Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit (ấn độ) với tetrađecyltrimetyl amoni bromua và khảo sát khả năng hấp phụ phenol đỏ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN THỊ QUỲNH ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT (ẤN ĐỘ) VỚI TETRAĐECYLTRIMETYL AMONI BROMUA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHENOL ĐỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC THÁI NGUN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN THỊ QUỲNH ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT (ẤN ĐỘ) VỚI TETRAĐECYLTRIMETYL AMONI BROMUA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHENOL ĐỎ Ngành: Hóa vơ Mã ngành: 8.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thị Hà Thanh THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khác Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019 Tác giả luận văn Trần Thị Quỳnh Anh Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực đề tài luận văn thạc sĩ, chun ngành Hóa Phân tích, Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, em nhận ủng hộ, giúp đỡ thầy cô giáo, em sinh viên, bạn bè gia đình Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Thị Hà Thanh, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm q báu để em hồn thành luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, thầy Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu thân hạn chế, nên kết nghiên cứu em nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, giáo để luận văn em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019 Tác giả luận văn Trần Thị Quỳnh Anh Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt iv Danh mục bảng v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu bentonit 1.1.1 Thành phần hóa học bentonit 1.1.2 Cấu trúc MMT 1.1.3 Tính chất bentonit 1.1.4 Những ứng dụng bentonit 1.1.5 Nguồn tài nguyên bentonit giới 1.2 Sét hữu 11 1.2.1 Giới thiệu sét hữu 11 1.2.2 Cấu tạo sét hữu 12 1.2.3 Biến tính sét hữu 13 1.2.4 Tính chất sét hữu 15 1.2.5 Ứng dụng sét hữu 16 1.2.6 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình điều chế sét hữu phương pháp khuếch tán dung dịch nước 18 1.3 Giới thiệu tetrađecyltrimetyl amoni bromua 20 1.4 Giới thiệu phenol đỏ 20 1.5 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 22 1.5.1 Bản chất trình hấp phụ 22 1.5.2 Phân loại hấp phụ 22 1.5.3 Cân hấp phụ dung lượng hấp phụ 23 1.5.4 Các phương trình trình hấp phụ 25 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Chương 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Hóa chất, dụng cụ 29 2.1.1 Hóa chất 29 2.1.2 Dụng cụ 29 2.2 Khảo sát trình điều chế sét hữu môi trường nước 29 2.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ phenol đỏ bentA sét hữu điều chế 30 2.4 Các phương pháp nghiên cứu 33 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 33 2.4.2 Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu sét hữu 33 2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 34 2.4.4 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 35 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng tới trình điều chế sét hữu 36 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 36 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 38 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng pH 40 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng 42 3.2 Đánh giá cấu trúc đặc điểm sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 44 3.2.1 Đánh giá sét hữu phương pháp nhiễu xạ tia X 44 3.2.2 Đánh giá sét hữu phương pháp phân tích nhiệt 45 3.3 Khảo sát khả hấp phụ phenol đỏ sét hữu điều chế 48 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH 48 3.3.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 50 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng bent-A; sét hữu điều chế 51 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ 53 3.3.5 Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, viết tắt bent-A Tên gọi Bentonit Ấn Độ CEC Dung lượng trao đổi cation d001 Khoảng cách hai mặt mạng MMT Montmorillonit TMAB Tetrađecyltrimetyl amoni bromua SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sản lượng bentonit giới giai đoạn 2005 -2007 Bảng 1.2: Thành phần bentonit Ấn Độ 10 Bảng 2.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn phenol đỏ 32 Bảng 3.1: Giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu khảo sát theo nhiệt độ 37 Bảng 3.2: Giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu khảo sát theo tỉ lệ TMAB/bent-A 39 Bảng 3.3: Giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu khảo sát theo giá trị pH 41 Bảng 3.4: Giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu khảo sát theo thời gian .43 Bảng 3.5: Kết phân tích hiệu ứng khối lượng bent-A sét hữu điều chế điều kiện tối ưu .46 Bảng 3.6: Sự phụ thuộc dung lượng hiệu suất hấp phụ vào pH bent-A sét hữu .48 Bảng 3.7: Sự phụ thuộc dung lượng hiệu suất hấp phụ vào thời gian 50 Bảng 3.8: Ảnh hưởng khối lượng bent-A, sét hữu đến dung lượng hiệu suất hấp phụ phenol đỏ .52 Bảng 3.9: Ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ ban đầu đến dung lượng hiệu suất hấp phụ sét hữu 54 Bảng 3.10: Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại số Langmuir b bentA sét hữu điều chế 57 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể MMT biểu diễn mạng tinh thể Hình 1.2a: Cấu trúc tứ diện SiO2 Hình 1.3b: Cấu trúc bát diện MeO6 .3 Hình 1.3: Mơ tả cấu trúc sét sau biến tính hữu (organoclay) .12 Hình 1.4: Trạng thái phân ly khống sét dung dịch 13 Hình 1.5: Công thức cấu tạo TMAB [CH3(CH2)13N(Br)(CH3)3] 20 Hình 1.6: Cơng thức cấu tạo phenol đỏ 20 Hình 1.7: Cân phản ứng phenol vàng phenol đỏ .21 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu .30 Hình 2.2: Đường chuẩn phenol đỏ 32 Hình 3.1: Giản đồ XRD bent-A 36 Hình 3.2: Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát nhiệt độ 20oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC 37 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc d001 vào nhiệt độ (oC) 38 Hình 3.4: Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát theo tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 38 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn phụ giá trị d001 vào tỉ lệ TMAB/bent-A 39 Hình 3.6: Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát theo giá trị pH 6, 7, 8, 9, 10, 11 40 Hình 3.7: Sự phụ thuộc giá trị d001 vào pH dung dịch 41 Hình 3.8: Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát theo thời gian 2, 3, 4, 5, 6, 42 Hình 3.9: Sự phụ thuộc giá trị d001 vào thời gian phản ứng 43 Hình 3.10: Giản đồ XRD sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 44 Hình 3.11: Giản đồ phân tích nhiệt bent-A 45 Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 45 Hình 3.13: Ảnh SEM bent-A (a); sét hữu điều chế (b) 47 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng pH dung dịch đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ bent-A sét hữu điều chế 49 Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ bent-A sét hữu điều chế 51 Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng khối lượng bent-A, sét hữu điều chế đến dung lượng hấp phụ phenol đỏ 53 Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ ban đầu đến khả hấp phụ phenol đỏ bent-A sét hữu điều chế 55 Hình 3.18: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir bent-A phenol đỏ 55 Hình 3.19: Sự phụ thuộc C f /q vào Cf hấp phụ phenol đỏ bent-A .56 Hình 3.20: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir sét hữu điều chế phenol đỏ 56 Hình 3.21: Sự phụ thuộc Cf/q vào Cf hấp phụ phenol đỏ sét hữu điều chế 57 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Sau thời gian nghiên cứu, thu số kết sau: Đã khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến trình điều chế sét hữu từ nguồn bentonit Ấn Độ với TMAB môi trường nước Kết cho thấy điều kiện tối ưu để điều chế sét hữu là: - Nhiệt độ phản ứng 50oC - Tỉ lệ khối lượng TMAB/bentonit 0,4 - pH phản ứng - Thời gian phản ứng Đã nghiên cứu cấu trúc sét hữu điều chế phương pháp: phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp hiển vi điện tử quét Kết thu sau: - Sét hữu điều chế có giá trị d001 39,962 Å, góc 2θ khoảng 2,2o - Hàm hượng (%) cation hữu xâm nhập sét hữu 29,77 % - Sét hữu điều chế có cấu trúc lớp độ xốp cao Đã nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ phenol đỏ sét hữu điều chế điều kiện tối ưu so với bent-A Kết điều kiện khảo sát cho thấy: + pH hấp phụ tối ưu (bent-A) 10 (sét hữu cơ) + Thời gian đạt cân hấp phụ 75 phút (bent-A) 90 phút (sét hữu cơ) + Khối lượng vật liệu hấp phụ 0,05 gam dung lượng hấp phụ lớn Đã mô tả trình hấp phụ phenol đỏ bent-A sét hữu điều chế theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, xác định dung lượng hấp phụ cực đại bent-A sét hữu điều chế phenol đỏ 28,74 mg/g 322,58 mg/g số Langmuir tương ứng là: b = 0,015 b = 0,034 Như sét hữu điều chế có khả hấp phụ phenol đỏ tốt nhiều so với bent-A Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Bình (1999), Hoạt tính xúc tác bentonit Thuận Hải biến tính phản ứng chuyển hóa số hợp chất hữu cơ, Luận án tiến sĩ Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo dục [3] Vũ Đăng Độ (2001), Các phương pháp vật lí hóa học, NXB Giáo dục [4] Nguyễn Trọng Nghĩa (2010), “Điều chế nanoclay từ khoáng bentonit Việt Nam khảo sát ứng dụng chúng”, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên [5] Nguyễn Trọng Nghĩa (2008), “Điều chế nanoclay từ khoáng bentonit Việt Nam khảo sát ứng dụng sản xuất sơn”, Báo cáo tổng kết kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Hưng Yên [6] Nguyễn Hữu Phú (2006), Hóa lý Hóa keo, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [7] Đặng Tuyết Phương (1995), Nghiên cứu cấu trúc, tính chất hóa lí số ứng dụng bentonit Thuận Hải Việt Nam, Luận án Phó Tiến sĩ Khoa học Hóa học [8] Phạm Thị Hà Thanh, Nghiêm Xuân Thung, Phạm Trọng Long, Nguyễn Thị Ngọc Tú (2010), “Khảo sát trình điều chế sét hữu từ bentonit (Prolabo) đimetylđioctađecylamoni clorua”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ , Tập 48(2), tr 951-956 [9] Phạm Thị Hà Thanh (2012), “Nghiên cứu điều chế nano compozit polime/bentonit - DMDOA, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [10] Hoa Hữu Thu cộng (2009), Tổng hợp, đặc trưng ứng dụng sét chống lớp ưa dầu (pillared clays organophile) làm phụ gia cho sơn, Báo cáo đề tài cấp ĐHQG Hà Nội, mã số QGTD-07.02 [11] Nghiêm Xuân Thung, Lê Thanh Sơn, Phạm Thị Hà Thanh, Nguyễn Thị Ngọc Tú (2010), “Khảo sát trình điều chế sét hữu từ bentonit (Bình Thuận) đimetylđioctađecylammoni clorua”, Tạp chí Hóa học, 48(4A), tr.303-306 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn II Tiếng Anh [12] Alexandre M., Dubois P (2000), “Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class of materials”, Materials Science and Engineering, 28, pp.1-63 [13] Alexandre M., Dubois P (2000), “Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class of materials”, Materials Science and Engineering, 28, pp 1-63 [14] 16] B Caglar, B Afsin, A Tabak and E Eren (2009), Characterization of the cation-exchanged bentonites by XRD, ATR, DTA/TG analyses and BET measurement, Chemical Engineering Journal, Vol 149, Issues 1-3, July 2009, pp 242-248 [15] Calderon J.U., Lennox B., Kamal M.R (2008), “Thermally Stable PhosphoniumMontmorillonite Organoclays”, Applied Clay Science, 40, pp.90- 98 [16] Lee, J Y., & Lee, H K (2004), “Characterization of organobentonite used for polymer nanocomposites”, Materials chemistry and physics, 85(2), pp.410-415 [17] Önal, M (2006), “Physicochemical properties of bentonites: an overview”, Communications de la Faculte des Sciences de lUniversite d'Ankara Series B52, pp.7-21 [18] Tijen Seyidoğlu (2010), “Purification and modification of bentonit and its use in polypropylene and linear low density polyethylenr matrix nanocoposites”, Doctor of Philosophy in Chemical Engineering Department, Middle East Technical University, pp.42-44 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn PHỤ LỤC Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế nhiệt độ 20 oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 20oC Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 30oC PL1 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 40oC Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 50oC PL2 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 60oC Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 70oC PL3 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0;7 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,2 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,3 PL4 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,4 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,5 PL5 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,6 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ khối lượng TMAB/bent-A 0,7 PL6 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế từ bent-A TMAB giá trị pH 6, 7, 8, 9, 10, 11 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế giá trị pH Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế giá trị pH PL7 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế giá trị pH Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế giá trị pH PL8 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế giá trị pH 10 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế giá trị pH 11 PL9 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế từ bent-A TMAB thời gian giờ, giờ, giờ, giờ, giờ, Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian PL10 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian PL11 Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian PL12 ... ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN THỊ QUỲNH ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT (ẤN ĐỘ) VỚI TETRAĐECYLTRIMETYL AMONI BROMUA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHENOL ĐỎ Ngành: Hóa vơ Mã ngành: 8.44.01.13... 29 2.2 Khảo sát trình điều chế sét hữu môi trường nước 29 2.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ phenol đỏ bentA sét hữu điều chế 30 2.4 Các phương pháp nghiên cứu ... sét hữu điều chế 48 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH 48 3.3.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 50 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng bent-A; sét hữu điều chế 51 3.3.4 Khảo sát