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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM BÙI HUY QUANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI METYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƢỚC 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.ltc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM BÙI HUY QUANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI METYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÒ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Hóa vơ Mã số: 60.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM THỊ HÀ THANH THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với metyltriphenylphotphoni brommua bước đầu thăm dò ứng dụng” thân thực Các số liệu, kết đề tài trung thực Nếu sai thật xin chịu trách nhiệm Thái nguyên, tháng 04 năm 2016 Tác giả Bùi Huy Quang Xác nhận Trƣởng khoa Hóa học Xác nhận giáo viên hƣớng 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 sự hướng dẫn chỉ bảo tận tiǹ h của TS Phạm Thị Hà Thanh , cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô 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 , Đa ̣i ho ̣c Thái Nguyên ; khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa ho ̣c Tự nhiên , Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Khoa ho ̣c Vâ ̣t liê ̣u , Viê ̣n Hàn lâm Khoa học và C ông nghê ̣ 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 thân hạn chế, nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu xót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo, bạn đồng nghiệp người quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hồn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2016 Tác giả Bùi Huy Quang ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu iv Danh mục bảng v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Bentonit 1.1.1 Thành phần cấu tạo bentonit 1.1.2 Tính chất bentonit 1.1.3 Ứng dụng bentonit 1.1.4 Một số phương pháp hoạt hóa bentonit 1.1.5 Các nguồn bentonit giới Việt Nam 1.2 Giới thiệu metyltriphenylphotphoni bromua (MTPB) 12 1.3 Sét hữu 12 1.3.1 Cấu trúc sét hữu 12 1.3.2 Biến tính sét hữu 14 1.3.3 Tính chất sét hữu 17 1.3.4 Ứng dụng sét hữu 18 1.3.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình điều chế sét hữu phương pháp khuếch tán dung dịch nước 19 1.3.6 Tình hình nghiên cứu sét hữu 21 1.4 Giới thiệu xanh metylen 23 1.4.1 Tổng quan xanh metylen 23 1.4.2 Một số thành tựu xử lý hợp chất xanh metylen 24 1.5 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 24 iii 1.5.1 Khái niệm 24 1.5.2 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 24 1.5.3 Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt 27 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ 31 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM 32 2.1 Hóa chất, dụng cụ 32 2.1.1 Hóa chất 32 2.1.2 Dụng cụ, máy móc 32 2.2 Thực nghiệm 32 2.2.1 Khảo sát trình điều chế sét hữu 33 2.2.2 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ xanh metylen bent-A sét hữu điều chế 34 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 35 2.3.1 Phương pháp nhiễu xa ̣ tia X (XRD) 35 2.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt 35 2.3.3 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) 35 2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 36 2.3.5 Phương pháp xác định hàm lượng (%) cation hữu sét hữu 36 2.3.6 Phương pháp phân tích trắc quang 37 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Điều chế sét hữu 38 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 38 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng MTPB/bentonit 40 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch 43 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng 45 3.2 Đánh giá cấu trúc đặc điểm sét hữu điều chế điều kiện tối ưu 47 3.2.1 Nghiên cứu bằ ng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 47 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) 48 iv 3.2.3 Nghiên cứu phương pháp phân tích nhiệt 51 3.2.4 Nghiên cứu phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 53 3.3 Khảo sát khả hấp phụ xanh metylen sét hữu điều chế 54 3.3.1 Xây dựng đường chuẩn xanh metylen 54 3.3.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 55 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng bentonit , sét hữu điều chế 56 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ xanh metylen 57 3.3.5 Khảo sát dung lượng hấp phụ xanh metylen theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 59 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU Chữ viết tắt, kí hiệu MTPB Bent Nội dung Metyltriphenylphotphoni bromua 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 1.1: Sản lượng khai thác bentonit giới năm 2010 Bảng 1.2: Thành phần bentonit Ấn Độ Bảng 1.3: Các muối photphoni bậc bốn Patel cộng (2007) sử dụng để điều chế sét hữu khoảng cách sở tương ứng 22 Bảng 1.4: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 27 Bảng 3.1: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu 39 Bảng 3.2: Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng MTPB /bentonit đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét h ữu điề u chế 42 Bảng 3.3: Ảnh hưởng pH dung dịch đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu 44 Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu 46 Bảng 3.5: Kế t quả phân tić h giản đồ nhiê ̣t của bent-A và sét h ữu điề u chế điề u kiê ̣n tố i ưu 52 Bảng 3.6: Kết đo độ hấp thụ quang dung dịch xanh metylen với nồng độ khác 54 Bảng 3.7: Sự phụ thuộc dung lượng hiệu suất hấp phụ vào thời gian 55 Bảng 3.8: Ảnh hưởng khối lượng bentonit, sét hữu đến dung lượng hiệu suất hấp phụ xanh metylen 56 Bảng 3.9: Ảnh hưởng nồng độ đầu xanh metylen đến dung lượng hiệu suất hấp phụ sét hữu 58 Bảng 3.10: Giá trị hấp phụ lớn hằ ng số Langmuir b bent-A sét hữu điều chế 61 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể 2:1 MMT Hình 1.2: Quá trình xâm nhập cation Na+ khoảng hai lớp MMT Hình 1.3: Cấu tạo phân tử MTPB 12 Hình 1.4: Sự trao đổi cation Na+ cation hữu 13 Hình 1.5: Mơ tả cấu trúc sét sau biến tính hữu (organoclay) 13 Hình 1.6: Cơng thức cấu tạo xanh metylen 23 Hình 1.7: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 29 Hình 1.8: Đồ thị phụ thuộc Cf/q vào Cf 29 Hình 1.9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 31 Hình 1.10: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb 31 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp sét hữu 33 Hình 3.1: Giản đồ XRD bent-A mẫu sét hữu điều chế nhiệt độ 20 oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC 38 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng mẫu sét hữu điều chế 39 Hình 3.3: Giản đồ XRD bent-A mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ MTPB/bentonit 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 41 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d001 theo tỉ lệ MTPB/ bentonit của các mẫu sét hữu điề u chế 41 Hình 3.5: Giản đồ XRD bent-A và mẫu sét hữu điều chế dung dich ̣ có pH lầ n lươ ̣t là 6, 7, 8, 9, 10, 11 43 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d 001 theo pH dung dich ̣ 44 Hình 3.7: Giản đồ XRD bent-A và mẫu sét hữu phản ứng thời gian 2giờ , 3giờ , 4giờ , 5giờ , 6giờ , 7giờ 45 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giá trị d 001 theo thời gian phản ứng 46 v 11 Đỗ Hữu Phương (2010), Nghiên cứu trình hoạt hóa khống bentonit Thanh Hóa thăm dị khả ứng dụng xử lý mơi trường, Ḷn 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 12 Đặng Tuyết Phương (1995), Nghiên cứu cấ u trúc, tính chất hóa lý và số ứng dụng của bentonit Thuận Hải Việt Nam , Luâ ̣n án Tiến sĩ 13 Hồ Viết Quý, Nguyễn Tinh Dung (1999), Các phương pháp phân tích Lý hóa, NXB Giáo dục, 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 Trần Thị Thu Thúy (2007), Điều chế nanoclay từ bentonit, Khóa luận Tốt nghiệp - Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên 16 Nguyễn Hữu Trí (2004), Khoa ho ̣c ki ̃ thuâ ̣t công nghê ̣ cao su thiên nhiên, Nhà xuấ t bản tre.̉ 17 Quách Đăng Triều (2003), Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nanocomposite – composit , Báo cáo Tổng kết Khoa học Kỹ thuật Đề tài cấp Bộ 18 Cao Hữu Trượng (2002), Hóa học thuốc nhuộm, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 19 Trầ n Thi ̣Thanh Vân (2005), “Tiń h chấ t và cấ u trúc của vâ ̣t liê ̣u compozit HDPE – khoáng sét nano chế tạo phương pháp trộn chảy” , Tạp chí hóa học T.43(2), tr 219 – 222 II Tiế ng Anh 20 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 65 21 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, Volume 6, Number 7, July 2006, pp 2151-2154 22 Bergaya F, Theng B.K.G, Lagaly G (2006), Handbook of Clay Science, First Edition Elsevier 23 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 24 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 25 Breen C (1999), “The characterisation and use of polycation-exchanged Bentonits”, Applied Clay Science, 15, pp 187-219 26 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 27 Ghosh D , Bhattacharyya K.G, (2002), “Adsorption of methylene blue on kaolinite”, Appl Clay Sci 20, pp 295–300 28 Jordan J.W, Hook B.J, Finlayson C.M (1950), “Organophilic bentonit II.Organic liquid gels”, J Phys Colloid Chem.,54, pp 1196 – 1208 29 Kenan Cinku, Bruak Baysal (2014), “Investigation of adsorption behavior of phosphonium salts onto Na-Montmorillonnite”, Physicochem Probl Miner Process 50(2), pp 417−432 30 Keiji Saitoh, Kenji Ohashi, Kiichi Hasegawa, Joji Kadota, Hiroshi Hirano, “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 66 31 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 32 Lagaly G (1981), “Characterization ofclay by organic compound”, Clay Miner, 16, pp – 21 33 Lagaly G, Gonzaler M.F, Weiss A (1976), “Problems in layer – charge determinaton of montmorillonites”, Clay Miner, 11, pp 173 – 187 34 Theng B.K.G, (1974), The Chemistry of Clay – Organic Reactions 35 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 67 PHỤ LỤC Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng Hình 1.1: Giản đồ XRD mẫu sét h ữu điều chế 20oC Hình 1.2: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 30oC Hình 1.3: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 40oC Hình 1.4: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 50oC Hình 1.5: Giản đờ XRD của mẫu sét hƣ̃u điều chế ở 60oC Hình 1.6: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế 70oC Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ khối lƣơ ̣ng TĐTM/bentonit Hình 2.1: Giản đồ XRD của mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ 0,2 Hình 2.2: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế tỉ lệ 0,3 Hình 2.3: Giản đồ XRD mẫu sét hƣ̃u điều chế ở tỉ lê ̣ 0,4 Hình 2.4: Giản đồ XRD mẫu sét hƣ̃u điều chế ở tỉ lê ̣ 0,5 Hình 2.5: Giản đồ XRD mẫu sét hƣ̃u điều chế ở tỉ lê ̣ 0,6 Hình 2.6: Giản đồ XRD mẫu sét hữ u điều chế ở tỉ lê ̣ 0,7 Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát ảnh hƣởng dung dich ̣ T h a n h T N Hình 3.1: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế pH dung dịch Hình 3.2: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế pH dung dịch pH Hình 3.3: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế pH dung dịch bằ ng Hình 3.4: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế pH dung dịch Hình 3.5: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế pH dung dịch 10 Hình 3.6: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế pH dung dịch bằ ng 11 Giản đồ XRD mẫu sét hữu khảo sát ảnh hƣởng thời gian phản ứng Hình 4.1: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian giờ Hình 4.2: Giản đồ XRD mẫu sét hữu đ iều chế thời gian giờ Hình 4.3: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian giờ Hình 4.4: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian giờ Hình 4.5: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian giờ Hình 4.6: Giản đồ XRD mẫu sét hữu điều chế thời gian giờ ... BÙI HUY QUANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT ẤN ĐỘ VỚI METYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DỊ ỨNG DỤNG Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT... lọc với chất lỏng hữu Với mục đích điều chế sét hữu có khả hấp phụ tốt, đáp ứng yêu cầu xử lí chất thải hữu môi trường nước nay, lựa chọn đề tài "Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với. .. http://www.ltc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: ? ?Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với metyltriphenylphotphoni brommua bước đầu thăm dị ứng dụng” thân tơi thực Các số liệu, kết