Quá trình tổng hợp sét hữu cơ được dựa trên cơ chế của các phản ứng mà khoáng sét có thể có với các hợp chất hữu cơ. Phản ứng thay thế xảy ra khi các phân tử nước giữa các lớp sét được thay thế bởi các phân tử phân cực. Các hợp chất hữu cơ trung hoà có thể hình thành phức với các cation giữa các lớp sét.
Trong trường hợp bentonit hấp phụ các hợp chất hữu cơ trung hoà có thể hình thành nhiều loại tương tác hoá học như: liên kết hiđro, tương tác momen lưỡng cực, liên kết phối trí, lực Van-đec-van,... Các cation giữa các lớp sét có thể trao đổi với nhiều loại cation hữu cơ khác nhau. Sét hữu cơ thường được điều chế trong dung dịch bởi phản ứng trao đổi cation hoặc phản ứng ở trạng thái rắn.
Để điều chế sét hữu cơ, người ta thường dùng hai phương pháp chủ yếu sau:
Phương pháp kh : Trong phương pháp này, các phân tử hữu cơ thâm nhập vào trong các khoáng sét khô bằng phản ứng pha rắn mà không cần dùng dung môi [21].
Sự vắng mặt của các dung môi trong quá trình điều chế làm cho quá trình điều chế phù hợp hơn với việc công nghiệp hóa. Sự thâm nhập của các hợp chất trung tính vào MMT và vermeculit khô là một ví dụ về việc không cần phải có dung môi để vận chuyển (tạo môi trường khuếch tán) các phân tử hữu cơ vào giữa các lớp sét. Các cation có thể duy trì sự tiếp xúc với một lớp sét, nghĩa là các nguyên tử oxi của bề mặt silicat chiếm cứ các vị trí phối trí của các cation [9].
Phương pháp ướt: Với phương pháp này người ta dựa vào quá trình trao đổi cation giữa các cation bù trừ điện tích lớp của khoáng sét với các cation alkylamoni bậc 4 trong dung dịch nước và đã được sử dụng trong vài chục năm nay để điều chế sét hữu cơ.
Trong một số trường hợp, các loại hợp chất hữu cơ khác cũng đã được sử dụng [4], [14].
Một số phương pháp điều chế sét hữu cơ dựa trên cơ chế trao đổi cation, là phương pháp khuếch tán trong môi trường nước và phương pháp lò vi sóng.
Phương pháp lò vi sóng
Ưu điểm của phương pháp là thời gian phản ứng ngắn hơn, hiệu suất phản ứng cao hơn so với phương pháp khuếch tán bình thường do tập trung năng lượng trong quá trình điều chế sét hữu cơ. Tuy nhiên do chi phí lớn về thiết bị, năng lượng và hạn chế về công suất nên phương pháp lò vi sóng chưa được ứng dụng rộng rãi.
Các đặc tính của sét hữu cơ được điều chế bằng lò vi sóng và theo phương pháp thông thường trong dung dịch đã được so sánh chi tiết. Kết quả cho thấy, mức độ thâm nhập của cation hữu cơ vào sét nhiều hơn so với phương pháp thông thường [9], [14].
Phương pháp khu ch tán trong m i trường nước
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới.
Trong đ tài này, chúng t i lựa chọn sử dụng phương pháp khu ch tán trong dung dịch để nghiên cứu quá trình đi u ch s t h u cơ [9], [14].
Các y u tố ảnh hưởng đ n quá trình đi u ch s t h u cơ ng phương pháp khu ch tán trong dung dịch nước.
Phương pháp khuếch tán trong dung dịch nước là phương pháp có thể áp dụng đối với các chất hữu cơ hóa dạng ion hoặc không phải ion. Phương pháp này cũng đã được nghiên cứu đối với các photphoni hữu cơ, tuy nhiên, nó được áp dụng chủ yếu đối với các tác nhân hữu cơ hóa là các muối amoni hữu cơ. Cơ chế phản ứng hữu cơ hóa sét MMT bằng các muối amoni và photphoni hữu cơ đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Sự có mặt phân tử hữu cơ sau khi bị hấp phụ đã làm thay đổi khoảng cách cơ bản d001 giữa hai lớp sét. Khoảng cách này phụ thuộc vào thành phần dung dịch, cấu tạo phân tử và nồng độ tác nhân hữu cơ, lượng chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ,...
Chất lượng sản phẩm được đánh giá thông qua các phương pháp như nhiễu xạ tia X, phân tích nhiệt, hiển vi điện tử quét SEM, phổ hồng ngoại [11].
- Ảnh hưởng của cấu hình phân tử h u cơ.
Nếu chất hữu cơ là amin mạch thẳng có số nguyên tử cacbon nC < 13 thì d001 là 13,6Å. Còn 13 < nC < 18 thì d001 là 17,6Å. Đồng thời cation hữu cơ có kích thước càng lớn và cấu trúc cồng kềnh thì càng khó bị khử hấp phụ ra khỏi bề mặt bentonit.
Vì vậy sét hữu cơ tạo thành trên cơ sở muối amoni và photphoni hữu cơ bậc 4 (nhất là cation amoni và photphoni hữu cơ bậc 4 có 14 nC 18) rất bền vững dưới tác dụng của dung môi và nhiệt.
- Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Bản chất của tương tác giữa phân tử hữu cơ với bentonit là sự khuếch tán các cation hữu cơ vào giữa hai lớp sét nên thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến chất
lượng sét hữu cơ. Khi thời gian phản ứng tăng, sự khuếch tán và hấp phụ của cation hữu cơ vào bentonit tăng lên và sau đó đạt giá trị bão hòa.
- Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân h u cơ
Lượng cation hữu cơ dùng để trao đổi có thể lớn hơn dung lượng trao đổi cation của sét. Với hợp chất muối amoni hữu cơ có ba nhóm metyl và một nhóm hiđrocacbon mạch dài thì sét có thể hấp phụ một lượng cation trao đổi bằng 2,5 lần dung lượng trao đổi cation của sét. Khi đó lượng cation hữu cơ dư bị hấp phụ vật lý bởi lực Van-đec-van trên các cation hữu cơ đã bị hấp phụ từ trước. Các cation hữu cơ bị giữ trên bề mặt phiến sét nhờ liên kết giữa hiđro của cation hữu cơ với oxi đỉnh trên tứ diện SiO4 của phiến sét. Với mạch hiđrocacbon có số nguyên tử C nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì lượng muối amoni hữu cơ bị hấp phụ tương đương với dung lượng trao đổi cation của sét. Còn khi số nguyên tử C lớn hơn 8 thì lượng muối amoni hữu cơ bị hấp phụ có thể s lớn hơn dung lượng trao đổi cation của sét. Khi đó các cation hữu cơ bị hấp phụ s sắp xếp thành hai lớp [11].
- Ảnh hưởng của nhi t độ phản ứng
Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng trao đổi tăng lên do đó sự hấp phụ và trao đổi của cation hữu cơ trên bề mặt bentonit cũng tăng theo nhiệt độ, ở nhiệt độ thấp phản ứng diễn ra khó vì ở nhiệt độ này các hợp chất amoni ở trạng thái đông đặc.
Ở vùng nhiệt độ cao huyền phù bentonit có hiện tượng đặc lên (tăng độ nhớt) do hiệu ứng keo tụ của các muối amoni hữu cơ bị thủy phân.
- Ảnh hưởng của đi u ki n rửa
Khi nghiên cứu sự hấp phụ và khử hấp phụ hàng loạt muối amoni hữu cơ như cetylpiriđyl bromua, cetyltrimetyl bromua, đođecylpiriđyl bromua trên bentonit, các tác giả công trình đã tìm thấy quy luật:
- Lượng cation amoni hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt không bị giới hạn bởi dung lượng trao đổi ion của bentonit.
- Ái lực hấp phụ của bentonit với muối amoni tăng tỉ lệ với kích thước của cation hữu cơ do sự tăng lực Van-đec-van giữa bề mặt sét và cation amoni.
- Đồng thời theo thời gian, cation hữu cơ có kích thước càng lớn và cấu trúc cồng kềnh thì càng khó bị khử hấp phụ ra khỏi bề mặt bentonit. Vì vậy sét hữu cơ tạo thành trên cơ sở muối amoni hữu cơ bậc 4 có 14 < nC < 18 rất bền vững dưới tác dụng của dung môi và nhiệt.
- Ảnh hưởng của nhi t độ sấy, nung
Khi làm khô mẫu sét hữu cơ trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150oC, khoảng cách cơ bản d001 tăng, sau đó giảm dần khi tăng nhiệt độ. Tại nhiệt độ sấy khô lớn hơn 200oC, khoảng cách giữa các lớp cấu trúc giảm mạnh vì sự phân hu của chất hữu cơ. Giá trị này tiếp tục giảm khi tăng nhiệt độ tới 425oC. Điều đó có thể được giải thích do có liên quan tới sự phân bố dị thể của cation hữu cơ vào giữa các lớp aluminosilicat. Việc tăng khoảng trống trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 100oC liên quan tới sự nóng chảy chất hoạt động bề mặt, tạo ra môi trường giống như chất lỏng ở giữa các lớp. Từ 100 đến 150oC do sự giãn nở nhiệt của chất hoạt động bề mặt dẫn tới việc tăng khoảng trống.
- Ảnh hưởng của pH dung dịch
pH dung dịch có ảnh hưởng tới chất lượng sét hữu cơ, ở pH cao (từ 9 đến 10), bentonit-Na bị trương nở mạnh đến từng lớp sét tạo điều kiện cho phản ứng trao đổi với cation hữu cơ dễ dàng hơn. Ngoài ra ở pH cao trên các cạnh của phiến sét các trung tâm tích điện dương s chuyển dần thành điện tích âm, điện tích âm tạo điều kiện cho các cation hấp phụ lên các cạnh, lượng cation tham gia vào phản ứng trao đổi tốt hơn. Do vậy quá trình hấp phụ cation hữu cơ vào giữa các lớp bentonit xảy ra tốt hơn [2], [5].