7. Kết cấu đề tài:
1.5.4. Hoạt hóa Bentonite
Bentonitetonit 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 Bentonitetonit. Có nhiều phương pháp hoạt hóa Bentonitetonit, áp dụng cho từng loại Bentonitetonit
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 53 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
và mục đích hoạt hóa, nhưng có 3 phương pháp chính là: hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa bằng nhiệt và hoạt hóa bằng acid vô cơ.
a. Hoạt hóa bằng nhiệt
Nguyên tắc của phương pháp này là dung 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 các tinh thể 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 ở ngay nhiệt độ thấp (gần 1000C) và đến khoảng 2000C thì bị tách hoàn toàn.
Tuy vậy khi hoạt hóa Bentonitetonit bằng nhiệt không được đun đến nhiệt độ quá cao vì ở nhiệt độ cao Bentonitetonit bị giảm khả năng hấp phụ và tẩy trắng. Đối với mỗi loại đất sét thì khoảng nhiệt độ thích hợp riêng, thường từ khoảng 1100C- 1500C.
b. Hoạt hòa bằng kiềm
Dung kiềm hòa tan một số oxit lưỡng tính như: Al2O3, Fe2O3 để tạo trên bề mặt 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 acid. 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.
c. Hoạt hóa bằng acid vô cơ
Đây là phương pháp hoạt hóa Bentonitetonit hiệu quả nhất nên thường được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Trong quá trình hoạt hóa Bentonitetonit bằng acid, người ta có thể dung các acid vô cơ thông dụng như: HCl, HNO3, H2SO4.
Trong những acid đó thì tác dụng của HCl có khả năng hoạt hóa mạnh nhất vì ngoài khả năng hòa tan các oxit kim loại nó còn có khả năng hòa tan một phần SiO2
ở nhiệt độ cao. Tuy vậy HCl dễ bay hơi nên gây khó khăn cho thao tác hay điều chỉnh nhiệt độ. Tuy vậy, lợi dụng chính điểm yếu này mà người ta sang chế một dây chuyền hoạt hóa Bentonitetonit bằng HCl, trong đó cho phép thu hồi và tái sử dụng HCl để
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 54 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
làm giảm chi phí, tăng hiệu quả kinh tế. Khả năng hấp phụ, tẩy trắng và hoạt tính xúc tác của Bentonitetonit đã hoạt hóa phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện hoạt hóa như: bản chất acid hoạt hóa, nồng độ acid dùng cho hoạt hóa, thời gian hoạt hóa, tỉ lệ Bentonitetonit trên acid, nhiệt độ hoạt hóa, độ phân tán của Bentonitetonit,…Mỗi yếu tố điều có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng Bentonitetonit hoạt hóa
1.5.5. Bentonite biến tính bằng kim loại
Đất sét chống là vật liệu có kích thước micro (vi mao quản) được nghiên cứu rộng rãi, phát triển dựa trên kỹ thuật phân tử. Vật liệu rắn này được gọi là đất sét liên kết ngang (cross-linked clay) hay đất sét chống lớp xen giữa (pillared interlayered clay), được tạo thành khi trao đổi các cation xen giữa các lớp đất sét với polyoxocation vô cơ có kích thước lớn, sau đó nung mẫu. Polyoxocation chèn vào làm gia tăng khoảng cách cơ bản của các lớp sét và khi nung nóng, chúng chuyển thành các oxit kim loại do đề hyđrat và đề hyđroxyl. Các oxit kim loại này kết nhóm với nhau hình thành nên các cột chống (pillar) xen giữa các lớp sét, có khả năng chịu nhiệt, giữ cố định khoảng cách giữa các lớp sét, ngăn cho các lớp này không bị sụp đổ. Như vậy sẽ có một vùng rỗng xuất hiện giữa các lớp, sét trở nên xốp hơn. Sau khi chống, sự xuất hiện của cấu trúc lỗ xốp mới và tăng cường một số tâm hoạt động làm cho chúng được ứng dụng nhiều hơn trong hoạt động xúc tác và hấp phụ. Một số vật liệu sét chống với một số cation kim loại được sử dụng làm chất xúc tác: Al , Fe , La/Al, Fe/Al ,...và làm chất hấp phụ: La , Al , Fe , La/Al , Fe/Al,…
Sự xen giữa của các sét lớp với các polyoxocation vô cơ đã chỉ ra sự khác nhau quan trọng so với các tác nhân xen giữa hữu cơ vào lớp sét, vì tính chất nhiệt của chúng. Sét biến tính với các hợp chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy khi nung nóng, trong khi sét chống có độ bền nhiệt cao. Việc duy trì mạng lưới lỗ xốp cùng với sự có mặt của các tâm mới có tính axit, làm cho tiềm năng ứng dụng xúc tác và hấp phụ của các vật liệu này. Trong một vài năm qua, đã có một số lượng lớn các nghiên cứu được tiến hành về lĩnh vực này. Và cũng có nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về các mặt khác nhau về điều chế, mô tả đặc tính hay các ứng dụng của chúng [121, 128, 136].
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 55 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 1.5.6. Ứng dụng của Bentonite
a. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ [4]
Do có độ axit cao nên Bentonite có thể được dùng làm chất xúc tác trong các phản ứng hữu cơ. Bề mặt của Bentonite mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình của các ion Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở tâm bát diện. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm axit Lewis được tạo thành từ ion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt Bentonite. Nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt Bentonite sẽ làm tăng độ axit Lewis của chúng.
Trên bề mặt Bentonite tồn tại các nhóm hiđroxyl. Các nhóm hiđroxyl có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt Bentonite những tâm axit Bronsted. Số lượng nhóm hiđroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của Bentonite.
Trong các vật liệu sét chống (pillared clays), giữa cột chống và các lớp aluminosilicat của Bentonite có những liên kết cộng hóa trị thực sự. Các liên kết này của dẫn đến sự giải phóng các phân tử nước và proton làm tăng độ axit và bền hóa cấu trúc Bentonite chống.
Việc biến tính Bentonite bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị như Ti4+, Zr4+, Al3+, Si4+,... tạo ra vật liệu sét chống có độ axit và độ xốp cao hơn, có khả năng xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ. Ví dụ: việc sử dụng sét chống làm chất xúc tác axit rắn trong phản ứng hữu cơ ở pha lỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng. Sau khi kết thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗn hợp phản ứng có thể tách chất xúc tác rắn ra khỏi hỗn hợp phản ứng.
Ngoài ra, do Bentonite có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ các chất xúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp. Vì vậy, Bentonite được sử dụng làm chất mang xúc tác cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 56 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm b. Làm vật liệu hấp phụ [4]
Bentonite được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp. Trong công nghiệp lọc dầu, lượng Bentonite được sử dụng với lượng rất lớn, bao gồm Bentonite tự nhiên và Bentonite đã hoạt hóa. Lượng Bentonite tự nhiên tiêu tốn cho quá trình lọc dầu là 25% khối lượng dầu và lượng Bentonite đã hoạt hóa bằng 10% khối lượng dầu. Việc sử dụng Bentonite làm chất hấp phụ ưu việt hơn hẳn phương pháp cũ là phương pháp rửa kiềm. Lượng Bentonite mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5% lượng dầu được tinh chế. Ngoài ra, phương pháp dùng Bentonite còn có mức hao phí dầu thấp do tránh được phản ứng thủy phân.
Trong công nghiệp hóa than, Bentonite được sử dụng để tinh chế Bentonitezen thô và các sản phẩm khác.
Với tư cách là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, Bentonite có thể tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng với sự phát triển của ngành thăm dò và khai thác dầu, lượng Bentonite được sử dụng trong việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng. Ngày nay ở Mỹ, lượng Bentonite được sử dụng làm dung dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản lượng Bentonite của nước này.
Các chức năng quan trọng của Bentonite trong dung dịch khoan là:
- Làm tăng khả năng lưu chuyển của dung dịch khoan do có độ nhớt cao ngay cả khi nồng độ chất rắn thấp;
- Tạo huyền phù với các tác nhân và mùn khoan gây lắng khi ngừng lưu chuyển dung dịch khoan vì một lí do nào đó;
- Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ việc tạo nên lớp bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không chỉ ngăn khỏi bị mất dung dịch mà còn có tác dụng như một cái màng cứng làm bền thành lỗ khoan.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 57 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Ngoài ra, do có khả năng hấp phụ tốt nên Bentonite còn được sử dụng làm chất hấp phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trường…
c. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit [4]
Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành công nghiệp đã sử dụng Bentonite ngày càng nhiều. Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn với các chất khác để chế tạo ra các vật liệu mới. Ví dụ, sét hữu cơ được trộn với các polime để chế tạo các nanocompozit, gọi là composit-nano-Bentonite. Các polime có thể được trộn thêm các thạ nanoBentonite khi được kéo thành màng sẽ cho màng kín hơn rất nhiều so với polime không trộn vì khi kéo, cán, các lá nanoBentonite này nằm song song với bề mặt, có khả năng ngăn cản hiệu quả nhiều loại phân tử đi qua. Các hạt nanoBentonite này trộn với polime không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm để truyền dẫn thuốc, dẫn máu trong y tế.
d. Dùng trong một số lĩnh vực khác
Một lượng lớn Bentonite đã được sử dụng làm chất độn trong công nghiệp sản xuất vật liệu tổng hợp (xà phòng, vải sợi...). Đặc biệt trong công nghiệp sản xuất giấy, việc trộn thêm Bentonite làm tăng hàm lượng cao lanh, giảm lượng xenlulo cần có trong giấy, làm tăng đáng kể chất lượng và giảm giá thành của giấy.
Trong công nghiệp bia, rượu, Bentonite hấp phụ các chất hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men, đồng thời hấp phụ cả ion sắt, đồng và các tác nhân gây bệnh của rượu, lại không làm mất hương vị của rượu, bia.
Bentonite còn được sử dụng làm sạch nguồn nước mặt. Do Bentonite làm kết tủa các vẩn đục, hấp phụ các ion gây độc, một lượng lớn vi khuẩn gây bệnh và chất hữu cơ có trong nước với giá thành tương đối rẻ.
Do có đặc tính trơ, không độc hại nên Bentonite còn được dùng làm phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit cho động vật, làm phụ gia dược phẩm.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 58 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm e. Bentonite dùng chế tạo dung dịch khoan
Bentonitetonit có thể tạo ra các dung dịch khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng với sự phát triển của ngành thăm dò và khai thác dầu khí, lượng Bentonitetonit sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan ngày càng tăng. Ngày nay ở Mĩ, lượng Bentonitetonit sử dụng cho việc chế tạo dung dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản lượng Bentonitetonit nước này.
f. Bentonite dùng làm chất độn
Trong công nghiệp sản xuất các vật liệu tổng hợp, một lượng lớn Bentonitetonit dùng cho công nghiệp xà phòng, vải sợi. Việc sử dụng Bentonitetonit trong vài thập kỉ gần đây cũng đã làm thay đổi đáng kể ngành công nghiệp sản xuất giấy. Trước kia giấy thường chứa xấp xỉ 55% cellulose và hàm lượng caolin nguyên chất có trong giấy không vượt quá 45%. Nếu trộn thêm 10% Bentonitetonit kiềm (cation trao đổi là kim loại kiềm, chủ yếu Na+) vào caolin có thể nâng hàm lượng chất độn này lên tới 60%. Nếu trộn 20% Bentonitetonit kiềm thì hàm lượng chất độn có thể nâng lên 64%, nếu dùng 100% thì chất độn lên tới 84% nghĩa là hàm lượng cellulose cần trong giấy giảm đi 3 lần.
g. Bentonite dùng trong công nghiệp rượu bia
Việc sử dụng Bentonitetonit hoạt hóa làm chất hấp phụ đã làm giảm 30%-40% chi phí công nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang. Bentonitetonit không chỉ có khả năng hấp phụ các acid hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men mà còn cả ion sắt và đồng là những tác nhân gây hư hỏng rượu. Ưu điểm đặc biệt của Bentonitetonit trong quá trình xử lí là hương vị riêng của rượu không bị mất đi.
h. Bentonite dùng trong công nghiệp tinh chế nước
Ở nhiều vùng chưa có nhà máy nước trên thế giới, việc sử dụng Bentonitetonit để làm sạch các nguồn nước mặt như nước sông ngòi, kênh mương và nguồn giếng khoan có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Bentonitetonit làm kết tủa các vẩn đục, hấp phụ các ion gây độc và một lượng lớn các vi khuẩn, các chất hữu cơ có trong nước. Bentonitetonit là một chất trao đổi có trong tự nhiên, nó có khả năng khử tính cứng
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 59 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
của nước với giá thành tương đối rẻ. Khả năng lắng cặn lơ lửng trong nước, đồng thời với tác dụng trao đổi ion và hấp phụ chất hữu cơ, trong đó có các vi khuẩn gây bệnh tạo ra giá trị đặc biệt của Bentonitetonit trong công nghiệp xử lí nước.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 60 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm CHƯƠNG 2
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU NHIỆT PHÂN NI LÔNG PHẾ THẢI
2.1. Nguyên Liệu, Dụng Cụ Và Thiết Bị 2.1.1. Hóa chất và nguyên liệu
a. Nguyên liệu ni lông phế thải
Ni lông phế thải được mua từ cơ sở thu gom tại xã Xuân Sơn huyện Châu Đức tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu. Ni lông này được lấy từ các bải rác trong khu vực, sau đó rác thải ni lông được cơ sở chế biến lại: phân loại > nghiền > băm nhỏ > làm sạch > phơi khô > đóng bao.
b. Xúc tác γ- Al2O3
Trong thí nghiệm sử dụng loại xúc tác là dạng γ-Al2O3 điều chế tại phòng thí nghiệm.[2]
c. Xúc tác Bentonite
- DMC: Được mua tại công ty dịch vụ và hóa chất Dầu khí;
- Bentonite thô: Sử dụng đất sét Di Linh (Lâm Đồng) được xử lý và loại bỏ tạp
chất, sấy khô, nghiền mịn và tạo hình tại phòng thí nghiệm;
- Bentonite hoạt hóa HCl, Bentonite chống polycation Al3+: Sử dụng đất sét
Dinh Linh đã được xử lý đem đi hoạt hóa bằng HCl(10%), sấy khô, nghiền mịn và tạo hình tại phòng thí nghiệm, tạo dung dịch chống và phản ứng với Bentonite hoạt hóa HCl, sấy khô, nghiền mịn và tạo hình tại phòng thí nghiệm thu được Bentonite chống polycation Al.[9]
d. Nitơ (N2)
- Nitơ là một khí không màu, không mùi, không vị và hơi nhẹ hơn không khí;
- Nó rất khó hoá lỏng (nhiệt độ sôi là -195,8oC) và khó hoá rắn (nhiệt độ nóng chảy là -210oC);
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học Trang 61 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Nitơ rất ít tan trong nước (100ml nước ở 0oC hoà tan 2,35ml khí nitơ) và các dung môi khác;
- Do có năng lượng liên kết lớn nên phân tử N2 rất bền với nhiệt độ. Ở 3000oC