(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án CHUYÊN NGÀNH CNHH tìm HIỂU về đất sét BENTONITE ỨNG DỤNG TRONG mỹ PHẨM

Giới thiệu về đất sét

Khái niệm

Đất sét là thuật ngữ chỉ nhóm khoáng vật phyllosilicat nhôm ngậm nước với kích thước hạt nhỏ hơn 2 μm Nó bao gồm các khoáng chất phyllosilicat giàu oxit và hydroxit silic và nhôm, đồng thời chứa một lượng lớn nước, góp phần vào cấu trúc và sự biến đổi của từng loại đất sét.

Nguồn gốc và sự hình thành

Đất sét hình thành từ sự phong hóa của đá chứa silicari dưới tác động của axit cacbonic, trong khi một số loại đất sét khác lại phát sinh từ các hoạt động thủy nhiệt Đặc điểm nổi bật của đất sét so với các hạt đất đá nhỏ khác, như bùn, là kích thước nhỏ, hình dạng tạo bông hay lớp, khả năng hút nước tốt và chỉ số độ dẻo cao.

Giới thiệu về Bentonite

Khái niệm

Bentonite là sản phẩm của tro núi lửa lắng đọng trong các vùng biển và bồn trũng kiềm, thuộc loại đất sét phyllosilicate nhôm hút nước, chủ yếu là montmorillonite Đây là loại đất sét cực mịn, có tính keo cao và khả năng trương nở trong nước, từng được gọi là “xà phòng khoáng” hay “đất sét xà phòng” Tên gọi taylorite xuất phát từ nhà địa chất Wilbur C Knight, nhưng do trùng tên với một khoáng chất khác, nó đã được đổi thành “bentonite” vào năm 1898, theo thành hệ đá phiến sét Benton kỷ Phấn Trắng gần Rock River, Wyoming, Mỹ.

Bentonite được tìm thấy ở nhiều quốc gia trên thế giới như Canada, Nam Phi, Tây Đức, Ý, Pháp, Hungari, Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản Tại Việt Nam, bentonite cũng xuất hiện ở nhiều địa điểm như Cổ Định (Thanh Hóa), Mộc Châu, Thuận Hải và Bình Thuận, với trữ lượng phong phú.

Bentonite là một loại đất sét có màu sắc đa dạng như xám xanh, xám trắng, xám phớt vàng và vàng nhạt, đôi khi có màu xám đen Khi ướt, bentonite có kết cấu mịn, dẻo và dính, nhưng khi khô lại trở nên giòn và dễ vỡ Trong tự nhiên, có hai loại bentonite chính: bentonite trao đổi cation chủ yếu là Na+ (bentonite trương nở hay montmorillonite natri) và bentonite trao đổi cation chủ yếu là Ca2+ hoặc Mg2+ (calcium bentonite hay magnesium bentonite) Bentonite natri có khả năng trương nở cao, được ứng dụng trong các ngành công nghiệp như bùn khoan, hàn vết nứt, và xử lý ô nhiễm kim loại trong đất và nước.

Bentonite là một khoáng chất được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, hóa dầu, hóa than, nông nghiệp, môi trường, mỹ phẩm và dược phẩm Trong ngành mỹ phẩm, bentonite mang lại nhiều lợi ích cho làn da, bao gồm ngăn ngừa mụn trứng cá, làm sạch lỗ chân lông, loại bỏ độc tố, tẩy tế bào chết tự nhiên, làm mềm da và giảm sự xuất hiện của sẹo.

Thành phần khoáng và thành phần hóa học

Bentonite là khoáng sét tự nhiên thuộc họ aluminosilicate, nổi bật với cấu trúc đặc biệt và hàm lượng SiO2 cao, giúp nó hấp phụ độc tố hiệu quả Khoáng chất này chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp và xây dựng, với thành phần chính là montmorillonite (MMT) có công thức hóa học Al2Si4O10(OH)2.nH2O.

Bảng 1- 1 Thành phần đất sét bentonite thô trong và ngoài nước [2]

Loại khoáng bentonite, % Thành phần Trong nước (Việt Nam) Ngoài nước

Di Linh Bình Thuận Bavari (Đức) Wyoming (Mĩ)

Đất sét bentonite chứa nhiều khoáng sét khác như hectorite và saponite, cùng với các khoáng vật như calcite, pyrite, manhetite, muối kim loại kiềm và một số chất hữu cơ Tuy nhiên, đặc điểm chính của bentonite chủ yếu được xác định bởi tính chất của MMT.

Cấu trúc của bentonite

Bentonite là khoáng vật có cấu trúc lớp với tỷ lệ 2:1, bao gồm một lớp bát diện Al2O6 6- xen kẽ giữa hai lớp tứ diện SiO4 4- Các tinh thể bentonite có hình dạng tấm và đường kính khoảng 1 µm, trong khi khoảng cách giữa các lớp tinh thể dao động từ 9,6 đến 21,4 Å, tùy thuộc vào lượng nước hấp thụ vào khe hở giữa các lớp.

Bentonite là một loại khoáng chất với cấu trúc lớp liên kết bằng liên kết hiđro, có khả năng trương nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính và dẻo Tính chất quan trọng nhất của bentonite bao gồm khả năng trao đổi ion và hấp phụ, cùng với sự trương nở Tuy nhiên, khả năng hấp phụ và trương nở của bentonite sẽ giảm khi được đốt nóng ở nhiệt độ từ 105 đến 390 ºC Cấu trúc của bentonite bắt đầu mất nước ở 450-500 ºC và hoàn toàn mất nước ở 600-750 ºC, trong khi cấu trúc bị tan rã ở nhiệt độ từ 800 đến 900 ºC.

Hình 1- 2 Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorillonite [7]

Tính chất của đất sét bentonite

Bentonite có khả năng trương nở tốt trong nước nhờ vào lượng nước liên kết giữa các lớp tinh thể Mức độ trương nở này phụ thuộc vào tính chất của đất sét, cation trao đổi, và độ bền liên kết giữa các lớp Lượng nước hấp phụ vào giữa các lớp đất sét phụ thuộc vào khả năng hydrate hóa của cation trao đổi Khi bentonite tiếp xúc với hơi nước hoặc nước, các phân tử nước phân cực sẽ thâm nhập vào các lớp, làm tăng khoảng cách giữa chúng, điều này phụ thuộc vào loại bentonite và lượng nước hấp phụ.

Hình 1- 3 Quá trình hydrate hóa ion [10]

Đất sét bentonite có khả năng trao đổi ion và hấp phụ nước, đồng thời cấu tạo theo dạng lớp Khi tiếp xúc với nước, bentonite sẽ hydrate hóa, tạo ra các lớp nước bao quanh hạt đất sét Lớp nước tự do bên ngoài có lực liên kết yếu, giúp các lớp đất sét trượt lên nhau dưới tác động của ngoại lực.

Bentonite có đặc tính hấp phụ mạnh mẽ phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt và mao quản của nó, với kích thước hạt nhỏ hơn 2 μm và diện tích bề mặt riêng lớn Diện tích bề mặt của bentonite bao gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong, với bề mặt trong được xác định bởi khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể, trong khi bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Khả năng hấp phụ của bentonite cũng phụ thuộc vào loại cation trao đổi, tính chất, kích thước và hình dạng của chất bị hấp phụ Các chất hữu cơ phân cực nhỏ thường tạo phức với cation trong lớp, trong khi các chất lớn hơn có thể liên kết với oxy trong mạng tinh thể Đối với các chất hữu cơ không phân cực và vi khuẩn, sự hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt ngoài của bentonite, cho thấy sự tương tác giữa chất bị hấp phụ và tâm hoạt tính ảnh hưởng đến cả hai bề mặt.

 Khả năng trao đổi ion

Bentonite có khả năng trao đổi ion với các ion kim loại Khả năng trao đổi ion của bentonite là do 2 nguyên nhân:

- Là khi có điện tích âm xuất hiện trong cấu trúc của bentonite sẽ được bù trừ bằng các cation trao đổi.

-Nhóm OH trong tinh thể bentonite có thể tham gia phản ứng trao đổi với nguyên tử

H + Tùy theo sự mất cân bằng điện tích ít hay nhiều mà hạt sét sẽ hút yếu hay mạnh các cation trao đổi [4, 5, 7, 8, 9].

Hình 1-4 Quá trình trao đổi ion của montmorillonite [12]

Những nghiên cứu về đất sét Bentonite

Ngoài nước

Năm 1999, Banat và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ phenol của bentonite từ các dung dịch nước Nghiên cứu này khảo sát các yếu tố như thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu, pH, sự hiện diện của dung môi và tính giải hấp của bentonite Kết quả cho thấy các đường đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich có thể áp dụng cho dữ liệu cân bằng hấp phụ, chứng tỏ bentonite có khả năng hấp phụ phenol, mặc dù khả năng này còn hạn chế Do đó, bentonite vẫn có tiềm năng trong việc xử lý nước thải nhiễm phenol.

Năm 2013, một nghiên cứu đã được tiến hành để đánh giá tính phù hợp của bentonite tinh chế ở Pakistan trong ứng dụng dược phẩm, tập trung vào việc sử dụng dược phẩm thô và tinh khiết Kết quả nghiên cứu khoáng vật học chỉ ra rằng bentonite thô chủ yếu chứa montmorillonite, cùng với một lượng nhỏ kaolinite, mùn và thạch anh Hai mẫu bentonite tinh khiết khác nhau về cấu trúc cation và thành phần hóa học, dẫn đến những đặc tính khác nhau trong lĩnh vực dược phẩm.

Năm 2017, tạp chí y tế công cộng của Iran đã công bố một nghiên cứu phân tích 1500 bài báo khoa học trên PubMed về tác dụng của đất sét bentonite đối với chức năng cơ thể Từ xa xưa, bentonite đã được sử dụng để làm sạch tóc hiệu quả với chi phí thấp và nguồn nguyên liệu phong phú Ngoài ra, loại đất sét này còn có khả năng giải độc cho cơ thể và hỗ trợ chữa lành các vết thương, vết loét.

Bentonite, được sử dụng đường uống từ năm 1961, đã điều trị thành công 97% các trường hợp có yếu tố gây bệnh tiêu chảy khác nhau Ngoài ra, nó còn có tác dụng tích cực đối với thận, xương và khả năng kháng khuẩn Bentonite cũng là thành phần quan trọng trong một số loại thuốc chữa ung thư như paclitaxel, 5-fluorouracil và 6-mercaptopurine, đồng thời giúp giảm thời gian chảy máu và đông máu.

Năm 2017, một nghiên cứu đã đánh giá khả năng ứng dụng của đất sét Melo bentonite (BEM) từ Uruguay thông qua các thử nghiệm vi sinh, độ nhớt và pH Kết quả cho thấy đất sét Melo bentonite đáp ứng tiêu chuẩn của Brazil cho các sản phẩm mỹ phẩm và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

Năm 2018, một nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá trình độ mỹ phẩm và dược phẩm của bentonite Ai Cập, sử dụng như một chất đệm cho praziquantel Các đặc tính dược lý như pH, thể tích lắng, khả năng trương nở và các xét nghiệm vi sinh đã chỉ ra rằng cả mẫu thô và mẫu tinh khiết đều phù hợp cho các ứng dụng trong ngành dược phẩm và mỹ phẩm.

Trong nước

Vào năm 2012, PGS.TS Nguyễn Hoài Châu đã tiến hành nghiên cứu về khả năng nâng cao giá trị sử dụng của bentonite Lâm Đồng, nhằm phát triển công nghệ chế biến bentonite làm phụ gia thức ăn cho gia cầm Nghiên cứu tập trung vào quy trình tinh chế và biến tính bentonite tại Tam Bố, kết hợp với nano bạc do Viện Công nghệ Môi trường chế tạo Kết quả cho thấy, nano bạc cấy vào bentonite tinh chế tạo ra sản phẩm có khả năng ức chế sự phát triển của nấm và độc tố trong thức ăn gia cầm, đồng thời giúp bentonite hấp thụ độc tố, cân bằng điện giải trong cơ thể và thải loại các sản phẩm độc hại trong quá trình tiêu hóa.

Năm 2011, Lê Hữu Nghĩa nghiên cứu khả năng hấp phụ vi khuẩn E.coli bằng bentonite biến tính Hiệu suất hấp phụ cao nhất đạt được trong điều kiện thời gian hấp phụ 1 giờ và nồng độ HCl 5% với 0,05g/ml dung dịch.

QUY TRÌNH XỬ LÍ ĐẤT SÉT BENTONITE

Quy trình xử lý đất sét bentonite thô bắt đầu bằng việc khuấy động với nước cất theo tỷ lệ 1/50 trong 12 giờ ở nhiệt độ phòng Sau đó, hỗn hợp được ly tâm ở 600 vòng/phút trong 5 phút để tạo ra huyền phù và loại bỏ xỉ thô Tiếp theo, huyền phù được ly tâm ở 1500 vòng/phút trong 5 phút để loại bỏ xỉ thô một lần nữa, thu được bùn có độ tinh khiết cao Cuối cùng, bùn được ly tâm ở 4500 vòng/phút để hoàn thiện quá trình xử lý.

Trong 20 phút, loại bỏ nước để thu được đất sét cô đặc Sau đó, làm lạnh đất sét để nó đông cứng lại, rồi tiến hành làm tan và lặp lại quy trình này ba lần Cuối cùng, làm khô để thu được đất sét bentonite tinh khiết.

Tiêu chuẩn đánh giá và ứng dụng của đất sét Bentonite trong mỹ phẩm

TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐẤT SÉT BENTONITE TRONG MỸ PHẨM

3.1 Tiêu chuẩn đánh giá trong mỹ phẩm

Bảng 3-1.1a Tính chất hóa học tiêu biểu [22]

Bảng 3-1.1b Tính huyền phù tiêu biểu [22]

3.1.2 Tiêu chuẩn vi sinh trong mỹ phẩm

Mỹ phẩm tại Mỹ được phân loại thành hai cấp độ an toàn dựa trên tổng số vi sinh vật được phát hiện Cấp độ đầu tiên bao gồm sản phẩm dành cho trẻ em dưới 3 tuổi, sản phẩm tiếp xúc với vùng mắt như chì kẻ mắt và phấn mắt, cũng như các sản phẩm tiếp xúc với niêm mạc như son và kem đánh răng Cấp độ thứ hai bao gồm các sản phẩm khác tiếp xúc với da và dành cho người trên 3 tuổi Chi tiết về giới hạn vi sinh vật cụ thể được trình bày trong Bảng 3-1.2.

Tiêu chuẩn đánh giá và ứng dụng của đất sét Bentonite trong mỹ phẩm

Bảng 3-1.2 Tiêu chuẩn vi sinh [23]

3.1.3 Tiêu chuẩn trong dược điển

Bentonite được nghiên cứu trong các dược điển Nhật Bản, Châu Âu và Mỹ với nhiều thử nghiệm quan trọng, bao gồm định tính, tính chất, độ kiềm, giới hạn vi sinh vật, kích thước hạt, pH của pha phân tán trong nước, mất khối lượng khi làm khô, và các chỉ tiêu về asen, kim loại nặng, chì Ngoài ra, khả năng tạo gel, thể tích sa lắng, độ trương nở và độ mịn của bột cũng là những yếu tố được xem xét kỹ lưỡng.

Bảng 3-1.3 Tiêu chuẩn trong dược điển [25]

3.2 Ứng dụng trong mỹ phẩm

Ngày nay, nhu cầu làm đẹp ngày càng tăng cao, dẫn đến sự ra đời của nhiều loại mỹ phẩm, trong đó có sản phẩm từ đất sét Bentonite như mặt nạ, sữa rửa mặt, kem dưỡng tóc và kem đánh răng Các sản phẩm này nổi bật nhờ vào khả năng giữ ẩm, cung cấp độ ẩm tiêu chuẩn cho da, chống oxy hóa hiệu quả, giúp ngăn ngừa lão hóa và hình thành vết nhăn, đồng thời làm sạch sâu lỗ chân lông.

Hút sạch bụi bẩn và bã nhờn giúp thúc đẩy tuần hoàn máu dưới da, tăng cường cung cấp máu tới tế bào biểu bì, từ đó cải thiện sức khỏe làn da.

Nhu cầu chăm sóc sức khỏe và làm đẹp ngày càng tăng, dẫn đến sự phát triển của nhiều sản phẩm từ thiên nhiên, trong đó có đất sét bentonite Đất sét bentonite được ứng dụng trong ngành mỹ phẩm để làm mặt nạ, tẩy tế bào chết, và điều trị các bệnh viêm da, đồng thời giúp tóc sạch gàu, mềm mượt và chắc khỏe Ngoài ra, nó còn hỗ trợ chữa viêm nướu răng nhờ chứa nhiều khoáng chất Quá trình khai thác và xử lý đất sét bentonite trải qua nhiều giai đoạn, từ phương pháp cơ học đến phân tích hóa học để xác định tính chất và đảm bảo sản phẩm an toàn Việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp với nhu cầu sử dụng sẽ mang lại hiệu quả cao nhất.

Bentonite là một khoáng chất quý giá, mang lại nhiều lợi ích trong đời sống và đóng góp vào sự đa dạng của ngành khoa học vật liệu toàn cầu.

[1] Ernst A Hauser & Umberto Colombo (1953), "Colloid Science of

Montmorillonites and Bentonites", Clays and Clay Minerals, 2, p 439–461.

[2] Huỳnh Lệ Diễm (2019), "Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ từ bentonite Lâm Đồng", Luận văn thạc sĩ hóa học, Đại Học Cần Thơ, Cần Thơ.

[3] CT Hóa chất & DV dầu khí "Bentonite Ấn Độ", 25/4/2021.

[4] PGS.TS Trần Văn Chính (2006), "Giáo Trình Thổ Nhưỡng", NXB Đại Học Nông Nghiệp Việt Nam

[5] Nguyễn Quang Trung "Tổng quan về Bentonite", Đại Học Bách Khoa, Hà Nội.

[6] Grim R.E (1953), "Clay Mineralogy", McGraw-Hill, New York.

[7] Nguyễn Lê Mỹ Linh (2016), "Nghiên cứu biến tính bentonite Cổ Định và ứng dụng trong xúc tác hấp phụ", Luận án Tiến sĩ Hóa học, Huế.

Lưu Việt Hùng (2018) đã thực hiện nghiên cứu về việc chế tạo vật liệu nano Bentonite thông qua phương pháp bóc tách siêu âm, nhằm ứng dụng trong việc xử lý ion Mn(II) trong môi trường nước Luận án thạc sĩ hóa học này được thực hiện tại Đại Học Thái Nguyên, đóng góp vào lĩnh vực xử lý ô nhiễm nước.

[9] Đặng Tuyết Phương (1995), "Nghiên cứu cấu trúc, tính chất hóa lý và một số ứng dụng của bentonite Thuận Hải Việt Nam", Luận án phó tiến sĩ, Hà Nội.

[10] "Clay Minerals and Soil Structure 1 Outline", 27/4/2021.

[11] Võ Phong Nguyễn Hoàng Linh, Nguyễn Trí Thắng, Nguyễn Chí Linh (2014),

"Đất Sét", Tiểu luận Công Nghệ Hóa Học, Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm,

[12] Kunimine Industries "What is bentonite", 27/4/2021.

[13] Đỗ Hữu Phú (1998), "Hấp phụ và xúc tác trên bề mặt vô cơ mao quản", NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[14] B Al-Bashir F.A Banat, S Al-Asheh, O Hayajneh (1999), "Adsorption of phenol by bentonite", Environmental Pollution, 107, p 391-398.

[15] Maria das Graỗas da Silva Valenzuela Liaqat Ali Shah, Abdul Mannan Ehsan

(2013), "Characterization of Pakistani purified bentonite suitable for possible pharmaceutical application", Applied Clay Sciene, 83-84, p 50-55.

[16] Maryan MOOSAVI (2017), "Bentonite Clay as a Natural Remedy: A Brief Review", Iran J Public Health, 46(9), p 1176–1183.

[17] ValeriaWeiss-Angelia, Lucas BonanGomesbDiego (2019), "Evaluation and characterization of Melo Bentonite clay for cosmetic applications", Science Direct, 175, p 40-46.

The study conducted by Fatma M Dardir et al (2018) explores the cosmetic and pharmaceutical properties of Egyptian bentonite, highlighting its potential as an effective drug carrier for Praziquantel The research, published in the National Library of Medicine, underscores the suitability of bentonite in various applications within the pharmaceutical industry.

[19] PGS TS Nguyễn Hoài Châu (2012), "Tác dụng của khoáng bentonite đối với thức ăn gia cầm", 28/4/2021.

Lê Hữu Nghĩa (2011) đã thực hiện một nghiên cứu về khả năng hấp phụ vi khuẩn E coli bằng bentonite biến tính trong đồ án tốt nghiệp của mình Nghiên cứu này được thực hiện tại Khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu.

[21] Xiaonan Kang and partner Shiqing Gu (2019), "Clay mineral adsorbents for heavy metal removal from wastewater: a review", Environmental Chemistry Letters, p. 629-654.

[22] CTCP Hiệp Phú "Bentonite sodium tắm bùn", 25/4/2021.

[23] Thư Đỗ (2020), "Giới hạn vi sinh vật trong mỹ phẩm", Sức Khỏe & Đời Sống.

[24] Phạm Chiến (2021), "Đất sét Bentonite là gì? Tiêu chuẩn, giá bán & ứng dụng trong mỹ phẩm", 25/4/2021.

[25] Paul J Sheskey and Siân C Owen Raymond C Rowe "Sổ tay tá dược

“excipient”", chuyên luận “tá dược Bentonite”.

[26] Công ty TNHH Anh Minh Việt Nam " Bentonite là gì ? Những công dụng của Bentonite ".

[27] Công dụng của đất sét bentonite trong mỹ phẩm ở Việt Nam: drcuaban.com " đất sét bentonite ".

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA

Chuẩn bị mẫu: Mẫu đất sét để sản xuất gạch ngói nung, được lấy theo TCVN

Để chuẩn bị mẫu phân tích, lấy 4344 g với khối lượng không vượt quá 500 g và kích thước dưới 5 mm, trộn đều và nghiền nhỏ 100 g cho đến khi lọt qua sàng 0,25 mm Tiếp theo, lấy 50 g từ mẫu đã nghiền và nghiền tiếp đến khi lọt qua sàng 0,1 mm, sau đó lấy 15 g cho phân tích hóa học, phần còn lại được bảo quản trong lọ kín Cuối cùng, nghiền mịn mẫu thử đến khi lọt qua sàng 0,063 mm và sấy ở nhiệt độ 105 o C ± 5 o C cho đến khi khối lượng ổn định.

Hình A-1 Sơ đồ phân tích thành phần hóa đất sét (xác định: SiO 2 , Fe 2 O 3, CaO, MgO, TiO 2 , Al 2 O 3 )

Hình A-2 Sơ đồ phân tích thành phần hóa đất sét (xác định SO 3 , MKN, K 2 O, Na 2 O, Cl)

A.2 Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF)

Chuẩn bị mẫu đất từ 200 g đến 1000 g, loại bỏ vật liệu không liên quan và nghiền mịn, sau đó rây để loại bỏ hạt lớn hơn 2 mm Sử dụng mẫu đã qua rây 1 mm và sấy khô để giảm độ ẩm, đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn.