Khóa Luận: Biến Tính Bentonite Lâm Đồng Bằng Polyaluminium Chlorua

Nghiên cứu biến tính bentonite với polyaluminium chlorua (PAC). Tối ưu hóa đặc tính hấp phụ, nâng cao hiệu quả ứng dụng trong xử lý nước, chất thải.

• Tác giả: Võ Minh Mẫn
• Người hướng dẫn: TS. Đào Thanh Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa
• Đề tài: Biến Tính Bentonite Lâm Đồng Bằng Polyaluminium Chlorua
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOÁNG SÉT
• 1.2. THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ PHÂN BỐ. CẤU TRÚC KHOÁNG SÉT
• 1.2.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.3. Sự thay thế trong mạng tỉnh thế
• 1.4. TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA KHOÁNG SÉT
• 1.5. Tính chất trao đổi ion
• 1.6. Tính chất hấp phụ
• 1.7. Điều chế và tinh chế
• 1.7.1. Điều chế
• 1.8. KHÓANG SÉT BIẾN TÍNH
• 1.9. BIẾN TÍNH MONTMORILLONITE
• 1.10. BIẾN TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỮU CƠ
• 1.11. Biến tính bằng polyoxit kim loại (polyoxometalate)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ RƠNGHEN (X-RAY). PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI DTA VÀ PHÂN TÍCH TỈ TRỌNG
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI
• 2.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp xác định bề mặt riêng (BET)
• 2.4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 2.5. HÓA CHẤT
• 2.6. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.7. PHÂN TÍCH MẪU

Tóm tắt

I. Khám Phá Nền Tảng Bentonite và Hóa Chất PAC Là Gì

Để hiểu rõ quy trình biến tính bentonite bằng polyaluminium chlorua, trước hết cần nắm vững bản chất của hai thành phần cốt lõi. Đất sét bentonite, một khoáng sản tự nhiên với cấu trúc lớp độc đáo, và hóa chất PAC, một hợp chất keo tụ mạnh mẽ. Sự kết hợp này mở ra tiềm năng tạo ra một vật liệu hấp phụ thế hệ mới với nhiều tính năng ưu việt, giải quyết các hạn chế cố hữu của bentonite thô.

1.1. Cấu trúc và thành phần chính của đất sét bentonite

Bentonite là một loại khoáng sét aluminosilicate tự nhiên, với thành phần chính là montmorillonite. Cấu trúc của nó được tạo thành từ các lớp xếp chồng lên nhau theo kiểu 2:1, bao gồm một phiến bát diện nhôm (Al) kẹp giữa hai phiến tứ diện silic (Si). Giữa các lớp này tồn tại các cation có thể trao đổi như Na+, Ca2+, Mg2+ và các phân tử nước. Đặc điểm cấu trúc lớp này tạo ra một diện tích bề mặt BET rất lớn, về lý thuyết có thể đạt đến 800 m²/g. Tuy nhiên, liên kết giữa các lớp trong bentonite tự nhiên chủ yếu là lực Van der Waals yếu, khiến chúng dễ trương nở mạnh trong nước nhưng cũng dễ bị sập cấu trúc khi nung ở nhiệt độ cao, làm giảm đáng kể hiệu quả ứng dụng trong các quy trình đòi hỏi độ bền nhiệt. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp biến tính là vô cùng cần thiết.

1.2. Giới thiệu về Polyaluminium Chloride PAC và vai trò

Polyaluminium chloride (PAC), hay còn gọi là phèn nhôm poly, là một polymer vô cơ đa nhân với công thức chung là [Al₂(OH)nCl₆-n]m. Khác với phèn nhôm truyền thống, PAC chứa các chuỗi polymer nhôm phức tạp có điện tích dương cao và cấu trúc không gian lớn. Các ion polycation này, điển hình là ion Keggin [Al₁₃O₄(OH)₂₄(H₂O)₁₂]⁷⁺, có ái lực rất mạnh. Trong quá trình biến tính, các ion này đóng vai trò như những "trụ chống" (pillars), xen vào không gian giữa các lớp của bentonite. Vai trò của PAC không chỉ dừng lại ở việc thay thế các cation trao đổi thông thường mà còn tạo ra một cấu trúc không gian ba chiều ổn định, được gọi là bentonite trụ cột (pillared clay), giúp tăng cường độ bền nhiệt và tạo ra các mao quản có kích thước đồng đều, tối ưu hóa cho quá trình hấp phụ.

1.3. Lý do cần biến tính bentonite để nâng cao hiệu quả

Bentonite tự nhiên dù có khả năng trao đổi ion và hấp phụ tốt, nhưng vẫn tồn tại nhiều hạn chế. Thứ nhất, độ bền nhiệt kém làm cấu trúc bị phá hủy khi gia nhiệt, giới hạn ứng dụng trong các phản ứng xúc tác ở nhiệt độ cao. Thứ hai, kích thước lỗ xốp không đồng đều và có thể bị lấp đầy bởi tạp chất, làm giảm khả năng hấp phụ các phân tử hữu cơ kích thước lớn. Thứ ba, khả năng phân tán trong một số môi trường dung môi kém. Quá trình biến tính bentonite bằng PAC khắc phục triệt để các nhược điểm này. Nó không chỉ ổn định cấu trúc, chống lại hiện tượng sập mạng mà còn tăng đáng kể diện tích bề mặt, tạo ra các tâm axit mới trên bề mặt, từ đó nâng cao vượt trội khả năng hấp phụ kim loại nặng, khử màu nước thải, và xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp.

II. Phương Pháp Biến Tính Bentonite Bằng PAC Hướng Dẫn Tối Ưu

Quá trình biến tính bentonite bằng polyaluminium chlorua là một kỹ thuật hóa học phức tạp, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng để tạo ra vật liệu cuối cùng có chất lượng cao nhất. Phương pháp này về cơ bản là một quá trình trao đổi ion giữa các cation trong bentonite và các ion polycation nhôm từ dung dịch PAC, sau đó là giai đoạn nung để cố định cấu trúc. Hiểu rõ từng bước trong quy trình và các yếu tố ảnh hưởng là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất của bentonite hoạt hóa.

2.1. Phân tích cơ chế biến tính và sự hình thành trụ cột

Cơ chế hấp phụ và biến tính cốt lõi dựa trên sự trao đổi cation. Bề mặt các lớp montmorillonite trong bentonite mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình (ví dụ: Al³⁺ thay thế Si⁴⁺). Điện tích âm này được bù trừ bởi các cation linh động (Na⁺, Ca²⁺) ở giữa các lớp. Khi cho bentonite tiếp xúc với dung dịch PAC, các ion polycation nhôm (như ion Keggin Al₁₃) có điện tích dương rất lớn và kích thước cồng kềnh sẽ thay thế các cation nhỏ bé này một cách hiệu quả. Sau quá trình trao đổi, các polycation này sẽ chèn vào không gian giữa các lớp silicat. Bước tiếp theo là nung ở nhiệt độ cao (thường từ 400-500°C), quá trình khử nước và dehydroxyl hóa sẽ diễn ra, biến các polycation nhôm thành các cụm oxit nhôm (Al₂O₃) bền vững. Các cụm oxit này hoạt động như những "trụ cột" chống đỡ, giữ cho các lớp bentonite không bị sập lại, từ đó tạo ra cấu trúc bentonite trụ cột (pillared clay) với độ xốp và độ bền nhiệt vượt trội.

2.2. Quy trình thực nghiệm chi tiết từ phòng thí nghiệm

Quy trình biến tính thường bao gồm hai giai đoạn chính. Giai đoạn 1: Chuẩn bị tác nhân và thực hiện trao đổi ion. Dung dịch PAC được điều chế bằng cách thủy phân dung dịch AlCl₃ với một dung dịch bazơ (như NaOH) theo một tỷ lệ mol OH/Al được kiểm soát chặt chẽ (thường là 2.0-2.4) để tối ưu hóa sự hình thành ion Keggin. Sau đó, dung dịch huyền phù bentonite 2% được cho phản ứng với dung dịch PAC đã chuẩn bị. Hỗn hợp được khuấy liên tục trong vài giờ ở nhiệt độ phòng để quá trình trao đổi ion diễn ra hoàn toàn. Giai đoạn 2: Tinh chế và nung. Sản phẩm rắn sau phản ứng được ly tâm, rửa nhiều lần với nước cất để loại bỏ ion Cl⁻ dư (kiểm tra bằng AgNO₃). Cuối cùng, vật liệu được sấy khô ở nhiệt độ thấp (khoảng 60°C) rồi nung trong lò ở 500°C. Sản phẩm thu được là bentonite hoạt hóa dạng bột mịn, sẵn sàng cho việc phân tích và ứng dụng.

2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình

Hiệu quả của quá trình biến tính bentonite phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tỷ lệ mol OH/Al trong quá trình điều chế PAC quyết định loại và kích thước của các ion polycation, ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng cách giữa các lớp. Tỷ lệ Al/Bentonite (mmol/g) xác định mật độ của các trụ cột, tác động đến diện tích bề mặt BET và thể tích lỗ xốp. Nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng đến động học của quá trình trao đổi ion. Nhiệt độ nung là yếu tố quyết định để chuyển hóa polycation thành các trụ oxit bền vững; nếu nhiệt độ quá thấp, trụ cột không ổn định, nếu quá cao, cấu trúc bentonite có thể bị phá hủy. Ngoài ra, pH của dung dịch và tốc độ khuấy cũng cần được kiểm soát để đảm bảo phản ứng diễn ra đồng đều và hiệu quả.

III. Cách Đánh Giá Hiệu Quả Bentonite Biến Tính Bằng PAC

Để xác nhận sự thành công của quá trình biến tính bentonite bằng polyaluminium chlorua và đánh giá các đặc tính ưu việt của vật liệu mới, việc sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại là bắt buộc. Các kỹ thuật này cho phép kiểm tra sự thay đổi về cấu trúc, hình thái bề mặt, và thành phần hóa học của vật liệu trước và sau khi biến tính, cung cấp bằng chứng khoa học vững chắc về hiệu quả của phương pháp.

3.1. Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X XRD

Phương pháp phân tích XRD (X-Ray Diffraction) là công cụ quan trọng nhất để xác định sự thay đổi trong cấu trúc lớp của bentonite. Dựa trên định luật Bragg, XRD cho phép tính toán chính xác khoảng cách cơ bản giữa các lớp (giá trị d₀₀₁). Đối với bentonite tự nhiên, khoảng cách này thường nhỏ. Sau khi biến tính thành công với PAC, các ion polycation lớn xen vào sẽ làm tăng đáng kể khoảng cách d₀₀₁, thường đạt từ 1.7 - 1.9 nm. Quan trọng hơn, sau khi nung ở nhiệt độ cao (ví dụ 500°C), mẫu bentonite biến tính vẫn duy trì được khoảng cách lớp lớn này, chứng tỏ các trụ cột oxit nhôm đã hình thành bền vững và chống lại hiện tượng sập mạng. Ngược lại, bentonite tự nhiên khi nung sẽ cho thấy giá trị d₀₀₁ giảm mạnh, xác nhận cấu trúc đã bị phá hủy. Đây là bằng chứng trực tiếp và thuyết phục nhất về sự hình thành bentonite trụ cột.

3.2. Khảo sát hình thái bề mặt qua kính hiển vi điện tử quét SEM

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật liệu ở độ phóng đại lớn. Hình ảnh SEM cho thấy bentonite tự nhiên thường có cấu trúc dạng tấm, các lớp xếp chồng chặt chẽ và bề mặt tương đối nhẵn. Sau khi biến tính bằng PAC, cấu trúc bề mặt trở nên gồ ghề, bông xốp và có nhiều lỗ rỗng hơn. Sự thay đổi này là do sự sắp xếp lại của các lớp đất sét khi các trụ cột được hình thành, tạo ra một cấu trúc không gian ba chiều mở hơn. Hình thái "bông ngô" hoặc "cạnh nhà" (house-of-cards) thường được quan sát, cho thấy các tấm sét không còn song song mà được định hướng một cách ngẫu nhiên hơn. Điều này gián tiếp khẳng định sự gia tăng về độ xốp và diện tích bề mặt BET, rất thuận lợi cho các quá trình keo tụ tạo bông và hấp phụ.

3.3. Xác định diện tích bề mặt và độ xốp bằng phương pháp BET

Phương pháp BET (Brunauer-Emmett-Teller) là tiêu chuẩn vàng để đo lường diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu rắn. Quá trình này dựa trên sự hấp phụ và giải hấp phụ khí nitơ ở nhiệt độ thấp. Kết quả thực nghiệm cho thấy, diện tích bề mặt BET của bentonite sau khi biến tính bằng PAC tăng lên đáng kể, có thể từ vài chục m²/g (bentonite tự nhiên) lên đến 200-400 m²/g. Sự gia tăng này chủ yếu đến từ việc tạo ra các vi lỗ xốp (micropores) trong không gian giữa các lớp được chống đỡ bởi các trụ cột oxit nhôm. Diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lỗ xốp phát triển chính là nguyên nhân cơ bản giúp vật liệu hấp phụ này có hiệu suất vượt trội trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm.

IV. TOP Ứng Dụng Của Bentonite Biến Tính Trong Xử Lý Nước Thải

Sự ưu việt về cấu trúc và tính chất bề mặt giúp bentonite biến tính bằng polyaluminium chlorua trở thành một vật liệu đa năng và hiệu quả cao trong lĩnh vực xử lý nước thải. Khả năng loại bỏ đồng thời nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau, từ kim loại nặng đến các hợp chất hữu cơ và vô cơ, đã mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng, góp phần giải quyết các vấn đề môi trường cấp bách hiện nay.

4.1. Nâng cao hiệu quả hấp phụ kim loại nặng trong nước

Nước thải công nghiệp thường chứa các ion kim loại nặng độc hại như Pb²⁺, Cd²⁺, Cr⁶⁺, As³⁺. Bentonite hoạt hóa bằng PAC cho thấy khả năng hấp phụ kim loại nặng vượt trội so với bentonite nguyên bản. Cơ chế loại bỏ bao gồm sự kết hợp của nhiều quá trình: trao đổi ion với các proton trên bề mặt, tạo phức bề mặt với các nhóm hydroxyl của trụ cột oxit nhôm, và hấp phụ vật lý vào các lỗ xốp. Như trong tài liệu nghiên cứu gốc, khả năng hấp phụ chì (Pb) của mẫu biến tính đã được chứng minh là hiệu quả. Diện tích bề mặt lớn cùng với sự hiện diện của các tâm axit Lewis và Brønsted trên bề mặt vật liệu đã tăng cường mạnh mẽ ái lực của nó với các cation kim loại, giúp loại bỏ chúng ra khỏi dung dịch một cách triệt để.

4.2. Khử màu nước thải và loại bỏ các hợp chất hữu cơ

Nước thải từ các ngành công nghiệp dệt nhuộm, sản xuất giấy chứa hàm lượng lớn các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ, gây ô nhiễm màu nghiêm trọng. Cấu trúc lỗ xốp của bentonite trụ cột với kích thước phù hợp cho phép các phân tử thuốc nhuộm lớn khuếch tán vào bên trong và bị giữ lại. Quá trình khử màu nước thải diễn ra hiệu quả nhờ các tương tác tĩnh điện và lực Van der Waals giữa phân tử thuốc nhuộm và bề mặt vật liệu. Bên cạnh đó, các tâm axit mạnh trên bề mặt còn có thể hoạt động như một chất xúc tác, thúc đẩy quá trình phân hủy quang hóa hoặc oxy hóa một số hợp chất hữu cơ khó phân hủy, tăng cường hiệu quả xử lý tổng thể.

4.3. Chuyên sâu về khả năng loại bỏ photphat và amoni

Photphat và amoni là những tác nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước. Việc loại bỏ photphat (P) và amoni (N) là một thách thức lớn trong xử lý nước thải. Bentonite biến tính bằng PAC thể hiện tiềm năng lớn trong ứng dụng này. Các trụ cột oxit nhôm mang điện tích dương có khả năng tạo liên kết mạnh với các anion photphat (PO₄³⁻, HPO₄²⁻). Đồng thời, các vị trí trao đổi ion còn trống và bề mặt mang điện tích âm của lớp silicat có thể hấp phụ các cation amoni (NH₄⁺). Khả năng loại bỏ đồng thời cả N và P làm cho vật liệu này trở thành một giải pháp hấp dẫn và kinh tế cho các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÓNG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG VE KHOÁNG SET 1. THÀNH PHAN HOA HOC VA PHAN BO [1] Khoáng sét tinh thé là một loại aluminosilicate tự nhiên, cỏ công thức hoa học chung là: xSiO;. Trong tự nhiên, khoảng sét là một hỗn hợp gồm nhiêu loại khác nhau.

Vi vậy, thành phan hoa học của khoáng sét rất phức tạp. Trong thành phan của tất cả các khoáng sét đều chứa nguyên tổ silic. Ngoài ra còn có các nguyền tế khác như Al, Fe, Mẹ, Ca, Na. Trong đó, Al ld nguyên tố có ham lượng lớn thir hai sau nguyên tế silic.

H2719H Bentonit được tim thấy lần dau tiên ở núi Bentox, vùng kok-krik bang Uaioming (Mỹ). Chính tên gọi Bentonit được bắt nguôn từ tên địa phương đó. Đây là một loại sét déo, màu nâu vàng hoặc xanh xám, trương nở mạnh trong nước. Các tính chất đặc thù và khả nang img dụng của Bentonit trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã nhanh chóng được nghiên cứu.

Vào đầu năm 1888 8enronit được khai thác ở qui mô lớn để phục vụ cho công nghiệp. SVTH: 3 Luận vân tốt nghiệp Sau đó Bentonit cũng nhanh chóng được phát hiện ở nhiều nơi trên thé giới như Mỹ. Canada, Nam Phi. Tây Đức, Pháp.

Hungari, Trung Quốc, Án Độ và Nhật Bản. Ở nước ta Bentonit đã được tìm thay ở nhiều nơi : Cô Định (Thanh Hóa).với trữ lượng đôi dào. Trong đó Bentonit Thuận Hải có trừ lượng lớn hang trăm triệu tan. mới được tìm thay 1987.

Hiện nay Bentonit Việt Nam được khai thác chủ yếu dé pha chế làm dich khoan. Việc sử dụng Bentonit trong lĩnh vực xúc tác và hdp phụ vẫn còn rất hạn chế. Vi vậy việc nghiên cứu thành phần cấu trúc và tính chất của Bentonit Việt Nam là rất cần thiết. chúng ta sử dụng Bentonite có hiệu quả hơn trong lĩnh vực xúc tác.

hap phụ và bảo vệ môi trường. Qua đó góp phan tận dụng nguồn tai nguyên thiên nhiên quí báu của đất nước trong công cuộc xây dựng nén kinh tế nước nhà. Ngoài ra, kaolinite cũng được sử đụng nhiều ở nước ta. Trữ kaolin ở Việt Nam dự báo khoảng 15 triệu tan, hàm lượng Al;O; trong kaolin khoảng từ 29-38%.

Quang kaolin tập trung chủ yếu ở các tỉnh như Lào Cai. Yên Bai, Phú Thọ. Kaolinite được sử dụng trong các nhanh công nghiệp như: gốm sứ. công nghiệp giấy.

dược phẩm, mỹ phẩm, điều chế zeolite. CÁU TRÚC KHOANG SET [2,3,4,5] 1. Cấu trúc tinh thé Bằng những phương pháp nghiêng cứu hóa ly hiện đại như: nghiên cứu cấu trúc bằng tia X, chụp anh bằng kính hiển vi điện từ, khảo sát quá trình chuyển hóa xây ra khi nung và kết hợp với phân tích hóa học. mà người ta biết được rằng các loại khoáng sét đều được cau tạo từ những tam tứ điện SiO,” va tam bát diện Al(OH),.

a) Phiến (sheet) Phién tir diện: tam tứ diện do các tứ điện SiO,* (hoặc AlO,”) liên kết với nhau tạo thành. Mỗi tứ diện gồm một cation trung tâm liên kết phối trí với bốn nguyễn tử SVTH: 4 Luận van tốt nghi oxy. Các tử điện liên kết với nhau băng chia sẽ ba trong bốn đỉnh của tử diện Có nghĩa la một anion O* sẽ liên kết với một cặp ion SỈ!” - Si?” hoặc SỈ” - AP”. Ba oxy trong cùng một mặt phẳng gọi la oxy đáy, oxy còn lại gọi là oxy đỉnh.

Các oxy đáy sắp xếp sao cho tạo thành một lỗ sáu cạnh ma mỗi đỉnh chính là các nguyên tử oxy | @ Silic © Oxy a Hinh1- Đơn vị câu trúc tử điện Hình 2: Phiến tử điện Phién bát diện: gồm các bat điện AKOH) (hoặc M(OH},) liên kết với nhau tạo thanh Mỗi bát diện gồm một ion trung tâm liên kết phối trí với sáu nguyên tử oxy xung quanh. Các phiến bát diện liên kết với nhau tạo thành lớp bát diện. Các bát điện liên kết với nhau bảng cách chia sẽ sáu đỉnh của minh. Có nghĩa là mỗi anion sẽ liên kê với ba cation (loại trioctahedral) hoặc hai cation (loại dioctahedral) Các dioctahedral va trioctahedral được phân biệt trong 6 đơn vị bát diện @ Al, Mg.

Al’, Mg*" hoặc Fe*" © Hydroxyl O Oxy Oxy hoặc Hydroxy! Hình 3: Cau trúc một don vị bát điện Hình 4: Phiến bát điện b) Lớp (layer) Là sự tổ hợp các phiến theo các kiểu khác nhau. Có hai loại Loại l1: một phiên tứ diện liên kết với một phiến bát dién SVTH: 5 Luận vân tốt nghiệp Loại 2:1: một phiên bát điện nằm kẹp giữa hai lớp tứ điện Cau trúc lý thuyết của hai loại này phụ thuộc vào sự đối xửng lỗ bát diện của phiên tứ điện va bát diện. Các oxy đỉnh của tứ điện sẽ trở thành đỉnh của các bát diện. Vi vậy, sáu đỉnh của bát điện trong lớp 1:1 hình thành bởi 4 nhóm OH' và hai oxy đỉnh của tứ điện.

Còn trong lớp 2:1 thi hai nhóm OH” va bốn oxy đỉnh của hai phiên tứ điện sẽ tạo thanh các đỉnh của bát điện. e) Tỉnh thể Tinh thể khoáng sét hình thành bởi sự liên kết các lớp với nhau. Độ day của tinh thể phụ thuộc vào số lớp khoáng có trong tỉnh thể. Hình đạng vả kích thước của tỉnh thé phụ thuộc vào điều kiện lý hoá suốt quá trình hình thành.

Kích thước tính thé của các loại khoáng thì khác nhau. Khoáng smectite (montorillonite) có kích thước tỉnh thể nhỏ (khoảng Inm) vả mỏng (vai lớp cấu trúc). Trong khi đó tính thé kaolinite thi lớn hơn tỉnh thể smectitie rất nhiều và có hình lăng trụ lục giác. d) Hạt Việc quan sát những tinh thé cd lập thường rất khó khăn.

Thông qua quan sát TEM, ta thấy hạt khoáng gồm các tỉnh thể nằm xếp chồng lên nhau. Các loại khoáng khác nhau thì có hình đáng kích thức tỉnh thể khác nhau. e) Khối kết Khối kết là đơn vị cấu trúc cao nhất của khoáng sét. Chúng do các tỉnh thể hoặc các hạt liên kết với nhau bởi lực hút tĩnh điện hoặc do các chất kết nối.

Phân loại Khoáng sét có cấu trúc lớp với sự sắp xếp khác nhau của các phiến tử điện và bát diện. Sự sắp xếp của các lớp tứ điện và bát điện sẽ hình thành các loại khoáng sét như sau: a) Nhóm khoáng sét loại 1:1 Đại diện cho nhóm nay là kaolinite với công thức hoá học chung là: Al;Si:O. Cấu trúc cơ bản gồm một lớp tứ diện SiO,* liên kết với một lớp bat SVTH: 6 L.uận văn tốt nghiệ điện Al(OH), theo kiêu 1-1. Năm 1930, Pauling đã phác thao câu trúc tinh thể của kaolinite dựa vào polyhedra được ly tưởng hoá Năm 1932, Gruner đã có bản báo cáo đâu tiên rõ ràng về câu trúc của kaolinite, Ông đã chi ra đây là loại khoáng đối xứng đơn tà với đụo/=l .43nm, tương ứng với khoáng cách hai lớp câu trúc Hinh Š: Câu trúc một lớp Kaolinite Các lớp khoáng kaolinite có bản chất trung hoa điện.

Hai lớp khoáng ké nhau liên kết với nhau thông qua liên kết hidro giữa -Al-O-H O-Si-. Ta đã biết đây la loại khoáng thuộc lớp 1:1. Trong mỗi lớp, mỗi tế bảo bát diện luôn có bốn nhóm OH” Ba nhóm trong số chúng được định vị ở bẻ mặt ngoải của lớp. Cỏn nhóm còn lại được định vị bên trong lớp khoáng được mô tả như hình dưới đây: Hinh 6: Liên kết hydro giữa các lớp trong khoáng Kaolinite SVTH 7 Luận văn tối nghiệp Chính ba nhóm OH" ở bên ngoài nay sẽ tạo liên kết hidro với anion O* của lớp kể cận với nó.

Vi tạo liên kết hidro giữa các lớp nên mạng tinh thé kaolinite liên kết chặc chẽ với nhau. Khi hoa tan vao nước thi kaolinite it trương nở, b) Nhóm khoáng sét loại 2:1 Đại diện cho nhóm nay lá montmorillonite có công thức hoa học chung là Su(Al:Mg,)O¡(OH);.nH;O Câu trúc tinh thé cua Montmorillonite được câu tạo từ một phiến bát diện liên kết với hai phiến tứ điện tạo thành một lớp câu trúc. Các lớp cấu trúc xếp chông song song lên nhau Giữa các lớp cấu trúc lả các cation trao đổi va nước hấp phụ Một lớp cấu trúc cỏ chiêu day khoảng 10A”. Hình 7: Cu trúc một lớp montmorillonite Ở Montmorillonite, hai lớp cạnh nhau sắp xếp hỗn độn do liên kết giữa chúng chủ yếu la liên kết Vander Waals.

Liên kết Vander Waals gây nên bởi day -O-Si-O- trong phiến tứ diện của hai lớp kể nhau, chứ không có nhóm OH’. Điều nảy có nghĩa lả không có liên kết hidro trong cấu trúc của Montmorillonite. Do vậy ma nước hay các chất lỏng phân cực khác dé dang thắm vào mạng tinh thé của Montmorillonite. Qua đỏ lam cho khoáng cách giữa hai lớp khoáng dé dang bị giản ra.

Đây chính la nguyên nhân gây nên hiện tượng trương nở mạnh rat đặc trưng của khoảng Montmorillonite SVTH § Luan văn tot nghiệ c) Nhóm khoáng sét loại 2:1:1 Đại diện cho nhóm nay là Clorit. Cau trúc cơ bản gôm một lớp 2:1 vả thêm một lớp bát điện được lặp lại tuần hoản. Giữa lớp 2:1 vả lớp bát điện hình thành nên lực hút tĩnh điện do có sự tích điện trai dấu nhau. Điện tích âm ở lớp 2:1 chủ yếu do sự thay thể Sỉ"” bởi AI”” trong phiến bát diện.

Trong khí đó điện tích dương của lớp bát diện do sự thay thế các cation hoá trị II bằng các cation hoá trị III tại tâm bát diện Điện tích dương của lớp bát diện thông thường cân bằng với điện tích âm của lớp 2:1. Đôi khi, phiến bát diện trong lớp 2:1 cũng đóng góp dé cân bằng điện tích. Điện tích của phiến bát diện trong lớp 2:1 là dương nêu điện tích toán bộ của phiến tứ điện <-1. Ngược lại, điện tích của phiến bát diện là âm nếu điện tích toan bộ của phiến tử diện >-1.

Như vậy, ở trạng thai én định của Clorit, tổng điện tích của lớp 2-1 la -1 và của lớp bát diện là + Chính vi hình thánh liên kết tĩnh điện giữa các lớp nên các lớp trong khoáng Clorite liên kết với nhau rất chặt chẽ. Khi phân tán trong nước thi Clorit hé trương nở SVTH: 9 Luận văn tốt nghiệp Ngoài ra trong cùng một nhóm, khoáng sét còn được chia thành nhóm diocta vả nhóm triocta Phân nhóm diocta trong mang bát diện, cứ 3 vị tri tam bát diện thi có 2 vị tri chiêm bởi ion hoá trị [II (Al””), côn | vị trí bỏ trong Phân nhóm triocta: trong mạng bát diện thi mỗi vị tri tâm bát diện bị chiếm bởi ion hoá trị I (Mg”" ). Hinh 9: Phân nhóm trioctahedral Hình 10: Phân nhóm dioctahedral 3. Sự thay thế trong mạngtỉnh thể Trong khoảng sét có thể có sự thay thé các cation ở tâm các tử điện và bát điện Ở lớp tứ diện thi Si** được thay thé bởi các cation hoá trị II] như AI", Fe`",.