1.6. Tổng quan về Hydrotalcite
1.6.6. Phương pháp tổng hợp hydrotalcite
HT có nhiều ứng dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực nên có nhiều công trình nghiên cứu điều chế HT. HT có thể điều chế trực tiếp từ dung dịch muối kim loại, oxit của kim loại hay điều chế từ những khoáng tự nhiên bằng cách trao đổi ion hay nung rồi hydrat hóa trở lại với một anion khác để sắp xếp lại cấu trúc. Dưới đây là một số phương pháp thường dùng để điều chế HT:
Phương pháp đồng kêt tủa (phương pháp muối bazơ)
HT đầu tiên được tổng hợp bằng phản ứng của hỗn hợp dung dịch muối với một dung dịch hydroxit của kim loại kiềm (Feitkneeht và Gerber 1942). Phương pháp này tiêu biểu cho một trong những phương pháp tổng hợp được dùng nhiều nhất để điều chế HT bao gồm sự kết tủa đồng thời của các hydroxit, của hai hay nhiều cation. Phương pháp vàonày được gọi là phương pháp “đồng kết tủa” có nghĩa là phải có tối thiểu hai hydroxit kim loại kết tủa đồng thời.
Để đảm bảo kết tủa đồng thời của hai hay nhiều cation cần phải tiến hành tổng hợp ở điều kiện quá bão hòa. Nói chung quá bão hòa được thực hiện bằng cách kiểm soát pH dung dịch. Hai phương pháp đồng kết tủa thường được sử dụng là: kết tủa ở điều kiện bão hòa thấp và kết túa ở điều kiện bão hoà cao. Đồng kết tủa ở bão hòa thấp được thực hiện bằng cách thêm từ từ hỗn hợp dung dịch muối kim loại với các tỉ lệ đã chọn vào bình phản ứng, sau đó thêm đồng thời từ từ dung dịch kiềm vào bình phản ứng, dung trì pH như mong muốn để kết tủa đồng thời hai muối kim loại. Đối lập với phương pháp này là phương pháp đồng kết tủa ở pH cao bằng cách thêm hỗn hợp dung dịch muối vào dung dịch kiềm. Đồng kết tủa ở điều kiện bão hòa cao thường cho tinh thể vật liệu kém hơn so với phương pháp bão hòa thấp bởi vì hình thành số lượng lớn mầm tinh thể.
Tiếp theo quá trình kết tủa là quá trình già hóa có ý nghĩa rất quan trọng làm tăng hiệu suất và độ tinh thể của sản phẩm. Thời gian già hóa để cho HT có cấu trúc ổn định trong khoảng 4 – 12 giờ, có khi vài ngày.
Cấu trúc và tính chất lý hóa của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất và nồng độ của các chất phản ứng, pH kết tủa, nhiệt độ và thời gian già hóa.
Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion đặc biệt có ích khi phương pháp đồng kết tủa không thực hiện được, ví dụ như cation kim loại hoặc anion không bền trong dung dịch kiềm. Trao đổi ion phụ thuộc chính vào tương tác tĩnh điện giữa lớp chủ tích điện dương vào anion trao đổi.
Quan sát một hệ gồm HT chứa iob trao đổi Am- và dung dịch Bn- là ion cần trao đổi với Am-. Phương pháp trao đổi ion có thể tiến hành bằng một trong hai cách sau:
HT (Am-) + Bn- → HT (Bn-)m/n + Am- (cách 1) hoặc
HT (Am-) + Bn- + mH+ → HT (Bn-)m/n + HmA (cách 2) Trong cỏch 1, anion ban đầu trong HT là anion húa trị I như Cl-á NO3-
, … nó có tương tác tĩnh điện yếu với lớp chủ. Trong cách 2, anion HT ban đầu là các anion dễ bị axit tấn công như CO32-
, cacboxylat, …
Một số yếu tố quyết định đến khả năng trao đổi:
Ái lực đối với anion trao đổi
Môi trường trao đổi
Giá trị pH
Thành phần hóa học lớp brucite Phương pháp thủy nhiệt
Khi cần đưa các anion có ái lực thấp hơn vào lớp xen, thì phản ứng trao đổi anion dùng HT như tiền chất hoặc phương pháp đồng kết tủa dùng các muối kim
loại hòa tan như clorua và nitrat là không thích hợp. Phương pháp thủy luyện là hiệu quả trong những trường hợp như vậy bởi các hydroxit không tan, ví dụ như Mg(OH)2, Al(OH)3 có thể sử dụng như các chất nguồn vô cơ, đảm bảo các anion mong muốn chiếm được khoảng không lớp xen giữa vì không có anion cạnh tranh nào khác có mặt (trừ hydroxit mà hydroxit có ái lực rất thấp). Phương pháp thủy nhiệt cũng được sử dụng để kiểm soát kích thước hạt và sự phân bố của nó, khi các muối tan của nhôm và magiê được sử dụng với dung dịch kiềm để điều chế HT.