1.7. TÍNH CHẤT CỦA BENTONIT
1.7.2.2. Tính chất trương nở
Trương nở là một trong những tính chất đặc trưng của khoáng sét. Khi tiếp xúc với nước hoặc mơi trường khơng khí ẩm sét bị trương nở, thể tích có thể tăng lên 15 – 20 lần so với thể tích khơ ban đầu, bảng 4. Trong q trình trương nở, nước xâm nhập vào và bị giữ lại trong khoảng không gian giữa các phiến sét. Lượng nước hấp phụ này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hidrat hóa của các cation. Kích thước, hình dạng của các cation giữa các lớp cũng ảnh hưởng đến khả năng hidrat hóa và trương nở sét. Các cation có bán kính hidrat hóa lớn sẽ làm cho khoảng cách giữa hai phiến sét rộng ra, tạo điều kiện cho sự trương nở sét. Bên cạnh đó, sự liên kết của các cation kim loại và điện tích trên bề mặt phiến sét cũng ảnh hưởng đến sự trương nở.
Tính chất và mức độ liên kết của nước trong các lớp trung gian của khoáng phụ thuộc vào loại cation trao đổi có mặt trong lớp trung gian hơn là phụ thuộc vào bề mặt silicat của khống [35,57].
Bảng 4. Mức độ hidrat hóa của một số cation kim loại [22] Cation Đường kính ion (A0) Đường kính hidrat hóa (A0) Cation Đường kính ion (A0) Đường kính hidrat hóa (A0) Li(I) 1, 56 14, 6 Mg(II) 1, 30 21, 6 Na(I) 1, 9 11, 2 Ca(II) 1, 98 19, 2 K(I) 2, 66 7, 6 Al(III) 1, 00 18, 0 NH4(I) 2, 86 5, 0 - - -
Các loại cation trao đổi và xu hướng tạo thành hidrat của nó tác dụng mạnh đến sự sắp xếp của các phân tử nước dẫn đến việc hình thành một lớp nước mỏng. Khi Na(I) là cation nằm ở lớp trung gian, một, hai hoặc ba lớp phân tử nước có thể được tạo thành trong lớp trung gian, và ở độ ẩm cao nhất, cấu trúc dạng lớp 2:1 của khống sét có thể bị phân tách. Do đó, phụ thuộc vào số lớp nước trong lớp trung gian, MONT có khoảng cách giữa các lớp chính khác nhau. Theo Tennakoon D.T. và các cộng sự [57], các giá trị này được xác định là 1,34, 2,58 và 1,92 nm tương ứng với 1, 2 và 3 lớp nước. Fukushima Y. [35] sử dụng nhiễu xạ tia X để nghiên cứu mối quan hệ giữa giá trị của khoảng cách của các lớp chính với thể tích nước trong dung dịch Na-MONT dạng sữa. Thể tích nước có thể được xác định từ tỉ lệ khối lượng giữa nước và MONT (C). Khi C<1, khoảng cách này tăng từ từ với sự tăng lên của thể tích nước: 0,95 – 1,24 – 1,54 – 1,90 nm. Khi C > 1, khoảng cách này tăng đột ngột từ 4,1 lên tới 16,0 nm khi thể tích nước tăng lên. Trong trường hợp này, sự sắp xếp các lớp của MONT trong dung dịch thể sữa ở dạng bất quy tắc và cuối cùng Na-MONT bị phân ly thành Na(I) và MONT (mang điện tích âm). Khi CaCl2 hay HCl hòa tan vào dung dịch thể sữa, MONT hấp phụ Ca(II), H(I) và tinh thể MONT có khoảng cách giữa các lớp là 1,9 nm được tạo thành trong nước. Nếu cation ở lớp trung gian là Ca2+, sự
các lớp của khoáng sét khi đó là 0,92-0,96 nm hoặc 1,55 nm [33]. Gần đây Ormerod E.C. và Newman A.C.D [49] đã xác định được lượng nước hấp phụ trong Ca-MONT và kết luận rằng lớp trung gian và lớp bề mặt ngồi của khống sét có cấu trúc nước hấp phụ rất khác nhau. Các tác giả cũng chỉ ra khoảng cách giữa các lớp cũng phụ thuộc vào độ ẩm. Ba lớp hidrat liên kết chặt với Ca-MONT khi độ ẩm tương đối của hơi nước khoảng 0,93 đến 1; trong khi đó nếu độ ẩm nằm trong khoảng 0,35 đến 0,93 chỉ có 2 lớp nước xuất hiện bao gồm 12 đến 16 phân tử nước ứng với 1 cation Ca(II). Nghiên cứu cũng cho thấy gần một nửa trong số đó khơng có liên kết kiểu liên kết phối trí với Ca-MONT.
Jouany C. và Chassin P. [41] đã chỉ ra rằng khi các cation trong lớp trung gian bị thay thế theo tỉ lệ tương ứng bởi các cation hữu cơ thì khoảng cách giữa các lớp và năng lượng bề mặt của một số phức MONT – ankyl nhôm khác nhau. Với các cation ankyl nhôm mạch dài (mạch cacbon lớn hơn 10), bề mặt hoạt động nhỏ hơn so với các ankyl nhôm mạch ngắn.
Phức MONT – cation hữu cơ có thể bị trương nở bởi dung mơi hữu cơ. Hiện tượng này xảy đối ra với cả các phân tử không phân cực, như các hydrocacbon khơng phân cực. Q trình trương nở của các khống sét ưa hữu cơ trong dung mơi hữu cơ chưa được giải thích hồn tồn đầy đủ. Theo Jones T.R. [39], cơ chế của quá trình trương nở phụ thuộc chủ yếu vào cân bằng giữa lực Van der Waals và lực tĩnh điện.