MỞ ĐẦU Bentonite là một loại khoáng sét có thành phần chính là montmorilonite (MMT), có cấu trúc lớp xốp và khả năng trƣơng nở cao. Khoáng chất này có khả năng hấp phụ, trao đổi ion, lọc phân tử, tác dụng tốt lên trạng thái sinh lý của động vật, bình thƣờng hóa các quá trình trao đổi chất, tăng cƣờng sức đề kháng của vật nuôi và khả năng tiếp thu các chất dinh dƣỡng của phụ gia thức ăn (premix), nâng cao sản lƣợng nuôi, giảm thiểu bệnh và mức độ tử vong. Đây chính là cơ sở quan trọng cho thấy MMT nhƣ một nguyên liệu nhiều triển vọng trong sản xuất premix. MMT từng đƣợc biết đến với khả năng khử khuẩn và khử trùng nhiều loại nấm do các ion dƣơng có thể xen vào khoảng cách lớp của nó.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ion bạc xen vào giữa các lớp tạo ra khả năng kháng khuẩn rất tốt cho MMT. Trong những năm gần đây, loại vật liệu MMT cố định nano bạc đã đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Có nhiều nghiên cứu đã thực hiện gắn nano bạc lên MMT với ứng dụng chủ yếu là năng cao khả năng khử trùng của MMT để phục vụ các mục đích khác nhau. Mới đây nhằm tăng khả năng ứng dụng bentonite trong chăn nuôi các nhà khoa học đã nghiên cứu đƣa nano bạc vào thành phần phụ gia thức ăn chăn nuôi.
Nano bạc có khả năng kháng khuẩn cao hơn nhiều so với muối bạc và thể hiện sức đề kháng chống lại sự vô hiệu hóa hoạt tính của nó bởi các axit trong đƣờng tiêu hóa. Bởi vì nano bạc có tính ổn định cao hơn so với ion Ag+ trong dung dịch axit HCl trong dịch dạ dày, do đó ít bị các tế bào eucariotic (có nhân chuẩn) hấp thụ và vì vậy ít độc hơn. Nƣớc ta hiện nay vẫn là nƣớc nông nghiệp và phấn đấu tăng tỷ lệ giá trị chăn nuôi để trở thành ngành sản xuất nông nghiệp chính. Tuy nhiên, khó khăn hiện nay là chúng ta đang phụ thuộc quá nhiều vào thức ăn chăn nuôi nhập từ nƣớc ngoài nên hiệu quả kinh tế không cao.
Theo số liệu của Tổng cục Hải quan, những năm gần đây Việt Nam đã nhập khẩu gần 3 tỷ USD thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu mỗi năm. Trong số các nguyên liệu thức ăn chăn nuôi nhập khẩu có phụ gia khử trùng và hấp phụ độc tố nấm có nguồn gốc là khoáng bentonite. Nhƣ vậy việc đầu tƣ 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghiên cứu công nghệ chế biến khoáng bentonite Lâm Đồng làm phụ gia thức ăn chăn nuôi sẽ làm gia tăng giá trị sử dụng và giá trị kinh tế cho tài nguyên này. Bằng cách bổ sung chế phẩm Ag/MMT vào thức ăn tổng hợp ứng dụng trong chăn nuôi gia súc, gia cầm có thể hạn chế đƣợc khả năng nhiễm khuẩn và nấm mốc nguồn thức ăn, góp phần nâng cao chất lƣợng thức ăn chăn nuôi, giảm tỷ lệ chết, nâng cao chất lƣợng thịt và năng suất chăn nuôi.
Do đó, trong khuôn khổ Luận văn này em chọn nội dung nghiên cứu là:“Nghiên cứu khả năng khử trùng của vật liệu bentonite (Tam Bố, Lâm Đồng) gắn nano bạc để ứng dụng làm phụ gia thức ăn chăn nuôi”. Mục đích nghiên cứu của Luận văn: Chế tạo vật liệu bentonite gắn nano bạc và đánh giá khả năng khử trùng E.coli và Salmonella của vật liệu hƣớng tới làm phụ gia thức ăn chăn nuôi. Nội dung nghiên cứu chính của Luận văn gồm có: - Nghiên cứu biến tính bentonite; - Nghiên cứu chế tạo vật liệu bentonite gắn nano bạc; - Đánh giá khả năng khử trùng E.coli và Salmonella của vật liệu bentonite biến tính và bentonite gắn nano bạc. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
Đặc điểm cơ bản của bentonite 1. Thành phần khoáng của bentonite Bentonite là nhóm sét có nguồn gốc xuất xứ khác nhau và có chung cấu trúc thành phần lớp smectite (nhóm vật liệu sét có đặc tính là khả năng trƣơng nở nội tinh thể, gồm MMT, badelite, nontronite, saponite, gectorite .) Tất cả các smectite có chung cấu trúc tinh thể bao gồm nhóm các silicate lớp phân cách bởi các khoảng cách lớp bị lấp đầy bằng các phân tử nƣớc và các cation trao đổi. Nhóm MMT nổi bật trong số các nhóm khoáng có khả năng hấp phụ và trao đổi ion cao, thêm vào đó khả năng trao đổi của MMT về tổng thể cao hơn nhiều so với tất cả các khoáng sét khác. Dung lƣợng hấp phụ cao của MMT đƣợc giải thích vì tinh thể của MMT trao đổi với các ion diễn ra không chỉ trên bề mặt ngoài của các tinh thể, mà còn bên trong mạng tinh thể giữa các lớp cơ sở.
Trong thành phần bentonite còn có các khoáng thứ cấp khác nhƣ hydromica, kaolinite, chlorite, khoáng hỗn hợp chlorite-MMT, hydromica-MMT trong các tỷ lệ khác nhau và palgorskite. Những khoáng này mức độ nào đó ảnh hƣởng đến tính chất của sét bentonite làm thay đổi tính kết dính và tính hấp phụ của bentonite. Các khoáng phi sét cũng ảnh hƣởng đến đặc tính kỹ thuật của bentonite. Ví dụ hỗn hợp zeolite và crystobalite làm tăng tính hấp phụ của bentonite.
Thạch anh, sulphides sắt, kim loại nặng, felspat, calcite, dolomite. làm giảm chất lƣợng của bentonite. Thành phần hóa học của bentonite Bentonite cũng nhƣ các sét khác (chúng có thành phần hóa học tƣơng tự nhau) có đặc tính phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của khoáng vật trong sét. Màu của sét phụ thuộc chính vào hàm lƣợng của các nguyên tố kim loại mang màu có trong sét.
Khi sét chứa một lƣợng lớn ion Fe3+ chúng thƣờng có màu vàng nhạt đến nâu sậm. Khi sét chứa trong thành phần ion Fe2+ hoặc hỗn hợp của ion Fe3+ và Fe2+ sét sẽ có màu xanh nhạt hoặc nâu sậm tùy theo tỷ lệ của Fe2+ và Fe3+. Khi lƣợng sắt trong sét ít thì sét (gồm cả sét bentonite) sẽ có màu sáng hoặc rất sáng. Thành phần hóa học của bentonite ở một số mỏ trên thế giới đƣợc nêu trong bảng sau: 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Thành phần hóa học của sét bentonite Thành phần Bentonite Tam Bố Bentonite Nga Bentonite Pháp (*) (**) (Prolabo) SiO2 45– 57 69,34 59,57 Al2O3 13– 29,6 13,32 16,50 Fe2O3 2,7– 11,0 5,07 3,0 FeO 0,13– 1,03 0,15 ––– CaO 0,32– 3,7 1,82 2,20 MgO 0,2– 4,6 1,42 1,65 K2 O 0,5– 15,0 1,41 0,44 Na2O 0,10– 1,00 0,37 2,15 TiO2 0,6– 4,0 0,7 ––– ZnO –– 0,003 –– MnO 0,01– 1,12 0,03 –– SO3 0,0 – 0,55 0,42 –– MKN 5,0– 15,0 –– –– H2 O 6,18 5,62 –– (*) Theo số liệu của Tổng cục Địa Chất Việt Nam. Với mục đích sử dụng bentonite trong nông nghiệp, chăn nuôi, cải tạo đất trồng, ngƣời ta quan tâm đến các nguyên tố vi lƣợng có trong sét bentonite. Để phân loại bentonite kiềm và bentonite kiềm thổ, ngoài việc xem xét những đặc trƣng hóa lý của bentonite, nhƣ độ trƣơng nở, khả năng hấp phụ, một trong những yếu tố quan trọng là xem xét tỷ lệ: Na/Ca(Mg). Đặc tính trương nở và hấp phụ của bentonite Tính trương nở: Tính trƣơng nở là tính chất khi bentonite hấp thụ hơi nƣớc hay tiếp xúc với nƣớc, các phân tử nƣớc sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tăng lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonite và lƣợng nƣớc bị hấp thụ.
Sự tăng khoảng cách lớp đƣợc giải thích do sự hydrate hóa của các cation giữa các lớp. Sự trƣơng nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong môi trƣờng phân tán. Lƣợng nƣớc đƣợc hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrate hóa của các cation. Nhóm khoáng vật smectite bao gồm: MMT, beidelite, nontronite và vài khoáng vật ít phổ biến khác.
Khoáng vật nhóm smectite có cấu trúc mạng tinh thể nhiều lớp đặc trƣng (hình 1. Ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp. Hai lớp ngoài (lớp dƣới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si) O4 và đƣợc gọi là lớp tứ diện. Giữa chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện [SiO4]– và nhóm hydroxyt [OH]–.
Bình thƣờng các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị ba hoặc ba cation hoá trị hai.1: Cấu trúc của MMT Trong trƣờng hợp đầu thì gọi là lấp đầy hai mặt tám, trƣờng hợp sau là ba mặt tám. Ba lớp cấu tạo thành một tập mang điện tích âm do sự thay thế các nguyên tố hoá trị ba (Al, Fe) trong lớp giữa octaedr bằng các nguyên tố hoá trị hai (Mg, Fe) hoặc Si hoá trị bốn bằng Al hoá trị ba trong lớp tứ diện. Điện tích âm trên bề mặt 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com của mỗi tập còn có thể có đƣợc do các phản ứng thay thế chẳng những trong lớp bát diện mà còn trong các lớp tứ diện và còn do các nguyên nhân khác nữa. Do bề mặt của các tập mang điện tích âm, trên bề mặt chúng có thể phân bố các cation hoá trị từ 1, 2 đến 3.
Chủ yếu đó là các ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+ và Fe2+. Trong quá trình tƣơng tác với nƣớc xung quanh các cation này đƣợc hình thành các lớp vỏ hydrate và do đó dẫn đến hiện tƣợng trƣơng nở trong tập hợp các tập sét này. Khả năng hydrate hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm và đầu tiên phải kể đến là natri. Có khả năng trƣơng nở ít hơn đáng kể là các ion kim loại kiềm thổ – canxi và magie.
Khả năng trƣơng nở và tăng thể tích của smectite (từ 2 – 20 lần) đã xác định tính năng công nghiệp của chúng. Theo thành phần ion trao đổi, bentonite đƣợc chia làm loại kiềm và kiềm thổ. Đối với bentonite kiềm, ion Na+ chiếm ƣu thế trong tổ hợp ion trao đổi. Do ion Na+ có khả năng thu hút một lƣợng lớn các nhóm hydrate mà MMT có hàm lƣợng Na cao có khả năng trƣơng nở lớn nhất.
Bentonite với ion Ca2+ chiếm ƣu thế đƣợc gọi là bentonite canxi. Ngoài Ca2+ trong MMT có thể có Mg2+ với số lƣợng đôi khi vƣợt cả Ca2+. Song thƣờng gặp hơn cả là biến thể của bentonite canxi – magie. Có thể thay đổi tính chất của bentonite canxi và canxi – magie bằng cách xử lý chúng với các dung dịch muối natri.
Quá trình trao đổi ion diễn ra đƣợc gọi là biến tính và kết quả ta nhận đƣợc bentonite biến tính natri.