Sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu được nghiên cứu cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phân tích nhiệt (TGA) và phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM).
Đánh giá sét hữu cơ bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu được trình bày trên Hình 3.7.
Từ Hình 3.1 và Hình 3.7 cho thấy: Giá trị d001 trong bentonit-TQ (12,401Å) đã tăng thêm 14,092Å (trong sét hữu cơ là 26,493Å), góc 2θ dịch chuyển từ khoảng 7,2o
(trong bentonit-TQ) về khoảng 3,3o (trong sét hữu cơ). Như vậy bằng giản đồ XRD chứng tỏ đã có mặt của hợp chất hữu cơ giữa các lớp của bentonit-TQ làm cho khoảng cách cơ bản được tăng lên đáng kể.
1000 Set huu co toi uu
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1.3 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2-Theta - Scale
File: HuongTN Set huu co toi uu.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.200 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 4 s - 2-Theta: 1.200 ° - Theta: 0.600 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 00-007-0051 (D) - Montmorillonite - (Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si2O10(OH)2·nH2O - Y: 25.59 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 -
Hình 3.7. Giản đồ XRD của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu
Lin (C ps ) d= 26. d= 19. d= 13.
Figure:Experiment:HaoTN Bent TQ Crucible:PT 100 µl
Labsys TG 07/02/2019 Procedure: RT> 900C (10 C.min-1) (Zone 2)
Atmosphere:Air Mass (mg): 45.12 TG/%d TG/% /min 6 4 Peak :717.50 °C -1 2 Peak :126.48 °C 0 -2 -2 Mass variation: -3.43 % -4 Mass variation: -4.00 % -6 -3 -8 0 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C
Một số kết quả nghiên cứu đã công bố [20] cho thấy giá trị d001 và góc 2θ của bentonite Trung Quốc; Bangladesh và sét hữu cơ tạo thành khi biến tính bằng TTAB được trình bày trên Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Giá trị d001 và góc 2θ của bentonit-TQ; bentonite Bangladesh và sét hữu cơ biến tính bởi TTAB [20]
Giá trị Bentonit-TQ TQ - TTABBentonit BangladeshBentonite Bentonite Bangladesh-TTAB
d001 (Å) 12,401 26,493 12,2 12,9
Góc 2θ (o) 7,2 3,3 7,2 6,9
Với cùng tác nhân hữu cơ là TTAB, các nguồn bentonite ban đầu có giá trị d001 gần tương đương thì sét hữu cơ điều chế từ bentonit-TQ do tác giả tổng hợp có giá trị d001 và độ dịch chuyển góc 2θ lớn hơn hẳn so với sét hữu cơ điều chế từ bentonite Bangladesh. Như vậy, việc tổng hợp sét hữu cơ từ bentonit-TQ -TTAB thuận lợi hơn so với sét hữu cơ điều chế từ bentonite Bangladesh-TTAB.
Đánh giá sét hữu cơ bằng phương pháp phân tích nhiệt
Sét hữu cơ sau khi điều chế ở điều kiện tối ưu được phân tích nhiệt theo phương pháp 2 mục 2.3.2. Kết quả phân tích nhiệt của bentonit-TQ và sét hữu cơ được trình bày trên Hình 3.8, Hình 3.9 và Bảng 3.6.
Figure:Experiment:HuongTN SHC toi uu Crucible:Al2O3 100 µl
Labsys TG 26/05/2021 Procedure: RT> 900C (10C.min-1) (Zone 2)
Atmosphere:Air Mass (mg): 21.48 TG/%d TG/% /min 40 Peak :109.43 °C 30 Peak 1 :517.41 °C Peak 2 :646.98 °C -2 20 10 Peak :279.14 °C -4 0 Mass variation: -4.55 % -6 -10 Mass variation: -22.72 % -20 -8 -30 Mass variation: -12.89 % -40 -10 Mass variation: -10.47 % -50 0 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C
Hình 3.9. Giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ
Bảng 3.6. Kết quả phân tích nhiệt của bentonit-TQ và sét hữu cơ điều chế [6] Mẫu
khảo sát
Hiệu ứng mất khối lượng Tổng (%) mất khối
lượng Nhiệt độ (%) mất
khối lượng Quy kết cho quá trình Bentonit-
TQ
70 ÷ 140 3,43 Mất nước ẩm và nước hấp phụ
7,43
380 ÷ 780 4,00 Phân hủy OH liên kết với
cation vô cơ
Sét hữu cơ
70 ÷ 140 4,55 Mất nước hấp phụ và nước ẩm
50,63
200 ÷ 400 22,72 Phân hủy, cháy của hợp chất
hữu cơ hấp phụ 400 ÷ 580
580 ÷ 800
12,89 10,47
Phân hủy, cháy của cation hữu cơ trao đổi giữa các lớp sét và phân hủy OH liên kết với cation
vô cơ
Hình 3.8 cho thấy trên giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bentonit-TQ có hai hiệu ứng mất khối lượng chính. Hiệu ứng mất khối lượng thứ nhất xảy ra ở nhiệt độ 70 ÷ 140 oC, tương ứng với độ giảm khối lượng là 3,43% được quy cho quá trình mất
nước ẩm và nước hấp phụ trong bentonit-TQ . Hiệu ứng mất khối lượng thứ hai xảy ra ở nhiệt độ 380 ÷ 780 oC, tương ứng với độ giảm khối lượng là 4,00% được quy cho sự phân hủy nhóm -OH liên kết với cation vô cơ trong bentonit-TQ .
Hình 3.9 cho thấy trên giản đồ phân tích nhiệt của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu có bốn hiệu ứng mất khối lượng chính. Hiệu ứng mất khối lượng thứ nhất xảy ra ở nhiệt độ 70 ÷ 140 oC, tương ứng với độ giảm khối lượng là 4,55% được quy cho quá trình mất nước ẩm và nước hấp phụ trong sét hữu cơ. Hiệu ứng mất khối lượng thứ hai xảy ra ở nhiệt độ 200 ÷ 400 oC, tương ứng với độ giảm khối lượng là 22,72% được quy cho quá trình phân hủy, cháy của cation hữu cơ hấp phụ. Hiệu ứng mất khối lượng thứ ba xảy ra ở nhiệt độ 400 ÷ 580 oC, tương ứng với độ giảm khối lượng là 12,89% và hiệu ứng mất khối lượng thứ tư xảy ra ở nhiệt độ 580 ÷ 800 oC, tương ứng với độ giảm khối lượng là 10,47% đều được quy cho quá trình phân hủy, cháy của cation hữu cơ trao đổi giữa các lớp sét và sự phân hủy của nhóm -OH liên kết với cation vô cơ trong sét.
Kết quả phân tích nhiệt của bentonit-TQ và sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu cho thấy trong cùng điều kiện như nhau về: nhiệt độ, tốc độ nâng nhiệt, thiết bị phân tích nhiệt thì độ mất khối lượng của sét hữu cơ (50,63%) lớn hơn bentonit- TQ (7,43%). Như vậy hàm lượng (%) chất hữu cơ xâm nhập của sét hữu cơ điều chế ở các điều kiện tối ưu là khoảng 43,20%, kết quả này khá phù hợp với phương pháp nung mẫu trực tiếp.
Đánh giá bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Ảnh SEM của bentonit-TQ và sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu được trình bày trên Hình 3.10.
(a) (b)
Hình 3.10 cho thấy có sự khác nhau rõ rệt: sét hữu cơ điều chế đã có sự bóc tách lớp rõ hơn với bentonit-TQ, khẳng định đã có mặt chất hữu cơ tương tác và chèn vào giữa các lớp bentonit, làm tăng khoảng cách d001 giữa các lớp dẫn tới cấu trúc lớp và độ xốp cũng tăng theo. Cấu trúc này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân lớp hay tách lớp trong nền polime hoặc có thể ứng dụng hấp phụ hợp chất hữu cơ có kích thước lớn. Kết quả nghiên cứu điều kiện tổng hợp sét hữu cơ từ TTAB với một số nguồn bentonite được trình bày trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Điều kiện tổng hợp sét hữu cơ từ TTAB và một số nguồn bentonite
Giá trị Bentonite Ấn Độ Bentonite Ấn Độ - TTAB Bentonite Thanh Hóa Bentonite Thanh Hóa- TTAB Bentonite Trung Quốc Bentonite Trung Quốc- TTAB Nhiệt độ (oC) 50 50 40 Tỷ lệ bentonit/TTAB 0,4 0,5 0,5 pH huyền phù 9 9 9 Thời gian phản ứng (h) 4 4 4 d001 (Å) 12,181 39,962 - 37,967 12,401 26,493 Góc 2θ (o) 6-7 2,2 6-7,4 2,3 7,2 3,3 (%) hữu cơ xâm nhập 29,77 32,33 43,20
Từ kết quả Bảng 3.7 cho thấy điều kiện tối ưu lựa chọn để tổng hợp sét hữu cơ của tác giả giống các tác giả [2], [4] ở các điều kiện pH huyền phù, thời gian phản ứng, còn nhiệt độ phản ứng thì thấp hơn 10oC. Điều này có thể giải thích là do tác giả đã dùng dung dịch (ancol propylic : nước = 1:1) để hòa tan TTAB trước khi cho tổng hợp sét hữu cơ. Trong môi trường này khả năng hòa tan TTAB rất tốt. Mặt khác khi tổng hợp sét hữu cơ có thể sẽ có sự xâm nhập của ancol propylic vào trong cấu trúc của benonite dẫn đến (%) xâm nhập tăng mặc dù d001 có giá trị nhỏ hơn.