Bentonite tự nhiên đã là một chất hấp phụ trao đổi, nhưng để nâng cao tính hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác người ta cần tìm cách làm tăng bề mặt của nó. Tất cả các cách làm với mục đích như vậy được gọi là sự hoạt hóa bentonite. Có nhiều phương pháp hoạt hóa bentonite, áp dụng cho từng loại bentonite và mục đích hoạt hóa, nhưng có ba phương pháp chính là hoạt hóa bằng kiềm, bằng nhiệt, bằng axit vô cơ.
a. Hoạt hóa bằng nhiệt
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng nhiệt để tách nước liên kết ra khỏi mạng lưới tinh thể của đất sét và đốt cháy các chất bẩn, chất mùn trong đó, đồng thời làm rạn nứt một phần các tinh thể để tạo thành trong mạng lưới đất sét những khe rãnh làm tăng bề mặt và tăng độ xốp. Nước liên kết bắt đầu bị tách ra ở ngay
nhiệt độ thấp (gần 110oC) và đến khoảng 200oC thì có thể tách ra hoàn toàn.
Tuy vậy, khi hoạt hóa bentonite bằng nhiệt, không được đun đến nhiệt độ quá cao vì ở nhiệt độ cao bentonite sẽ bị giảm khả năng hấp phụ và tẩy trắng. Đối với mỗi loại đất sét thì có khoảng nhiệt độ thích hợp riêng thường từ khoảng 110 ÷ 150oC [13, 32].
b. Hoạt hóa bằng kiềm
Dùng kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như: Al2O3, Fe2O3 để tạo trên bề mặt những lỗ xốp và trung tâm hoạt động. Tuy nhiên, một số liên kết nhôm silicat bị đứt tạo cấu trúc khác và một số chất khác không bị hòa tan bị loại do sa lắng. Mặt khác, khi hàm lượng kim loại kiềm lớn thì hoạt tính xúc tác của nhôm silicat giảm do ion Na+ đầu độc các tâm axit. Do vậy, phương pháp hoạt hóa bằng kiềm ít được sử dụng, chỉ trong những trường hợp đặc biệt nào đó người ta mới sử dụng phương pháp này [22, 26].
c. Hoạt hóa bằng axit vô cơ
Quá trình tinh chế chỉ loại bỏ được các tạp chất hạt thô chứa các khoáng phi sét lẫn với hỗn hợp sét smectite như thạnh anh, feldspar, hydromica...Muốn làm sạch smectite phải thực hiện quá trình xử lý bằng axit.
Người ta có thể dùng các axit vô cơ loãng thông dụng như: HCl, HNO3, H2SO4, trong đó HCl và H2SO4 thườngđược sử dụng hơn. Người ta cũng có thể dùng các axit hữu cơ: axit axetic, axit oxalic [21,33].
Quá trình hoạt hóa muốn có hiệu quả tốt phải căn cứ vào quặng đầu, tỷ lệ axit/bentonite, thời gian và nhiệt độ xử lý. Nói chung hỗn hợp sét ban đầu có hàm lượng nước 25-50% khối lượng (tốt nhất là 28-48%) được trộn đều với axit (nồng độ 20 – 100% khối lượng) theo một tỷ lệ (khoảng 10 – 60% khối lượng) sao cho hỗn hợp có độ đặc quánh phù hợp đủ khả năng định hình [48].
Trong quá trình hoạt hóa bằng axit thì trước hết các ion kim loại kiềm và kiềm thổ giữa các lớp sét được thay thế bằng H+. Sau đó là các ion nhôm và sắt được tách khỏi khu vực biên của của hạt sét. Sau quá trình hoạt hóa bằng axit, sét smectite
được làm sạch triệt để khỏi các tạp chất phi sét, ngoài ra nhiều đặc tính như bề mặt riêng, độ nhớt huyền phù, dung lượng trao đổi ion, độ trương nở, khả năng hấp phụ…tăng rõ rệt. Để tinh quặng bentonite đáp ứng nguyên liệu bào chế diosmectite trong dược học bằng phương pháp hoạt hóa axit là phù hợp và chúng tôi đã lựa chọn đây là phương pháp chính trong phần thực nghiệm.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Mục đích nghiên cứuXác định khả năng ứng dụng trong dược học, đặc biệt là trong bào chế thuốc trị tiêu chảy, của một số loại khoáng bentonite Việt Nam.
2.2. Đối tƣợng
Chọn thực hiện trên hai loại khoáng sét: Bentonite Thuận Hải (Bình Thuận) và bentonite Cổ Định (Thanh Hóa).
2.3. Nội dung nghiên cứu
+ Xác định được thành phần hóa học, thành phần cấu trúc của hai loại bentonite. + Tinh chế và hoạt hóa nhằm nâng cao chất lượng và khả năng sử dụng của bentonite.
+ Xác định một số đặc trưng đối với bentonite dùng làm nguyên liệu trong dược phẩm. Trên cơ sở các kết quả nhận được, dánh giá khả năng ứng dụng trong dược phẩm của hai loại bentonite đã nghiên cứu.
2.4. Hóa chất và dụng cụ
2.4.1. Hóa chất (Hoá chất tinh khiết của Trung Quốc).
Natri hydroxit (NaOH), bạc nitrat (AgNO3), axit clohydric (HCl), bari clorua (BaCl2) khan, chỉ thị phenolphthalein (PP), axit sulfuric (H2SO4), axit nitric (HNO3), metyl da cam (MO), amoniac NH4OH , EDTA (C10H14N2Na2O8.H2O), Metyl đỏ (MR), HgCl2, KI, Na2SO4 khan, strychnine sunphate (C21H22N2O2).H2SO4.5H2O). * Các dung dịch cần pha
+ Thuốc thử Mayer:
Cân 0,68 gam HgCl2 và 2,5gam KI hòa tan trong 100ml nước cất.
+ Dung dịch BaCl2 1N: Cân 30,53g BaCl2 , hòa tan sơ bộ trong cốc thủy tinh 100ml sau đó chuyển vào bình định mức 250ml rồi định mức đến vạch.
+ Dung dịch H2SO4 0,05N: Pha từ ống chuẩn H2SO4. + Dung dịch Na2SO4 50%
Cân 50 gam Na2SO4 cho vào bình định mức 50ml rồi thêm nước cất tới vạch định mức.
+ Các dung dịch NaOH nồng độ khác nhau: Pha các lượng NaOH rắn cần thiết trong nước cất.
+ Dung dịch strychnine sunphate: Dung dịch strychnine sunphate với các nồng độ khác nhau được chuẩn bị từ dung dịch strychnine sunphate 1mg/ml.
2.4.2. Dụng cụ - thiết bị
- Cân phân tích -Máy cất nước
- Bình hút ẩm -Máy khuấy từ, máy đo pH
-Lò nung, tủ sấy -Chày, cối sứ, cối mã não
-Buret, pipet, bình định mức - Máy ly tâm, máy lắc
2.5.Các phƣơng pháp nghiên cứu 2.5.1 Chuẩn bị mẫu
Bentonite tự nhiên ngoài thành phần chính là montmorillonit còn chứa các loại khoáng sét và phi khoáng sét như: Kaolinit, mica, thạch anh, feldspat, canxit, dolomit…, các oxyt tự do, các chất hữu cơ và đất cát. Các kết quả nghiên cứu bentonite phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp làm sạch mẫu tự nhiên ban đầu, làm sạch bentonite khỏi các tạp chất. Quá trình chuẩn bị mẫu được tiến hành theo các phương pháp sau.
2.5.2. Sơ chế (Mẫu sơ chế được kí hiệu là BTH).
Cho mẫu bentonite qua sàng 200 mesh, bentonite sau khi qua sàng được sấy khô ở nhiệt độ 105-1100C trong vòng 4h. Để nguội, cho vào túi đựng mẫu, bảo quản trong bình hút ẩm.
* Cách tiến hành: Cho bentonite vào nước, ngâm trương nở qua đêm sau đó khuấy đều rồi để lắng, đem ly tâm, sấy khô và nghiền nhỏ. Tiến hành khảo sát với một số mẫu với thời gian và nồng độ khác nhau.
Mẫu 1: Cân 80gam bentonite sơ chế vào các bình chứa 2 lít nước cất (nồng độ 4%), để trương nở qua đêm. Khuấy 30 phút, để lắng 24h rồi loại bỏ phần cặn đem ly tâm phần huyền phù, sấy khô ở 1050C – 1100C trong 4h, nghiền nhỏ.
Mẫu 2: Cân 80gam bentonite sơ chế vào các bình chứa 2 lít nước cất (nồng độ 4%), để trương nở qua đêm. Khuấy 30 phút, để lắng 48h rồi loại bỏ phần cặn đem ly tâm phần huyền phù, sấy khô ở 1050C – 1100C trong 4h, nghiền nhỏ.
Mẫu 3: Cân 40gam bentonite sơ chế vào các bình chứa 2 lít nước cất (nồng độ 2%), để trương nở qua đêm. Khuấy 30 phút, để lắng 48h rồi loại bỏ phần cặn đem ly tâm phần huyền phù, sấy khô ở 1050
C – 1100C trong 4h, nghiền nhỏ.
Mẫu 4: Cân 40gam bentonite sơ chế vào các bình chứa 2 lít nước cất (nồng độ 2%), để trương nở qua đêm. Khuấy 30 phút, để lắng 24h rồi loại bỏ phần cặn đem ly tâm phần huyền phù, sấy khô ở 1050
C – 1100C trong 4h, nghiền nhỏ.
2.5.4. Hoạt hóa
a. Hoạt hóa bằng axit vô cơ.
+ Mẫu hoạt hóa bằng dung dịch HCl.
Cho bentonite tinh chế vào dung dịch HCl 2N theo tỉ lệ 3:1, khuấy liên tục trong 6h ở nhiệt độ phòng, rửa sạch Cl-
(dùng dung dịch AgNO3 đến khi không còn kết tủa màu trắng), sấy khô ở 1050
C – 1100C, nghiền nhỏ. + Mẫu hoạt hóa bằng HCl ở 600C (Kí hiệu là BTH4).
Cho bentonite tinh chế vào dung dịch HCl 2N theo tỉ lệ 3:1, khuấy liên tục trong 6h ở nhiệt độ 600C, rửa sạch Cl-
(dùng dung dịch AgNO3 đến khi không còn kết tủa màu trắng), sấy khô ở 1050C – 1100C, nghiền nhỏ.
Cho 10 gam bentonite tinh chế vào 30ml dung dịch HCl 2N và 80ml NaCl 2N ( HCl/NaCl =1/3 về khối lượng). Khuấy liên tục trong 6h ở nhiệt độ phòng, lọc rửa hết Cl-, sấy khô ở 1050C – 1100C rồi nghiền nhỏ.
+ Mẫu hoạt hóa bằng dung dịch H2SO4 (Kí hiệu là BTH5).
Cho bentonite tinh chế vào dung dịch H2SO4 50% theo tỉ lệ 3:1, khuấy liên tục trong 6h ở nhiệt độ 950C – 980C, rửa sạch SO42- (dùng dung dịch BaCl2 đến khi không còn kết tủa màu trắng), sấy khô ở 1050
C – 1100C, nghiền nhỏ.
+ Mẫu hoạt hóa bằng hỗn hợp dung dịch 1/3 Na2SO4 + Na2SO4 (Kí hiệu BTNa2). Cho 10 gam bentonite tinh chế vào 30ml dung dịch H2SO4 50% và 108ml Na2SO4 50% (H2SO4/Na2SO4 =1/3 về khối lượng). Khuấy liên tục trong 6h ở nhiệt độ 950C – 980C, lọc rửa hết SO42-, sấy khô ở 1050C – 1100C rồi nghiền nhỏ.
b. Mẫu hoạt hóa bằng dung dịch kiềm (Kí hiệu BTH6).
Cho bentonite tinh chế vào dung dịch NaOH 2N theo tỉ lệ 3:1, khuấy liên tục trong
6h ở nhiệt độ 600C, lọc, sấy khô ở 1050C – 1100C, nghiền nhỏ.
2.6 . Xác định các đặc trƣng
2.6.1. Xác định thành phần hóa học và hàm lƣợng kim loại nặng
Thành phần hóa học và hàm lượng kim loại nặng được xác định bằng các phương pháp phân tích hóa lý như phương pháp chuẩn độ, đo hấp thụ nguyên tử (ASS), phương pháp trọng lượng…
2.6.2. Phương pháp hồng ngoại (FTIR)
Tiến hành: Các mẫu bentonit được sấy khô ở 1100C trong vòng 3h. Mẫu được nghiền mịn với KBr tinh khiết với tỷ lệ 5mg bentonite/1g KBr. Sau đó lấy 300mg chất được ép thành viên (viên 12mm) trong một phút dưới áp suất nén 20T/cm2
. Đo phổhồng ngoại trên máy IMPACT 410 Nicolet (Mỹ) tại viện Hóa học Viện KHCNVN, trong khoảng bước sóng 400-4000cm-1.
Mẫu bentonit được ghi trên máy nhiễu xạ Rơnghen Siemens 5000 tại Viện Khoa học Vật liệu- VKHCNVN. Ống phát tia Cu với bước song Kα = 1,54041 A0 có lọc tia. Góc quét 2θ thay đổi từ 20 - 700. Tốc độ đếm 0,7 độ/giây.
2.6.4. Phương pháp xác định độ trương nở
( Theo dược điển Châu Âu- European Pharmacopoeia, xuất bản lần thứ 5)
Cân 2g bentonite chia làm 20 phần cho vào ống đong 100ml, trong có chứa sẵn 100ml dung dịch Sodium laurge sulphate. Cứ 2 phút lại cho vào 1 phần, sau khi cho hết 20 phần (40 phút) để lắng 2h, đọc kết quả trương nở.
2.6.5. Phương pháp xác định dung lượng trao đổi tổng cation(CEC)
Theo phương pháp dùng BaCl2:
+ Cân 2g bentonite khô trong không khí cho vào bình tam giác dung tích 100ml, thêm vào đó 10ml BaCl2 1N. Lắc 1 giờ, để lắng rồi lọc qua giấy lọc.
+ Rửa bentonite bằng dung dịch BaCl2 1N cho đến hết phản ứng canxi mới thôi. Bởi vì ion Ca2+ trao đổi với ion Ba2+ rất chậm.
+ Dùng nước cất rửa sạch BaCl2 dư trong bentonite (rửa đến hết phản ứng của ion Cl-, thử bằng dung dịch AgNO3 10%).
+ Chuyển bentonite vào bình tam giác có dung tích 250ml. Thêm vào đó 60ml H2SO4 0,05N. Lắc 30 phút rồi lọc qua giấy lọc.
+ Hút 15ml dung dịch vừa lọc, thêm 3 giọt chỉ thị phenolphtalein, rồi dùng dung dịch NaOH 0,05N chuẩn độ cho đến khi xuất hiện màu hồng.
+ Tính kết quả: Dung lượng trao đổi tính bằng mili đương lượng gam/100g bentonite theo công thức:
C V N V V1 2 60100 V1: Thể tích NaOH 0,05 N chuẩn H2SO4 0,05N V2: Thể tích NaOH 0,05 N chuẩn độ nước lọc N: Nồng độ thực của NaOHV: Thể tích nước lọc dùng để phân tích 100: Quy về 100g bentonite
60: Là 60ml H2SO4 cho tác dụng với bentonite đã trao đổi Ba2+
2.6.6. Xác định độ kiềm
(Theo dược điển Châu Âu- European Pharmacopoeia, xuất bản lần thứ 5)
Cân chính xác 2 gam bentonite vào 100ml nước rồi lắc đều trong 5 phút. Sau đó lấy ra 10ml dung dịch huyền phù này cho một giọt chỉ thị phenolphtalein vào rồi tiến hành chuẩn độ bằng dung dịch HCl 0,1M đến khi VHCl = 0,2ml mà dung dịch huyền phù đó mất màu hồng trong 5 phút là đạt.
2.6.7. Xác định pH
Cân chính xác 4 gam bentonite cho vào 200ml H2O, khuấy đều rồi ngâm trong 24h, khuấy đều và đo trên máy pH.
2.6.8. Xác định khả năng hấp phụ strychnine sunphate của bentonite
2.6.8.1. Xác định khả năng hấp phụ strychnine sunphate của bentonite theo tiêu chuẩn Việt Nam DĐVNIII.
Thuốc thử : - Thuốc thử Mayer (TT) - Acid hydrocloric (TT) Tiến hành :
Cân chính xác một lượng bentonite sau khi đã sấy khô và nghiền nhỏ tương ứng
là 0,5 gam, lắc với 50ml dung dịch có chứa 50mg strychnine sunphate trong nước 5
phút. Lọc qua giấy lọc và bỏ 10ml dung dịch lọc đầu. Hút chính xác 10ml dịch lọc
trên, thêm 1 giọt axit hydrocloric (TT) và 5 giọt thuốc thử Mayer (TT), dung dịch
thu được không được đục.
2.6.8.2. Xác định khả năng hấp phụ strychnine sunphate của bentonite theo phương pháp trắc quang.
+ Pha các mẫu để xây dựng đường chuẩn với các nồng độ strychnine sunphate khác nhau trong khoảng từ 5mg/l đến 30mg/l.
+ Đem các mẫu này đo trên máy trắc quang một chùm tia (hãng HACH DR 4000 của Mỹ có bước sóng = 190 – 1100nm) ở bước sóng cực đại max = 255nm, lấy kết quả thu được để xây dựng đường chuẩn và xác định phương trình đường chuẩn.
* Tiến hành đo trắc quang với các mẫu bentonite
Cân chính xác một lượng bentonite sau khi đã sấy khô và nghiền nhỏ tương ứng là 0,5 gam, lắc với 50ml dung dịch có chứa 50mg strychnine sunphate trong 5 phút. Lọc qua giấy lọc và bỏ 10ml dung dịch lọc đầu. Sau đó hút phần dung dịch lọc còn lại đem đo trên máy trắc quang ở bước sóng = 255nm với cuvet bằng thạch anh. Lấy kết quả thu được để xác định lượng strychnine sunphate đã được hấp phụ dựa vào đường chuẩn.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chuẩn bị mẫu dùng làm mẫu nguyên liệu ban đầu (sơ chế):Các số liệu cụ thể thu được qua phần sơ chế:
+ Loại bỏ tạp chất rắn : Cân 50g bentonit cho qua sàng 200 mesh thu được 45g. Vậy độ hao hụt trước và sau khi sàng:
% 10 % 100 50 45 50
+ Độ ẩm : Cân 300g bentonit sau khi qua sàng 200 mesh đem sấy khô ở 1050
C trong vòng 4h. Cân được 280g.
Độ hao hụt trước và sau khi sấy:
% 67 , 6 100 300 280 300
Như vậy mẫu bentonit sau khi sơ chế sẽ loại bỏ được đất cát và một số cặn rắn khác nhau. Tuy nhiên sau khi sơ chế thì mất đi 16,67% so với lượng mẫu ban đầu.
3.1. Xác định thành phần hóa học
Thành phần hóa học phản ánh một khái niệm tổng thể về chất được nghiên cứu. Vì vậy trước tiên tiến hành phân tích thành phần hóa học của các mẫu bentonite Thuận Hải và Cổ Định.
3.1.1. Bentonite Thuận Hải
Các kết quả phân tích về thành phần hóa học của các mẫu bentonite Thuận Hải ban đầu và qua xử lý cho kết quả ở bảng 3.1. Số liệu thành phần hóa học của một mẫu khoáng bentonite kiềm Na điển hình là mẫu Polado của Pháp [9] cũng được đưa thêm vào để so sánh.
Bảng 3.1 : Thành phần hóa học của các mẫu bentonite Thuận Hải (% trọng lượng) Thành phần Bentonite sơ chế Bentonite tinh chế (2%, 24h) BTH1 BTH2 BTPhap ( Polado) SiO2 55.83 53,108 57,165 57,98 59,57 Al2O3 18,04 21,36 20,15 17,85 16,50 Fe2O3 2,85 3,202 2,485 2,46 3,00 CaO 4,536 1,890 1,350 0,95 2,20 MgO 0,086 0,016 0,011 0,045 1,65 K2O 3,745 3,126 3,933 4,028 0,44 Na2O 2,217 1,755 1,355 1,165 2,15 *) Nhận xét
+ Từ bảng 3.1 ta thấy sự có mặt của hầu hết các nguyên tố căn bản cấu thành nên bentonite. Tuy nhiên điểm nổi bật của bentonite Thuận Hải ban đầu chỉ qua sơ chế là lượng canxi oxit lớn. Nó thường nằm dưới dạng cancite CaCO3 có lẫn trong bentonit Thuận Hải (điều này cũng được minh chứng qua kết quả đo XRD).
+ Tỷ lệ Al2O3 : SiO2 của mẫu bentonite Thuận Hải dao động trong khoảng 1: 2-1: 3 là tỉ lệ trung bình so với các bentonite khác.
+ Dễ dàng nhận thấy qua bảng 3.1, thành phần SiO2 qua quá trình tinh chế, lắng gạn, một lượng cát và thạch anh bị loại bỏ ở phần đáy. Như vậy, cát và thạch anh là tạp chất chính trong mẫu bentonite, nó được loại bỏ phần lớn khi làm sạch mẫu bentonite. Hàm lượng SiO2 tăng nhẹ ở các mẫu hoạt hóa là do SiO2 không tan trong HCl trong khi một số thành phần khoáng khác tan và bị loại đi, do vậy hàm lượng
