Báo cáo kỹ thuật gốm cordierite

Báo cáo kỹ thuật gốm cordierite

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN SILICAT o0o

BÁO CÁO KỸ THUẬT GỐM SỨ

Nhĩm: Nguyễn Thanh Vinh – V0702976

Trịnh Văn Thảo – V0704454

Lê Quang Dương – V0700449 Nguyễn Bảo Nguyên –V0701624

I.CHẤT NỀN CORDIERITE 6

I.1.Giới thiệu Về Cordierite 6

I.2.Một số phương pháp đã được nghiên cứu 6

I.3.Ứng dụng làm chất nền 7

II.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG 8

II.1Giới thiệu Về γ- Al2O3 8

II.1.1.Cấu trúc của γ- Al2O3 8

II.1.2.Cấu tạo bề mặt của γ-Al2O3 8

II.2.Ứng dụng của gamma oxyt nhôm 11

III.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE 12

III.1.Giới thiệu Về Nhôm oxyt là nguyên liệu để tổng hợp 13

III.1.1.Nhôm oxyt 13

III.1.2.Nhôm nitrat 16

III.2.Giới thiệu Về Magiê oxyt là nguyên liệu để tổng hợp 18

III.2.1.Magiê oxyt 18

III.2.2.Magiê nitrat 20

III.3.Giới thiệu Về Silic oxyt là nguyên liệu để tổng hợp 21

III.3.1.Silic oxyt 21

III.3.2.Giới thiệu Về thủy tinh lỏng (TEOS) 23

III.4 GIỚI THIỆU VỀ CITRIC AXIT 25

III.4.1.Tính chất Vật lý của axit citric 25

III.4.2.Tính chất hoá học của axit citric 27

III.4.3.Ứng dụng của citric axit 29

IV.CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP XÚC TÁC 30

IV.1.Phương pháp phản ứng ở trạng thái rắn 30

IV.1.1.Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn 32

IV.1.2.Quá trình phát triển của tinh thể sản phẩm 32

IV.2.Phương pháp kết tủa 33

IV.3.Phương pháp kết tinh thủy nhiệt 34

IV.4.Phương pháp phân hủy trực tiếp từ muối 35

IV.5.Phương pháp sol-gel .36

IV.5.1.Khái niệm Về sol .37

IV.5.2.Khái niệm Về gel 37

IV.5.3.Ưu nhược điểm của phương pháp sol – gel .38

IV.5.4.Các giai đoạn của quá trình sol-gel 38

MỞ ĐẦU

Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một Vấn đề nhức nhối Với con người Trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ khí thải động cơ Các thành phần khí gây ô nhiễm như các oxyt nitơ, oxyt lưu huỳnh, hydrocacbon dễ bay hơi, cacbon monoxyt, …ngày càng gia tăng gây

ra các hiện tượng mưa axit, hiệu ứng nhà kính, lỗ hổng tầng ozon, đặc biệt là những thay đổi Về khí hậu Do Vậy Vấn đề xử lý khí thải của các quá trình đốt cháy nhiên liệu, đặc biệt là khí thải xe cơ giới đang thu hút được nhiều nghiên cứu

Đa số các nghiên cứu đều sử dụng các bộ chuyển hóa xúc tác Với xúc tác

là kim loại quý như bạch kim, paladi, rhodi…Xúc tác này thường gồm 3 lớp: chất nền làm từ các loại gốm như Cordierite hoặc từ phoi kim loại, chất mang phổ biến là γ- Al2O3 phủ bên ngoài lớp chất nền Và cuối cùng là lớp xúc tác kim loại Xúc tác phải có khả năng xử lý đồng thời ba thành phần ô

Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al2O3-SiO2 Thành phần hóa học của Cordierite là 2 MgO.2Al2O3.5SiO2 Cordierite là loại Vật liệu phổ biến, có độ bền nhiệt Và bền cơ cao nên được ứng dụng làm chất nền điều chế xúc tác xử lý khí thải của các quá trình đốt cháy nhiên liệu Các nghiên cứu chủ yếu tổng hợp Cordierite đi từ nguồn nguyên liệu tự nhiên như cao lanh, talc, alumosilicat tự nhiên…chưa đạt được các thông số mong muốn Đồ án đặt Vấn đề tổng hợp Cordierite theo một hướng đi mới nhằm tăng diện tích bề mặt, tăng khả năng hoạt động trong khi giảm xuống tối thiểu lượng chất xúc tác cần dùng Vì giá thành rất đắt

I CHẤT NỀN CORDIERITE

I.1.Giới thiệu Về Cordierite

Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al2O3-SiO2 Thành phần

có thành phần mullite (3Al2O3.2SiO2) cao

Cordierite là một loại tinh thể có trong tự nhiên được nhà khoáng Vật người Pháp Pierre Louis A Cordier (1777-1861) phát hiện Cordierite kết tinh

ở dạng lục phương Và có cấu trúc là các Vòng Silicat 6 cạnh Tinh thể Cordierite có nhiều đặc tính quý như có hệ số giãn nở nhiệt thấp, tổn thất điện môi nhỏ Gốm Cordierite là một loại gốm mà tinh thể chính là Cordierite, gốm Cordierite có độ bền nhiệt cao, dễ tạo xốp nên được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghệ mà có sự biến đổi rất nhanh Về nhiệt độ như làm

bộ lọc trong các động cơ, làm chất mang xúc tác, làm Vật liệu lót trong công nghệ Hàn hồ quang (Mig-Mag) Tuy nhiên, gốm Cordierite là một loại gốm

200 năm trôi qua đã có nhiều công trình nghiên cứu phát triển nhằm hạ thấp nhiệt độ nung Và kéo dài khoảng nung của loại Vật liệu này Ngoài nhu cầu trong công nghệ hàn trong đóng tàu, công nghiệp hàn nói chung cũng có nhu cầu rất lớn Về loại Vật liệu này Ở VIệt Nam đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu để tổng hợp Cordierite nhưng ứng dụng chưa nhiều VIệc phát triển công nghệ sản xuất Cordierite nói chung Và Cordierite làm chất nền cho xúc tác xử lý khí thải là rất cần thiết

Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al2O3-SiO2 Thành phần

có thành phần mullite (3Al2O3.2SiO2) cao.[21]

I.2.Một số phương pháp đã được nghiên cứu

Rất nhiều các nghiên cứu khoa học đã tổng hợp thành công Vật liệu gốm Cordierite đi từ nguyên liệu tự nhiên

• Tổng hợp dùng nguồn nguyên liệu đi từ cao lanh A lưới bằng phương pháp đồng kết tủa

• Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hỗ trợ của phương pháp cơ hóa

• Tổng hợp Cordierite từ các nguyên liệu tự nhiên là cao lanh, talc, Và bột nhôm hydroxyt thương mại

• Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp phân tán rắn –lỏng trên nền khoáng alumosilicat tự nhiên

• Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp sol –gel đi từ Na2SiO3 Và muối

có chứa Magiê Và Nhôm

I.3.Ứng dụng làm chất nền

Cordierite là loại Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất nền cho xúc tác 3 nhiệm Vụ Sở dĩ như Vậy Vì Vật liệu này đạt được những tính chất

cơ bản của chất nền là:

• Có độ bền nhiệt Và bền cơ cao nên độ bền chung cao Và không bị Vỡ

• Khả năng chịu được những chấn động nhiệt rất tốt do có độ xốp nhỏ, hệ

liệu chịu lửa) làm cho nhiệt của khí thải được giữ ở lớp xúc tác nên chất nền này đạt đến nhiệt độ hoạt động nhanh hơn Khối chất nền từ Cordierite cũng

có thể chịu được những chấn động nhiệt Bề măt xù xì hơn kim loại nên khả năng bám dính của xúc tác lớn hơn.[30]

II.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG γ- Al 2 O 3

II.1Giới thiệu Về γ- Al2O3

II.1.1 Cấu trúc của γ- Al2O3

Cấu trúc của nhôm oxyt được xây dựng từ các đơn lớp của các quả cầu bị

1 Lớp tiếp theo được phân bố trên lớp thứ nhất, ở đó tất cả các quả cầu thứ hai nằm ở Vị trí lõm sâu của lớp thứ nhất (Vị trí 2) Lớp thứ ba được phân bố trên các hố sâu khác của lớp thứ nhất (Vị trí 3) (Hình 2)

Các cation kim loại trong đó Al3+ nhất thiết được phân bố trong không

tam giác, lớp oxy thứ hai thuộc Vị trí 2 được phân bố trên ion Al3+ Ion Al3+ trong trường hợp này nằm ở Vị trí tâm bát diện (hình 3)

xếp bằng phương pháp này thì một ion Al3+ được bao bọc bởi 3 ion oxy, để thoả mãn độ trung hoà điện tích thì cần thiết phải trống một trong ba Vị trí của cation Sự thiếu Vắng này dẫn đến khả năng sắp xếp trong mạng thành các hình lục giác đều mà đỉnh là các Al3+ (hình 4)

Khi tách nước cấu trúc có thể đưa đến cấu trúc bó chặt khối lục diện chuyển sang lập phương Trong cấu trúc lập phương bó chặt khối bát diện rỗng chứa các ion nằm ở trung tâm, đồng thời khối bát diện kết hợp Với khối

tứ diện Và tạo khoảng không gian cho các cation bé Al3+ có thể Vào khối bát diện Và tứ diện

Hình 5 Hai lớp đầu tiên của tinh thể γ- Al 2 O 3

Trong nhôm oxyt, oxy được bao gói theo kiểu khối lập phương bó chặt, còn đối Với cation thì một trong hai cation nằm ở khối 4 mặt, cation kia nằm trong khối 8 mặt Ở trường hợp này khi có mặt hydro thì công thức của η-

Al2O3 Và γ-Al2O3 có thể VIết tương ứng: (H1/2Al1/2)Al2O4 hay Al(H1/2Al3/4)O4 trong đó các ion nhôm nằm trong khối tứ diện Proton không nằm trong lỗ

lớn các nhóm OH- nằm trên bề mặt Vì Vậy η- Al2O3 Và γ- Al2O3 có diện tích bề mặt lớn Và trên bề mặt chứa nhiều OH- liên kết

Dạng γ-Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó được tạo thành khi nung Gibbsit, Nordstrandit Và Bemit ở nhiệt độ khoảng 4500C ÷ 6000C, hay

Trên bề mặt của γ- Al2O3 tồn tại hai loại tâm axit: tâm axit Lewis Và tâm axit Bronsted Tâm axit Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit Bronsted có khả năng nhường proton cho phân tử chất hấp phụ

Tính axit của γ- Al2O3 liên quan tới sự có mặt của các lỗ trống trên bề mặt của nó Với số phối trí khác nhau Tính bazơ do ion nhôm trong lỗ trống mang điện tích dương không được bão hoà quyết định

Tinh thể γ-Al2O3 có hình dáng khối bát diện γ- Al2O3 kết tinh trong hệ khối lập phương, dựa trên cấu trúc lập phương tâm diện (FCC) Cấu trúc của γ- Al2O3 thường được miêu tả là cấu trúc lập phương khuyết, trong đó thiếu một phần các Vị trí cation

lớp đồng thời có cả nhôm bát diện Và nhôm tứ diện (Hình ) Mỗi cấu trúc cơ

sở chứa 32 ion oxy Và 64/3 ion nhôm để phù hợp hóa trị Ion nhôm bị khuyết

cả ở Vị trí bát diện Và tứ diện, nhưng tỷ lệ khuyết ở mỗi phần Vẫn còn là đề tài gây tranh cãi

Khối lượng riêng của γ- Al2O3: 3,20 ÷ 3,77 g/cm3

II.1.2.Cấu tạo bề mặt của γ-Al2O3

Tính chất hóa học bề mặt của γ-Al2O3 liên quan trực tiếp đến tính chất xúc tác của chúng γ-Al2O3 hoạt tính, ngoài Al2O3 tinh khiết thường chứa từ 1% ÷

kiềm, oxyt sắt, ion sunfat Các tạp chất này có ảnh hưởng đến tính chất xúc tác của γ-Al2O3 Ví dụ như sự có mặt của SO42- Và một số anion khác làm tăng

độ axit của γ-Al2O3

Cấu tạo bề mặt của γ-Al2O3 cũng phụ thuộc Vào nhiệt độ, γ-Al2O3 có thể hấp phụ nước ở dạng phân tử H2O hoặc dạng ion OH- Khi tiếp xúc Với hơi nước ở nhiệt độ thường, γ-Al2O3 hấp phụ nước ở dạng phân tử H2O không phân ly Nước liên kết Với bề mặt bằng liên kết hydro bền Vững Ở áp suất hơi

nước cao, quan sát thấy quá trình hấp phụ Vật lý một lượng nước lớn, nhưng

tồn tại nước ở dạng không phân ly, khi sấy mẫu ở 3000C lượng nước phân tử không bị tách khỏi bề mặt tạo nên nhóm hydroxyl bề mặt

nhiệt độ 8000C ÷ 10000C Và áp suất chân không trong nhôm oxyt Vẫn chứa một lượng nước nhất định

Ion OH- thể hiện tính chất tâm axit Bronsted Trong quá trình dehydrat

mặt tạo nên cầu oxy Ở một khía cạnh khác có thể thấy rằng khi hai nhóm

hiện như một tâm Lewis Như Vậy, trên bề mặt nhôm oxyt tồn tại cả hai loại tâm: tâm Bronsted Và Lewis Tâm Bronsted Và Lewis là các trung tâm xúc tác hoạt tính trên bề mặt nhôm oxyt.[8,31]

II.2.Ứng dụng của gamma oxyt nhôm

Dạng gamma oxyt nhôm thường được sử dụng làm chất mang đa chức năng, Vì ngoài chức năng thông thường như: phân tán pha hoạt động của xúc tác, tăng diện tích tiếp xúc của pha hoạt động xúc tác Với môi trường, ngăn cản quá trình thiêu kết Và tái kết tinh pha hoạt động, tăng độ bền, tăng khả năng truyền nhiệt của xúc tác nó còn có Vai trò hỗ trợ xúc tác giống như một xúc tác thứ hai

Do có các đặc tính là bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, hoạt tính cao, bền cơ,

dầu, xúc tác cho các phản ứng hóa học, chất hấp phụ

Ứng dụng trong lọc hóa dầu

Trong công nghệ lọc hóa dầu γ- Al2O3 được dùng làm xúc tác để tách các cấu tử không mong muốn, bảo Vệ thiết bị lọc dầu, tăng chất lượng sản phẩm Quá trình Clause, γ-Al2O3 được sử dụng nhằm chuyển hóa H2S thành muối sunfua Trong quá trình xử lý bằng hydro, γ- Al2O3 được sử dụng như một chất mang xúc tác để tách các hợp chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh, nitơ

tác Pt/γ- Al2O3 cho phản ứng Ngày nay Pt/γ- Al2O3 cũng được sử dụng làm xúc tác lưỡng chức trong quá trình reforming, trong đó Pt mang chức năng

mang có tính axit, đóng Vai trò chức năng axit – bazơ thúc đẩy phản ứng izome hóa, hydrocracking.[17,18]

V.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE

V.1.Giới thiệu Về Nhôm oxyt Và nguyên liệu để tổng hợp

V.1.1.Nhôm oxyt

thường có mặt trong các khoáng Vật côrunđum, saphia, ruby hoặc alôxyt, oxyt nhôm, xêramic Và các loại Vật liệu khác

Dạng cấu trúc tinh thể phổ biến nhất của nhôm oxyt trong tự nhiên là α- nhôm oxyt (trong hợp chất côrunđum), các dạng khác của nhôm oxyt như η,

χ, γ, δ Và θ nhôm oxyt Mỗi dạng nhôm oxyt có một kiểu cấu trúc tinh thể

Và đặc tính riêng

a.Tính chất Vật lý của oxyt nhôm được liệt kê trong bảng:

Tên thường gọi : Alumina

0,008Cấu trúc

Điểm bắt cháy Không bắt cháy

Bảng1: Tính chất Vật lý của oxyt nhôm

b Tính chất hóa học :

Tính lưỡng tính

- Tác dụng Với axit

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O

- Tác dụng Với kiềm

Al2O3 + 2 NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]

-Ở nhiệt độ thường Al2O3 rất trơ Về mặt hóa học,nó không tan trong nước

hydrosunfat Và đisunfa kim loại kiềm ở trạng thái nóng chảy

Ở nhiệt độ cao Al2O3 tương tác Với oxyt của một số kim loại tạo nên những sản phẩm có tính chất của đá quý, như alexanđrit Al2O3.BeO Và spinen MgO

d.Ứng dụng chung của nhôm oxyt

Sản lượng alumina hàng năm trên thế giới Vào khoảng 45 triệu tấn, hơn 90% trong số đó được sử dụng để sản xuất nhôm Ứng dụng chủ yếu của nhôm oxyt là trong các ngành công nghiệp sản xuất Vật liệu chịu nhiệt, gốm, đánh bóng

bề mặt Và mài mòn, một lượng đáng kể nhôm oxyt còn được sử dụng trong sản xuất zeolite, làm chất phủ bề mặt Và Vật liệu chống cháy Nhôm oxyt dạng bột được sử dụng làm chất mang trong máy phân tích sắc ký, Với 3 trạng thái: bazơ (pH 9,5), dạng axit (pH 4,5) Và dạng trung hòa

Trong các ứng dụng y học Và sức khỏe, alumina được sử dụng để chế tạo các chi tiết thay thế xương hông Alumina Và các hợp chất hóa học của alumina được sử dụng để lọc nước, một Vài hợp chất như: nhôm sunfat

Al2(SO4)3, nhôm clorohydrat AlnCl3n-m(OH)m, natri aluminat NaAlO2 hiện đang được sử dụng để lọc bỏ các hợp chất flo trong nước Alumina cũng có mặt trong thành phần chế tạo kem đánh răng

Trong công nghệ hóa học, nhôm oxyt được sử dụng làm chất xúc tác, chất mang xúc tác (dạng trơ, có tương tác Với chất nền hoặc chất mang đa chức năng), chất hấp phụ, chất kết dính…Do mỗi loại nhôm oxyt có những đặc tính

lý, hóa Và cấu trúc tinh thể khác nhau, nên phạm VI ứng dụng của chúng cũng rất khác nhau, Ví dụ: khi sử dụng nhôm oxyt làm chất mang, tùy thuộc Vào mục đích sử dụng mà người ta chọn các cấu trúc nhôm oxyt khác nhau:[6,7,8]

Isome hoá

Bảng2: Một số ứng dụng của oxyt nhôm

V.1.2.Nhôm nitrat

Công thức cấu tạo :

Là muối của Nhôm Và acid Nitric Bình thường nó tồn tại ở dạng tinh thể hydrat Al (NO3 )39H2O ,tồn tại ở dạng chất rắn màu trắng

Độ hòa tan trong etylen glycol: 118,32 g/100 ml

Nhôm Nitrat là chất oxy hóa rất mạnh Nó được sử dụng nhiều trong lĩnh Vực thuộc da, tinh lọc xăng dầu, Và khai thác uranium

Các nonanitrat Và các hydrat nhôm nitrat có nhiều ứng dụng.Muối này được sử dụng để sản xuất oxyt nhôm,làm giấy cách nhiệt ,ngoài ra nó còn được sử dụng cho VIệc khai thác các nguyên tố họ Actini

Nó được ứng dụng nhiều trong phòng thí nghiệm như trong phản ứng:

Cho Al Và Al2O3 tác dụng Với acid HNO3 tạo muối Al(NO3)3

được tạo thành như là một sản phẩm trung gian trong quá trình điều chế MgO từ nước muối.MgO được sử dụng trong kĩ thuật do nó có nhiệt độ nóng chảy cao (do có năng lượng mạng lưới lớn ,có thể bay hơi mà không bị phân hủy), bền hóa, tính dẫn nhiệt tốt, tính dẫn điện kém, Và có hoạt tính sinh học

a.Tính chất Vật lý

Chỉ số khúc xạ tại 589 nm: 1736

Nhiệt hydrat hóa của oxit MgO: -81,24 kj/mol

MgO kết tinh theo mạng lập phương (giống tinh thể NaCl)

b.Tính chất hóa học

MgO công nghiệp chủ yếu được nung để tạo MgO xốp ,chất được sử dụng làm Vật liệu chịu lửa Và trong công nghiệp thép, MgO tan ít Và tan rất chậm trong nước:

MgO ở áp suất khí quyển bền trong môi trường oxy hóa tới 23000C Và

Khi nung nóng thật mạnh MgO thăng hoa sau đó lắng xuống ở dạng tinh thể khó tan trong axit

Phản ứng điều chế MgCl2 (MgCl2 được dùng để điện phân điều chế Mg trong kỹ thuật):

MgO + CO + Cl2 → MgCl2 + CO2↑

Hỗn hợp MgO + CaO Với silic dạng fero-silic nung nóng dưới áp suất

2Mg(NO3)2 → MgO + 4NO2 + O2 ↑

Trong công nghiệp người ta điều chế MgO bằng cách manhezit thiên nhiên