Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ từ Bentonit (Thanh Hóa) và Tetrađecyltrimetyl Amoni Bromua

Nội dung text: Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ từ Bentonit (Thanh Hóa) và Tetrađecyltrimetyl Amoni Bromua

1. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 20, số 3/2015 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT (THANH HÓA) VÀ TETRAĐECYLTRIMETYL AMONI BROMUA Đến tòa soạn 16 - 6 - 2015 Phạm Thị Hà Thanh, Trần Anh Vũ, Lã Mạnh Cường Khoa Hóa học -Trường ĐH Sư phạm – Đại học Thái Nguyên SUMMARY INVESTIGATION ON THE PROCESS OF SYNTHESIS ORGANOCLAYS FROM BENTONITE (THANH HOA) AND TETRADECYLTRIMETHYL AMMONIUM BROMIDE Synthesize organoclay by wet method and study the influence of reactive conditions in the preparation of organoclay from bentonite (Thanh Hoa) and tetradecyltrimetyl ammonium bromide (TĐTM) on the distance of the organoclay layers (d001) and the level of intrusion TĐTM into bentonite has been studied. By X-ray diffraction method, the direct method calcined sample was determined suitable conditions for preparing organoclays from bentonite (Thanh Hoa) and TĐTM were: reaction temperature of 500C, the volume ratio TĐTM/bentonite 0.5, pH = 9.0 solution, reaction time 4 h, the product was dried for 48 hours at 80oC. Trước hạn chế đó, nhiều nhà khoa học 1. MỞ ĐẦU trong và ngoài nước không ngừng nghiên Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn cứu, tìm hiểu những vật liệu có tính năng đề quan tâm của toàn nhân loại, đặc biệt là vượt trội hơn nhằm đáp ứng nhu cầu cho ô nhiễm nguồn nước. Trong suốt những việc xử lý nguồn nước. Bentonit có cấu trúc thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, lớp, có diện tích bề mặt lớn nên có khả zeolit với hệ thống vi mao quản đồng đều năng hấp phụ từ môi trường nhiều chất vô đang được áp dụng làm chất hấp phụ. Tuy cơ và hữu cơ. Bằng các phương pháp xử lý nhiên ứng dụng của than hoạt tính và zeolit khác nhau, người ta có thể thu được vật liệu bị hạn chế bởi kích thước mao quản nhỏ có khả năng hấp phụ, trao đổi ion tốt hơn dẫn đến không phù hợp cho quá trình hấp bằng cách biến tính bentonit bằng axit, phụ các chất có kích thước lớn hơn về cấu bằng kiềm, bằng nhiệt hay làm thay đổi trúc. 338
2. kích thước mạng của bentonit bằng các HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M đến giá trị cation vô cơ, hữu cơ khảo sát. Tiếp tục khuấy ở nhiệt độ và thời Trong công trình này, chúng tôi đặt vấn đề gian xác định trên máy khuấy từ gia nhiệt. nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới Sau thời gian phản ứng, hỗn hợp được để quá trình điều chế sét hữu cơ từ bentonit ổn định trong 12 giờ tại nhiệt độ phòng, sau (Thanh Hóa) và TĐTM, tìm điều kiện thích đó lọc rửa kết tủa với nước cất nóng 40oC ÷ o hợp để điều chế sét hữu cơ có d001 và hàm 50 C để loại bỏ TĐTM dư và ion bromua, lượng (%) cation xâm nhập lớn nhất. kiểm tra bằng dung dịch AgNO3 0,1M. Sản phẩm được làm khô ở 80oC trong 2 ngày, 2. THỰC NGHIỆM nghiền mịn, thu được sản phẩm. Đánh giá 2.1. Hóa chất, thiết bị các mẫu sản phẩm sét hữu cơ bằng giản đồ Hóa chất: Sử dụng sét bentonit (Thanh XRD [1, 2]. Hóa) (bent-TH). Tác nhân hữu cơ hóa được Hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập sử dụng là muối amoni bậc bốn: trong sản phẩm được tính bằng hiệu số giữa C17H38BrN (M=336,4 g/mol) giá trị mất khối lượng của các mẫu bentonit tetrađecyltrimetyl amoni bromua (TĐTM) được chế hóa khi có và không có TĐTM (P.A). Các hóa chất khác: HCl, NaOH, bằng phương pháp nung mẫu trực tiếp. AgNO3 (P.A). Thiết bị: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN mẫu sét hữu cơ được đo trên máy D8 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ Advanced Bruker (CHLB Đức) với anot Cu phản ứng có λ (Kα) = 0,154056nm, khoảng ghi 2θ = Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 0,5o÷10o, tốc độ 0,01o tại khoa Hoá học, đến quá trình điều chế sét hữu cơ được tiến Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại hành theo quy trình mục 2.2 với các điều học Quốc gia Hà Nội. kiện: khối lượng bentonit 1 gam, tỉ lệ khối 2.2. Tổng hợp sét hữu cơ lượng TĐTM/bentonit bằng 0,5; pH dung Quá trình khảo sát một số điều kiện điều chế dich bằng 9; thời gian phản ứng 4 giờ; nhiệt sét hữu cơ được tiến hành như sau: cho 1 gam độ phản ứng được khảo sát lần lượt là: bentonit vào cốc thủy tinh 250ml chứa 100ml 30oC, 40oC, 50oC, 60oC và 70oC. nước, khuấy 2 giờ cho sét trương nở tối đa Bentonit và các mẫu sét hữu cơ điều chế tạo huyền phù bentonit 1%. Dung dịch muối được đánh giá bằng giản đồ XRD, phân tích tetrađecyltrimetyl amoni bromua (TĐTM) nhiệt bằng phương pháp nung mẫu trực được khuấy tan trong 50ml nước nóng 40oC ÷ tiếp. Kết quả được trình bày trên hình 1, 50oC theo khối lượng nhất định. Cho từ từ hình 2 và bảng 1. từng giọt dung dịch muối TĐTM vào bình phản ứng chứa huyền phù bentonit 1%, điều chỉnh pH dung dịch bằng dung dịch 339
3. Nhiệt độ 900 800 700 TH 30 600 500 TH 40 d001 400 TH 50 300 TH 60 200 100 TH 70 0 Bent TH 1 3.08 5.16 7.24 9.32 1.416 1.832 2.248 2.664 3.496 3.912 4.328 4.744 5.576 5.992 6.408 6.824 7.656 8.072 8.488 8.904 9.736 Hình 1: Giản đồ XRD của bent-TH và các Hình 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở các nhiệt giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng của các độ 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC mẫu sét hữu cơ điều chế Hình 1 cho thấy giản đồ XRD của các mẫu Hình 2 cho thấy sét hữu cơ điều chế có giá sét hữu cơ thu được có hình dạng giống trị d001 trong khoảng 34,597Å ÷ 37,967Å o o nhau, góc 2θ của bent-TH từ 6 ÷7,4 đã bị (trong các mẫu sét hữu cơ). Giá trị d001 tăng dịch chuyển về khoảng 2,1o÷2,5o trong các lên khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 30oC ÷ o o mẫu sét hữu cơ. Điều đó khẳng định sự có 50 C, đạt cực đại ở 50 C với d001 bằng mặt của cation hữu cơ giữa các lớp 37,967Å nhưng giảm dần khi tiếp tục tăng bentonit. nhiệt độ phản ứng từ 50oC ÷ 70oC Bảng 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ Nhiệt độ (oC) Bent-TH 30 40 50 60 70 d001 (Å) - 35,793 35,888 37,967 35,543 34,597 Tổng (%) mất khối lượng 19,72 50,95 52,00 54,04 52,02 50,01 Hàm lượng (%) cation hữu cơ 0,00 31,23 32,28 34,32 32,30 30,29 xâm nhập Vì vậy nhiệt độ phù hợp được lựa chọn cho quá trình điều chế sét hữu cơ là 50oC. ứng là 4 giờ, khối lượng TĐTM thay đổi 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lần lượt là 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 gam. Sản lượng TĐTM/bentonit phẩm sét hữu cơ được đánh giá bằng giản Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng đồ XRD, phân tích nhiệt bằng phương pháp TĐTM/bentonit được tiến hành theo quy nung mẫu trực tiếp. Kết quả được trình bày trình mục 2.2 với các điều kiện: khối lượng trên hình 3, hình 4 và bảng 2. của bentonit 1 gam, nhiệt độ phản ứng 50oC, pH dung dịch bằng 9, thời gian phản 340
4. Tỉ lệ khối lượng TĐTM/bentonit 1000 0,3 gam 800 0,4 gam 600 0,5 gam d001 400 200 0,6 gam 0 0,7 gam 1 Bent TH 8.52 2.504 4.008 5.512 7.016 Hình 3: Giản đồ XRD của bent-TH và các mẫu Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sét hữu cơ được điều chế ở các tỉ lệ TĐTM/ giá trị d001 theo tỉ lệ TĐTM/ bentonit của bentonit lần lượt là: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 các mẫu sét hữu cơ điều chế 0,7. Đồng thời hàm lượng cation hữu cơ Từ bảng 2 và hình 3 cho thấy sét hữu cơ xâm nhập trong sét hữu cơ cũng tăng lên điều chế có giá trị d001 nằm trong khoảng khi tăng tỉ lệ khối lượng từ 0,3 ÷ 0,5, đạt 34,974Å ÷ 37,967Å (trong các mẫu sét hữu cực đại ở tỉ lệ 0,5 với hàm lượng cation hữu cơ). Giá trị d001 tăng lên khi tăng tỉ lệ khối cơ xâm nhập là 34,83% và khi tăng tỉ lệ lượng từ 0,3 ÷ 0,5 giá trị đạt cực đại ở tỉ lệ khối lượng từ 0,5 ÷ 0,7 thì hàm lượng 0,5 với d001 bằng 37,967Å nhưng giảm dần cation hữu cơ xâm nhập hơi giảm xuống. khi tiếp tục tăng tỉ lệ khối lượng từ 0,5 ÷ Bảng 2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TTAB/bentonit đến giá trị d001 và hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ Tỉ lệ khối lượng TĐTM/bentonit Bent-TH 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 d001 (Å) - 34,974 36,285 37,967 37,689 36,462 Tổng (%) mất khối lượng 19,72 49,39 50,01 54,55 52,03 52,84 Hàm lượng (%) cation hữu cơ 0,00 29,67 30,29 34,83 32,31 32,12 xâm nhập Vì vậy tỉ lệ khối lượng TĐTM/bentonit mục 2.2 với các điều kiện: khối lượng được lựa chọn cho quá trình điều chế sét bentonit 1gam, nhiệt độ phản ứng 50oC, tỷ lệ hữu cơ là 0,5. khối lượng TĐTM/bentonit là 0,5, thời gian 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH phản ứng 4 giờ, giá trị pH dung dịch thay Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến đổi từ 7 ÷ 11. Kết quả được trình bày trên giá trị d001 trong quá trình điều chế sét hữu bảng 3. cơ được tiến hành theo quy trình mô tả ở 341
5. Bảng 3: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến giá trị d001 và hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ pH dung dịch Bent-TH 7 8 9 10 11 d001 (Å) - 34,468 35,360 37,967 35,101 33,237 Tổng (%) mất khối lượng 19,74 49,99 51,12 52,06 51,66 51,82 Hàm lượng (%) cation hữu cơ 0,00 30,25 31,38 34,68 31,92 32,08 xâm nhập Các kết quả ghi trên bảng 3 cho thấy khi điều kiện: khối lượng bentonit 1gam, nhiệt độ o giá trị pH tăng từ 6÷9 giá trị d001 tăng lên phản ứng là 50 C, tỷ lệ khối lượng 33,237Å ÷ 37,967Å và đạt cực đại ở pH TĐTM/bentonit là 0,5, pH dung dịch bằng 9, dung dịch bằng 9 với d001 bằng 37,967Å, thời gian phản ứng lần lượt là 2 giờ, 3 giờ, 4 tiếp tục tăng pH dung dịch lên 10; 11 giá trị giờ, 5 giờ, 6 giờ. Kết quả được trình bày trên d001 giảm xuống. Kết quả này khá phù hợp với bảng 4. kết quả xác định hàm lượng cation hữu cơ xâm Từ kết quả bảng 4 cho thấy giá trị d001 tăng nhập. Với pH dung dịch từ 6 ÷ 9 hàm lượng lên từ 35,074Å ÷ 37,967Å khi thay đổi thời cation hữu cơ xâm nhập là 34,68%, với pH gian phản ứng từ 1 giờ 4 giờ và đạt giá trị dung dịch tăng lên 10; 11 hàm lượng cation hữu cực đại d001 bằng 37,967Å ở 4 giờ, sau đó cơ xâm nhập thay đổi không nhiều. giá trị d001 khá ổn định khi tăng thời gian. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn điều chế sét hữu Bên cạnh đó hàm lượng cation hữu cơ xâm cơ trong dung dịch có pH bằng 9. nhập cũng có sự biến đổi tương tự, khi tăng 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thời gian phản ứng từ 2 giờ ÷ 4 giờ thì hàm phản ứng lượng cation hữu cơ xâm nhập tăng lên từ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 28,36% ÷ 35,02%, đạt cực đại ở 4 giờ đến giá trị d001 trong sét hữu cơ được tiến (35,02%) và khá ổn định khi tăng thời gian hành theo quy trình mô tả ở mục 2.2 với các phản ứng lên 5 giờ, 6 giờ. Bảng 4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001 và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ Thời gian (giờ) Bent-TH 2 3 4 5 6 d001 (Å) - 35,076 35,688 37,967 36,558 34,567 Tổng (%) mất khối lượng 19,75 48,11 51,08 52,10 54,58 54,66 Hàm lượng (%) cation hữu cơ 0,00 28,36 31,33 35,02 34,83 34,91 xâm nhập 342
6. Sự biến đổi này là do thời gian đầu TĐTM 2. Phạm Thị Hà Thanh, (2012) Nghiên cứu trao đổi với các cation vô cơ trong bentonit, điều chế nanocompozit polyme/bentonit- phản ứng trao đổi xảy ra khá nhanh, nhưng DMDOA, Luận án Tiến sĩ Hóa học, vì TĐTM có cấu trúc phân tử cồng kềnh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại nên để ổn định các cation hữu cơ trên bề học Quốc gia Hà Nội. mặt phiến sét cần phải giữ mẫu phản ứng 3. Breakwell K.I., Homer J., Lawrence thêm một thời gian. Còn thời gian sau 4 giờ M.A.M., McWhinnie W.R., (1995) quá trình trao đổi hấp phụ đã ổn định. “Studies of organophilic clays: the Vì vậy thời gian lựa chọn cho quá trình distribution of quaternary ammonium điều chế sét hữu cơ là 4 giờ. compounds on clay surfaces and the role of 4. KẾT LUẬN impurities”, Polyedron, 14, pp. 2511–2518. Sau một thời gian nghiên cứu, chúng tôi đã 4. Lucilene Betega de Paiva, Ana Rita đã xác định được điều kiện thích hợp cho Morales, Francisco R.Valenzuela Diaz - quá trình điều chế sét hữu cơ từ bentonit (2008) Organoclays: Properties, preparation (Thanh Hóa) và tetrađecyltrimetyl amoni and application, Applied clay science, clay- bromua trong môi trường nước là: nhiệt độ 01421 17. phản ứng 50oC; tỷ lệ khối lượng 5. Fethi Kooli, Yan Liu, Solhe F. TĐTM/bentonit là 0,5; pH dung dịch bằng Alshahateet, Mouslim Messali, and Faiza 9; thời gian phản ứng 4 giờ. Bergaya - (2009) Reaction of acid activated montmorillonites with hexadecyl TÀI LIỆU THAM KHẢO trimethylammonium bromide solution, 1. Nguyễn Trọng Nghĩa, (2011) Điều chế sét Applied clay science 43 357-363. hữu cơ từ khoáng bentonite Bình Thuận và khảo sát khả năng ứng dụng của chúng, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. 343