Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ Bentonit Trung Quốc với TĐTA và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TETRAĐECYLTRIMETYLAMONI BROMUA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên, năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  TETRAĐECYLTRIMETYLAMONI BROMUA Chuyên ngành : HOÁ VÔ CƠ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäuThái Nguyên,http://www.vn/ –ĐHTN năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn tận TS. , cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô ; , Đại học Quốc gia Hà Nội; , và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Thu Hƣờng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Trung Quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng” là do bản thân tôi thực hiện và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ công trình nào khác.

Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái nguyên, tháng 04 năm 2014 Tác giả Xác nhận Xác nhận của trƣởng khoa chuyên môn của ngƣời hƣớng khoa học TS. Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục.

i Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu. ii Danh mục bảng biểu. iii Danh mục các hình. 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN.

Giới thiệu về bentonit. Thành phần của bentonit. Cấu trúc của bentonit. Tính chất của bentonit.

Ứng dụng của bentonit. Một số phương pháp hoạt hóa bentonit. Nguồn tài nguyên bentonit. Giới thiệu về sét hữu cơ.

Cấu trúc sét hữu cơ. Tính chất của sét hữu cơ. Ứng dụng của sét hữu cơ. Tổng hợp sét hữu cơ.

Giới thiệu về phenol đỏ. Cấu tạo và tính chất. Ứng dụng và tác hại của phenol đỏ. Một số thành tựu xử lý các hợp chất phenol.

Giới thiệu về phương pháp hấp phụ. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ.

26 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM. Hóa chất, dụng cụ. Khảo sát quá trình điều chế sét hữu cơ. Các phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp phân tích nhiệt. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR). Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp xác định hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ.

Phương pháp trắc quang. 34 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Điều chế sét hữu cơ. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng.

Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TĐTA/bentonit. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng. Đánh giá cấu trúc và đặc điểm của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu.

44 p nhiễu xạ tia X (XRD). Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt. Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM).

Xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ. Khảo sát dung lượng hấp phụ phenol đỏ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.

64 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU Chữ viết tắt, kí hiệu Nội dung MMT Montmorillonit TĐTA Tetrađecyltrimetylamoni bromua Bent-TQ ) Shc Sét hữu cơ XRD X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X SEM ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dài mạch ankyl đến khoảng cách lớp d001 và diện tích sét bị che phủ .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. 36 Vì vậy nhiệt độ phù hợp được lựa chọn cho quá trình điều chế sét hữu cơ là 50oC.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TĐTA/bentonit đến giá trị d001 và hàm lượng (%) cation hữu cơ xâm nhập của các mẫu sét hữu cơ .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 .4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến giá trị d001 .6: Số liệu xây dựng đường chuẩn của phenol đỏ .7: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian .8: Ảnh hưởng của khối lượng bentonit, sét hữu cơ. 55 đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ phenol đỏ .9: Ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của bentonit và sét hữu cơ. 56 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.

Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT .2: Sự định hướng của các ion ankylamoni trong các lớp silicat .3: Sự sắp xếp các cation hữu cơ kiểu đơn lớp, hai lớp và giả ba lớp .4: Cấu tạo phân tử, cấu trúc không gian của phenol đỏ .5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .6: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .7: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich .8: Sự phụ thuộc lgq vào lgCf .1: Quy trình tổng hợp sét hữu cơ .1: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ điều chế lần lượt ở các nhiệt độ 30oC, 40oC, 50oC, 60oC, 70oC .2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo nhiệt độ phản ứng của các mẫu sét hữu cơ điều chế .3: Giản đồ XRD của bent-TQ và các mẫu sét hữu cơ được điều chế ở các tỉ lệ TĐTA/ bentonit lần lượt là 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 .4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo tỉ lệ TĐTA. 41 - ứng trong thời gian 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 .8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị d001 theo thời gian phản ứng .9: Giản đồ XRD của mẫu bent-TQ .11: Phổ hồng ngoại của bent-TQ .12: Phổ hồng ngoại của tetrađecyltrimetylamoni bromua (TĐTA).13: Phổ hồng ngoại của sét hữu cơ điều chế ở điều kiện tối ưu .16: Ảnh SEM của bent–TQ (a); Ảnh SEM của sét hữu cơ điều chế (b) .17: Đường chuẩn của phenol đỏ .21: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ p -TQ .23: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf đối với sự hấp phụ phenol đỏ. 58 Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề quan tâm của toàn nhân loại trên thế giới, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. Trong quá trình sản xuất, nhu cầu sử dụng nước rất lớn, đồng thời thải ra môi trường một lượng lớn các chất hữu cơ độc hại, trong đó có phenol đỏ (phenylsunfophtalein) và các hợp chất của phenol.

Đây là nhóm các chất tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học. Khi xâm nhập vào cơ thể, các hợp chất phenol đỏ gây ra nhiều tổn thương cho các cơ quan như hệ thần kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư, đột biến gen. Vì vậy việc quan tâm và xử lý các hợp chất phenol có một vai trò và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống hiện tại và tương lai của loài người. Trong suốt những thập kỷ qua, các vật liệu như than hoạt tính, zeolit với hệ thống vi mao quản đồng đều đã được ứng dụng làm chất hấp phụ cũng như chất mang xúc tác để xử lý phenol đỏ trong phẩm nhuộm dùng trong công nghiệp dệt may.

Tuy nhiên ứng dụng của than hoạt tính và zeolit bị hạn chế bởi kích thước mao quản nhỏ dẫn đến không thích hợp cho quá trình hấp phụ các chất có kích thước lớn hơn và cấu trúc cồng kềnh như phenol đỏ, xanh metylen. Trước những hạn chế đó, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước không ngừng nghiên cứu, tìm kiếm những vật liệu có tính năng vượt trội hơn nhằm đáp ứng nhu cầu cho việc xử lý môi trường bị ô nhiễm. Bentonit là một loại khoáng sét tồn tại trong tự nhiên, có cấu trúc lớp, có diện tích bề mặt lớn nên có khả năng hấp phụ nhiều loại cation vô cơ và hữu cơ. Nhờ khả năng hấp phụ và khả năng trao đổi ion tốt của bentonit nên bằng các phương pháp xử lý khác nhau, người ta có thể tạo ra các vật liệu có chức năng khác nhau.

Vật liệu sét hữu cơ được tổng hợp từ pha nền là bentonit và chất tạo cấu trúc là các hợp chất muối amin (bậc 1, 2, 3 và 4 có mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng). Mạch hiđrocacbon khi được chèn vào giữa các lớp của bentonit sẽ làm tăng khoảng cách lớp, tăng tính kị vật liệu với các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất hữu cơ mạch vòng, các chất có phân tử khối. 1 Do vậy có khả năng hấp phụ tốt, đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế sét hữu cơ từ bentonit Trung Quốc với tetrađecyltrimetylamoni bromua và bước đầu thăm dò ứng dụng”. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.

Giới thiệu về bentonit 1. Thành phần của bentonit - Thành phần khoáng vật: chính là montmorillonit (MMT), có thành phần hóa học không ổn định. Bằng các phương pháp phân tích có thể xác định thành phần chính của bentonit: SiO2 (46- 56%), Al2O3 (11-23%), Fe2O3(>5%), MgO (4-9%), CaO (0,8-3,5%) và có thể có K2O và Na2O. Ngoài ra trong bentonit tự nhiên còn chứa một số khoáng sét khác như hectorite, saponite, clorite, mica,… và một số khoáng phi sét như calcite, pirrite, manhetite,…các muối kiềm và một số hợp chất hữu cơ [9], [14].