Nghiên cứu chế tạo sét hữu cơ từ bentonite Bình Thuận và cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) băng phương pháp ướt, Sét hữu cơ điều chế được có cấu trúc lớp với giá trị d(001) ~4nm và lượng CTAB thâm nhập vào giữa các lớp sét đạt ~40% về khối lượng.
ISBN 2354-0575 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONITE BÌNH THUẬN VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TÁCH ION NI+2 TRONG NƯỚC Nguyễn Trọng Nghĩa, Nguyễn Thị Thanh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận: 01/10/2016 Ngày sửa chữa: 31/10/2016 Ngày xét duyệt: 15/11/2016 Tóm tắt: Nghiên cứu chế tạo sét hữu từ bentonite Bình Thuận cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) băng phương pháp ướt, Sét hữu điều chế có cấu trúc lớp với giá trị d(001) ~4nm lượng CTAB thâm nhập vào lớp sét đạt ~40% khối lượng Thăm dò khả ứng dụng sét hữu để xử lý kim loại nặng nước, kết cho thấy:nhiệt độ phản ứng 600C; thời gian phản ứng h; nồng độ ion kim loại 1g/l; pH = Kết nghiên cứu cho thấy sét hữu vật liệu rẻ tiền, phù hợp mặt kỹ thuật để xử lý kim loại nặng nước Từ khóa: Sét hữu cơ; cấu trúc lớp; nước thải có nghiên cứu ứng dụng bentonite để làm Đặt vấn đề vật liệu nanocomposite hay vật liệu hấp phụ nhằm Hiện nay, vấn đề ô nhiễm nguồn nước làm tăng hiệu kinh tế khả ứng kim loại nặng vấn đề dụng nguồn tài nguyên dồi [1-5] Vì nhiều quốc gia nhà khoa học quan vậy, cơng trình chúng tơi tiến hành tâm[6,7,8] Trên giới có nhiều cơng trình điều chế sét hữu từ bentonite Bình Thuận nghiên cứu sử dụng vật liệu khác để hấp cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) sử phụ kim loại nặng nước, có dụng để khảo sát khả hấp phụ số ion bentonite sét hữu cơ[8-12] kim loại nặng nước Sét hữu (organoclay) sản phẩm tạo thành thay cation vô bề mặt Thực nghiệm khống sét có cấu trúc lớp thuộc nhóm smectit, đặc biệt bentonit, cation hữu Cation hữu sử dụng phổ biến để điều chế sét hữu cation amoni bậc dạng [(CH3)3NR]+ [(CH3)2NR2]+, R gốc ankyl mạch thẳng [1-6], mạch nhánh mạch hyđrocacbon thơm [4] Các cation hữu liên kết với lớp aluminosilicat bentonit tạo thành tập hợp hữu - vô cơ, làm cho khoảng cách lớp sét tăng lên rõ rệt[11, 13, 14] Nước ta có nguồn tài nguyên bentonite phong phú, tiêu biểu mỏ bentonite Tuy Phong - Bình Thuận với trữ lượng hàng triệu Nhưng lượng bentonite khai thác chủ yếu để sử dụng vào mục đích đơn làm khn đúc, vật liệu xây dựng, thức ăn gia súc…mà 104 Chúng tơi sử dụng bentonite Bình Thuận tinh chế, làm giàu hoạt hóa axit viện Cơng nghệ xạ hiếm, viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Bentonite tinh chế có hàm lượng bentonit ≥90% có dung lượng hấp phụ ≥90 mđlg/100g sét khô Hợp chất amoni hữu có tên gọi cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) hóa chất tinh khiết hãng Merck (CHLB Đức), cơng thức phân tử C19H42BrN, khối lượng phân tử 364,46 g/mol Các hóa chất khác FeCl3, Pb(NO3)2, HCl, NaOH, …là hóa chất tinh khiết hãng Merck (CHLB Đức) - Quá trình điều chế sét hữu tiến hành sau: Cân 110mmol CTAB hịa tan 03 lít nước cất Cân 100gam bentonite hịa tan vào lít Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 nước cất cho lên máy khuấy, khuấy 4h để thu huyền phù bentonite nước với độ trương nở cao Vừa khuấy vừa rót từ từ dung dịch muối amoni hữu chuẩn bị vào thiết bị chứa huyền phù bentonite, điều chỉnh pH dung dịch đến pH = nhờ dung dịch HCl NaOH loãng Tiếp tục khuấy hỗn hợp 5h nhiệt độ 60oC, sau lọc, rửa sản phẩm nước để loại bỏ muối amoni hữu dư lọc chân không, sấy khô 80oC 12h, nghiền mịn, đánh giá chất lượng sản phẩm - Quá trình hấp phụ kim loại nặng sét hữu tiến hành sau: Lấy cốc thủy tinh 250ml cho vào cốc gam sét hữu cơ, thêm vào cốc 100ml dung dịch muối kim loại có nồng độ xác định, điều chỉnh pH dung dịch giá trị pH thích hợp Cho hỗn hợp lên máy khuấy từ, khuấy nhiệt độ thời gian xác định Ngừng khuấy, lọc lấy dung dịch sau hấp phụ, xác định lại nồng độ Ni phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) a Để khảo sát khả hấp phụ sét hữu cơ, chúng tơi sử dụng dung dịch Ni2+có nồng độ 1gam/l Hấp dung bentonite xác định theo cơng thức: a = ( C0 - C).V/m Trong đó: - a hấp dung (mg/g) - C0 nồng độ dung dịch ban đầu trước khuấy (g/l) - C nồng độ dung dịch sau khuấy (g/l) - m khối lượng bentonite (g) - V thể tích dung dịch kim loại hấp phụ (ml) Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Các kết điều chế sét hữu Áp dụng qui trình nêu để điều chế sét hữu cơ, với 100 gam bentonite ban đầu điều chế 120 gam sản phẩm Kết ghi giản đồ nhiễu xạ XRD, ghi DTA ghi phổ hồng ngoại mẫu bentonite mẫu sản phẩm sét hữu trình bày b Hình Giản đồ phân tích nhiệt mẫu bentonite Bình Thuận tinh chế (a) mẫu sét hữu điều chế từ bentonite với CTAB (b) Trên giản đồ DTA mẫu bentonite có lí 114,36oC; trình cháy cation amoni xuất hai hiệu ứng thu nhiệt đạt cực đại hữu hấp phụ bề mặt lớp sét 140,22oC 670,27oC, hai hiệu ứng tương 295,97oC; trình phân hủy cation amoni ứng với trình tách nước hấp phụ vật lý hữu trao đổi lớp sét 436,26oC mẫu (-7,44% khối lượng) trình nước lượng nước hấp phụ vật lý bị cation amoni hữu cạnh tranh nên khơng cịn bề cấu trúc (-4,06% khối lượng) giản đồ TG Giản đồ phân tích nhiệt mẫu sét hữu mặt sét khơng cịn hiệu ứng khối lượng cho thấy có hiệu ứng khối lượng - khoảng nhiệt độ 670oC bentonite Bình 2,74%;-16,45% -24,58% đường TG Thuận Lượng CTAB thâm nhập vào bên quy gán cho trình tách nước hấp phụ vật lớp sét đạt khoảng 40% Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology 105 ISBN 2354-0575 100 d=3.345 90 3000 80 60 d=3.036 d=3.242 50 40 d=38.610 2000 d=4.259 Lin (Cps) 70 30 d=1.8187 d=1.8746 d=1.9114 d=1.9797 d=2.2832 d=2.2390 d=2.1626 d=2.1270 d=2.0918 d=2.4934 d=2.4585 d=2.8554 d=2.5716 d=3.478 d=4.041 d=3.860 d=3.778 d=3.673 d=4.484 d=6.465 d=12.773 1000 20 10 0 0.5 10 20 30 40 2-Theta - Scale 2-Theta - Scale b A Hình Giản đồ XRD mẫu bentonite Bình Thuận tinh chế (a) mẫu sét hữu điều chế từ bentonite với CTAB (b) Trên giản đồ XRD mẫu bentonite Bình Thuận tinh chế có pic đặc trưng cho MMT giá trị góc 2 7ovới giá trị d001 = 12,770Å, mẫu sét hữu thu có giá trị d001= 3,86nm, chứng tỏ cation amoni hữu xâm nhập vào lớp sét làm khoảng cách chúng tăng lên đáng kể 0.680 1033 0.65 0.60 0.55 1033 BENT-CTAB2 0.55 0.50 0.50 0.45 0.45 0.40 0.40 0.35 A 0.35 0.30 2920 A 0.30 0.25 0.25 0.20 3453 2850 3623 3430 465 0.20 0.15 527 3698 1470 3621 793 0.10 0.15 1637 1637 0.10 0.05 784 0.000 0.05 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 cm-1 -0.010 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 b 400.0 cm-1 a Hình Phổ hồng ngoại mẫu bentonite Bình Thuận tinh chế (a) mẫu sét hữu điều chế từ bentonite với CTAB (b) Trên hình (a) ta thấy xuất đám phổ vùng 3500 - 3700 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm OH liên kết với cation Al3+, Fe3+, Mg2+ bát diện, dao động có cực đại nằm tần số 3621 cm-1 Đám phổ vùng 32003500 cm-1 1637 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị dao động biến dạng nhóm OH phân tử nước tự (cực đại nằm tần số 3453 cm-1) Đám phổ lớn phổ hồng ngoại mẫu bentonite 1033 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị liên kết Si - O tứ diện, dao động biến dạng liên kết xuất đám phổ có tần số 465 cm-1, đám phổ có tần số 784 cm-1đặc trưng cho dao động liên kết Si - O thạch anh, 106 đám phổ tần số 527 cm-1 đặc trưng cho thay Al3+ Mg2+ bát diện Các đám phổ nằm vùng 1450 - 1550 cm-1, 850 - 890 cm-1 thường qui gán cho dao động liên kết ion CO32- bentonite, giản đồ không thấy xuất hiện, chứng tỏ độ bentonite sau làm giàu cao Đối với phổ hồng ngoại sét hữu chứa CTAB ta thấy xuất đầy đủ đám phổ đặc trưng cho bentonite, ra, giản đồ thấy xuất đám phổ vùng 1470 cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết C - N đám phổ vùng tần số 2919cm-1 đặc trưng dao động nhóm CH3 gốc ankyl Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 Như vậy, việc xác định phổ XRD, phổ hồng ngoại ghi giản đồ phân tích nhiệt bentonite sản phẩm sét hữu chứng minh hình thành sét hữu từ phản ứng bentonite CTAB 3.2 Các kết hấp phụ kim loại Ni2+ sét hữu Chúng tiến hành khảo sát khả hấp phụ ion kim loại Ni2+ nước sét hữu Kết sau: + Ảnh hưởng pH Kết thực nghiệm đưa bảng hình TT pH 110 100 C (g/l) 0.7185 0.1627 0.1043 0.083 a(mg/g) 90 80 70 60 50 0.1424 40 30 a (mg/g) 28.15 83.73 89.57 91.7 20 85.76 pH Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hấp dung vào pH dung dịch STT sét khơng thuận lợi, cịn pH tăng cao ion kim loại lại bị chuyển sang dạng hydroxit tập hợp thành mixen làm giam khả trao đổi hấp phụ chúng Như pH thích hợp cho q trình hấp phụ Ni2+ sét hữu pH = + Ảnh hưởng thời gian khuấy: Kết thực nghiệm đưa bảng hình Thời gian (h) C (g/l) 0.2345 0.1283 0.0584 0.1217 0.1764 a (mg/g) 76.55 87.17 94.31 87.83 82.36 100 a (m g/g) Từ kết trình bày hình ta thấy sau: pH dung dịch thay đổi từ 1,0 đến 5,0 nồng độ dung dịch lại sau hấp phụ giảm dần pH 4,0 nồng độ dung dịch cịn lại sau hấp phụ cịn 0,083 (mg/l) từ tính hấp dung đạt cực đại pH 91,7 mg/l, sau pH tăng lên nồng độ dung dịch lại tăng Nguyên nhân giải thích pH thấp ion kim loại bị cạnh tranh ion H+ nên trình trao đổi hấp phụ chúng lớp 90 80 70 t (h) Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hấp dung vào thời gian khuấy Từ kết trình bày hình ta thấy thời gian khuấy khác Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology 107 ISBN 2354-0575 nồng độ dung dịch lại khác Dung lượng hấp phụ đạt cực đại thời gian khuấy Có thể giải thích sau: Sự chênh lệch hóa ion ngồi dung dịch khe xốp bentonite động lực thúc đẩy trình trao đổi ion xảy Lúc đầu nồng độ ion kim loại dung dịch cao, cân chuyển dịch sang phải Đến thời gian (3 giờ) hóa ion ( H+, Ni2+) bentonite nhau, phản ứng đạt đến giá trị cân bằng, lượng ion kim loại trao đổi cực đại nhiệt độ nồng độ khảo sát STT Ngồi ion kim loại cịn bị hấp phụ vật lý khe xốp trung hòa điện bề mặt bentonite Qúa trình khuếch tán ion từ dung dịch vào lỗ xốp chứa nước, lượng ion kim loại khuếch tán vào lỗ xốp số điều kiện nồng độ nhiệt độ khảo sát Như vậy, với thời gian khuấy điều kiện thích hợp cho trình hấp phụ Ni2+ bentonite + Ảnh hưởng nồng độ chất bị hấp phụ Kết khảo sát trình bày bảng hình 110 100 C (mg/l) 0.5 0.0027 90 0.0465 1.067 2.1247 3.2358 a (mg/l) C0 (mg/l) 80 70 60 50 a (mg/g) 49.73 95.35 93.3 87.53 40 76.42 C (mg/l) Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hấp dung vào nồng độ dung dịch Ni2+ Từ kết trình bày hình ta thấy nồng độ dung dịch thay đổi từ 0.5 đến mg/l hấp dung a sét hữu Ni2+ thay đổi, nồng độ dung dịch 1g/l hấp dung 95,53mg/g, sau nồng độ dung dịch tăng hấp dung a lại có xu hướng giảm Nguyên nhân nồng độ thấp ion kim loại dễ ràng thâm nhập vào lớp sét để tham gia STT Nhiệtđộ (0C) trình trao đổi và trình hấp phụ bề mặt sét, nồng độ cao phần ion bị hydrat hóa tạo mixen nên khả thâm nhập trao đổi, hấp phụ giảm + Ảnh hưởng nhiệt độ khuấy khác Kết khảo sát trình bày bảng hình 100 95 30 40 50 60 70 90 85 C (mg/l) 0.1763 0.1152 0.0576 0.0397 0.125 a(mg/g) 82.37 88.48 94.24 96.03 87.5 80 75 20 30 40 50 60 70 80 n hi ệt độ Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hấp dung vào nhiệt độ 108 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 Từ kết trình bày hình ta thấy nhiệt độ dung dịch thay đổi hấp dung a thay đổi đạt giá trị lớn 600C, sau đo nhiệt độ tiếp tục tăng hấp dung lại có xu hướng giảm Nguyên nhân nhiệt độ thấp ion kim loại linh động, khó thâm nhập vào lớp sét, nhiệt độ cao lại ảnh hưởng đến độ bền liên kết ion kim loại với trung tâm tích điện âm khả hấp phụ chúng bề mặt lớp sét Như vậy, nhiệt độ thích hợp cho q trình hấp phụ Ni2+ sét hữu 600C trị d001 = 3,86mm lượng cation amoni hữu thâm nhập vào lớp sét đạt 40% Đã khảo sát khả hấp phụ ion Ni2+ sét hữu chế tạo được, kết cho thấy nhiệt độ thích hợp 600C, thời gian thích hợp 4h, nồng độ dung dịch 1mg/l, pH thích hợp pH=4 Ở điều kiện gam sét hữu cho dung lượng hấp phụ đạt 96.03 mg/g, kết đáng khích lệ cần có nghiên cứu sâu để phát huy ứng dụng nguồn tài nguyên phong phú nước ta Kết luận Đã chế tạo sản phẩm sét hữu từ ben tonite Bình Thuận CTAB, sản phẩm có giá Tài liệu tham khảo Thân Văn Liên cộng (2009), “Nghiên cứu công nghệ chế tạo montmorillonite (MMT) từ nguồn khoáng thiên nhiên làm nguyên liệu cho nanoclay”, Báo cáo kết nghiên cứu đề tài KHCN cấp Nhà nước mã số KC02-06/06/10 Cao Anh Dũng cộng sự, Một số kết nghiên cứu tổng hợp sét hữu từ sét Bình Thuận để sử dụng cho ngành dầu khí, Tuyển tập báo cáo Hội nghị KHCN “30 năm dầu khí Việt Nam” , Hà Nội 2005 Quách Đăng Triều, Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu nano-polyme-composite, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước, mã số KC.02.07, Hà Nội, tháng 12/2003 Nguyễn Đức Nghĩa, Hóa học nano cơng nghệ vật liệu nguồn, Nhà xuất Khoa Học Tự nhiên Công Nghệ Hà Nội, 2007 Đặng Tuyết Phương, Nghiên cứu cấu trúc, tính chất hố lý số ứng dụng bentonite Thuận Hải Việt Nam, Luận án tiến sĩ, Trung tâm khoa học Tự nhiên Công nghệ quốc gia, Hà Nội, 1995 K.Bhattacharyya and S.Gupta," Adsorption of a few heavy metals on natural and modified kaolinite and montmorillonite: A review," Advance in colloid and interface science, vol 140, 2008, pp 114131 S.Veli and B Alyuz, "Adsorption of copper and zinc from aqueous solution by using natural clay," Journal of Hazardous Materials, vol 149, 2007, pp 226-233 A Mansri, K.Benabadji, J Desbriốres and J Franỗois, "Chromium removal using modified poly(4vinylpyridinium) bentonite salts," Desalination ,vol 245, 2009, pp 95–107 L.Yun, S Xing, X Qiming, C Haidong, Z Huixian and G Shixiang , "Adsorption of copper and lead in aqueous solution onto bentonite modified by 4-methylbenzo-15-crown-5,"Journal of Hazardous Materials, vol B137, 2006, pp 1149–1155 10 Naseem, R and Tahir, S.S (2001) Removal of Pb(II) from Aqueous/acidic Solutions by using Bentonite as An Adsorbent, Water Res., 35: 3982-3986 11 Önal, M (2007) Swelling and Cation Exchange Capacity Relationship for the Samples Obtained from A Bentonite by Acid Activations and Heat Treatments, Applied Clay Science, 37: 74-80 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology 109 ISBN 2354-0575 12 Barbier, F., Duc, G and Petit-Ramel, M (2000) Adsorption of Lead and Cadmium Ions from Aqueous Solution to the Montmorillonite/water Interface, Colloids Surf A: Physicochem Eng Aspects, 166: 153-159 13 F.Kooli & P.C.M.M Magusin (2004), Adsorption of cetyltrimetylamonium ion on an acid - activated smectite and their thermal stability, clay mineral 40 (2005) 233- 243 14 Charles Kausch Flame retadant polyolefin compositions containing organically modified clay USP 6, 414, 070 B1 Jul 2, 2002 PREPARATION OF ORGANOCLAY FROM BENTONITE BINH THUAN AND SURVEY OF ITS APPLICABILITIES TO REMOVAL OF NI2+ FROM AQUEOUS SOLUTION Abstract Preparation of organoclay from bentonite Binh Thuan and cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) in aqueous solutions have been studies prepared organoclay are in layered structure with d(001) ~4nm and CTAB intercalated into bentonite in ~40% (in mass) Survey of Organoclay Applicabilities to Removal of Heavy Metals from Aqueous Solution The study showed that: appropriate reaction temperature: 600C; appropriate reaction time: hours; appropriate concentration: 1mg/l; pH = The results indicate that the use of organoclay could provide a cheap and technically viable option for heavy metals removal from polluted water Keywords: organoclay; layered structure; polluted water 110 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ... bentonite sản phẩm sét hữu chứng minh hình thành sét hữu từ phản ứng bentonite CTAB 3.2 Các kết hấp phụ kim loại Ni2+ sét hữu Chúng tiến hành khảo sát khả hấp phụ ion kim loại Ni2+ nước sét hữu. .. Scale b A Hình Giản đồ XRD mẫu bentonite Bình Thuận tinh chế (a) mẫu sét hữu điều chế từ bentonite với CTAB (b) Trên giản đồ XRD mẫu bentonite Bình Thuận tinh chế có pic đặc trưng cho MMT giá... khối lượng bentonite (g) - V thể tích dung dịch kim loại hấp phụ (ml) Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Các kết điều chế sét hữu Áp dụng qui trình nêu để điều chế sét hữu cơ, với 100 gam bentonite