Tiến bộ trong nghiên cứu về ứng dụng của Attapulgite

1. Tổng quan về Attapulgite

Attapulgite (Mg₅Si₈O₂₀(OH)₂·4H₂O) là một loại khoáng sét có hình thái tinh thể nanorod. Chiều dài của nó khoảng 0,5-5 μm, đường kính khoảng 20-70 nm, với các kênh nano đều đặn kích thước 0,37 nm × 0,64 nm. Đây là một loại khoáng sét silicat nhôm magie ngậm nước với cấu trúc chuỗi phân lớp. Epic Powder Machinery chuyên về công nghệ nghiền tia. Máy nghiền tia MQW40 của Epic Powder đảm bảo quá trình nghiền bột attapulgite hiệu quả.

Attapulgite sở hữu diện tích bề mặt riêng, điện tích bề mặt và khả năng trao đổi cation lớn. Điều này khiến nó được sử dụng rộng rãi trong việc điều chế chất hấp phụ, chất kết dính, chất hút ẩm, chất xúc tác, phụ gia thực phẩm và vật liệu composite chức năng. Nó đóng vai trò không thể thay thế như một vật liệu nền trong các lĩnh vực như kỹ thuật hóa học, xúc tác, bảo vệ môi trường và vật liệu mới. Nghiền attapulgite là một bước tiền xử lý quan trọng nhằm tăng diện tích bề mặt riêng để nâng cao khả năng hấp phụ.

2. Tính chất lý hóa và biến đổi bề mặt của Attapulgite

2.1 Sự hấp phụ

Diện tích mặt cắt ngang kênh đáng kể và cấu trúc tinh thể độc đáo của attapulgite góp phần tạo nên tính chất hấp phụ của nó. Cơ chế hấp phụ của nó chủ yếu bao gồm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý xảy ra thông qua lực Van der Waals. Trong khi hấp phụ hóa học hình thành liên kết cộng hóa trị khi cầu oxy Si-O-Si bị phá vỡ, cho phép các phân tử hấp phụ bám vào. Biến tính bề mặt của attapulgite có thể cải thiện hiệu suất hấp phụ của nó.

Attapulgite loại bỏ hiệu quả các tạp chất như kim loại, lưu huỳnh và nhựa đường từ hydrocarbon dầu mỏ, cũng như màu và các thành phần độc hại từ chất béo, dầu khoáng và dầu thực vật. Nó cũng có khả năng hấp phụ tuyệt vời đối với các kim loại nặng (ví dụ: Cr³⁺, Hg²⁺). Nó được sử dụng rộng rãi như một chất khử mùi, chất trợ lọc, chất làm sạch và chất khử màu trong ngành bảo vệ môi trường. Quá trình nghiền attapulgite thường bao gồm quá trình nghiền và nghiền cơ học để đạt được sự phân bố kích thước hạt mong muốn.

2.2 Xúc tác

Là một vật liệu nano tự nhiên với cấu trúc kênh nano, attapulgite có các hạt nano và tỷ lệ khung hình cao. Nó cung cấp nhiều kênh nano và trung tâm hoạt động. Do đó, nó có thể hoạt động như một chất xúc tác và một chất mang xúc tác.

2.3 Tính chất keo và huyền phù

Dưới tác dụng của lực cắt, attapulgite có thể phân tán thành cấu trúc mạng lưới ba chiều hỗn loạn trong nước và các môi trường khác. Ở nồng độ thấp hơn, keo attapulgite thể hiện độ nhớt cao và duy trì độ ổn định huyền phù cao trong dung dịch muối, cùng với khả năng kháng muối, kháng kiềm, ổn định nhiệt và đặc tính lưu biến tốt. Do đó, nó được sử dụng làm dung dịch khoan tuần hoàn trong các mỏ dầu và làm phụ gia trong sơn phủ.

2.4 Các thuộc tính khác

Attapulgite có diện tích bề mặt riêng rất lớn và khả năng trao đổi ion nhất định, khiến nó được sử dụng rộng rãi như một chất hút ẩm, chất hấp thụ độ ẩm, chất hấp phụ, chất hỗ trợ xúc tác và chất kháng khuẩn. Nhờ cấu trúc tinh thể dạng sợi và hình kim đặc biệt, attapulgite không độc hại, không mùi, không gây kích ứng, ổn định về mặt hóa học, dễ khô và có độ cứng thấp, khiến nó trở thành chất độn tuyệt vời cho vật liệu polyme. Việc nghiền attapulgite hiệu quả có thể phá vỡ một phần các bó tinh thể hình que của nó, do đó làm lộ ra nhiều vị trí hoạt động hơn.

2.5 Biến tính Attapulgite

Cấu trúc và tính chất độc đáo của attapulgite mang lại giá trị ứng dụng đáng kể. Tuy nhiên, cấu trúc tinh thể của nó hạn chế hiệu suất hấp phụ. Do đó, sau khi tinh chế attapulgite, cần phải biến tính bề mặt để tăng thêm diện tích bề mặt riêng, điện tích bề mặt và kích thước kênh dẫn nhằm cải thiện tính chất hấp phụ và hỗ trợ của nó.

Phương pháp biến tính Attapulgite

Hiện nay, các quy trình biến đổi chính bao gồm biến đổi nhiệt, biến đổi vô cơ (biến đổi axit, kiềm, muối) và biến đổi hữu cơ. Trong số đó, biến đổi axit là phổ biến nhất. Nhiều nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp xử lý axit trên attapulgite, trong khi nghiên cứu về biến đổi muối tương đối hạn chế. Biến đổi muối thân thiện với môi trường hơn biến đổi axit và có thể được khám phá thêm trong tương lai do lượng khí thải carbon thấp. Biến đổi hữu cơ cũng có những ưu điểm rõ ràng so với các phương pháp vô cơ, trong đó chất hoạt động bề mặt và tác nhân kết hợp được sử dụng phổ biến nhất. Hầu hết các nghiên cứu vẫn tập trung vào các phương pháp biến đổi đơn lẻ, hiện đã khá hoàn thiện. Do đó, việc xem xét các biến đổi kết hợp tận dụng lợi ích của nhiều phương pháp có thể cải thiện hiệu quả biến đổi. Hiệu quả của các biến đổi tiếp theo, chẳng hạn như xử lý axit hoặc nhiệt, phụ thuộc rất nhiều vào mức độ nghiền mịn attapulgite.

3. Ứng dụng và tiến độ nghiên cứu của Attapulgite

3.1 Người vận chuyển thuốc

Nhờ diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng hấp phụ mạnh, attapulgite được sử dụng rộng rãi làm chất mang cho bột thuốc trừ sâu nồng độ cao. Nó cũng được sử dụng làm nền cho các hạt thuốc trừ sâu. Đặc biệt đối với thuốc trừ sâu dạng lỏng, việc xử lý thành bột nồng độ cao hoặc bột thấm ướt bằng attapulgite làm chất mang có thể điều chỉnh độ chảy và độ phân tán của công thức. Tính chất lưu biến và làm đặc của attapulgite khiến nó được sử dụng rộng rãi làm chất làm đặc trong hỗn dịch thuốc trừ sâu.

Quy trình chuẩn bị cho chất mang thuốc trừ sâu hiệu suất cao từ Attapulgite

Phương pháp khử hoạt tính hai bước tạo ra các sản phẩm đất sét hiệu suất cao. Sau khi biến tính trơ, độ axit bề mặt của attapulgite tăng từ pKa < 1,8 lên pKa > 3,3, với diện tích bề mặt riêng thay đổi rất ít. Attapulgite biến tính có thể được sử dụng làm chất mang thuốc trừ sâu. Các thử nghiệm độ ổn định cho thấy hiệu suất của nó tương đương với chất mang silica. Trong khi vẫn duy trì đặc tính hấp phụ mạnh của attapulgite, do đó giải quyết các vấn đề như phạm vi ứng dụng hẹp và thời hạn bảo quản ngắn.

Ngoài thuốc trừ sâu giải phóng chậm thông minh, attapulgite còn được sử dụng trong sản xuất thuốc cho người. Nó đóng vai trò là chất hấp phụ, chất tạo huyền phù và tá dược trong nhiều loại thuốc. Attapulgite đã có tiêu chuẩn quốc gia và được công nhận là một nguyên liệu dược phẩm an toàn.

3.2 Vật liệu mang xúc tác

Với cấu trúc xốp, attapulgite tăng tốc độ phản ứng khi các chất phản ứng được hấp phụ trong các kênh bên trong của nó. Khi các chất phản ứng khuếch tán ra khỏi các kênh này, mạng tinh thể của attapulgite vẫn còn nguyên vẹn, khiến nó trở thành vật liệu mang xúc tác lý tưởng. Các kim loại, oxit kim loại và muối kim loại có hiệu suất xúc tác cao có thể được nạp đồng đều lên attapulgite, tạo điều kiện cho các trung tâm hoạt động được tiếp xúc hoàn toàn và vận chuyển các chất hoạt động, tăng cường đáng kể hoạt tính xúc tác. Hiện nay, attapulgite được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng cố định nitơ xúc tác, phân hủy các chất ô nhiễm trong nước, loại bỏ các chất ô nhiễm trong khí quyển và giải phóng oxy. Trong quá trình chế tạo vật liệu composite, việc nghiền attapulgite được kiểm soát đảm bảo sự phân tán đồng đều của nó trong nền polyme.

3.3 Vật liệu mang năng lượng lưu trữ

Bản thân attapulgite không dẫn điện và không thể được sử dụng trực tiếp làm vật liệu lưu trữ năng lượng điện hóa. Tuy nhiên, các công nghệ hiện có như phương pháp tạo khuôn và khuếch tán nóng chảy có thể đưa vật liệu hoạt động điện vào attapulgite, cho phép ứng dụng nó trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng điện hóa. Vật liệu anode pin lithium-ion thương mại chủ yếu bao gồm các vật liệu gốc carbon, có dung lượng riêng thấp. Attapulgite có thể được khử thông qua phản ứng anode nhôm để tạo ra silicon có nguồn gốc từ attapulgite (SiATP), có thể thay thế carbon làm vật liệu anode trong pin.

3.4 Vật liệu dạng keo

Khi phân tán trong nước hoặc các dung dịch có nồng độ thấp khác, attapulgite tạo thành các tinh thể dạng thanh riêng lẻ hoặc các bó nhỏ hơn, sau đó đan xen dưới lực van der Waals để tạo thành cấu trúc mạng, tạo ra huyền phù có độ nhớt cao. Điều này thể hiện tính chất keo tuyệt vời, khiến attapulgite trở thành một thành phần quan trọng trong các ứng dụng làm đặc, dung dịch khoan và sơn phủ.

3.5 Chất làm trong đồ uống và phụ gia mỹ phẩm

Ngành công nghiệp thực phẩm: Attapulgite hoạt động như một chất khử màu và làm trong, đạt hiệu quả khử màu trên 70% và làm trong 90% cho dầu ăn và đồ uống.

Ngành công nghiệp mỹ phẩm: Có chức năng bảo vệ da khỏi tia UV, kiểm soát dầu và phục hồi da.

3.6 Vật liệu hấp phụ môi trường

Hiện nay, attapulgite đang tích cực loại bỏ kim loại nặng, thuốc nhuộm hữu cơ, kháng sinh và các chất ô nhiễm khác khỏi nước thải. Các nghiên cứu thăm dò gần đây cũng đã tìm hiểu việc sử dụng attapulgite để hấp phụ hoặc làm giàu vật liệu phóng xạ trong ngành công nghiệp hạt nhân. Với những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu biến tính, các loại chất ô nhiễm mà attapulgite có thể hấp phụ đang không ngừng được mở rộng. Việc nghiền attapulgite giúp tăng cường hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm bằng cách tạo ra các lỗ rỗng và kênh dẫn khuếch tán dễ tiếp cận hơn.

Cơ chế hấp phụ chính đối với chất ô nhiễm

3.7 Vật liệu kháng khuẩn

Mặc dù attapulgite không có hoạt tính kháng khuẩn cao, nhưng cấu trúc lỗ rỗng và hoạt tính bề mặt của nó có thể nạp các tác nhân kháng khuẩn hoạt động để tạo ra vật liệu kháng khuẩn tổng hợp. Một mặt, attapulgite có thể hấp thụ vật lý vi khuẩn, ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào và ức chế sự trao đổi vật chất bình thường với môi trường. Mặt khác, các tinh thể attapulgite hình que có tác dụng đâm kim. Nó có thể làm hỏng thành tế bào và màng tế bào vi khuẩn, khiến vi khuẩn không hoạt động.

Xây dựng vật liệu composite kim loại kháng khuẩn: Attapulgite có các kênh nano đều đặn và các nhóm chức năng bề mặt. Do hiện tượng thay thế đồng hình trong quá trình hình thành, attapulgite mang điện tích âm vĩnh cửu và hình thành nhiều khuyết tật hoặc liên kết còn sót lại trong cấu trúc của nó. Điều này chứng tỏ khả năng hấp phụ mạnh mẽ đối với các phân tử sắc tố, ion kim loại nặng, thuốc nhuộm và kháng sinh.

Attapulgite mang dodecyltrimethylammonium bromide mở rộng hiệu quả kháng khuẩn với độc tính sinh học thấp.
Chất xúc tác quang bismuth vanadat/attapulgite phân hủy kháng sinh nhanh hơn 1,4 lần so với bismuth vanadat nguyên chất.

Ngoài các vật liệu kháng khuẩn đã đề cập ở trên, attapulgite còn cho thấy tiềm năng ứng dụng tốt trong vật liệu khung composite và vật liệu chữa lành vết thương. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của attapulgite trong y sinh học vẫn còn tương đối hạn chế, đòi hỏi phải đẩy nhanh quá trình phát triển các sản phẩm y tế dựa trên attapulgite. Gạc cầm máu nhanh tận dụng khả năng hấp phụ cao của attapulgite và các vật liệu thay thế chỉnh hình hoặc nha khoa tận dụng đặc tính kháng khuẩn và tính tương thích sinh học của nó. Trong ngành thức ăn chăn nuôi, việc nghiền attapulgite là điều cần thiết để đạt được kích thước hạt mịn cần thiết cho quá trình hấp phụ độc tố hiệu quả và độ đồng đều khi trộn.

3.8 Vật liệu trám Attapulgite

Hình thái sợi độc đáo của attapulgite không chỉ mang lại cho nó những đặc tính đặc biệt của vật liệu nano mà còn có khả năng làm đầy tuyệt vời. Điều này cho phép nó được ứng dụng trong gia cố polymer và sản xuất giấy. Không giống như các chất độn truyền thống như canxi cacbonat, cao lanh và talc được sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, attapulgite dạng sợi thể hiện khả năng tương thích tốt hơn với sợi thực vật. Trong chế biến nhựa, hiệu suất làm đầy của attapulgite vượt trội đáng kể so với các chất độn vô cơ khác. Nó cải thiện các đặc tính cơ học, nhiệt và kết tinh của nhựa. Việc tối ưu hóa các thông số nghiền attapulgite, bao gồm thời gian và năng lượng đầu vào, là chìa khóa để cân bằng chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất.

3.9 Vật liệu ma sát

Nhựa phenolic (PF), là một loại nhựa nhiệt rắn điển hình, được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu ma sát do khả năng chịu nhiệt cao, tính chất cơ học tuyệt vời và hiệu suất gia công tốt. Tuy nhiên, độ dẻo dai thấp và hệ số ma sát cao của PF nguyên chất hạn chế các ứng dụng của nó trong bôi trơn rắn. Việc sửa đổi cấu trúc phân tử, pha tạp hạt cao su và gia cố sợi có thể tối ưu hóa các tính chất ma sát của vật liệu composite PF. Nghiên cứu chỉ ra rằng các sợi nano attapulgite (AT) một chiều thể hiện hiệu ứng tăng cường hiệp đồng đáng kể khi được sử dụng kết hợp với các sợi vi mô có mô đun cao (CF, GF) trong vật liệu composite PF. Khi attapulgite chiếm 20% khối lượng, cường độ nén của vật liệu composite đa nano GF/AT/PF và CF/AT/PF vượt quá 400 MPa. Điều này chứng tỏ khả năng chịu tải cực kỳ cao.

3.10 Vật liệu sản xuất động vật và phụ gia thức ăn chăn nuôi

Trong chăn nuôi, attapulgite có thể là chất hấp phụ để thu giữ kim loại nặng, độc tố nấm mốc, vi khuẩn và độc tố vi khuẩn, do đó duy trì tính toàn vẹn của hàng rào niêm mạc ruột động vật. Hơn nữa, cả phương pháp xử lý biến tính vô cơ và hữu cơ đều có thể tăng cường hoạt tính sinh học của nó, với attapulgite biến tính thể hiện đặc tính kháng khuẩn tốt. Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc bổ sung attapulgite vào thức ăn có thể tăng cường khả năng miễn dịch niêm mạc ruột và chức năng chống oxy hóa. Nó cũng có thể điều chỉnh cân bằng vi khuẩn đường ruột, cải thiện hình thái niêm mạc ruột, thúc đẩy tăng trưởng và phát triển ở động vật, và nâng cao hiệu suất sản xuất. Attapulgite cũng có thể giảm thiểu hiệu quả các tổn thương do mầm bệnh gây ra cho hàng rào ruột của động vật.

Với nhiều lợi ích, attapulgite có thể được sử dụng làm chất kết dính viên, chất mang các nguyên tố vi lượng và chất hấp thụ kim loại nặng trong thức ăn chăn nuôi.

Hiệu suất chức năng của Attapulgite trong thức ăn chăn nuôi

3.11 Phụ gia vật liệu pin lithium

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá sâu rộng về khoáng sét được đại diện bởi attapulgite trong lĩnh vực pin và phát hiện ra rằng attapulgite ức chế sự phát triển của dendrite lithium, cung cấp một phương pháp mới để bảo vệ cực dương của pin kim loại lithium.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc nạp attapulgite vào màng sợi có thể mang lại hiệu quả bảo vệ cực dương của pin lithium kim loại. Pin đối xứng và pin lithium sắt phosphate nguyên khối đã được lắp ráp để thử nghiệm điện hóa. Nghiên cứu chỉ ra rằng màng sợi chứa attapulgite ức chế hiệu quả sự phát triển của dendrite lithium. Điện áp phân cực chỉ 83,2 mV sau 500 giờ chu kỳ với dung lượng lắng đọng 1 mA·h/cm² và mật độ dòng điện 2 mA/cm². Pin nguyên khối với màng sợi attapulgite bổ sung duy trì dung lượng phóng điện 84,92 mA·h/g sau 1.000 chu kỳ ở tốc độ 1C.

Phần kết luận

Trong những năm gần đây, cấu trúc thanh và kiến trúc kênh độc đáo của attapulgite đã thu hút sự chú ý nhờ khả năng chế tạo chính xác và có mục tiêu các vật liệu nano chức năng mới. Những sản phẩm này được kỳ vọng sẽ đáp ứng nhu cầu ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ, xúc tác và vật liệu composite. Khi nghiên cứu cơ bản và ứng dụng tiếp tục được đào sâu, quy trình ứng dụng attapulgite trong các ứng dụng nano chức năng sẽ được thúc đẩy. Điều này thúc đẩy sự phát triển cao cấp của vật liệu chức năng khoáng sản và liên tục nâng cao giá trị gia tăng của sản phẩm. Sự tiến bộ này sẽ thúc đẩy việc nâng cấp chuỗi công nghiệp attapulgite và đóng góp vào sự phát triển công nghiệp bền vững.

Giới thiệu về Epic Powder

Máy móc bột Epic Chuyên về công nghệ nghiền phản lực. Máy nghiền phản lực MQW40 của chúng tôi đảm bảo xử lý vật liệu hiệu quả, nâng cao tính chất cho nhiều ứng dụng khác nhau. Với chuyên môn về nghiền bột và cam kết về chất lượng, chúng tôi hỗ trợ các ngành công nghiệp đạt được mục tiêu thông qua vật liệu cao cấp. Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để có giải pháp phù hợp với nhu cầu của bạn.