Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit ấn độ với etyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu dò ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ HOÀNG HƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI ETYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ HOÀNG HƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI ETYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM THỊ HÀ THANH THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với etyltriphenylphotphoni bromua bước đầu thăm dò ứng dụng" cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Thái Ngun, tháng 04 năm 2016 Tác giả luận văn Lê Hoàng Hương Xác nhận Trưởng khoa Hóa học Xác nhận giáo viên hướng dẫn Khoa học PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan TS Phạm Thị Hà Thanh i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn cô giáo - TS Phạm Thị Hà Thanh - người tận tình bảo, giúp đỡ hướng dẫn em suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo Khoa Hóa học, thầy cô Khoa Sau Đại học, thầy cô BGH Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên giảng dạy, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trình học tập, nghiên cứu để em hoàn thành luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, cô giáo cán phịng thí nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên; Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam bạn học viên giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn Vì thời gian có hạn, khả nghiên cứu cịn hạn chế nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu xót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo bạn quan tâm tới vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 04 năm 2016 Tác giả Lê Hoàng Hương ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt iv Danh mục bảng v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU .1 Chương TỔNG QUAN 1.1 Bentonit 1.1.1 Thành phần hóa học cấu trúc bentonit 1.1.2 Tính chất bentonit 1.1.3 Ứng dụng bentonit 1.1.4 Các phương pháp hoa ̣t hóa bentonit 1.1.5 Các nguồn bentonit 10 1.2 Sét hữu .14 1.2.1 Giới thiệu sét hữu .14 1.2.2 Cấu trúc sét hữu 15 1.2.3 Các hợp chất hữu sử dụng để điều chế sét hữu 17 1.2.4 Tính chất sét hữu 18 1.2.5 Ứng dụng sét hữu 20 1.2.6 Các phương pháp điều chế sét hữu 21 1.3 Giới thiệu phenol đỏ 28 1.3.1 Tổng quan phenol 28 1.3.2 Một số thành tựu xử lý hợp chất phenol 32 1.4 Giới thiệu phương pháp hấp phụ .34 1.4.1 Khái niệm 34 1.4.2 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 34 1.4.3 Cân hấp phụ tải trọng hấp phụ 35 1.4.4 Các phương trình trình hấp phụ 37 iii Chương THỰC NGHIỆM 41 2.1 Hóa chất, dụng cụ 41 2.1.1 Hóa chất .41 2.1.2 Dụng cụ, máy móc 41 2.2 Thực nghiệm 42 2.2.1 Khảo sát trình điều chế sét hữu 42 2.2.2 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ phenol đỏ bent-A và sét hữu điều chế 43 2.3 Các phương pháp nghiên cứu .44 2.3.1 Phương pháp nhiễu xa ̣ tia X (XRD) 44 2.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt .44 2.3.3 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) 45 2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 45 2.3.5 Phương pháp xác định hàm lượng (%) cation hữu sét hữu 45 2.3.6 Phương pháp trắc quang 46 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Điều chế sét hữu 47 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng .47 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng ETPB/bentonit 49 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch 52 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng .54 3.2 Đánh giá cấu trúc đặc điểm sét hữu điều chế điều kiện tối ưu .56 3.2.1 Nghiên cứu bằ ng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 56 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp phổ hồng ngoại 58 3.2.3 Nghiên cứu phương pháp phân tích nhiệt 60 3.2.4 Nghiên cứu phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 62 3.3 Khảo sát khả hấ p phu ̣ phenol đỏ của sét hữu điề u chế 62 3.3.1 Xây dựng đường chuẩn phenol đỏ 62 3.3.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 64 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng bentonit, sét hữu điề u chế 65 iv 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ 66 3.3.5 Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt, kí hiệu Nội dung ETPB Etyltriphenylphotphoni bromua Bent Bentonit Bent-A Bentonit Ấn Độ MMT Montmorillonit Sét HC Sét hữu XRD X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X SEM Phương pháp hiể n vi điê ̣n tử quét iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.2: Ảnh hưởng độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 diện tích sét bị che phủ 16 Bảng 1.3: Giá trị giới hạn nồng độ cho phép tổng nồng độ phenol dẫn xuất .31 Bảng 3.1: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu 48 Bảng 3.2: Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng ETPB/bentonit đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập của các mẫu sét hữu điề u chế 51 Bảng 3.3: Ảnh hưởng pH dung dịch đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu 53 Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu 55 Bảng 3.5: Kết phân tích giản đồ nhiệt bent-A sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 61 Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn phenol đỏ 63 Bảng 3.7: Sự phụ thuộc dung lượng hiệu suất hấp phụ vào thời gian 64 Bảng 3.8: Ảnh hưởng khối lượng bentonit, sét hữu đến dung lượng hiệu suất hấp phụ phenol đỏ 65 Bảng 3.9: Ảnh hưởng nồng độ đầu phenol đỏ đến dung lượng hiệu suất hấp phụ sét hữu 67 Bảng 3.10: Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại hằ ng số Langmuir b bentA sét hữu điều chế 70 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 MMT Hình 1.2: Sự định hướng ion ankylamoni lớp silicat 15 Hình 1.3: Sự xếp cation hữu kiểu đơn lớp, hai lớp giả ba lớp 16 Hình 1.4: Cấu tạo phân tử, cấu trúc khơng gian phenol đỏ 29 Hình 1.5: Cơ chế chuyển màu phenol đỏ 30 Hình 1.6: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 39 Hình 1.7: Sự phụ thuộc Cf/q vào Cf 39 Hình 1.8: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 40 Hình 1.9: Sự phụ thuộc lgq vào lgCf 40 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu 42 Hình 3.1: Giản đồ XRD bent-A mẫu sét hữu điều chế nhiệt độ 20oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC 47 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng mẫu sét hữu điều chế 48 Hình 3.3: Giản đồ XRD bent-A mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ ETPB/bentonit 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 50 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d001 theo tỉ lệ ETPB/bentonit của các mẫu sét hữu điề u chế 50 Hình 3.5: Giản đồ XRD bent-A và mẫu sét hữu điều chế dung dich ̣ có pH lầ n lươ ̣t là 7, 8, 9, 10, 11, 12 52 Hình 3.6: Đồ thi biể ̣ u diễn sự phu ̣ thuô ̣c của giá tri ̣d001 theo pH dung dich ̣ 53 Hình 3.7: Giản đồ XRD bent-A và mẫu sét hữu phản ứng thời gian giờ, giờ, giờ, giờ, giờ, giờ 54 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d001 theo thời gian phản ứng 55 Hình 3.9: Giản đồ XRD mẫu bent-A 57 Hình 3.10: Giản đồ XRD sét hữu điều chế ở điề u kiêṇ tố i ưu 57 vi 11 Nguyễn Hữu Phú (1998), Giáo trình hấp phụ xúc tác bề mặt vật liệu vô mao quản, NXB khoa học kĩ thuật 12 Đỗ Hữu Phương (2010), Nghiên cứu q trình hoạt hóa khống bentonit Thanh Hóa thăm dị khả ứng dụng xử lý mơi trường, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đa ̣i ho ̣c Khoa ho ̣c Tự nhiên, Đa ̣i ho ̣c Quố c gia Hà Nô ̣i 13 Đỗ Quý Sơn (1987), “Nghiên cứu khả ứng dụng chất trao đổi ion sở aluminosilicate tự nhiên để hấp phụ số ion kim loại nặng”, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học, Viện Công nghệ Xạ hiếm, Hà Nội 14 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 15 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 16 Bùi Văn Thắng (2011), Nghiên cứu tổng hợp vật liệu bentonite biến tính, ứng dụng hấp phụ photpho nước, Báo cáo Tổng kết đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ, Trường Đại học Đồng Tháp 17 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 18 Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý hố lý, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội 19 Quách Đăng Triều (2003), Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu nanopolyme-composite, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước mã số KC.02.07, Hà Nội 73 II Tiếng Anh 20 Akỗay G., Akỗay M., Yurdakoỗ K (2006), The characterization ofprepared organomontmorillonite and sorption of phenoxyalkanoic acid herbicides from aqueous solution”, Journal of Colloid and Interface Science, 296, pp 428-433 21 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 22 Agui Xie, Wenyan Yan, Xianshen Zeng, Guangjian Dai, Shaozao Tan, Xiang Cai, and Ting Wu (2011), “Microstructure and Antibacterial Activity of Phosphonium Montmorillonites”, Department of Chemistry, Jinan University, Guangzhou, 510632, PR China 23 Arfaoui S, Srasra E, Frini-Srasra N (2005), Application of clays to treatment of tannery sewages, Desalination 185, pp 419 - 426 24 Arroyo, Miguel, Súarez, Rufino V., López-Manchado, Miguel A., Fernández, José F.(2006), “Relevant features of bentonite modification with a phosphonium salf”, Juarnal of nanoscience and nanotechnology, Vol.6, No.7, pp 2151-2154 25 Ben Alexis A Oswald, Mountainside,N,J, (1973), “Tetraankyl Phosphonium Aluminosilicates”, Exxon Research & Engineering Co., Linden, NJ, pp 462-465 26 Bergaya F., Theng B.K.G., Lagaly G (2006), Handbook of Clay Science, First Edition Elsevier 27 Bhattacharyya K.G, Sharma A , (2005), “Kinetics and thermodynamics of methylene blue adsorption on Neem (Azadirachta indica) leaf powder”, Dyes Pigments, 65, pp 51–59 74 28 Boulet P., Greenwell H.C., Stackhouse S., Coveney P.V (2006), “Recent advances in understanding the structure and reactivity of clays using electronic structure calculations”, Journal of Molecular Structure: Theochem, 762, pp 33-48 29 Breakwell K.I., Homer J., Lawrence M.A.M., McWhinnie W.R (1995), “Studies of organophilic clays: the distribution of quaternary ammonium compounds on clay surfaces and the role of impurities”, Polyedron, 14, pp 2511-2518 30 Breen C (1999), “The characterisation and use of polycation-exchanged Bentonits”, Applied Clay Science, 15, pp 187-219 31 Kenan Cinku, Bruak Baysal (2014), “Investigation of adsorption behavior of phosphonium salts onto Na-Montmorillonnite”, Physicochem Probl Miner Process 50(2), pp 417-432 32 Keiji Saitoh, Kenji Ohashi, Kiichi Hasegawa, Joji Kadota, Hiroshi Hirano (2014), “Effect of Organo-bentonites Modified with Novel Quaternary Phosphonium Salt on the Properties of Acid Anhydride-cured Epoxy Resin/Clay Nanocomposites”, Clays and Clay Minerals, V 62, pp 13-19 33 Lagaly G., (1981), “Characterization of clays by organic compounds”, Clay Miner., 16, pp 1-21 34 Lee J.Y., Lee H.K (2004), “Characterization of organoBentonit used for polymer nanocomposites” Mater Chem Phys., 85, pp 410-415 35 Lipson S.M and Storzky G (1984), Effect of proteins on Reovirus adsorption to Clay minerals, Applied and Environmental Microrobiology, Vol 48, No.3, pp 525 - 530 36 Maria K Doula (2006), Removal of Mn2+ ions from drinking water by using clinoptilolite and a clinoptilolite - Fe oxide system, water Res, 40(17), pp 3167 - 3176 75 37 Ozturk N., Tabak A., Akgol S., Denizli A (2007), “Newly synthesized Bentonit-histidine (Bent-hist) micro-composite affinity sorbents for lgG adsorption”, Colloids Surf., Aphysicochem Eng Asp., 301, pp 490-497 38 Patel H.A, Rajesh S Somani, Hari C Bajaj and Raksh V Jasra (2006), Nanoclays for polymer nanocomposites, paints, inks, greases and cosmetics formulations, drug delivery vehicle and waste water treatment Bull Mater Sci, Vol 29 No 2, pp 133-145 39 Si-Yu Ji, Yong-Ming Sun, He Zhang, Qing-Gao Hou, Chang-Qiu Zhao (2014), Phosphonium salt induced stereoselective allylic rearrangement during chlorintion of a-hydroxyallylphosphinates, College of Chemistry and Chemical Engineering, Liaocheng University, Liaocheng, Shandong 252059, China 40 Tang, Y., Hu, Y., Song, L., Gui, Z., Chen, Z., Fan, W (2003), “Preparation and thermal stability of polypropylene/montmorillonite nanocomposites”, Polym Degrad Stab., 82, pp 127-131 41 Wang L., Wang K., Chen L., He C., Zhang Y (2006), “Hydrothermal effects on the thermomechanical properties of high performance epxy/clay nanocomposites”, Polym Eng Sci., 46, pp 215-221 42 Wang S., Hu Y., Tang Y., Chen Z., Fan W (2004), “Preparation and characterization of flame retardant ABS/montmorillonite nanocomposite”, Appl Clay Sci., 25, pp 49-55 76 PHỤ LỤC Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu khảo sát ảnh hưởng của nhiêṭ đô ̣ phản ứng o Hin ̀ h 1.1: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở 20 C o Hin ̀ h 1.2: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở 30 C o Hin ̀ h 1.3: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở 40 C o Hin ̀ h 1.4: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở 50 C o Hin ̀ h 1.5: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở 60 C o Hin ̀ h 1.6: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở 70 C Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu khảo sát ảnh hưởng của tỉ lê ̣ khố i lươ ̣ng TĐTM/bentonit Hin ̀ h 2.1: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điều chế ở tỉ lê ̣ 0.2 Hin ̀ h 2.2: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điều chế ở tỉ lê ̣ 0.3 Hin ̀ h 2.3: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở tỉ lê ̣ 0.4 Hin ̀ h 2.4: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế ở tỉ lê ̣ 0.6 Hin ̀ h 2.5: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điều chế ở tỉ lê ̣ 0.7 Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu khảo sát ảnh hưởng của pH dung dich ̣ Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample H-pH7 500 400 d=17.316 Lin (Cps) 300 200 100 2-Theta - Scale File: Quang TN mau H-pH7.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.008 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.00 ° Hin ̀ h 3.1: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điề u chế ở pH dung dịch bằ ng 10 Hin ̀ h 3.2: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điề u chế ở pH dung dịch bằ ng Hin ̀ h 3.3: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điề u chế pH dung dịch bằ ng 10 Hin ̀ h 3.4: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điề u chế ở pH dung dịch bằ ng 11 Hin ̀ h 3.5: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điề u chế ở pH dung dịch bằ ng 12 Giản đồ XRD của các mẫu sét hữu khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng Hin ̀ h 4.1: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế thời gian giờ Hin ̀ h 4.2: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế thời gian Hin ̀ h 4.3: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế thời gian giờ Hin ̀ h 4.4: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế thời gian giờ Hin ̀ h 4.5: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điề u chế thời gian giờ ... "Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với etyltriphenylphotphoni bromua bước đầu thăm dị ứng dụng" cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng... NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ HOÀNG HƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI ETYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DỊ ỨNG DỤNG Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 01 13... Giới thiệu sét hữu .14 1.2.2 Cấu trúc sét hữu 15 1.2.3 Các hợp chất hữu sử dụng để điều chế sét hữu 17 1.2.4 Tính chất sét hữu 18 1.2.5 Ứng dụng sét hữu