Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu biến tính bentonite bằng soda

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu biến tính bentonite soda Lưu Thế Nam nam.lt162815@sis.hust.edu.vn Nguyễn Sỹ Quân quan.ns@sis.hust.edu.vn Giảng viên hướng dẫn: PGS TS TRẦN THỊ THU HIỀN Bộ môn: Viện: Kỹ thuật Gang thép Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Tieu luan _ Chữ ký GVHD NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu biến tính bentonite soda Các số liệu ban đầu: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Nội dung thuyết minh tính tốn: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Các vẽ đồ thị: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Tieu luan Cán hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thu Hiền Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: … /… /2021 Ngày hoàn thành : / /2021 Ngày… tháng… năm …… Cán hướng dẫn Trưởng Bộ môn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ Quá trình thiết kế: Sinh viên hoàn thành (và nộp toàn thiết kế cho Viện) Điểm duyệt:………………… Ngày … tháng….năm … Bản vẽ thiết kế:…………… (Ký ghi rõ họ tên) Ngày… tháng….năm … CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (ký ghi rõ họ tên) Tieu luan BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thu Hiền Giáo viên duyệt thiết kế:………………………………………………………… Nội dung thiết kế tốt nghiệp ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Nhận xét giáo viên hướng dấn: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……… Ngày… tháng… năm… Giáo viên hướng dẫn Tieu luan BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên Lớp – khóa Nguyễn Văn Nhã KT Vật liệu 03 – K60 Ngành Kỹ thuật Gang Thép Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thu Hiền Giáo viên duyệt thiết kế:………………………………………………………… Nội dung thiết kế tốt nghiệp ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Nhận xét giáo viên phản biện: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……… Ngày… tháng… Năm… Giáo viên phản biện Tieu luan Tieu luan Lời cảm ơn Lời chúng em xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Trần Thị Thu Hiền – người trực tiếp hướng dẫn, tận tình bảo, động viên, khích lệ chúng em suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Chúng em xin cảm ơn thầy cô giáo môn Kỹ thuật gang thép tồn thể thầy viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập thực đồ án tốt nghiệp Chúng em chân thành cảm ơn đơn vị giúp đỡ nhóm hồn thành cơng trình này: - Cơng ty Cổ phần thép Hịa Phát Hải Dương - Tập đồn Hịa Phát hỗ trợ vật tư thí nghiệm - Phịng Thí nghiệm Lý thuyết trình luyện kim – Bộ môn Kỹ thuật Gang thép, Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu tạo điều kiện để chúng em thực thí nghiệm - Phịng Thí nghiệm Luyện Kim bột – Bộ môn Luyện Kim Màu & Compozit, Viện Khoa học kỹ thuật Vật liệu tạo điều kiện cho em sử dụng máy ép thủy lực Tieu luan Tóm tắt nội dung đồ án Hiện nay, ngành sản xuất sắt thép coi xương sống phát triển cơng nghiệp hóa Hiện ngành luyện gang giới nước sử dụng hai loại quặng chín quặng thiêu kết quặng sắt viên làm nguyên liệu luyện gang lị cao, tính luyện kim tốt, quặng sắt viên có xu ngày tăng tỉ lệ phối liệu Tóm lại, với tình hình thay đổi tài nguyên quặng sắt với tính ưu việt quặng chín, thúc đẩy kỹ thuật vê viên, thiêu kết phát triển Việc sử dụng chất kết dính vào quặng sắt viên khơng nằm ngồi mục đích nhằm nâng cao tính cho viên quặng trước đưa vào lị cao Chính vậy, chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu biến tính bentonite soda” cho đồ án tốt nghiệp Sử dụng công cụ thí nghiệm máy phân tích đại (XRD, SEM) phương pháp thực nghiệm: Vê viên, nung thiêu, phân tích mẫu chúng em đưa ảnh hưởng hàm lượng soda bentonite đến chất lượng quặng viên - Độ bền tươi Độ xốp Độ nén Chúng em nghĩ đề tài có tính thực tiễn cao hi vọng đóng góp cho dự án phát triển quặng sắt viên nhằm cải thiện tính ngun liệu đưa vào lị cao Trong q trình hồn thành đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, mong q thầy bạn góp ý Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Tieu luan MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN .1 1.1 Lịch sử phát triển phương pháp vê viên nước 1.2 Giới thiệu phương pháp …………………………………………….2 vê viên 1.3 Quy trình cơng nghệ 1.4 Lý thuyết vê viên 1.4.1 Đặc tính bề mặt nguyên liệu mịn trạng thái nước ……… 1.4.2 Quá trình hình thành viên hạt mịn 1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất viên quặng…….………………… 1.4.3.1 Ảnh hưởng tính chất nguyên liệu ……………………………… 1.4.3.2 Ảnh hưởng điều kiện công nghệ tạo quặng viên …………………12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .14 2.1 Chất kết dính hữu 14 2.1.1 Cellulose 14 2.1.2 Tinh bột 15 2.1.3 Copolymer tổng hợp 17 2.1.4 humates(muối acid humic) 18 2.1.5 Gum 19 2.1.6 Nhựa đường bitumen .20 2.1.7 Chất thải hữu 21 2.2 Chất kết dính vơ 22 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 24 3.1 Thiết bị 24 3.1.1 Máy tạo viên 24 3.1.2 Lò nung 25 3.1.3 Cốc gốm .25 Tieu luan 3.1.4 Thiết bị đo độ bền nén 26 3.1.5 Thiết bị đo độ xốp 26 3.1.6 Thiết bị đo cấu trúc XRD 27 3.1.7 Các thiết bị đo khác 28 3.2 Thí nghiệm 29 3.2.1 Chuẩn bị nguyên nhiên liệu 29 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu 30 3.2.3 Quy trình luyện viên quặng 31 3.3 Mục đích nghiên cứu 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 4.1 Cấu trúc bentonite trước sau biến tính soda 35 4.2 Độ bền tươi quặng viên .38 4.3 Độ bền nén quặng viên .49 4.4 Cấu trúc quặng sắt viên sử dụng bentonite không biến tính biến tính soda 41 4.5 Độ xốp quặng viên 44 CHƯƠNG KẾT LUẬN .45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 Tieu luan Hình 3.10 Quặng bentonite sau cân - Bước 2: Tiến hành vê viên quặng Cho quặng nước theo tỷ lệ thích hợp vào máy vê viên để tạo viên cầu Hình 3.11 (quá trình tạo mầm), Hình 3.12 (phun nước vào quặng viên) thể trình tạo viên tươi Hình 3.11 Quá trình tạo mầm Hình 3.12 Phun nước vào viên cầu - Bước 3: Khi viên đạt đủ kích thước 12mm Quay lưu máy vê viên 10 15 phút để đạt độ bền tươi nhẵn bề mặt Hình 3.13 biểu diễn hình dạng quặng viên sau vê viên xong 32 Tieu luan Hình 3.13 Viên cầu sau vê viên xong - Bước 4: Kiểm tra độ bền tươi thép dày 4mm độ cao 450mm biểu thị Hình 3.14 Hình 3.14 Kiểm tra độ bền tươi quặng viên - Bước 5: Khử ẩm quặng viên: Quặng sau vê viên, phơi khơ tự nhiên vịng - ngày Quặng viên tươi để cốc gốm sau sấy lị 200°C khử ẩm Hình 3.15 thể quặng viên tươi để cốc gốm 33 Tieu luan Hình 3.15 Quặng viên tươi để cốc gốm - Bước 6: Nung quặng nhiệt độ 1200°C, thời gian 30 phút Viên quặng sau nung để nguội với lò sau bảo quản mơi trường khơ 3.3 Mục đích nghiên cứu Với mục đích giảm hàm lượng bentonite quặng sắt viên: chất bentonite SiO2, Al2O3 coi tạp chất không mong muốn luyện gang Nhưng giảm hàm lượng chất kết dính bentonite làm giảm độ bền tươi độ bền nén viên quặng Do đó, mục đích nghiên cứu sử dụng bentonite biến tính soda nhằm giảm hàm lượng chất kết dính bentonite luyện viên mà lại làm tăng độ bền tươi độ bền nén quặng sắt viên 34 Tieu luan CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Cấu trúc bentonite trước sau biến tính soda Ảnh nhiễu xạ tia X bentonite trước biến tính biểu diễn Hình 4.1 Hình 4.1: Nhiễu xạ tia X bentonite khơng biến tính Từ hình trên, ta thấy bentonite có thành phần là: Ca-montmorillonite Và Quartz Trong đó, hàm lượng Ca-montmorillonite Kết phù hợp với hàm lượng bentonite thể Bảng 3.2 Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu bentonite sau biến tính 1, 2, 3% soda thể tương ứng Hình 4.2, 4.3, 4.4 35 Tieu luan Hình 4.2 Nhiễu xạ tia X bentonite biến tính 1% soda Hình 4.3 Nhiễu xạ tia X bentonite biến tính 2% soda 36 Tieu luan Hình 4.4 Nhiễu xạ tia X bentonite biến tính 3% soda Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu quặng viên sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính 1% soda thể qua Hình 4.5 Hình 4.5 Phổ XRD bentonite khơng biến tính biến tính 1% soda 37 Tieu luan Các ảnh nhiễu xạ cho thấy cấu trúc Ca-montmorillonite khơng cịn xuất hiện, thay vào peak soda, Al2O3,SiO2 Như thấy soda có tác dụng tách chất Ca-montmorillonite thành oxit riêng lẻ Al 2O3, SiO2, CaO đồng thời Na chỗ Ca theo phương trình phản ứng [11]: Ca-Bent + 2Na+ = 2Na-Bent + Ca2+ 4.2 Độ bền tươi quặng sắt viên Kết kiểm tra độ bền viên tươi quặng sắt viên sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính chứa hàm lượng soda khác nêu Bảng 4.1 Viên tươi sau vê viên thả rơi từ độ cao 0,45m xuống thép cứng ghi lại số lần rơi mà chưa vỡ vụn Bảng 4.1 Độ bền tươi quặng viên Soda(%) STT Độ bền tươi quặng viên 7 6 6 5 7 7 7 6 8 7 8 7 7 10 8 Trung bình 6.6 6.8 7.0 7.2 Từ số liệu Bảng 4.1, ta vẽ đồ thị biểu diễn độ bền tươi quặng viên sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính soda với hàm lượng khác thể qua Hình 4.6 38 Tieu luan Độ bền rơi viên tươi (lần) 7.4 7.2 7.2 7 6.8 6.8 6.6 6.6 6.4 6.2 %Soda bentonite Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn độ bền tươi quặng sắt viên sử dụng bentonite với hàm lượng soda khác Từ Bảng 4.1 Hình 4.6 cho ta thấy, tăng hàm lượng soda bentonite độ bền thả rơi viên tươi tăng dần (Từ 5.3 lần đến 6.5 lần) Như vậy, sử dụng bentonite biến tính sử dụng luyện viên quặng sắt làm tăng độ bền tươi quặng viên 4.3 Độ bền nén quặng viên Kết độ bền nén quặng sắt viên sau nung oxy hóa nhiệt độ 1200°C thời gian 30 phút thể Hình 4.7 Độ bền nén quặng viên Độ bền nén (kg/viên) Hình Sự ảnh hưởng hàm lượng để biến 450 400 350 300 250 200 150 100 50 400 320 200 4.7 230 soda tính %Soda bentonite bentonite đến độ bền nén quặng viên sau nung 1200°C, 30 phút 39 Tieu luan Nhận xét: - Độ bền nén quặng viên tăng đáng kể sau sử dụng soda làm chất biến tính (từ 200kg/viên lên 400kg/viên) tùy theo hàm lượng chất biến tính Độ bền nén quặng viên tăng dần hàm lượng soda quặng viên tăng (230kg/viên, 320kg/viên, 400kg/viên tương ứng với 1, 2, 3% soda) Quặng sắt viên sử dụng bentonite 3% soda có độ bền nén cao (400kg/viên) Độ bền nén quặng sắt viên sử dụng bentonite khơng biến tính thấp (200kg/viên) 4.4 Cấu trúc quặng sắt viên sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính soda Cấu trúc mẫu quặng viên sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính 1, 2, 3% soda thể tương ứng giản đồ nhiễu xạ tia X Hình 4.8, 4.9, 4.10, 4.11 tương ứng Hình 4.8 Phổ XRD quặng sắt viên sử dụng bentonite khơng biến tính 40 Tieu luan Hình 4.9 Phổ XRD quặng viên sử dụng bentonite 1% soda Hình 4.10 Phổ XRD quặng viên sử dụng bentonite 2% soda 41 Tieu luan Hình 4.11 Phổ XRD quặng viên sử dụng bentonite 3% soda Từ hình 4.8, 4.9, 4.10, 4.11, ta tạo Hình 4.12 để so sánh quặng sắt viên sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính 1%, 2%, 3% soda 42 Tieu luan Hình 4.12 Phổ XRD quặng viên sau nung nhiệt độ 1200°, thời gian 30 phút với hàm lượng soda khác Từ Hình 4.12, ta thấy: Quặng viên sử dụng chất kết dính bentonite biến tính với khơng biến tính, Các peak khơng thay đổi, tồn peak Fe 2O3, SiO2, khơng tồn peak soda Do biến tính bentonite soda khơng ảnh hưởng đến cấu trúc quặng viên Tuy nhiên cường độ peak giảm tăng hàm lượng soda bentonite 43 Tieu luan 4.5 Kiểm tra độ xốp quặng sắt viên Giá trị độ xốp mẫu quặng viên sau nung sử dụng bentonite khơng biến tính biến tính soda với hàm lương khác thể Bảng 4.2 Bảng 4.2: Độ xốp quặng viên sau nung Soda (%) Độ xốp (%) 25 24 25 22 Để thể khác biệt giá trị độ xốp, ta vẽ biểu đồ biểu diễn độ xốp mẫu quặng viên sau nung sử dụng bentonite không biến tính biến tính soda Hình 4.13 Độ xốp quặng viên 50 45 40 Độ xốp(%) 35 30 25 25.62 23.84 25.58 22.22 20 15 10 0 %Soda bentonite Hình 4.13 Biểu đồ biểu thị độ xốp quặng sắt viên sử dụng bentonite biến tính soda với hàm lượng khác Nhận xét: Với hàm lượng soda khác nhau, ảnh hưởng soda tới độ xốp không rõ ràng Độ xốp không thay đổi đáng kể (từ 22% đến 25%) 44 Tieu luan CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Tác giả nghiên cứu quy trình biến tính chất kết dính bentonite sử dụng vê viên quặng sắt soda với hàm lượng 1%, 2%, 3% Sử dụng bentonite biến tính để tạo viên quặng sắt cho thấy làm tăng độ bền tươi đáng kể (từ 5.3 đến 6.5 lần) tùy thuộc vào hàm lượng soda Hàm lượng soda lớn độ bền tươi viên quặng tăng Trong q trình biến tính, soda làm thay đổi cấu trúc bentonite (Na tách thay Ca cấu trúc Ca-Montmorillonite) Cơ chế trình cần phải kiểm chứng thêm Sử dụng bentonite biến tính soda làm tăng độ bền nén quặng viên sau nung oxy hoa (từ 200 đến 400kg/viên) Soda không làm ảnh hưởng đến cấu trúc quặng viên trình nung oxy hóa 45 Tieu luan TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Halt, J.; Kawatra, S Review of organic binders for iron ore concentrate agglomeration Minerals & Metallurgical Processing Journal 2014, 31, 73-94 [2] Bài giảng lý thuyết vê viên, TS.Ngô Quốc Long [3] T C Eisele S K Kawatra; “A review of binders in iron ore pelletization’’, Mineral Processing and Extractive Metall Rev., 24, 2003, 1-90 [4] Sivrika, O., Arol, A.I; “Alternative binders to bentonite for iron ore pelletizing: part II: Effects on metallurgical and chemical properties”; Holos, Ano 30, Vol.3 Edicao Especial 2014 [5] Eisele, T C.; Kawatra, S K A review of binders in iron ore pelletization Miner Process Extr Metal Rev 2003, 24, 1- 90 [6] Haas, L A.; Aldinger, J A.; Zahl, R K Effectiveness of organic binders for iron ore pelletization; US Department of the Interior, Bureau of Mines: 1989; [7] Qiu, G.; Jiang, T.; Li, H.; Wang, D Functions and molecular structure of organic binders for iron ore pelletization Colloids Surf Physicochem Eng Aspects 2003, 224, 11-22 [8] Illés, E.; Tombácz, E The effect of humic acid adsorption on pH-dependent surface charging and aggregation of magnetite nanoparticles J Colloid Interface Sci 2006, 295, 112-115 [9] Qiu, G.; Jiang, T.; Fa, K.; Zhu, D.; Wang, D Interfacial characterizations of iron ore concentrates affected by binders Powder Technol 2004, 139, 1-6 [10] Elwany, M Hydrolysis of rice straw for production of soluble sugars 2013 [11] Yuanbo Zhang, Tao Jiang, Liyong Chen, Guanghui Li Study on Sodium Modification of Inferior Ca-Based Bentonite by Suspension Method; Volume 2011 [12] J Gui-Lan and Z Pei-Ping, The Processing and Application of Bentonite, Chemical Industry Press, Beijing, China, 2005 [13] J Chong, Study on Mineralogical Characteristics and Modification of Xiangxi Bentonite, Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, Changsha, China, 2005 [14] Deguchi, S.; Tsujii, K.; Horikoshi, K Cooking cellulose in hot and compressed water Chem.Commun 2006, 3293-3295 46 Tieu luan ... Phương pháp nghiên cứu - Biến tính bentonite: Sử dụng soda làm chất biến tính, lấy soda với tỷ lệ % khối lượng 1,2,3 % tương ứng với khối lượng bentonite đem trộn Trước biến tính soda, mẫu bentonite. .. xạ tia X bentonite biến tính 2% soda 36 Tieu luan Hình 4.4 Nhiễu xạ tia X bentonite biến tính 3% soda Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu quặng viên sử dụng bentonite không biến tính biến tính 1% soda thể... X bentonite khơng biến tính .35 Hình 4.2 Nhiễu xạ tia X bentonite biến tính 1% soda 36 Hình 4.3 Nhiễu xạ tia X bentonite biến tính 2% soda 36 Tieu luan Hình 4.4 Nhiễu xạ tia X bentonite