Đặc trưng cơ bản của bentonite là tớnh chất trao đổi, tớnh chất đú cú được là do:
Sự thay thế đồng hỡnh Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện và Al3+ bằng Mg2+
trong mạng lưới bỏt diện làm xuất hiện điện tớch õm trong mạng lưới cấu trỳc. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tớch õm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tớch õm bề mặt càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thỡ dung lượng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của nhụmsilicat cũn phụ thuộc vào húa trị và bỏn kớnh cation. Cation húa trị thấp dễ trao đổi hơn cation húa trị cao.
Me+ > Me2+ > Me3+
Đối với cỏc cation cựng húa trị, bỏn kớnh càng nhỏ thỡ khả năng trao đổi càng lớn cú thể sắp xếp theo trật tự sau:
Tuy nhiờn khả năng trao đổi của nhụmsilicat chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tớch õm bề mặt và lượng điện tớch õm trong mạng lưới. Bề mặt của bentonite gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phản ỏnh kớch thước tinh thể, phụ thuộc vào sự đứt góy liờn kết và khuyết tật bề mặt. Kớch thước càng nhỏ thỡ khả năng trao đổi càng lớn. Khả năng trao đổi bề mặt trong phản ánh lượng điện tớch õm trờn mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonite. Nú phụ thuộc vào lượng cation bự trừ trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thỡ khả năng trao đổi càng lớn. Dung lượng cation dao động từ 80-150 mgdl/100g. Dung lương trao đổi anion dao động từ 15-40mgdl/100g.
Ngoài ra sự trao đổi ion của bentonite cũn liờn quan đến sự thay thế cỏc nguyờn tử hydro trong cỏc nhúm hydroxyl của montmorillonite. Theo một số nghiờn cứu thỡ đỉnh của cỏc tứ diện SiO2 hướng ra phớa ngoài của lớp cấu trỳc. Ở đỉnh này cỏc nguyờn tử oxy bị thay thế bởi cỏc nhúm hydroxyl, và cỏc nhúm này đảm nhiệm việc liờn kết yếu giữa cỏc lớp và gúp phần vào sự cõn bằng cỏc điện tớch. Trong montmorillonite cũn cú cỏc nhúm hydroxyl khỏc nữa nằm ở đỉnh của cỏc bỏt diện Al2O3. Trong sỏu đỉnh của bỏt diện cú hai đỉnh là nhúm OH- cũn 4 đỉnh kia là oxy.
Trong đú nhúm hydroxyl của liờn kết Si-OH(I) khụng cú khả năng trao đổi hydro, nhúm hydroxyl của liờn kết Al-OH(II) cú tớnh axit yếu nờn khả năng trao đổi yếu, nhúm hydroxyl trong liờn kết Si-O-Al(III) cú tớnh trao đổi mạnh nờn cú tớnh quyết định đến trao đổi cation H+.
1.3.2. Biến tớnh làm biến đổi cấu trỳc lớp nhụm silicat
Khoỏng bentonite tự nhiờn chứa nhiều tạp chất như cỏc muối canxi (CaCO3), dolomit(MgCO3), một số oxit: Fe2O3, FeO, TiO,... và cỏc tạp chất khỏc. Hoạt hoỏ bentonite là dựng kiềm hoặc axit hoà tan một số oxit lưỡng tớnh như: Al2O3, Fe2O3, để tạo trờn bề mặt sột những lỗ xốp và những trung tõm hoạt động. Việc sử dụng nồng độ kiềm hoăc axit cao cú khả năng hoà tan nhụm oxit làm thay đổi cấu trỳc bentonite.
1.4. Sự hấp phụ của cỏc ion kim loại nặng từ mụi trường nước của bentonite bentonite
1.4.1. Cơ chế hấp phụ
Quỏ trỡnh hấp phụ trờn bentonite được thực hiện theo hai cỏch khỏc nhau
a. Hấp phụ cation vào khe giữa cỏc lớp
Do bentonite cú cấu trỳc lớp, lại cú thể cú sự thay thế cỏc ion Al3+ và Si4+
trong mạng lưới của bentonite bằng cỏc ion cú điện tớch dương bộ hơn làm cho mạng lưới mang điện tớch õm. Đồng thời trờn bề mặt của cỏc lớp cú thể tồn tại cỏc nhúm OH cú khả năng trao đổi ion H+ đối với cỏc cation cú mặt trong dung dịch nước. Việc hấp phụ cỏc cation vào trong cỏc khe giữa cỏc lớp phụ thuộc vào kớch thước của khe trống, kớch thước của cỏc cation, bản chất của cation.
b. Hấp phụ cỏc ion lờn trờn bề mặt của cỏc hạt bentonite
Trong trường hợp này, cỏc cation cú tham gia hỡnh thành cỏc phức chất cầu nội thụng qua nhúm Si-O- và Al-O- tại bề mặt của bentonite. Trong trường hợp này cú thể cú cả sự trao đổi ion và hấp phụ bằng lực “Van Der Waals”. Vỡ vậy dung lượng hấp phụ trong trường hợp này phụ thuộc nhiều vào diện tớch bề mặt của hạt bentonite.
Cả hai kiểu hấp phụ trờn đều được thực hiện trong điều kiện mụi trường axit yếu (pH < 4).
Bởi vỡ quỏ trỡnh hấp phụ là toả nhiệt nờn quỏ trinh hấp phụ xảy ra tốt khi nhiệt độ thấp. Do ion kim loại được sonvat hoỏ tốt vỡ vậy để cho ion kim loại được hấp phụ chỳng phải mất một phần lớp vỏ hyđrat hoỏ của chỳng. Quỏ trỡnh đề hyđrat hoỏ này đũi hỏi năng lượng. Năng lượng của quỏ trỡnh đề hyđrat hoỏ được cung cấp bởi sự hấp phụ toả nhiệt. Sự loại bỏ nước khỏi ion là quỏ trỡnh thu nhiệt, dường như sự thu nhiệt của quỏ trỡnh đề sonvat vượt quỏ nhiệt độ do sự hấp phụ phỏt ra nờn giỏ trị năng lượng tự do ∆G0 õm, quỏ trỡnh hấp phụ là tự diễn biến.
1.4.2. Khả năng hấp phụ
Khả năng hấp phụ của bentonite phụ thuộc vào thành phần và cấu trỳc của bentonite, vào điện tớch và bỏn kớnh của ion kim loại.
Ion cú hoỏ trị thấp dễ trao đổi hơn cỏc ion hoỏ trị cao. Ion cựng hoỏ trị, bỏn kớnh càng nhỏ thỡ khả năng trao đổi càng lớn.
Do bentonite là vật liệu xốp cú cấu trỳc lớp, chỳng cú cỏc điện tớch bự trừ trong mạng lưới nờn cú khả năng hấp phụ cỏc ion kim loại. Khả năng hấp phụ của bentonite phụ thuộc vào điện tớch õm bề mặt và lượng cation bự trừ trong mạng lưới. Bentonite cú thể hấp phụ tốt cỏc ion kim loại nặng, khả năng hấp phụ đối với cỏc ion là khỏc nhau. Nú phụ thuộc vào điện tớch v àbỏn kớnh ion.
1.4.3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ cỏc ion kim loại nặng loại nặng
1.4.3.1. Ảnh hưởng của pH
pH của dung dịch nước là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hấp phụ của kim loại trờn bentonite. Sự hấp phụ của kim loại giảm khi pH giảm thấp
bởi vỡ nhúm Al-O và Si-O được nhận nhiều hơn một proton, vỡ vậy chỳng lưu giữ kim loại kộm hơn. Tỏc động này mạnh đối với Cu, Pb, Cd và kộm rừ rệt đối với những kim loại khỏc. Nhưng nếu pH cao quỏ nú sẽ làm giảm bề mặt tớch điện õm trờn đất sột, mà sự hấp phụ xảy ra chủ yếu do sự thu hỳt ion kim loại của cỏc bề mặt điện tớch õm này nhờ lực culong. Khi pH tăng cao quỏ (pH > 5) dung lượng tớch điờn tớch õm trờn bề mặt của bentonite giảm đi, dẫn đến khả năng hấp phụ kộm đi. Theo khảo sỏt pH thớch hợp để hấp phụ tốt nhất là 4.
1.4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Vỡ quỏ trỡnh hấp phụ là toả nhiệt nờn khi nhiệt độ tăng thỡ khụng cú lợi cho quỏ trỡnh hấp phụ, sự hấp phụ thuận lợi khi nhiệt độ thấp, nhưng cỏc ion kim loại trong dung dịch nước bị bao phủ bởi cỏc lớp sonvat, vỡ vậy để hấp phụ lớp sonvat này phải bị phỏ vỡ, quỏ trỡnh phỏ vỡ này thuận lợi khi nhiệt độ tăng. Như vậy trong quỏ trỡnh hấp phụ nhiệt độ cú ảnh hưởng trỏi ngược nhau, tăng nhiệt độ thỡ thuận lợi cho sự phỏ vỡ lớp sonvat bao bọc ion, làm dễ dàng hơn làm cho sự hấp phụ ion, nhưng lại khụng thuận lợi về mặt nhiệt động học của quỏ trỡnh hấp phụ. Cũn nếu nhiệt độ mà thấp thỡ quỏ trỡnh hấp phụ thuận lợi về mặt động học
nhưng nếu mà nhiệt độ thấp quỏ thỡ lớp sonvat bao bọc kim loại khụng bị phỏ bỏ nờn sự hấp phụ khú xảy ra. Cho nờn trong quỏ trỡnh hấp phụ nhiệt độ cần phải cú giỏ trị thớch hợp để cho sự hấp phụ xảy ra tốt nhất.
1.4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian
Thời gian cú ảnh hưởng mạnh đến dung lượng hấp phụ của bentonite. Với nồng độ và thể tớch của ion kim loại, khối lượng của bentonite xỏc định đến khoảng thời gian nào đú dung lượng của bentonite khụng thay đổi. Khi đú ta cú hấp dung cực đại, thời gian đú gọi là thời gian cân bằng hấp phụ được thiết lập, nú phụ thuộc vào cỏc yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ chất điện ly, khối lượng chất hấp phụ, thể tớch dung dịch hấp phụ.
1.4.3.4. Ảnh hưởng của kớch thước hạt bentonite và điều kiện khuấy trộn khuấy trộn
Sự hấp phụ tăng với sự tăng diờn tớch bề mặt, tức là diện tớch tiếp xỳc giữa ion kim loại và chất hấp phụ. Vỡ vậy để cho sự hấp phụ đạt kết quả tốt kớch thước hạt phải thật nhỏ, mịn. Mặt khỏc ta biết rằng bentonite là khoỏng sột nú cú đặc điểm là dẻo và dớnh nờn trong dung dịch nú thường bỏm kết với nhau, làm giảm khả năng hấp phụ, vỡ vậy phải tiến hành lắc để chỳng phõn tỏn làm cho sự tiếp xỳc giữa ion và bentonite tốt hơn.
1.4.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ bentonite/dung dịch (tỷ lệ R/L)
Tỷ lệ khối lượng của chất hấp phụ và thể tớch của dung dịch hấp phụ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của ion kim loại trờn bentonite với mỗi kim loại cú một tỷ lệ xỏc định là tối ưu, phụ thuộc vào nồng độ của ion kim loại, bản chất của chất hấp phụ, nhiệt độ, nồng độ cỏc chất điện ly và thời gian hấp phụ.
1.4.3.6. Ảnh hưởng của cỏc chất điện li trong mụi trường nước
Ảnh hưởng chất điện ly đối với sự hấp phụ của bentonite với cỏc ion khỏc nhau là khỏc nhau. Nhưng núi chung nồng độ cỏc chất điện ly trong dung dịch tăng khả năng hấp phụ bị giảm đi. Do sự tạo phức của cỏc chất điện ly với cỏc ion kim loại, sự thuỷ phõn, ảnh hưởng đến sự khuếch tỏn của cỏc ion kim loại.
1.5. Những ứng dụng của bentonite 1.5.1. Bentonite làm chất hấp phụ 1.5.1. Bentonite làm chất hấp phụ
Bentonite được dựng rộng rói trong nhiều ngành cụng nghiệp với vai trũ là chất hấp phụ:
Trong cụng nghiệp lọc dầu, lượng bentonite được sử dụng rất lớn, bao gồm bentonite tự nhiờn và bentonite đó hoạt hoỏ. Lượng bentonite tự nhiờn tiờu tốn cho quỏ trỡnh lọc dầu là 25% lượng dầu phải lọc cựng với một lượng bentonite đó hoạt hoỏ bằng 10% khối lượng dầu.
Trong cụng nghiệp tinh chế dầu thực vật để sản xuất dầu ăn, mỡ, bơ, xà phũng, việc sử dụng bentonite làm chất hấp phụ là ưu việt hơn hẳn phương phỏp cũ là phương phỏp rửa kiềm. Lượng bentonite mất đi trong quỏ trỡnh tinh chế chỉ bằng 0,5% lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra phương phỏp dựng bentonite cũn cú mức hao phớ dầu thấp do trỏnh được phản ứng thuỷ phõn.
Trong cụng nghiệp điều chế than cốc phục vụ cho cụng nghiệp luyện kim, bentonite được sử dụng để tinh chế benzen thụ và cỏc bỏn sản phẩm khỏc.
Với tư cỏch là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, bentonite cũn được sử dụng rộng rói để sản xuất nhiờn liệu lỏng tổng hợp, sản xuất cỏc chất màu, sản xuất cỏc vitamin, ...
1.5.2. Bentonite dựng để chế tạo dung dịch khoan
Bentonite cú thể tạo ra cỏc dung dịch khoan với chất lượng cao và chi phớ nguyờn liệu thấp. Vỡ thế cựng với sự phỏt triển của ngành thăm dũ và khai thỏc dầu, lượng bentonite được sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng và ngày nay ở Mỹ nú chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonite của nước này.
1.5.3. Bentonite dựng làm chất độn, chất màu
Trong cụng nghiệp sản xuất cỏc vật liệu tổng hợp. Một lượng của bentonite dựng cho cụng nghiệp xà phũng, cụng nghiệp sản xuất vả sợi. Việc xử dụng bentonite trong vài thập kỷ gần đõy cũng đó làm thay đổi đỏng kể ngành cụng nghiệp giấy. Trước kia giấy thường chứa xấp sĩ 55% xenlulo và hàm lượng kaolin nguyờn chất cú trong giấy khụng thể vượt quỏ 45%. Nếu trộn thờm 10% bentonite Kiềm (cation trao đổi là kim loại kiềm, chủ yếu là Na+) vào kaolin cú thể nõng cao hàm lượng chất độn này lờn 60% với 20% bentonite đến 64% và nếu dựng 100% bentonite thỡ chất độn lờn tới 80%, nghĩa là giảm lượng xenlulo cần cú trong giấy giảm đi ba lần.
1.5.4. Bentonite dựng trong cụng nghiệp rượu, bia
Việc sử dụng bentonite hoạt hoỏ làm chất hấp phụ đó làm giảm 30% đến 40% chi phớ cụng nghiệp chế biến rượu vang và cỏc chế phẩm từ rượu vang. Bentonite cú khả năng hấp phụ khụng chỉ cỏc axớt hữu cơ, cỏc chất bộo, cỏc sản phẩm phụ khụng mong muốn trong quỏ trỡnh lờn men mà cũn cả cỏc ion sắt và đồng là những tỏc nhõn gõy ra bệnh hả rượu. Đặc biệt trong quỏ trỡnh xử lớ với chất hấp phụ là bentonite thỡ hương vị riờng của rượu khụng bị mất đi.
1.5.5. Bentonite dựng trong cụng nghệ tinh chế nước
Ở nhiều vựng chưa cú nhà mỏy nước trờn thế giới việc sử dụng bentonite để làm sạch cỏc nguồn nước mặt, như nước sụng ngũi, kờnh mương và cỏc nguồn giếng khoan cú ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bentonite đồng thời làm kết tủa cỏc vẩn đục, thay cho việc dựng phốn đắt hơn nhiều, mà nú cũn cú khả năng hấp phụ một loạt cỏc ion gõy độc và một lượng lớn cỏc vi khuẩn, chất hữu cơ cú trong nước. Bentonite là một chất trao đổi cú trong tự nhiờn, nú cú khả năng khử tớnh cứng của nước với giỏ thành tương đối rẻ. Khả năng lắng cạn lơ lửng trong nước, đồng thời với tỏc dụng trao đổi ion và hấp phụ chất hữu cơ, trong đú cú cỏc vi khuẩn gõy bệnh tạo ra giỏ trị đặc biệt của bentonite trong cụng nghệ xử lý nước.
1.5.6. Ứng dụng Bentonite trong ngành năng lượng nguyờn tử
Hiện nay cỏc nghiờn cứu về khả năng xử dụng Na – bentonite dạng nộn làm vật liệu lấp cỏc kho chứa chất thải phúng xạ. Những tớnh chất chớnh thớch hợp cho ứng dụng này là độ dẫn thủy lực của sột đó được nộn rất thấp (giữ cho chỡ từ cỏc thải phúng xạ khụng nhiễm vào nước ngầm) và năng xuất trao đổi cation ( để bắt tất cả cỏc nuclit phúng thoỏt ra từ cỏc chất thải phúng xạ).
1.5.7. Trong nanoclays
Tiềm năng giỏ trị gia tăng của montmorillonite (thành phần chớnh của bentonite) là nanoclay. Clays cấu tạo từ những phiến lỏ dày đặc cú kớch thước nanomet và chỳng cú thể biến đổi húa học làm cho clays tương hợp với cỏc nanomers hữu cơ và polyme. Cỏc phiến montmorillonite cú thể phõn tỏn hoàn toàn trong cấu trỳc của polyme. Nanoclay hữu cơ được xử dụng là chất gia cường trong vật liệu nanocompoxit. Chỉ với một lượng nhỏ nanoclay hữu cơ 3 -5 % đó làm tăng đỏng kể tớnh năng của vật liệu nanocompoxit như tăng độ bền kộo, khả năng chịu nhiệt chống chỏy, khả năng che chắn, bảo vệ chống ăn mũn, làm giảm tớnh thấm hay rũ rỉ khớ và khả năng bắt lửa.
1.5.8. Ứng dụng trong xử lý chất thải
Bentonite được xử dụng làm chất kết ngưng dể xỳc tiến quỏ trỡnh đụng quỏnh bựn thải nú là chất lọc cú hiệu quả đối với nước thải cú nhiều chất khụng tan, chất lơ lững và chất trụi nổi, cỏc kim loại nặng và cỏc độc tố khỏc. Bentonite đó được hoạt húa thường được dựng để lọc trong xử lý mụi trường với liều lượng từ 5 – 20 g/lit, hệ số lắng đạt 5m/h.
1.5.9. Một số ứng dụng khỏc của Bentonite
Cũng từ cỏc đặc tớnh của bentonite là tớnh trương nở mạnh, tớnh dẻo người ta cũn sử dụng bentonite trong cỏc cụng trỡnh thuỷ lợi như đờ điều, mương mỏng và những cụng trỡnh phũng thủ bằng đất. Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, bentonite được dựng làm tỏc nhõn liờn kết trong sản xuất đạn và làm khuụn đỳc. Đặc biệt bentonite cũn được dựng làm phụ gia trong thức ăn tiờu hoỏ cho động vật, với vai trũ tăng thời gian lưu trữ thức ăn trong cơ quan tiờu hoỏ giỳp tiờu hoỏ thức ăn và giỳp điều tiết axit. Bentonite cũn được sử dụng làm chất chống ẩm bằng cỏch sấy khụ và do đặc tớnh hỳt ẩm trở lại mà cú ứng dụng này (bentonite cú khả năng hấp phụ lượng nước gấp khoảng 10 lần khối lượng của chỳng).
Do những ứng dụng phong phỳ của bentonite mà trờn thế giới người ta cú