Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 50 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm - - công ngh - Bentonite - Bentonite
a. Tính chất trao đổi ion [3]
Đặc trƣng cơ bản của Bentonite là khả năng trao đổi ion do trên bề mặt của các lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp phụ và trao đổi cation. Đồng thời, tính chất đó có đƣợc là do sự thay thế đồng hình của các
cation. Ví dụ nhƣ khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+, hoặc
Al3+ trong mạng bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+..., thì sự thay thế các ion điện tích cao này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dƣơng trong cấu trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.
Đối với Bentonite, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa hai lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét là liên kết yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc vào lƣợng điện tích âm bề mặt và số lƣợng ion trao đổi. Nếu số lƣợng điện tích âm càng lớn, số lƣợng cation trao đổi càng lớn thì dung lƣợng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán kính ion của cation trao đổi. Cation có điện tích thấp dễ trao đổi hơn cation có điện tích cao:
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 51 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đối với cation cùng điện tích, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn, có thể sắp xếp theo trật tự sau:
Li+ > Na+ > K+ > Cu2+ > Fe2+ > Al3+
Tuy nhiên khả năng trao đổi của Bentonite chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích âm bề mặt và điện tích âm trong mạng lƣới. Bề mặt của Bentonite gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài.Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phản ánh kích thƣớc hạt tinh thể, phụ thuộc vào sự đứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thƣớc hạt càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn. Khả năng trao đổi ion bề mặt trong phản ánh lƣợng điện tích âm trên mạng lƣới và khả năng hấp phụ của Bentonite. Nó phụ thuộc vào lƣợng cation bù trừ trong mạng lƣới. Số lƣợng cation càng lớn thì khả năng trao đổi càng lớn. Dung lƣợng cation trao đổi dao động từ 80 đến 150 meq/100g. Dung lƣợng trao đổi anion dao động từ 15 đến 40 meq/100g.
Sự trao đổi ion của Bentonite còn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử hyđro trong các nhóm hyđroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu thì ở
đỉnh của các tứ diện SiO2 hƣớng ra ngoài của lớp cấu trúc, các nguyên tử oxi đƣợc
thay thế bởi các nhóm hiđroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Ngoài ra trong cấu trúc của Bentonite còn có các nhóm hiđroxyl khác nằm ở đỉnh các bát diện. Trong sáu đỉnh của bát diện có hai đỉnh là nhóm OH còn bốn đỉnh kia là oxi, trong đó nhóm hiđroxyl của liên kết Si – OH không có khả năng trao đổi hiđro. Nhóm hiđroxyl của liên kết Al – OH có tính axit yếu nên khả năng trao đổi yếu. Nhóm Si – O –Al có tính trao đổi mạnh nên có tính quyết định đến trao đổi cation H+.
b. Tính chất trƣơng nở [4]
Khi nƣớc, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào khe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi là tính chất trƣơng nở. Mức độ trƣơng nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 52 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
cực trong môi trƣờng phân tán. Lƣợng nƣớc đƣợc hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation trao đổi.
Khi Bentonite hấp phụ hơi nƣớc hay tiếp xúc với nƣớc, các phân tử nƣớc phân cực sẽ thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 14 - 15Å tùy thuộc vào loại Bentonite và lƣợng nƣớc bị hấp phụ. Sự tăng khoảng cách d001 đƣợc giải thích là do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp.
Độ trƣơng nở của Bentonite phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề
mặt lớp sét. Ví dụ, ion Na+ với điện tích +1 có thể liên kết với một tâm tích điện âm
trên mặt lớp sét. Do vậy khi bị hyđrat hóa, Bentonite Na có khả năng trƣơng nở từ khoảng cách ban đầu giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trƣờng kiềm Bentonite-Na bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nƣớc hấp phụ tăng mạnh. Do vậy trong môi trƣờng kiềm, huyền phù Bentonite-Na rất bền vững.
Cation Ca2+ liên kết với hai tâm tích điện âm trên hai phiến sét do vậy khi Bentonite-Ca bị hydrat hóa, khoảng cách giữa hai phiến sét chỉ tăng từ 12,1Å đến 17Å. Điều này hạn chế sự trƣơng nở hay khả năng tạo độ nhớt của Bentonite-Ca. Độ trƣơng nở của Bentonite-Ca từ 100 đến 150%, đối với Bentonite-Na độ trƣơng nở lớn hơn.
c. Tính hấp phụ [4]
Tính chất hấp phụ của Bentonite đƣợc quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc lớp của chúng. Với kích thƣớc hạt nhỏ hơn 2µm và có cấu trúc mạng tinh thể dạng lớp nên Bentonite có bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của Bentonite gồm diện tích bề mặt ngoài và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong đƣợc xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thƣớc hạt. Sự hấp phụ bề mặt trong của Bentonite có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có kích thƣớc và khối lƣợng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo liên kết trực tiếp với các cation trao đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nƣớc hoặc liên kết với các trung tâm
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 53 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
mang điện tích trên bề mặt các lớp sét. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thƣớc và khối lƣợng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi đáy của tứ diện trong mạng lƣới tinh thể bằng lực Van der Walls hoặc liên kết hiđro. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polime và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của Bentonite [4,6].
Do Bentonite có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hƣởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các khoáng sét, đặc trƣng của nó là tính chọn lọc đối với chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đƣờng kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào đƣợc. Dựa vào điều này ngƣời ta có thể dùng Bentonite hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa Bentonite và các chất hấp phụ khác.
d. Tính kết dính
Khi trộn với nƣớc, Bentonite sẽ có khả năng kết dính mạnh nên từ thời xa xƣa con ngƣời đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằm mục đích phục vụ đời sống. Lợi dụng tính chất kết dính này, trong các xƣởng đúc gang, Bentonite đƣợc dùng làm chất kết dính để vê quặng bột thành viên trƣớc khi đƣa vào lò nung, hoặclàm chất kết dính trong khuôn cát để đúc.
e. Tính trơ
Bentonite trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn đƣợc. Ngƣời ta dùng Bentonite làm chất độn trong dƣợc phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch và tẩy màu cho bia, rƣợu vang và mật ong...
f. Tính nhớt và dẻo
Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trƣơng nở mạnh trong nƣớc nên Bentonite có tính nhớt và dẻo. Do có các tính chất này mà Bentonite đƣợc sử dụng làm phụ gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành của lỗ khoan, làm phụ gia trong xi măng Portland, chế vữa và chất dính kết đặc biệt.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 54 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm