đổi ion, lọc phân tử, tác dụng tốt lên trạng thái sinh lý của động
vật, bình thƣờng hóa các quá trình trao đổi chất, tăng cƣờng sức đề kháng của vật
nuôi và khả năng tiếp thu các chất dinh dƣỡng của phụ gia thức ăn (premix), nâng
cao sản lƣợng nuôi, giảm thiểu bệnh và mức độ tử vong. Đây chính là cơ sở quan
trọng cho thấy MMT nhƣ một nguyên liệu nhiều triển vọng trong sản xuất premix.
MMT từng đƣợc biết đến với khả năng khử khuẩn và khử trùng nhiều loại
nấm do các ion dƣơng có thể xen vào khoảng cách lớp của nó. Các nghiên cứu đã
chỉ ra rằng ion bạc xen vào giữa các lớp tạo ra khả năng kháng khuẩn rất tốt cho
MMT. Trong những năm gần đây, loại vật liệu MMT cố định nano bạc đã đƣợc
nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Có nhiều nghiên cứu đã thực hiện gắn
nano bạc lên MMT với ứng dụng chủ yếu là năng cao khả năng khử trùng của MMT
để phục vụ các mục đích khác nhau.
Mới đây nhằm tăng khả năng ứng dụng bentonite trong chăn nuôi các nhà
khoa học đã nghiên cứu đƣa nano bạc vào thành phần phụ gia thức ăn chăn nuôi.
Nano bạc có khả năng kháng khuẩn cao hơn nhiều so với muối bạc và thể hiện sức
đề kháng chống lại sự vô hiệu hóa hoạt tính của nó bởi các axit trong đƣờng tiêu
hóa. Bởi vì nano bạc có tính ổn định cao hơn so với ion Ag+ trong dung dịch axit
HCl trong dịch dạ dày, do đó ít bị các tế bào eucariotic (có nhân chuẩn) hấp thụ và
vì vậy ít độc hơn.
Nƣớc ta hiện nay vẫn là nƣớc nông nghiệp và phấn đấu tăng tỷ lệ giá trị chăn
nuôi để trở thành ngành sản xuất nông nghiệp chính. Tuy nhiên, khó khăn hiện nay
là chúng ta đang phụ thuộc quá nhiều vào thức ăn chăn nuôi nhập từ nƣớc ngoài nên
hiệu quả kinh tế không cao. Theo số liệu của Tổng cục Hải quan, những năm gần
đây Việt Nam đã nhập khẩu gần 3 tỷ USD thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu mỗi
năm. Trong số các nguyên liệu thức ăn chăn nuôi nhập khẩu có phụ gia khử trùng
và hấp phụ độc tố nấm có nguồn gốc là khoáng bentonite. Nhƣ vậy việc đầu tƣ

1


nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng bentonite Lâm Đồng làm phụ gia thức ăn
chăn nuôi sẽ làm gia tăng giá trị sử dụng và giá trị kinh tế cho tài nguyên này.
Bằng cách bổ sung chế phẩm Ag/MMT vào thức ăn tổng hợp ứng dụng trong
chăn nuôi gia súc, gia cầm có thể hạn chế đƣợc khả năng nhiễm khuẩn và nấm mốc
nguồn thức ăn, góp phần nâng cao chất lƣợng thức ăn chăn nuôi, giảm tỷ lệ chết,
nâng cao chất lƣợng thịt và năng suất chăn nuôi. Do đó, trong khuôn khổ Luận văn
này em chọn nội dung nghiên cứu là:“Nghiên cứu khả năng khử trùng của vật liệu
bentonite (Tam Bố, Lâm Đồng) gắn nano bạc để ứng dụng làm phụ gia thức ăn
chăn nuôi”.
Mục đích nghiên cứu của Luận văn: Chế tạo vật liệu bentonite gắn nano bạc
và đánh giá khả năng khử trùng E.coli và Salmonella của vật liệu hƣớng tới làm phụ
gia thức ăn chăn nuôi.
Nội dung nghiên cứu chính của Luận văn gồm có:
-

Nghiên cứu biến tính bentonite;

-

Nghiên cứu chế tạo vật liệu bentonite gắn nano bạc;

-

Đánh giá khả năng khử trùng E.coli và Salmonella của vật liệu bentonite
biến tính và bentonite gắn nano bạc.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

Đặc điểm cơ bản của bentonite

1.1.1. Thành phần khoáng của bentonite
Bentonite là nhóm sét có nguồn gốc xuất xứ khác nhau và có chung cấu trúc
thành phần lớp smectite (nhóm vật liệu sét có đặc tính là khả năng trƣơng nở nội
tinh thể, gồm MMT, badelite, nontronite, saponite, gectorite ...) Tất cả các smectite
có chung cấu trúc tinh thể bao gồm nhóm các silicate lớp phân cách bởi các khoảng
cách lớp bị lấp đầy bằng các phân tử nƣớc và các cation trao đổi.
Nhóm MMT nổi bật trong số các nhóm khoáng có khả năng hấp phụ và trao
đổi ion cao, thêm vào đó khả năng trao đổi của MMT về tổng thể cao hơn nhiều so
với tất cả các khoáng sét khác. Dung lƣợng hấp phụ cao của MMT đƣợc giải thích
vì tinh thể của MMT trao đổi với các ion diễn ra không chỉ trên bề mặt ngoài của
các tinh thể, mà còn bên trong mạng tinh thể giữa các lớp cơ sở.
Trong thành phần bentonite còn có các khoáng thứ cấp khác nhƣ hydromica,
kaolinite, chlorite, khoáng hỗn hợp chlorite-MMT, hydromica-MMT trong các tỷ lệ
khác nhau và palgorskite. Những khoáng này mức độ nào đó ảnh hƣởng đến tính
chất của sét bentonite làm thay đổi tính kết dính và tính hấp phụ của bentonite. Các
khoáng phi sét cũng ảnh hƣởng đến đặc tính kỹ thuật của bentonite. Ví dụ hỗn hợp
zeolite và crystobalite làm tăng tính hấp phụ của bentonite. Thạch anh, sulphides
sắt, kim loại nặng, felspat, calcite, dolomite... làm giảm chất lƣợng của bentonite.
1.1.2. Thành phần hóa học của bentonite
Bentonite cũng nhƣ các sét khác (chúng có thành phần hóa học tƣơng tự nhau)
có đặc tính phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của khoáng vật trong sét. Màu của sét phụ
thuộc chính vào hàm lƣợng của các nguyên tố kim loại mang màu có trong sét. Khi
sét chứa một lƣợng lớn ion Fe3+ chúng thƣờng có màu vàng nhạt đến nâu sậm. Khi
sét chứa trong thành phần ion Fe2+ hoặc hỗn hợp của ion Fe3+ và Fe2+ sét sẽ có màu
xanh nhạt hoặc nâu sậm tùy theo tỷ lệ của Fe2+ và Fe3+. Khi lƣợng sắt trong sét ít thì
sét (gồm cả sét bentonite) sẽ có màu sáng hoặc rất sáng. Thành phần hóa học của
bentonite ở một số mỏ trên thế giới đƣợc nêu trong bảng sau:

3


Bảng 1.1. Thành phần hóa học của sét bentonite
Thành phần

Bentonite Tam Bố

Bentonite Nga

Bentonite Pháp

(*)

(**)

(Prolabo)

SiO2

45– 57

69,34

59,57

Al2O3

13– 29,6

13,32

16,50

Fe2O3

2,7– 11,0

5,07

3,0

FeO

0,13– 1,03

0,15

–––

CaO

0,32– 3,7

1,82

2,20

MgO

0,2– 4,6

1,42

1,65

K2 O

0,5– 15,0

1,41

0,44

Na2O

0,10– 1,00

0,37

2,15

TiO2

0,6– 4,0

0,7

–––

ZnO

––

0,003

––

MnO

0,01– 1,12

0,03

––

SO3

0,0 – 0,55

0,42

––

MKN

5,0– 15,0

––

––

H2 O

6,18

5,62

––

(*) Theo số liệu của Tổng cục Địa Chất Việt Nam.
(**) Mỏ Tarasovskoe, Nga (theo số liệu của Trung tâm thông tin khoa học, Kazan,
2009).

Với mục đích sử dụng bentonite trong nông nghiệp, chăn nuôi, cải tạo đất
trồng, ngƣời ta quan tâm đến các nguyên tố vi lƣợng có trong sét bentonite. Để phân
loại bentonite kiềm và bentonite kiềm thổ, ngoài việc xem xét những đặc trƣng hóa
lý của bentonite, nhƣ độ trƣơng nở, khả năng hấp phụ, một trong những yếu tố quan
trọng là xem xét tỷ lệ: Na/Ca(Mg).
1.1.3. Đặc tính trương nở và hấp phụ của bentonite
 Tính trương nở:
Tính trƣơng nở là tính chất khi bentonite hấp thụ hơi nƣớc hay tiếp xúc với
nƣớc, các phân tử nƣớc sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này

4


tăng lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonite và lƣợng nƣớc bị hấp thụ.
Sự tăng khoảng cách lớp đƣợc giải thích do sự hydrate hóa của các cation giữa các
lớp. Sự trƣơng nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế
đồng hình trong môi trƣờng phân tán. Lƣợng nƣớc đƣợc hấp thụ vào giữa các lớp
phụ thuộc vào khả năng hydrate hóa của các cation.
Nhóm khoáng vật smectite bao gồm: MMT, beidelite, nontronite và vài
khoáng vật ít phổ biến khác. Khoáng vật nhóm smectite có cấu trúc mạng tinh thể
nhiều lớp đặc trƣng (hình 1.1). Ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp. Hai lớp ngoài (lớp
dƣới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si) O4 và đƣợc gọi là lớp tứ diện. Giữa
chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát
diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện [SiO4]– và nhóm hydroxyt [OH]– .
Bình thƣờng các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị ba hoặc ba cation
hoá trị hai.

Hình 1.1: Cấu trúc của MMT
Trong trƣờng hợp đầu thì gọi là lấp đầy hai mặt tám, trƣờng hợp sau là ba
mặt tám. Ba lớp cấu tạo thành một tập mang điện tích âm do sự thay thế các nguyên
tố hoá trị ba (Al, Fe) trong lớp giữa octaedr bằng các nguyên tố hoá trị hai (Mg, Fe)
hoặc Si hoá trị bốn bằng Al hoá trị ba trong lớp tứ diện. Điện tích âm trên bề mặt

5


của mỗi tập còn có thể có đƣợc do các phản ứng thay thế chẳng những trong lớp bát
diện mà còn trong các lớp tứ diện và còn do các nguyên nhân khác nữa.
Do bề mặt của các tập mang điện tích âm, trên bề mặt chúng có thể phân bố
các cation hoá trị từ 1, 2 đến 3. Chủ yếu đó là các ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+ và Fe2+.
Trong quá trình tƣơng tác với nƣớc xung quanh các cation này đƣợc hình thành các
lớp vỏ hydrate và do đó dẫn đến hiện tƣợng trƣơng nở trong tập hợp các tập sét này.
Khả năng hydrate hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm và đầu tiên phải kể đến là
natri. Có khả năng trƣơng nở ít hơn đáng kể là các ion kim loại kiềm thổ – canxi và
magie.
Khả năng trƣơng nở và tăng thể tích của smectite (từ 2 – 20 lần) đã xác định
tính năng công nghiệp của chúng. Theo thành phần ion trao đổi, bentonite đƣợc chia
làm loại kiềm và kiềm thổ. Đối với bentonite kiềm, ion Na+ chiếm ƣu thế trong tổ
hợp ion trao đổi. Do ion Na+ có khả năng thu hút một lƣợng lớn các nhóm hydrate
mà MMT có hàm lƣợng Na cao có khả năng trƣơng nở lớn nhất. Bentonite với ion
Ca2+ chiếm ƣu thế đƣợc gọi là bentonite canxi. Ngoài Ca2+ trong MMT có thể có
Mg2+ với số lƣợng đôi khi vƣợt cả Ca2+. Song thƣờng gặp hơn cả là biến thể của
bentonite canxi – magie. Có thể thay đổi tính chất của bentonite canxi và canxi –
magie bằng cách xử lý chúng với các dung dịch muối natri. Quá trình trao đổi ion
diễn ra đƣợc gọi là biến tính và kết quả ta nhận đƣợc bentonite biến tính natri.
Trong công nghiệp ngƣời ta quy ƣớc chia tất cả các bentonite tự nhiên dựa
vào tính trƣơng nở của chúng ra làm 2 nhóm: nhóm trƣơng nở (kiềm) và nhóm
không trƣơng nở hoặc trƣơng nở yếu (kiềm thổ canxi và canxi – magie). Nhƣ vậy
đặc điểm chủ yếu quyết định chất lƣợng cao của bentonite chính là tổng lƣợng các
cation trao đổi và đặc tính chất lƣợng của chúng. Bentonite với số lƣợng lớn các
cation Ca2+ và Mg2+ có thể chuyển sang dạng natri bằng con đƣờng biến tính, song
nếu nhƣ tổng các cation rất nhỏ thì dù có biến tính thì khả năng trƣơng nở của
chúng cũng không tăng đáng kể.

6


Bentonite kiềm có đặc trƣng độ trƣơng nở, độ tạo keo, độ dẻo và độ kết dính
cao. Bentonite kiềm thuộc loại vật liệu có chất lƣợng cao và đƣợc ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Bentonite kiềm thổ có đặc trƣng là có độ ái nƣớc, độ kết dính thấp hơn,
nhƣng chúng có tính hấp phụ cao hơn. Chúng đƣợc sử dụng ít hơn trong các ngành
công nghiệp so với bentonite kiềm. Tuy nhiên bentonite kiềm thổ nhờ tính hấp phụ
và trao đổi cation mạnh hơn bentonite kiềm, chúng đƣợc dùng nhiều trong nông
nghiệp, chăn nuôi và cải tạo đất.
 Tính hấp phụ
MMT có một bề mặt riêng phát triển (lên đến 600 – 800 m2/g) và sự xâm
nhập dễ dàng của các ion trong không gian giữa các lớp, tạo nên khả năng trao đổi
cation đáng kể (80 – 150 mmolđl/100g). Các phân tử có phân cực đƣợc hấp phụ cả
hai bề mặt ngoài và trong, các phân tử không phân cực chỉ hấp phụ ở bề mặt ngoài.
Quá trình hấp phụ lên MMT xảy ra theo ba cơ chế:
a) Thay thế của các cation hữu cơ với cation của mạng nằm giữa các lớp cơ
bản cũng nhƣ trên bề mặt lớp cơ bản của các hạt khoáng. Theo cơ chế này là sự hấp
phụ trao đổi của MMT, vermiculite, hydromica;
b) Bằng liên kết hydro với nhóm hydroxyl bên ngoài;
c) Bằng cách thông qua các liên kết hóa trị “bị hỏng” trên các cạnh và góc
của các hạt tạo ra trong các bƣớc của quá trình phát triển của hạt khoáng.
1.1.4. Mỏ bentonite Tam Bố
Mỏ bentonite Tam Bố thuộc địa phận thôn Tam Bố, xã Tam Bố, huyện Di
Linh, tỉnh Lâm Đồng. Mỏ nằm sát Quốc lộ 20, đƣờng Đà Lạt – TP HCM, cách Di
Linh 18 km về phía Đông Bắc.
Mỏ có toạ độ địa lý:11037’12” – 11041’00” vĩ độ Bắc, 108010’40” –
108013’15” kinh độ Đông. Trung tâm mỏ có toạ độ địa lý: 11037’01” vĩ độ Bắc,
108011’46” kinh độ Đông.
Mỏ nằm ở rìa đông cao nguyên Di Linh, trên các dải đồi thấp có độ cao tuyệt
đối từ 700 m đến 920 m. Bao quanh khu mỏ là các dải núi cao từ 1.000 m đến

7


1.400m, đỉnh nhọn và sƣờn khá dốc. Trong phạm vi khu mỏ chủ yếu là các dòng
chảy tạm thời theo mùa.

Hình 1.2: Ví trí mỏ bentonite

Hình 1.3. Sét bentonite xám xanh – mỏ Tam Bố
Thành phần hóa học của sét bentonite Tam Bố dựa trên giá trị trung bình của
nhiều kết quả nghiên cứu đã công bố đƣợc xác định nhƣ đã chỉ ra trên bảng 1.1.
Thành phần khoáng vật của sét Tam Bố theo kết quả nghiên cứu của Kiều
Quý Nam [9], chủ yếu là khoáng vật MMT chiếm khoảng 70 -75%, caolinite - 20%
và một ít hydromica – 5%.
Theo kết quả đánh giá của Đoàn địa chất 604 [4], trữ lƣợng sét nguyên khai:

8


C2 + P1 = 177,873 triệu m3 + 486,945 triệu m3 = 664,818 triệu m3
Trữ lƣợng của riêng khoáng MMT Tam Bố nguyên khai cấp C2 là 58,816
triệu m3.
Mỏ sét bentonite Tam bố là mỏ trầm tích, có trữ lƣợng lớn nhất tại Việt Nam
với chất lƣợng đạt tiêu chuẩn cho phép khai thác cho mục đích ứng dụng trong chăn
nuôi và xử lý ô nhiễm môi trƣờng.
Nhƣ vậy, với chất lƣợng và trữ lƣợng nêu trên, mỏ bentonite Tam Bố đƣợc
xem là một nguồn nguyên liệu đáng tin cậy cho việc khai thác và ứng dụng ở quy
mô công nghiệp làm phụ gia thức ăn trong ngành chăn nuôi.
1.2.

Các phƣơng pháp tinh chế và biến tính bentonite

1.2.1. Phương pháp tinh chế bentonite
Bentonite tự nhiên khai thác từ các mỏ khác nhau có thành phần khoáng và
thành phần hóa học, các tạp chất kèm theo cũng nhƣ tính chất vật lý, hóa lý khác
nhau. Và ngay trong cùng một mỏ, một vỉa quặng khi khai thác công nghiệp sản
phẩm bentonite khai thác đƣợc cũng khác nhau. Để sét bentonite có thể sử dụng cho
những nhu cầu khác nhau trong các ngành công nghiệp cần sơ chế hoặc tinh chế và
thậm chí biến tính bentonite thành những sản phẩm phù hợp.
Để xác định tinh chế hay biến tính bentonite có cần thiết hay không, hoặc cần
tinh chế biến tính ở mức độ nào cần dựa vào hai yếu tố chính là thành phần khoáng,
thành phần tạp chất, tính chất hóa lý của bentonite nhƣ thế nào và nhu cầu và mục
đích sử dụng cho ngành công nghiệp cụ thể đối với sét bentonite. Có những nhu
cầu có thể sử dụng trực tiếp ngay sét bentonite không qua khâu tinh chế, mà chỉ cần
gia công cơ khí, nghiền, rây sàng để có kích thƣớc hạt đủ lớn theo yêu cầu sử dụng
là có thể sử dụng ngay. Tuy nhiên cũng có loại bentonite khi chất lƣợng chƣa đảm
bảo cho mục đích sử dụng thì phải qua giai đoạn tinh chế hoặc thậm chí phải qua
những công đoạn biến tính phức tạp thì mới có thể sử dụng đƣợc.
Tinh chế bentonite bao gồm những công đoạn cơ bản sau:
-

Sơ chế loại bỏ tạp chất nhằm tăng hàm lƣợng MMT và giảm những loại
khoáng có ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng.

9


-

Làm giàu bằng phƣơng pháp cơ lý để benntonite đạt yêu cầu chất lƣợng
nhƣng không làm thay đổi tính chất hóa học nhằm tăng hàm lƣợng MMT.

-

Biến tính - cơ lý gồm một số thay đổi nhất định về đặc điểm hóa học và
khoáng vật để sử dụng riêng cho các mục đích ứng dụng khác nhau trong
công nghiệp. Nhiều khi việc làm trắng bentonite cũng nằm trong khái niệm
biến tính.

1.2.2. Các phương pháp biến tính bentonite
Biến tính bentonite là một khái niệm dùng chung cho các phƣơng pháp xử lý
hóa lý hay hóa học để thay đổi một vài tính chất của bentonite hoặc làm tăng một
khả năng của bentonite nhƣ làm tăng khả năng trao đổi cation (CEC), tăng dung
lƣợng hấp phụ và tăng khả năng hấp phụ chọn lọc của bentonite so với chƣa biến
tính, hay đơn giản là tẩy trắng bentonite.
Có thể dùng nhiều cách khác nhau để biến tính bentonite, tùy theo mục đích
sử dụng. Có một số phƣơng pháp biến tính bentonite phổ biến nhƣ sau:
-

Biến tính bằng dung dịch muối, hoặc dung dịch kiềm.

-

Biến tính bằng axit vô cơ.

-

Biến tính bằng các bazơ hữu cơ.

 Phương pháp biến tính axit
Quá trình làm sạch cơ học, ngay cả khi dùng thủy lực xyclon về cơ bản chỉ
loại bỏ đƣợc các tạp chất hạt thô lẫn với hỗn hợp sét smectit, nhƣ thạch anh, felspat,
mica.... Muốn làm sạch sâu smectit phải thực hiện quá trình xử lý bằng axit. Đây là
phƣơng pháp biến tính bentonite hiệu quả nên thƣờng đƣợc sử dụng một cách rộng
rãi trong thực tế để loại bỏ các tạp chất, tăng diện tích bề mặt và làm thay đổi một
số tính chất cơ bản phục vụ cho mục đích sử dụng khác nhau.
Sự thay đổi tính chất vật lý quan trọng nhất trong quá trình biến tính axit là
tăng diện tích bề mặt và thể tích trống do đã đƣợc hòa tan một phần bằng cách xử lý
với axit. Tùy thuộc vào mức độ kích hoạt, các cation Ca2+, Mg2+ và Na+ bị loại bỏ
và một phần Al, Fe, Mg, Si từ các lớp mạng bị hòa tan. Biến tính bentonite bằng
axit cải thiện diện tích bề mặt một cách mạnh mẽ (> 200 m2/g) và tăng kích thƣớc lỗ

10


trống. Khả năng thay đổi này phụ thuộc vào độ mạnh của axit và thời gian biến tính
cũng nhƣ nhiệt độ. Diện tích bề mặt và độ axit trên bề mặt của bentonite biến tính
quyết định đến tính chất hấp phụ của nó [14].
Độ hấp phụ tối ƣu không phụ thuộc vào diện tích bề mặt cực đại bởi vì nó
không chỉ là quá trình hấp phụ vật lý đơn thuần. Bên cạnh đó, việc biến tính axit
ảnh hƣởng đến cả tấm tứ diện và bát diện. Vì vậy, có thể đƣa đến kết luận rằng việc
thực hiện quá trình biến tính axit có mối liên hệ với thành phần hóa học và các
thông số cấu trúc của sản phẩm biến tính. Tuy nhiên mối quan hệ định lƣợng giữa
tính chất của đất sét biến tính với thành phần hóa học và các thông số cấu trúc của
nó vẫn còn đang đƣợc nghiên cứu [18].
Khi biến tính bằng axit thì bề mặt riêng, thể tích trống và kích thƣớc các vi
mao quản tăng có giới hạn theo nồng độ axit.
Nhƣng bề mặt của bentonite biến tính axit gần nhƣ lại giảm theo sự tăng của
nồng độ axit. Vậy, có thể thu đƣợc bề mặt riêng cực đại với thể tích trống, đƣờng
kính trung bình và bề mặt hoạt động vừa phải [19]. Ngƣời ta nghiên cứu thấy rằng ở
điều kiện trên thì bentonite – Ca cho kết quả tốt hơn là bentonite – Na
Bảng 1.2. Đặc trưng của bentonite-Ca và bentonite-Na biến tính bằng H2SO4
Bentonite – Ca

Bentonite

Bentonite – Na

%

5

20

5

20

N

1,05

4,65

1,05

4,65

Bề mặt riêng (m2/g)

103,0

321,0

92,6

216,0

Bề mặt hoạt động (meq/g)

1,01

0,76

0,96

0,89

Thể tích trống (ml/g)

0,153

0,146

0,153

0,296

Đƣờng kính trung bình (A0)

30,4

52,2

20,4

48,7

H2SO4

Khi hòa tan bentonite trong axit, các cation trao đổi và một phần cation trong
cấu trúc bát diện sẽ bị hòa tan hoàn toàn. Các ion H+ sẽ chiếm vị trí của chúng trong
cấu trúc giữa các lớp mạng. Vận tốc của quá trình hòa tan các cation bát diện theo
trật tự sau:
Mg2+ > Fe2+ > Fe3+ > Al3+

11


Hiện nay, hai loại axit thƣờng đƣợc sử dụng để biến tính bentonite là H2SO4
và HCl theo hai hƣớng chính là sử dụng HCl biến tính bentonite làm chất mang xúc
tác cho các phản ứng và H2SO4 biến tính bentonite cho các quá trình hấp phụ.
Do trong cấu trúc không gian của bentonite có các tạp chất bị hòa tan làm
cho thể tích riêng của các mao quản tăng lên (các lỗ xốp) dẫn đến lƣợng nƣớc hấp
phụ vật lý tăng lên và lƣợng nƣớc này dễ dàng bị mất đi bằng cách sấy khô ở 100 0C
– 1050C. Bên cạnh đó, còn một phần nƣớc tách ra từ các nhóm OH- trong mạng lƣới
bát diện làm giảm lƣợng nƣớc cấu trúc do các cation Al3+, Fe3+, Mg2+ bị hòa tan bởi
axit. Khi nồng độ axit càng cao thì lƣợng kim loại tách ra càng nhiều dẫn đến lƣợng
nƣớc cấu trúc giảm. Tuy nhiên nếu nồng độ axit cao quá có thể xảy ra trƣờng hợp
cấu trúc khung bị phá vỡ ảnh hƣởng đến một số tính chất lý hóa của bentonite [15].
 Biến tính bentonite bằng ion natri
Khả năng trao đổi ion của bentonite phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của
các cation trao đổi, các cation hóa trị nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cation hóa trị lớn.
Đối với các cation cùng hóa trị thì bán kính ion càng nhỏ, khả năng trao đổi càng
lớn: Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+. Vì vậy bentonite-Na có đặc tính trƣơng
nở, tính xúc biến, lƣu biến, khả năng trao đổi ion tốt hơn so với bentonite-Ca nên có
thể sử dụng tốt hơn trong nhiều lĩnh vực: làm khuôn đúc, phụ gia trong sơn, mực
in… Vì thế trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta phải thực hiện quá trình chuyển hoá
bentonite-Ca về dạng bentonite-Na.
Trên thế giới, số lƣợng khoáng bentonite kiềm thổ (chứa các cation Ca+2,
Mg+2,...) với hàm lƣợng MMT cao tƣơng đối nhiều, nhƣng dạng bentonite kiềm lại
mang lại nhiều ứng dụng hơn trong nhiều lĩnh vực. Vì vậy đã có rất nhiều nghiên
cứu để chuyển hóa bentonite kiềm thổ về dạng bentonite kiềm. Những nghiên cứu
này đã có từ trƣớc những năm 1950 tại nhiều nƣớc nhƣ Mỹ, Liên Xô cũ, ... Ngày
nay công nghệ chuyển hóa bentonite kiềm thổ sang dạng bentonite kiềm đã đƣợc
đƣa vào nhiều nhà máy vận hành và sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn sản phẩm cho
những lĩnh vực khác nhau. Ở Hàn Quốc mỗi năm sản xuất hơn 800 nghìn tấn sản
phẩm bentonite biến tính cho những mục đích khác nhau. Phƣơng pháp biến tính để

12


chuyển bentonite kiềm thổ về dạng bentonite kiềm nhƣ sau: quặng bentonite kiềm
thổ đƣợc phân cấp, đập, nghiền đến cỡ hạt thích hợp. Sau đó quặng đƣợc trộn đều
với tác nhân biến tính (là các muối của natri nhƣ Na2CO3, NaCl, ...) theo một tỷ lệ
thích hợp và nung hỗn hợp trong lò quay với nhiệt độ trong khoảng 300  5000C,
sản phẩm biến tính sau đấy đƣợc đóng bao và đƣa đi sử dụng. Một điều đáng lƣu ý
ở đây là quặng bentonite kiềm thổ trên thế giới thƣờng có hàm lƣợng MMT cao nên
quặng đƣợc đƣa vào biến tính ngay mà không qua giai đoạn làm giàu, còn đối với
quặng bentonite kiềm thổ Tam Bố, do hàm lƣợng MMT không cao (khoảng 30 40%) nên để sử dụng cho một số mục đích thì trƣớc khi biến tính nên làm giàu
quặng để nâng hàm lƣợng MMT.
Những ứng dụng sâu rộng của bentonite trong cuộc sống ngày càng đƣợc
khẳng định, bentonite đã trở thành một phần trong cuộc sống và công nghiệp hiện
đại đặc biệt là natri bentonite với những đặc tính tốt, đƣợc sử dụng rất nhiều trong
khi những mỏ bentonite trên thế giới phần lớn là canxi bentonite do đó việc biến
tính canxi bentonite thành natri bentonite là rất cần thiết. Các phƣơng pháp biến tính
canxi bentonite thành natri bentonite từ trƣớc đến nay thƣờng xuất phát từ nguồn
nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền là NaCl. Thông thƣờng để biến tính bentonite kiềm thổ
về dạng bentonite-Na, ngƣời ta sẽ tiến hành phản ứng của bentonite kiềm thổ trong
dung dịch muối NaCl ở điều kiện nhiệt độ nhất định và thời gian trao đổi khác nhau
tùy vào từng loại bentonite cụ thể. Nghiên cứu của C. Fernandes và cộng sự [14] đã
tiến hành điều chế bentonite - Na bằng việc trao đổi các ion kiểm thổ bằng các ion
Na+ trong dung dịch NaCl. Jörn Dau và cộng sự [21] đã biến tính bentonite công
nghiệp bằng cách bổ sung các ion natri, chủ yếu dƣới dạng soda (Na2CO3.10H2O).
Khi bentonite-Na hoặc bentonite đã biến tính bằng soda phân tán trong nƣớc, các
hạt MMT không chỉ đƣợc tách ra mà tạo thành các lớp silicat đơn, lớp kép hoặc lớp
ba ... (hình 1.4)

13


Hình 1.4. Sự phân tách các hạt Na-MMT trong nước
Mức độ cao nhất của phân lớp chỉ đạt đƣợc khi vắng mặt các cation hóa trị
II. Các khoáng chất khác, đặc biệt là các oxit sắt, các chất vô định hình nhƣ silic và
các chất hữu cơ có thể làm giảm mức độ phân lớp. Những phụ gia và thực tế là các
cation hóa trị II không loại bỏ đƣợc khỏi hệ thống trong quá trình biến tính bằng
soda sẽ làm giảm mức độ phân lớp tối ƣu trong ứng dụng kỹ thuật.
Ion canxi và magie có ảnh hƣởng rõ rệt đến sự phân tán của khoáng sét.
Thậm chí một lƣợng nhỏ của ion canxi bổ sung vào hệ phân tán keo natri MMT có
thể gây ra sự đông tụ và hình thành kết tủa. Lực làm đông tụ của các ion hóa trị II
mạnh hơn dự đoán của các lý thuyết vì có sự đóng góp đáng kể của tƣơng hỗ ionion.
Các tài liệu tham khảo cho thấy rằng lƣợng nƣớc bị hấp phụ sau 2 giờ (2
hour water adsorption - 2WHA) và sự trƣơng nở của bentonite-Na tốt hơn so với
bentonite-Ca, vì Na-MMT có thể đƣợc phân tán vào tinh thể đơn, trong khi CaMMT chỉ có thể đƣợc phân tán vào polymer gồm hàng chục đơn tinh thể. Vì vậy,
2HWA và sự trƣơng nở thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá hiệu quả biến tính natri
trong các nghiên cứu và cũng áp dụng trong nghiên cứu này.
Nhiễu xạ tia X đƣợc áp dụng để phân biệt bentonite-Ca và bentonite-Na. Tài
liệu [20, 34] cho thấy các MMT có đỉnh cƣờng độ mạnh và sáng ở mặt tinh thể
d(001). Hơn nữa, d(001) của bentonite - Ca là 1,55 nm và 2θ (001) là 5,660, còn d(001)
của bentonite – Na là 1,25 nm và 2θ (001) là 7,10.

14


Ảnh hƣởng của liều lƣợng Na2CO3 đến các đại lƣợng 2HWA và sự trƣơng
nở của bentonite biến tính đã đƣợc nghiên cứu, cố định các điều kiện là nồng độ
bentonite là 20%, nhiệt độ biến tính là 250C và thời gian biến tính là 0,5 giờ. Kết
quả cuối cùng nêu trên hình 1.5.

Hình 1.5. Ảnh hưởng của liều lượng Na2CO3 đến sự biến tính Na+
Trên hình 1.5 ta thấy giá trị 2HWA và độ trƣơng nở của bentonite-Ca không
biến tính là thấp hơn so với bentonite-Na. Với sự tăng dần liều lƣợng của Na2CO3,
2HWA và độ trƣơng nở thay đổi theo hƣớng đầu tiên tăng dần và sau đó giảm, đạt
đến tối đa ở liều lƣợng 3,0% và 4,0% soda. Nghiên cứu đề cập ở trên đã chỉ ra rằng
1,85% CaO đƣợc chứa trong Ca-MMT. Giả sử Ca2+ có thể đƣợc thay thế hoàn toàn
bằng Na+, liều lƣợng lý thuyết của Na2CO3 đƣợc tính là 3,5% theo phản ứng (1) đề
cập trƣớc đây, đó là gần nhƣ tƣơng đƣơng với liều lƣợng sử dụng thực tế. Khi liều
lƣợng Na2CO3 thấp hơn số lƣợng phù hợp, hàm lƣợng Na+ trong chất tăng rõ rệt,
nếu liều lƣợng Na2CO3 đƣợc tăng cao, khả năng phản ứng trao đổi giữa Na+ và Ca2+
đƣợc cải thiện. Sau khi liều lƣợng Na2CO3 vƣợt quá giá trị cần thiết, lƣợng ion Na+
tự do dƣ thừa tồn tại trong dung dịch, và một phần ion Na+đƣợc hấp thụ trên bề mặt
của các hạt tinh thể MMT để tạo thành một vỏ ngậm nƣớc, ngăn ngừa độ ẩm bên
ngoài xâm nhập vào giữa các lớp tinh thể. Hơn nữa, sự cân bằng của phản ứng trao
đổi ion giữa Na+ và Ca2+ bị phá hủy do ion Na+tự do có tốc độ ion hóa và độ hoạt
động cao. Khoảng cách giữa các hạt tinh thể khi đó bị nén lại, do đó một phần của

15


nƣớc xen bị đùn ra, điều đó là bất lợi cho các phản ứng biến tính natri. Từ kết quả
thu đƣợc, cho thấy liều lƣợng Na2CO3 phù hợp là 3,0% - 3,5%.
 Biến tính bentonite bằng ion Liti
Để nâng cao khả năng hấp phụ của sét ngƣời ta biến tính nó bằng cách thế
cation trong phân tử MMT bằng ion Li+ có khả năng hydrat hóa mạnh làm tăng độ
trƣơng nở, nhờ vậy khả năng hấp phụ của MMT tăng lên. Quá trình biến tính
bentonite làm tăng CEC của sét nhƣng công đoạn làm sạch sét sau đó rất phức tạp,
các quá trình lọc hút chân không thông thƣờng không có hiệu quả khi các hạt sét
nhỏ bịt kín lỗ lọc và hình thành một lớp mỏng trên bề mặt vải lọc ngăn cản nƣớc
thấm qua vải lọc. Do đó trong sản xuất việc biến tính bentonite bằng ion Li+ hầu
nhƣ không đƣợc triển khai, việc chế tạo sét bằng dung dịch Li+ chỉ đƣợc thực hiện
trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu và ứng dụng cho các mục đích khoa học.
Những nghiên cứu về bentonite biến tính Li+ đƣợc thực hiện từ rất lâu, nhƣng chủ
yếu là những nghiên cứu về sự suy giảm khả năng hấp phụ của sét smectite khi biến
tính Li+ và sấy chúng ở nhiệt độ cao. Ulrich Hofmann and Richard Klemen [32] là
những tác giả đầu tiên chỉ ra sự suy giảm độ giãn nở và khả năng trao đổi cation
của MMT-Li sau khi sấy chúng ở nhiệt độ cao do sự di cƣ của các ion Li+ vào các lỗ
trống bát diện tích điện âm trong cấu trúc của MMT. Những năm sau đó ngƣời ta
gọi hiệu ứng giảm khả năng trao đổi cation của sét biến tính Li+ là hiệu ứng
Hofmann – Klemen. Những nghiên cứu về sự sụt giảm chỉ số CEC của sét xử lý với
Li+ đƣợc nghiên cứu rất nhiều, nhằm chỉ ra cơ chế chuyển dịch của các ion Li+ vào
các hốc bát diện và trung hòa điện tích âm trên các phiến bát biện của sét, những
nghiên cứu với mục đích chỉ ra rằng phiến bát diện trong MMT là nguyên nhân
chính gây ra sự thiếu hụt điện tích trong cấu trúc của MMT. Những công bố [29, 31,
33] đã sử dụng các phƣơng pháp hiện đại hơn để khẳng định cho sự sụt giảm về
CEC của các mẫu MMT-Li. Các nghiên cứu đều chỉ ra để có sự sụt giảm về CEC
của mẫu MMT – Li, các mẫu này đều bị xử lý nhiệt tại nhiệt độ cao 105 – 3000C,
quá trình xử lý nhiệt giúp các ion Li+ mất nƣớc hydrat hóa và di chuyển vào sâu
trong các hốc bát diện. Có thể thấy chỉ khi bị xử lý nhiệt khả năng sụt giảm điện

16


x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×