Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit ấn độ với butyltriphenylphotphoni bromua và bước đầu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  TRẦN ANH VŨ NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI BUTYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DỊ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC THÁI NGUYÊN - 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  TRẦN ANH VŨ NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI BUTYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DỊ ỨNG DỤNG Ngành: Hóa vô Mã số: 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thị Hà Thanh THÁI NGUYÊN - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với butyltriphenylphotphoni bromua bước đầu thăm dò ứng dụng” Là thân thực chưa cơng bố cơng trình khác Các số liệu, kết đề tài trung thực Nếu sai thật xin chịu trách nhiệm Thái nguyên, tháng 04 năm 2018 Tác giả Trần Anh Vũ Xác nhận Xác nhận Trưởng khoa chuyên môn người hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan TS Phạm Thị Hà Thanh i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn chỉ bảo tận tình của TS Phạm Thị Hà Thanh, cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo Khoa Hóa học, thầy Khoa sau Đại học, thầy cô Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em q trình học tập, nghiên cứu, để hồn thành luận văn khoa học Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo cán phịng thí nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên; khoa Hoá 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 đồng nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu của thân hạn chế, nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu xót Em mong nhận góp ý, chỉ bảo của thầy giáo, cô giáo, bạn đồng nghiệp người quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2018 Tác giả Trần Anh Vũ ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu iv Danh mục bảng biểu v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu bentonit 1.1.1 Thành phần bentonit 1.1.2 Cấu trúc bentonit .3 1.1.3 Tính chất bentonit 1.1.4 Ứng dụng bentonit .6 1.1.5 Một số phương pháp hoạt hóa bentonit 1.1.6 Nguồn tài nguyên bentonit .10 1.2 Sét hữu 13 1.2.1 Giới thiệu sét hữu 13 1.2.2 Cấu trúc sét hữu .13 1.2.3 Tính chất của sét hữu 15 1.2.4 Ứng dụng sét hữu 16 1.2.5 Tổng hợp sét hữu 17 1.3 Giới thiệu xanh metylen 21 1.3.1 Cấu tạo tính chất 21 1.3.2 Ứng dụng tác hại của xanh metylen 21 1.3.3 Một số thành tựu xử lý xanh metylen .22 1.4 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 22 1.4.1 Khái niệm 22 1.4.2 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 23 1.4.3 Cân hấp phụ tải trọng hấp phụ 23 1.4.4 Các phương trình của trình hấp phụ .24 iii Chương THỰC NGHIỆM 28 2.1 Hóa chất, dụng cụ 28 2.1.1 Hóa chất 28 2.1.2 Dụng cụ, máy móc 28 2.2 Thực nghiệm 28 2.2.1 Khảo sát trình điều chế sét hữu .28 2.2.2 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ xanh metylen của bent-A sét hữu điều chế 30 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 31 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 31 2.3.2 Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu sét hữu 31 2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.3.5 Phương pháp trắc quang 32 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Điều chế sét hữu 33 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 33 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng BTPB/bentonit .35 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH của hệ 37 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 39 3.2 Đánh giá cấu trúc đặc điểm sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 41 3.2.1 Nghiên cứu phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .42 Giản đồ XRD của bentonit sét hữu tương ứng trình bày hình 3.9 hình 3.10 .42 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp phân tích nhiệt 43 3.2.3 Nghiên cứu phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 45 3.3 Khảo sát khả hấp phụ xanh metylen sét hữu điều chế 45 3.3.1 Xây dựng đường chuẩn của xanh metylen .45 3.3.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 47 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu điều chế 48 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen .49 3.3.5 Khảo sát dung lượng hấp phụ xanh metylen theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .50 KẾT LUẬN 54 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU Chữ viết tắt, kí hiệu Nội dung MMT Montmorillonit BTPB Butyltriphenylphotphoni bromua bent-A Bentonit (Ấn Độ) Shc Sét hữu XRD X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 diện tích sét bị che phủ 15 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập của mẫu sét hữu điều chế 34 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng BTPB/bentonit đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập của mẫu sét hữu điều chế 36 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH của hệ đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập của mẫu sét hữu 39 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập của mẫu sét hữu điều chế 41 Bảng 3.5: Kết phân tích giản đồ phân tích nhiệt của bent-A sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 44 Bảng 3.6: Số liệu xây dựng đường chuẩn của xanh metylen 46 Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của dung lượng hiệu suất hấp phụ vào thời gian 47 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu đến dung lượng hiệu suất hấp phụ xanh metylen 48 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen đến dung lượng hiệu suất hấp phụ của bentonit sét hữu điều chế 50 v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT Hình 1.2: Sự định hướng của ion ankylamoni lớp silicat 14 Hình 1.3: Sự xếp cation hữu kiểu đơn lớp, hai lớp giả ba lớp 14 Hình 1.4: Cấu tạo phân tử của xanh metylen 21 Hình 1.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 26 Hình 1.6: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 26 Hình 1.7: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 27 Hình 1.8: Sự phụ thuộc lgq vào lgCf 27 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu 29 Hình 3.1: Giản đồ XRD của bent-A mẫu sét hữu điều chế nhiệt độ 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC 33 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc của giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng của mẫu sét hữu điều chế 34 Hình 3.3: Giản đồ XRD của bent-A mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ BTPB/ bentonit 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 35 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ BTPB/ bentonit của mẫu sét hữu điều chế 36 Hình 3.5: Giản đồ XRD của bent-A mẫu sét hữu điều chế dung dịch có pH 7, 8, 9, 10, 11 38 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc của giá trị d001 theo pH của hệ 38 Hình 3.7: Giản đồ XRD của bent-A mẫu sét hữu phản ứng thời gian giờ, giờ, giờ, giờ, 40 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản ứng 40 Hình 3.9: Giản đồ XRD của mẫu bent-A 42 Hình 3.10: Giản đồ XRD của sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 42 Hình 3.11: Giản đồ phân tích nhiệt của bent-A 43 Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 43 Hình 3.13: Ảnh SEM của bent–A (a); của sét hữu điều chế (b) 45 vi Hình 3.14: Đường chuẩn của xanh metylen 46 Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ xanh metylen của bent-A, sét hữu điều chế 47 Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng bent-A, sét hữu điều chế đến trình hấp phụ xanh metylen 49 Hình 3.17: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của bent-A xanh metylem 51 Hình 3.18: Sự phụ thuộc của C/q vào C hấp phụ xanh metylen của bent-A 51 Hình 3.19: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của sét hữu điều chế xanh metylen 52 Hình 3.20: Sự phụ thuộc của C/q vào C hấp phụ xanh metylen của sét hữu điều chế 52 vii KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu thu kết sau: Đã khảo sát ảnh hưởng của số yếu tố đến trình điều chế sét hữu từ nguồn nguyên liệu ban đầu bent-A Kết cho thấy điều kiện tối ưu để điều chế sét hữu là: + Nhiệt độ phản ứng 50oC + Tỉ lệ khối lượng BTPB/bentonit 0,5 + pH của hệ + Thời gian phản ứng Bằng phương pháp nghiên cứu: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy điều chế sét hữu có giá trị d001 = 18,912±0,347 Å, sản phẩm có có mặt của cation hữu với hàm lượng xâm nhập 15,39±0,16%, sét hữu điều chế có cấu trúc lớp độ xốp cao Đã nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ xanh metylen của sét hữu điều chế điều kiện tối ưu so với bent-A Kết cho thấy điều kiện khảo sát : + Thời gian đạt cân hấp phụ 90 phút (bent-A) 60 phút (sét hữu cơ) + Khối lượng vật liệu hấp phụ 0,05 gam dung lượng hấp phụ lớn hiệu suất hấp phụ ổn định Như sét hữu điều chế có khả hấp phụ xanh metylen tốt nhiều so với bent-A Đã mô tả trình hấp phụ của bent-A, sét hữu điều chế theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, xác định dung lượng hấp phụ cực đại của bent-A sét hữu điều chế xanh metylen 29,67 mg/g 344,83 mg/g số Langmuir tương ứng là: b = 0,01 b = 0,019 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo dục Vũ Đăng Độ (2001), Các phương pháp vật lí hóa học, NXB Giáo dục Nguyễn Thị Hà (2017), Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với propyltriphenylphotphoni bromua bước đầu thăm dò ứng dụng, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học sư phạm, Đại học Thái Nguyên Lê Thị Thi Hạ (2011), Biến tính bentonit muối amin bậc bốn ứng dụng để hấp phụ hợp chất hữu nước bị nhiễm, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội Lê Tự Hải (2005), Nghiên cứu thành phần cấu trúc khả hấp phụ ion Pb2+ dung dịch nước bentonit Thuận Hải, Tuyển tập báo cáo toàn văn hội nghị toàn quốc đề tài nghiên cứu đề tài lĩnh vực Hóa lý Hóa lý thuyết, tr 25- 32 Lê Tự Hải, Phan Chi Uyển (2008), “Nghiên cứu trình biến tính bentonit Thuận Hải ứng dụng hấp phụ ion Mn2+ nước”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng - Số 3(26), tr 112 - 117 Trần Tứ Hiếu (2003), Phân tích trắc quang phổ hấp thụ UV - Vis, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Đình Huề (1982), Giáo trình hóa lý, NXB Giáo dục, Hà Nội Ngũn Thu Hường (2014), Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Trung Quốc với butyltriphenylamoni bromua bước đầu thăm dò ứng dụng, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên 10 Nguyễn Trọng Nghĩa (2008), Khảo sát trình điều chế nanoclay thăm dò khả 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 55 11 Nguyễn Trọng Nghĩa (2011), Điều chế sét hữu từ khống bentonit Bình Thuận khảo sát khả ứng dụng của chúng, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 12 Nguyễn Hữu Phú (1998), Giáo trình hấp phụ xúc tác bề mặt vật liệu vô mao quản, NXB khoa học kĩ thuật 13 Đỗ Hữu Phương (2010), Nghiên cứu q trình hoạt hóa khống bentonit Thanh Hóa thăm dị khả ứng dụng của xử lý môi trường, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý hố lý, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội 20 Quách Đăng Triều (2003), Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu nano-polymecomposite, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước mã số KC.02.07, Hà Nội 21 Cao Hữu Trượng (2002), Hóa học thuốc nhuộm, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 56 II Tiếng Anh 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 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 24 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 25 Arfaoui S, Srasra E, Frini-Srasra N (2005), Application of clays to treatment of tannery sewages, Desalination 185, pp 419 - 426 26 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 27 Ben Alexis A Oswald, Mountainside,N,J, (1973), “Tetraankyl Phosphonium Aluminosilicates”, Exxon Research & Engineering Co., Linden, NJ, pp 462-465 28 Bergaya F., Theng B.K.G., Lagaly G (2006), Handbook of Clay Science, First Edition Elsevier 29 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 30 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 31 Breen C (1999), “The characterisation and use of polycation-exchanged Bentonits”, Applied Clay Science, 15, pp 187-219 32 Ghosh D , Bhattacharyya K.G, (2002), “Adsorption of methylene blue on kaolinite”, Appl Clay Sci 20, pp 295–300 57 33 Gieseking J.E., (1939), “The mechanism of cation exchange in the montmorillonite–beidellite–nontronite type of clay minerals”, Soil Sci 47, pp.1–14 34 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 35 Kenan Cinku, Bruak Baysal (2014), “Investigation of adsorption behavior of phosphonium salts onto Na-Montmorillonnite”, Physicochem Probl Miner Process 50(2), pp 417-432 36 Kumar K.V, Ramamurthi V, Sivanesan S, (2005), “Modeling the mechanism involved during the sorption of methylene blue onto fly ash”, J Colloid Interf Sci 284, pp 14–21 37 Lagaly G., (1981), “Characterization of clays by organic compounds”, Clay Miner., 16, pp 1-21 38 Lee J.Y., Lee H.K (2004), “Characterization of organoBentonit used for polymer nanocomposites” Mater Chem Phys., 85, pp 410-415 39 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 40 Ozturk N., Tabak A., Akgol S., Denizli A (2007), “Newly synthesized Bentonithistidine (Bent-hist) micro-composite affinity sorbents for lgG adsorption”, Colloids Surf., Aphysicochem Eng Asp., 301, pp 490-497 41 Siv Olsson, Ola Karnland (2009), “Characterisation of bentonites from Kutch, India and Milos, Greece – some candidate tunnel back-fill materials”, pp 33-48 42 Thomas A.Drean, Director and State Geologist (2014), “Wyoming State Geological” ,Wyoming Bentonite pp.1-4 43 Vadivelan V , Kumar K.V, (2005), “Equilibrium, kinetics, mechanism, and process designfor the sorption of methylene blue onto rice hush”, J Colloid Interf Sci 286, pp 90–100 58 ... với mục đích từ nguồn nguyên liệu bentonit điều chế sét hữu có khả hấp phụ tốt, đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải hữu môi trường nước, chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ. .. giá cấu trúc đặc điểm sét hữu điều chế điều kiện tối ưu Sau tiến hành khảo sát phản ứng điều kiện khác nhau, nghiên cứu mẫu sét hữu điều chế từ bentonit Ấn Độ (Bent-A) nhiệt độ phản ứng 50oC, tỉ... Tôi xin cam đoan: Đề tài: ? ?Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với butyltriphenylphotphoni bromua bước đầu thăm dị ứng dụng” Là thân tơi thực chưa công bố cơng trình khác Các số liệu,