7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.1.3. Tính chất lý – hoá của bentonit
Bentonit là khoáng sét kết mềm hình thành từ quá trình phong hoá tro núi lửa, tương đối mền và có màu thay đổi từ trắng đến vàng phụ thuộc vào thành phần của Fe trong cấu trúc khoáng. Tính chất đặc trưng của bentonit là khả năng tạo thành huyền phù khi tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15 lần so với khối lượng sét khô và khả năng trao đổi cation cao.
Sự thay thế Si4+ bằng các cation có hoá trị thấp hơn làm cho lớp sét mang điện tích âm trên bề mặt các lớp sét, điện tích này được cân bằng bởi một số cation khác như K+, Na+, Mg2+, Ca2+ định vị trong khoảng không gian giữa lớp. Các cation này liên kết lỏng lẻo với bề mặt lớp sét, do vậy montmorillonit có dung lượng trao đổi cation tương đối cao (100 meq/100 g), rất ít ảnh hưởng đến kích thước hạt. Khả năng trao đổi cation làm cho khoáng bentonit không chỉ trao đổi với các cation vô cơ, mà có liên kết với các phân tử hữu cơ như: điquat, paraquat, protein [70]. Các cation trao đổi giữa lớp khác nhau có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nước và tính chất trương nở của sét. Khả năng trương nở trong nước của bentonit chứa Na lớn hơn bentonit chứa K, Ca hoặc Mg.
Khi nước được xen vào mạng lưới khoáng sét là yếu tố quan trọng để điều khiển tính liên kết, huyền phù, nén và một số tính chất khác của montmorillonit. Đặc tính vật lý của bentonit ảnh hưởng bởi số lượng lớp nước nằm trong khoảng không gian giữa các lớp sét (chứa 1 lớp hay nhiều lớp nước). Nhiệt độ mất nước hấp phụ và nước nằm giữa lớp sét ở nhiệt độ thấp (100 – 200oC). Mất nước cấu trúc bắt đầu từ 450 – 500oC và mất hoàn toàn ở 600 – 750oC. Tiếp tục nung đến 800 – 900oC dẫn đến cấu trúc tinh thể tan rã và tạo ra các chất mới như cristobalit, cordienrit, mullit,… phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc khoáng ban đầu. Khả năng hấp thụ và trương nở của montmorillonit nhanh chóng mất đi khi nung nóng đến nhiệt độ giới hạn, trong khoảng từ 105 đến 390oC, tuỳ thuộc vào cation trao đổi giữa lớp. Khả năng hấp phụ nước ảnh hưởng đến việc sử dụng và giá trị thương mại của bentonit [48, 100].
Đặc biệt, tính chất hoá học của bề mặt khoáng sét phụ thuộc vào cấu trúc của khoáng. Đơn vị cơ bản của MMT là một lớp mở rộng của tấm nhôm bát diện (O) kẹp giữa 2 tấm silic tứ diện (T), tạo thành đơn vị TOT. Sắp xếp chồng các đơn vị TOT tạo ra tinh thể MMT. Sự thay thế đồng hình trong tấm bát diện (hoặc trong tứ diện) làm cho cấu trúc dư thừa điện tích âm. Cation trao đổi giữa lớp sét góp phần đền bù điện tích thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc và giữ cho các lớp liên kết với nhau. Các cation này dễ dàng trao đổi bằng các cation khác có tương tác lớn hơn. Diện tích bề mặt kết hợp với bề mặt cơ bản của đơn vị TOT mở rộng được gọi là bề mặt lớp xen giữa (interlayer surface) khi nó tương ứng với các lớp sắp xếp liên tiếp hoặc là bề mặt ngoài khi nó tương ứng với bề mặt cơ bản bên ngoài của tinh thể. Diện tích bề mặt trong và diện tích bề mặt ngoài chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của MMT. Mặt khác, cấu trúc tuần hoàn của tinh thể MMT bị gián đoạn ở các cạnh, nơi mà điện tích đền bù của chúng phá vỡ bởi phân tử nước và proton hấp phụ [127]. Do sự gián đoạn này, điện tích bề mặt phụ thuộc vào pH và khả năng phản ứng với các cation, anion và phân tử trung hoà (hữu cơ, vô cơ) tạo thành các liên kết hoá học.