- Xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo MMT từ nguồn khoáng bentonite
5. Công nghệ sản xuất các sản phẩm bentonite
5.1. Cơng nghệ chế tạo montmorillonite có hàm l−ợng cao từ nguồn khoáng bentonite.
Cỏc sản phẩm cú chung tờn gọi bentonit bao gồm nhiều loại khỏc nhau. Tựy thuộc vào mục đớch sử dụng cỏc sản phẩm này, người ta ỏp dụng cỏc phương phỏp chế biến khỏc nhau để :
- Loại bỏ cỏc tạp chất khoỏng khụng thuộc nhúm montmorillonit,
- Thay thế cỏc ion trao đổi giữa cỏc lớp: như thay đổi Ca+2, Mg+2 bằng Na+ (hoạt húa kiềm)
- Thay thế cỏc ion trao đổi (Ca+2, Mg+2, Na+) và một phần cỏc cation trong mạng (Al+3, Fe+3) bằng H+ (hoạt húa axit)
Bentonit thương phẩm cú hàm lượng montmorillonit tối thiểu 70%, hàm lượng cỏc khoỏng vật phi sột nhỏ (thường <10%).
Quỏ trỡnh xử lý để thu được bentonit thương phẩm tương đối đơn
giản, bao gồm cỏc bước sau: khai thỏc, sấy, đập nghiền và chế hoỏ.
Sau khi khai thỏc (bằng phương phỏp lộ thiờn hoặc hầm lũ) bentonit nguyờn khai cú độ ẩm 30-40% được đập đến kớch thước thớch hợp rồi đem
sấy trong cỏc lũ quay để giảm độ ẩm tới 5-15% và đưa vào thiết bị tuyển để tỏch đất đỏ và cỏc tạp chất phi sột. Sản phẩm sau sấy và tỏch đất đỏ được đưa
đến thiết bị nghiền mịn để đạt cấp hạt 90% lọt sàng 200 mesh, kiểm tra bằng
phõn cấp khớ rồi đem sấy tiếp bằng khớ núng.
Bentonit kiềm Wyoming (Mỹ) cú chất lượng tốt để cú thể sử dụng
trực tiếp trong một số lĩnh vực nhất định mà khụng cần qua cỏc giai đoạn
làm giàu hoặc xử lý hoỏ học.
Trường hợp bentonit nguyờn khai cú hàm lượng MMT thấp, ngưũi ta thực hiện quỏ trỡnh xử lý cơ học kể trờn rồi đưa vào cỏc quỏ trỡnh tuyển trọng lực và xử lý hoỏ học. Để chuyển Ca- bentonit thành Na-bentonit người ta
thực hiện kiềm húa. Một số quỏ trỡnh lý húa thường được sử dụng để nõng
cao chất lượng bentonit là:
- Sử dụng phương phỏp lặng gạn nhiều bậc (sử dụng và khụng sử dụng chất trợ lắng)
- Sử dụng thiết bị tuyển thuỷ xiclon
- Xử lý bằng hoỏ học để chuyển hoỏ ion trao đổi (Ca →Na) bentonit - Cú thể kết hợp xử lý bằng cỏc giải phỏp nờu trờn (kết hợp xử lý cơ, hoỏ học, nhiệt khỏc nhau).
Để tinh chế bentonite thu sản phẩm MMT các ph−ơng pháp h− sau đây đã đ−ợc sử dụng: ph−ơng pháp tuyển khô, ph−ơng pháp −ớt, ph−ơng pháp tuyển bàn đãi, ph−ơng pháp tuyển thuỷ xyclone, ph−ơng pháp ly tâm, ph−ơng pháp siêu âm, ph−ơng pháp hoá học, ph−ơng pháp tuyển từ, ph−ơng pháp tổng hợp
5.2. Cơng nghệ hoạt hố bentonite kiềm thổ để chuyển về dạng bentonite kiềm
5.3. Công nghệ điều chế nanoclay hữu cơ
Cỏc sột hữu cơ thường được điều chế trong dung dịch bằng phản ứng
trao đổi cation hoặc bằng phản ứng trạng thỏi rắn.
Cú ba phương phỏp được sử dụng để điều chế sột hữu cơ trong dung
mụi nước là phương phỏp khuyếch tỏn, phương phỏp lũ vi súng và phương phỏp thủy nhiệt.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng trong quỏ trỡnh điều chế sột hữu cơ bằng phương phỏp khuếch tỏn trong dung dịch nước: Sự cú mặt phõn tử hữu cơ sau khi bị hấp phụ đó làm thay đổi khoảng cỏch cơ bản d001 giữa hai lớp sột. Khoảng
cỏch này phụ thuộc vào thành phần dung dịch, nồng độ tỏc nhõn hữu cơ,
lượng chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ... Nghiờn cứu cỏc yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm sột hữu cơ, trước hết khảo sỏt cỏc yếu tố như nồng độ huyền
phự bentonite, thời gian khuấy trộn, nhiệt độ phản ứng, pH dung dịch… 5.4. Công nghệ điều chế nanocomposit trên cơ sở polyme - silicat cấu trúc lớp: Cụng nghệ chế tạo vật liệu clay nanocomposit khỏc với cụng nghệ chế tạo vật liệu composit thụng thường ở chỗ nú chế tạo được vật liệu composit
cú chất gia cường phõn tỏn đều với kớch thước dưới 1àm đến cỡ nanomet
trong polyme. Với chất gia cường kớch thước nano phõn tỏn đều trong polyme, vật liệu nanocomposit cú nhiều đặc tớnh mà vật liệu composit thụng thường khụng cú như: tăng khả năng chống thẩm thấu khớ, độ bền nhiệt, độ bền cơ học , chống ăn mũn và khụng tỏch pha ... Tương tỏc của tỏc nhõn hữu cơ húa với polyme nền càng cao thỡ tớnh chất của vật liệu càng được cải thiện.
Công nghệ chế tạo vật liệu clay nanocomposit từ khoáng sét và polyme gồm những cơng đoạn sau:
- Lựa chọn vật liệu khống sét chứa MMT hoặc tinh chế khoáng sét để thu nhận MMT đáp ứng tiêu chuẩn làm vật liệu đầu (thông dụng hiện nay ng−ời ta sử dụng MMT natri có dung l−ợng trao đổi cation > 50 mlgđl/100g, có độ tr−ơng nở lớn).
- Biến tính hữu cơ hố khống sét (nanoclay hữu cơ)
- Cho nanoclay hữu cơ khuyếch tán trong polyme bằng các ph−ơng pháp: ph−ơng pháp dung dịch, ph−ơng pháp trộn hợp, ph−ơng pháp trùng hợp
- Tạo nanocomposit trạng thái xen lớp (intercalanted state) - Tạo nanocomposit trạng thái tách lớp (exfoliated state)
5.5. Các ph−ơng pháp đánh giá
Để khảo sát cấu trúc, tính chất của nguyên liệu bentonite cũng nh− các sản phẩm trung gian điều chế đ−ợc nh− montmorillonite, sét hữu cơ, chúng tôi đã sử dụng các ph−ơng pháp như nhiễu xạ tia X, phõn tớch nhiệt, kớnh hiển vi điện tử quột SEM, phổ hồng ngoại.
phần II. nguyên liệu, hoá chất, thiết bị và Kỹ thuật thực nghiệm
2.1. Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị 2.1.1. Nguyên liệu 2.1.1. Nguyên liệu
Nguyên liệu để điều chế MMT từ nguồn khoáng bentonite là:
- Quặng bentonite kiềm Bình Thuận đ−ợc cung cấp bởi cơng ty trách nhiệm hữu hạn Minh Hà - Bình Thuận.
- Quặng bentonite kiềm thổ Tam Bố - Di Linh - Lâm Đồng do doanh nghiệp Hiệp Phú cung cấp. Quặng đ−ợc doanh nghiệp xử lý thô nhằm phục vụ nhu cầu nội địa.
Nguyên liệu để điều chế nanoclay hữu cơ:
- Bentonit Bỡnh Thuận (Việt Nam) đó qua tinh chế, làm giàu và hoạt húa bằng axit tại Viện Cụng nghệ Xạ - Hiếm, Viện Năng lượng Nguyờn tử Việt Nam, gồm 2 loại cú hàm lượng MMT ≥90% và ≥70%, với dung lượng hấp trao đổi cation tương ứng là ≥90 và ≥80 mđlg/100g sột.
Cỏc tỏc nhõn hữu cơ là cỏc muối amoni
1. Cetyltrimetyl amoni clorua (kớ hiệu là CTAB) là thương phẩm của hóng Merk (CHLB Đức), cú cụng thức C19H42NBr, là cỏc tinh thể màu trắng, cú khối lượng phõn tử 364,46 g/mol.
2. N,N-đimetyl hexadexyl amin là thương phẩm của hóng Merck (CHLB
Đức), cú cụng thức phõn tử C18H39N, khối lượng phõn tử 269.52 g/mol, nhiệt độ sụi 950C.
3. Octadecyl amin là thương phẩm của Merk (CHLB Đức) cú cụng thức C18H39N, khối lượng phõn tử 269,52 g/mol.
4. Dodecylamin là thương phẩm của hóng Merck (CHLB Đức), cú cụng thức C12H27N khối lượng phõn tử 185,36 g/mol, d = 0,8 g/ml.
Đã sử dụng ph−ơng pháp tuyển thuỷ xyclon triết thiết bị tuyển MozleyC155 sau đấy tiếp tục xử lý sản phẩm tuyển bằng tác nhân HCL để thu sản phẩm MMT
2.3. Điều chế nanoclay hữu cơ (sột hữu cơ)
Quỏ trỡnh điều chế sột hữu cơ cú thể được tiến hành theo cỏc phương phỏp ướt hoặc khụ. Chỳng tụi đã chọn phương phỏp ướt dựa vào quỏ trỡnh
trao đổi cation amoni hữu cơ với cỏc cation cú trong lớp sột và trờn bề mặt sột trong dung dịch nước trong điều kiện thường hoặc điều kiện thủy nhiệt và đã tiến hành điều chế sột hữu cơ ở điều kiện thường và ở điều kiện thủy
nhiệt.
phần III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
3.1. Nghiên cứu thành phần, cấu trúc và một số đặc điểm của bentonite Bình Thuận và bentonite Di Linh Bình Thuận và bentonite Di Linh
Kết quả phân tích thành hố học của bentonite Nha Mé - Bình Thuận đ−ợc chỉ ra ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thành phần hoá học của sét bentonite Tuy Phong - Bình Thuận
Hàm l−ợng (%) Thứ tự Thành phần Bentonite Bình Thuận Varusev (Nga) Bentonite Wyoming (Mỹ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO CaO K2O Na2O MKN 60,15 13,34 2,85 0,67 2,13 6,32 0,62 2,12 9,80 63,50 16,30 3,00 2,10 1,55 2,10 0,20 1,40 5,57 58,20 16,70 3,00 ít 1,85 1,25 0,5 2,85 10,5
Từ bảng 3.1 cho thấy sự có mặt của hầu hết các nguyên tố căn bản cấu thành bentonite. Tỷ lệ Al2O3 : SiO2 của bentonite Bình Thuận khoảng 1: 4,5. Đó là tỷ lệ t−ơng đối cao so với các loại bentonite khác (có tỷ lệ 1 : 2-4). Điều này chứng tỏ trong bentonite Bình Thuận chứa một l−ợng cát khá lớn. Đối chiếu thành phần hố học của bentonite kiềm Bình Thuận với mỏ
t−ơng tự, tuy vậy hàm l−ợng hàm l−ợng ôxit nhôm trong bentonite Bình Thuận và thấp hơn so với bentonite Wyoming, trong lúc đó hàm l−ợng oxit silic và ơxit canxi cao hơn đáng kể, cịn hàm l−ợng kim loại kiềm đều ở mức cao và không khác nhau nhiều.
Kết quả nghiên cứu về thành phần khống vật của 10 mẫu đ−ợc trình bày trong bảng 3.2
Bảng 3.2. Thành phần khống vật (% trọng l−ợng) của mẫu Bình Thuận
Kí hiệu mẫu
Cao lanh
Hyđromica Clorit Mont Thạch
anh,
Fenspat Gơtit, Canxit
BT1 5-7 8-10 5-7 14-16 21-23 15-17 ít 10 BT2 5-7 10 5-7 12-14 25-27 16-18 ít 15 BT3 10 10-12 5-7 12-14 30-32 15-17 ít 12 BT4 6-8 10 5-7 14-16 28-30 16-18 ít 13 BT5 5 10 5-7 13-15 28-30 15-17 ít 15 BT6 6-8 8-10 6-8 13-15 28-30 16-18 ít 11 BT7 5 10 6-8 17-19 19-21 20-22 ít 13 BT8 5-7 8-10 5-7 13-15 26-28 15-17 ít 12 BT9 5-7 8-10 6-8 12-14 29-31 15-17 ít 10 BT10 8-10 8-10 5-7 15-17 30-32 16-18 ít 11 Wyo ming 5-7 ít ít 68-70 5-6 ít ít
Kết quả xác định dung l−ợng trao đổi cation của bentonite Nha Mé - Bình Thuận đ−ợc chỉ ra ở bảng 3.5
Bảng 3.5. Dung l−ợng trao đổi cation và một số tính chất khác
của bentonite Nha Mé - Bình Thuận
pH 2 5 7 9 10 11 12 13
Dung l−ợng trao đổi cation tổng, mgđlg/100g