Bentonit là tên thông dụng của một loại khoáng sét thuộc họ alumino- phyllosilicat (aluminosilicat dạng lớp (lá)). Bentonit chứa chủ yếu một loại khoáng vật có tên khoa học là montmorillonit (MMT) và một ít tạp chất như hectorit, saponit, clorit, mica, canxi, manhetit, một số muối kiềm, và tạp chất hữu cơ [3].
Bentonit được hình thành do quá trình phong hóa các nham thạch qua một quá trình lâu dài trong điều kiện khí hậu nóng và ẩm ướt. MMT được tìm ra năm 1847, có tên như tên nơi phát hiện ra nó. Đó là Montmorillon thuộc tỉnh Vienne nước Pháp (vùng nam thung lũng sông Loir) [3].
Thành phần hóa học của một đơn vị cấu trúc montmorillonit (MMT) được biểu diễn bởi công thức hóa học:
(Na,Ca)0,33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.(H2O)n
Trong tự nhiên thường gặp 2 dạng bentonit: (i) natribentonit, dạng này được gọi là bentonit trương nở (khi tiếp xúc với nước thì thể tích khối vật liệu tăng lên đáng kể), (ii) canxi bentonit, loại này không có tính trương nở.
Như vậy, khi nói “vật liệu bentonit”, người ta có ngụ ý rằng, đó là khoáng MMT còn lẫn một ít tạp chất khác. Còn nói “montmorillonit” là muốn chỉ đích danh khoáng có công thức hóa học như trên và có cấu trúc mạng tinh thể xác định.
Cấu trúc mạng tinh thể của MMT được hình thành từ mạng tứ diện (tetrahedral) SiO4 2 chiều và mạng bát diện (octahedral) MeO6 2 chiều (hình 1.6).
20
Mạng tứ diện SiO4
Mạng bát diện MeO6(Me = Al, Mg) Hình 1.6. Sơ đồ mạng 2 chiều SiO4 và MeO6 [19]
21
Độ dày của lớp cấu trúc 3 mạng (2 tứ diện và 1 bát diện) là khoảng 1,0 nm, khoảng cách d001 (từ mặt đáy tứ diện lớp 2:1 này đến mặt tứ diện đấy của lớp 2:1 khác) khoảng 1,2 nm. Nghĩa là, khoảng cách (khoảng trống) giữa 2 lớp 2:1 là:
D = 1,2 – 1,0 = 0,2 nm
Montmorillonit còn được gọi là sét lớp diocta (chính xác là dioctahedral: bát diện đôi), nghĩa là cứ 3 vị trí tâm bát diện thì 2 vị trí được chiếm bởi các cation hóa trị +3 (chủ yếu là Al3+) còn một vị trí để trống.
Do sự thay thế đồng hình giữa các ion Al3+ cho Si4+ trong mạng tứ diện, và Mg2+ cho Al3+ trong mạng bát diện mà mạng cấu trúc của MMT mang điện tích âm. Các điện tích này được cân bằng (bù trừ) bởi các cation trao đổi ở trạng thái hydrat hóa nằm phân tán trong không gian giữa các lớp 2:1 (khoảng cách d). Theo tài liệu [130], tỉ lệ Al:Si trong mạng tứ diện xấp xỉ bằng 1:(15÷30), và tỉ số Mg:Al trong mạng bát diện bằng 1:(4÷5). Do đó, dung lượng trao đổi ion (CEC: Cation Exchange Capacity) của MMT khoảng 1,2 ÷ 0,7 mdl/g (tùy thuộc vào vùng mỏ bentonit khác nhau). Từ tỉ số Al:Si và Mg:Al có thể nhận thấy rằng, các điện tích âm của MMT tập trung chủ yếu ở mạng bát diện, nghĩa là nằm xa bề mặt ngoài của lớp cấu trúc so với điện tích âm xuất hiện ở mạng tứ diện, do đó lực liên kết của các cation hydrat hóa với khung mạng MMT không lớn, nên chúng tương đối linh động.
Một số ứng dụng của bentonit [4]:
- Dùng làm vật liệu hấp phụ, vật liệu trao đổi ion trong quá trình xử lý môi trường nước
- Sử dụng làm các chất mang, chất xúc tác trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ - Chất độn trong ngành sản xuất giấy, cao su, nhựa
- Làm khuân trong ngành đúc, luyện kim - Dùng làm vật liệu xây dựng
- Sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, …
- Dùng để chế tạo vật liệu chống sa lắng trong sơn, mực in, dầu mỡ , …
- Chế tạo vật liệu nano-compsit ứng dụng trong các lĩnh vực chống cháy, vật liệu xốp, bền cơ, bền hóa học, …
Theo tài liệu của các nhà địa chất, ở nước ta đã phát hiện được hơn 20 mỏ và điểm quặng sét bentonit. Các mỏ và điểm quặng có qui mô lớn đều tập trung ở phần
22
phía nam (Tp. Hồ Chí Minh, Bình Thuận, Lâm Đồng). Phần phía bắc sét bentonit với hàm lượng nhóm smectit thấp tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng bắc bộ và Thanh Hóa.
Bentonit ở Bình Thuận là loại bentonit kiềm hàm lượng montmorillonit từ 28,0 – 66,78%, trung bình 43,02%. Hệ số độ keo từ 0,2 – 0,22. Dung lượng trao đổi cation 15,62 – 19,67 mgđl/100g. Khả năng trao đổi có thể là các cation kiềm (Na+ và K+). Bentonit Tuy Phong – Bình Thuận có cỡ hạt loại dưới 0,01 mm dao động từ 30,5 – 70,3%; cỡ hạt dưới 0,06 – 0,01 mm dao động từ 29,7 – 69,5%. [4]
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của sét bentonit Tuy Phong – Bình Thuận [4]
Thứ tự Thành phần Hàm lượng (%)
Bình Thuận Varusev (Nga) Wyoming (Mỹ)
1 SiO2 65,5 – 76,5 63,50 58,20 2 Al2O3 6,71 – 11,81 16,30 16,70 3 Fe2O3 1,44 – 2,27 3,00 3,00 4 FeO 0,21 – 0,75 2,10 Ít 5 MgO 1,05 – 2,13 1,55 1,85 6 CaO 3,29 – 8,32 2,10 1,25 7 K2O 0,62 – 1,92 0,20 0,5 8 Na2O 1,35 – 2,4 1,40 2,85 9 MKN 10 – 11,30 5,57 10,5
Đối chiếu với thành phần hóa học bentonit kiềm Bình Thuận với các mỏ bentonit Wyoming (Mỹ), Varusev (Nga), … qua đó thấy chúng có thành phần tương tự.
Bentonit hoạt hóa bằng axit là loại vật liệu lấy từ nguồn bentonit tự nhiên, được xử lý theo một quy trình tương đối đơn giản, nhưng là một vật liệu hấp phụ khá hiệu quả nhiều cation kim loại nặng trong hệ dung dịch nước và nước thải.