Nghiên cứu điều chế ZnO chất lượng cao từ quặng kẽm Bắc Kạn bằng phương pháp Amoni

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN NGỌC VƯỢNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ ZnO CHẤT LƯỢNG CAO TỪ QUẶNG KẼM BẮC KẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP AMONI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 2 LỜI CẢM ƠN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN NGỌC VƯỢNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ ZnO CHẤT LƯỢNG CAO TỪ QUẶNG KẼM OXIT BẮC KẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP AMONI Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGHIÊM XUÂN THUNG Hà Nội - 2014 3 Qua công trình này, em xin cảm ơn PGS.TS. Nghiêm Xuân Thung đã tận tình hướng dẫn để công trình này được hoàn thành. Em xin cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Hóa Vô cơ và các thầy cô trong khoa Hóa Học – Trường ĐH KHTN – ĐH QG Hà Nội . Xin chân thành cảm ơn tới các đồng nghiệp tại Trung tâm Triển khai Công nghệ Viện Công nghệ Xạ hiếm nơi tác giả đang công tác và các bạn bè cùng lớp đã động viên, khích lệ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn. Cũng nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm và lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình đã luôn chia sẻ động viên và hỗ trợ tôi. Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2014 Học viên Trần Ngọc Vượng 4 MC LC Trang M U 1 PHN 1. TNG QUAN 3 1.1. Tớnh cht lý húa hc v cỏc ng dng ca ZnO 3 1.1.1 Tớnh cht ca ZnO 3 1.1.2 ng dng ca bt ZnO 4 1.2. Mt s phng phỏp iu ch km oxit 8 1.2.1. Phng phỏp thng hoa oxy húa 8 1.2.2. Phng phỏp hon nguyờn oxy húa 9 1.2.3. Phng phỏp Thy luyn bng axit vụ c. 10 1.2.4. Phng phỏp thy luyn km bng h amoniac v tỏc nhõn phi hp 11 1.2.4.1. Gii thiu v phng phỏp 11 1.2.4.2. Nguyờn tc la chn cỏc thụng s hũa tỏch qung chung 11 1.2.4.3. Tinh ch dung dch 14 1.3. Khỏi quỏt v qung km vựng Bc Kn 15 PHN 2. THC NGHIM V CC PHNG PHP NGHIấN CU 16 2.1. Cỏc húa cht v thit b s dng trong ti 16 2.1.1. Húa cht 16 2.1.2. Thit b 16 2.2. Cỏc phng phỏp ỏnh giỏ, kim tra cht lng nguyờn liu v sn phm 17 2.2.1. Phng phỏp xỏc nh hm lng km 17 2.2.2. Phơng pháp chuẩn xác định Pb bằng Ditizon (HDz) 18 2.2.3. Phng phỏp quang ph plasma ghộp ni ph khi (ICP-MS) 19 2.2.4. Phng phỏp phõn tớch nhiu x Rn ghen XRD 20 2.2.5. Phơng pháp xỏc định diện tích bề mặt riêng của sản phẩm ZnO . 21 2.2.6. Phng phỏp hin vi in t quột (Scanning Electron Microscopy- SEM) 25 2. 3. Thc nghim 28 2.3.1. ỏnh giỏ thnh phn khoỏng vt hc ca qung km oxớt hm lng km thp vựng Bc Kn 28 2.3.2. Kho sỏt cỏc yu t nh hng n kh nng hũa tỏch qung km oxit vựng Bc Kn bng h tỏc nhõn amoniac v amoni cacbonat. 28 2.3.2.1. Xỏc nh t l nguyờn liu v tỏc nhõn hũa tỏch. 28 2.3.2.2. Kho sỏt nh hng ca nng amoniac v amoni cacbonat ti kh nng hũa tỏch 29 2.3.2.3. Kho sỏt nh hng ca kớch thc ht qung ti kh nng hũa tỏch. 29 5 2.3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình hòa tách. 30 2.3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hòa tách. 30 2.3.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của sự đảo trộn tới quá trình hòa tách. . 30 2.3.3. Tinh chế dung dịch hòa tách. 31 2.3.4. Nghiên cứu giải pháp công nghệ thu hồi kẽm trong dung dịch sau khi hòa tách dưới dạng kẽm oxit chất lượng cao. 31 2.3.4.1. Nghiên cứu khả năng thu nhận muối kẽm cacbonat bazơ từ dung dịch phức kẽm - amoniac - amonicacbonat 31 2.3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung tới chất lượng sản phẩm kẽm oxit. 31 PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1. Đánh giá thành phần khoáng học và thành phần hóa học của quặng kẽm oxit vùng Bắc Kạn. 33 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hòa tách quặng kẽm oxit vùng Bắc Kạn bằng hệ tác nhân amoniac và amoni cacbonat . 35 3.2.1. Xác định tỷ lệ nguyên liệu và tác nhân hòa tách. 35 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới khả năng hòa tách 38 3.2.3. Ảnh hưởng của kích thước hạt quặng tới khả năng hòa tách. 40 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình hòa tách. 42 3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hòa tách. 45 3.2.6. Ảnh hưởng của sự đảo trộn tới quá trình hòa tách 48 3.3. Nghiên cứu giải pháp công nghệ điều chế kẽm oxit chất lượng cao từ dung dịch sau khi hòa tách 49 3.3.1.Nghiên cứu khả năng thu nhận muối kẽm cacbonat bazơ từ dung dịch phức kẽm - amoniac - amonicacbonat 49 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung tới chất lượng sản phẩm kẽm oxit. 50 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 59 6 DANH MỤC BẢNG Stt Kí hiệu Tên bảng 1 Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu quặng kẽm oxit Bắc Kạn theo phương pháp phân tích quang phổ plasma ghép nối phổ khối(ICP-MS) 2 Bảng 3.2 Khả năng hòa tan của kẽm oxit trong hệ amoniac – amoni cacbonat 3 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu và tác nhân hòa tách tới khả năng hòa tách kẽm 4 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới khả năng hòa tách kẽm 5 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của kích thước hạt tới khả năng hòa tách kẽm 6 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hòa tách 7 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hòa tách kẽm 8 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của yếu tố đảo trộn tới hiệu suất hòa tách kẽm 9 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của thời gian khuấy và xục khí tới hiệu suất thu hồi muối kẽm 10 Bảng 3.10 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới chất lượng sản phẩm ZnO 11 Bảng 3.11 Sự ảnh hưởng của thời gian nung tới chất lượng sản phẩm ZnO 12 Bảng 3.12 Kết quả đo bề mặt riêng của sản phẩm ZnO thu được theo phương pháp amoni 13 Bảng 3.13 Kết quả đo bề mặt riêng của sản phẩm ZnO thu được theo phương pháp thăng hoa oxy hóa. 14 Bảng 3.14 So sánh chất lượng sản phẩm ZnO thu được bằng phương pháp amoni và bằng phương pháp thăng hoa oxy hóa 7 DANH MỤC HÌNH VẼ Stt Kí hiệu Tên hình vẽ 1 Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurzite của tinh thể ZnO 2 Hình 1.2 Cấu trúc mạng tinh thể kiểu lập phương giả kẽm 3 Hình 1.3 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương kiểu NaCl 4 Hình 2.1 Thiết bị ICP-MS 5 Hình 2.2 Máy phân tích nhiễu xạ tia X Siemens D5005 6 Hình 2.3 Thiết bị ASAP 2010 - Micromeritics vµ Autochem II 2920- Micromeritics 7 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý máy chụp SEM 8 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu quặng kẽm oxit Bắc Kạn 9 Hình 3.2 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu và tác nhân hòa tách tới nồng độ dung dịch kẽm sau hòa tách. 10 Hình 3.3 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu và tác nhân hòa tách tới hiệu suất hòa tách kẽm. 11 Hình 3.4 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới nồng độ dung dịch kẽm sau hòa tách. 12 Hình 3.5 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới hiệu suất hòa tách quặng . 13 Hình 3.6 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của kích thước hạt tới nồng độ dung dịch kẽm sau hòa tách 14 Hình 3.7 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của kích thước hạt tới hiệu suất hòa tách quặng 15 Hình 3.8 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới nồng độ dung dịch kẽm sau hòa tách. 8 16 Hình 3.9 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất hòa tách quặng. 17 Hình 3.10 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới nồng độ dung dịch kẽm sau hòa tách ở nhiệt độ thường. 18 Hình 3.11 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới nồng độ dung dịch kẽm sau hòa tách ở nhiệt độ 50°C. 19 Hình 3.12 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hòa tách quặng ở nhiệt độ thường. 20 Hình 3.13 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hòa tách quặng ở nhiệt độ 50°C. 21 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sản phẩm kẽm oxit sau khi nung ở 600°C trong khoảng thời gian 120 phút 22 Hình 3.15 Kết quả chụp bề mặt sản phẩm sau khi nung ở 600°C, thời gian 120 phút độ phóng đại 5000 lần. 23 Hình 3.16 Kết quả chụp bề mặt sản phẩm sau khi nung ở 700°C, thời gian 120 phút độ phóng đại 10000 lần. 24 Hình 3.17 Sơ đồ thí nghiệm điều chế kẽm oxít từ quặng kẽm oxít vùng Bắc Kạn bằng phương pháp thủy luyện với hệ tác nhân amoniac và amoni cacbonat 9 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BET Brunauer-Emmet-Teller ICP - MS Inductively coupled plasma mass spectrometry IR Isoprene Rubber HDz Dithizon NR Natural Rubber SEM Scanning Electron Microscopy VCNXH Viện Công nghệ Xạ Hiếm V NLNT Viện Năng lượng Nguyên tử XRD X Ray Diffraction – Nhiễu xạ Rơnghen ZnO amoni Kẽm oxit điều chế theo phương pháp amoni ZnO TH OXH Kẽm oxit điều chế theo phương pháp thăng hoa oxy hóa 10 MỞ ĐẦU Kẽm là kim loại phổ biến đã được khai thác và sử dụng từ lâu. Hiện nay người ta chưa phát hiện có kẽm kim loại trong tự nhiên. Do kẽm có ái lực hóa học mạnh với oxy, lưu huỳnh và các nguyên tố khác nên kẽm thường tồn tại ở các dạng khoáng tự nhiên. Trong đó có 2 nhóm thường gặp là khoáng vật sunfua và khoáng vật oxit. Ở nước ta khoáng vật chứa kẽm phân bố tương đối rộng nhưng tập trung chủ yếu ở vùng Bắc Kạn, Thái Nguyên. Quặng kẽm Bắc Kạn chưa được thu hồi là nguồn quặng có hàm lượng Zn tương đối nhỏ và lượng tạp chất lớn. Hiện nay phương pháp hòa tách quặng kẽm chủ yếu là bằng tác nhân axit sunfuric loãng, khả năng hòa tách tương đối triệt để nhưng vẫn hòa tan nhiều tạp chất như oxit chất tạp của Fe, Cu, As Nếu sử dụng phương pháp hòa tách bằng axit thì sẽ tốn kém hóa chất vì các tạp chất đồng thời bị hòa tan vào dung dịch cùng với kẽm. Việc loại bỏ các tạp chất này trong dung dịch sau hòa tách tương đối phức tạp và tốn kém, nhất là đối với các loại quặng như quặng kẽm vùng Bắc Kạn. Phương pháp thủy luyện sử dụng tác nhân amoniac và các tác nhân phối hợp khác như các muối amoni cacbonat, sunphát, clorua dựa trên cơ sở kẽm là một kim loại lưỡng tính thuôc nhóm amoniacat. Khi cho tiếp xúc nguyên liệu chứa kẽm ở dạng oxit, muối với dung dịch hòa tách sẽ cho phép hòa tan chọn lọc kẽm trong khi các tạp chất không mong muốn như Pb, Fe nói chung bị giữ lại dưới dạng kết tủa và loại bỏ theo phần bã không tan. Từ dung dịch hòa tách cho phép thu hồi kẽm dưới dạng 2ZnCO 3 .3Zn(OH) 2 hay ZnCO 3 3Zn(OH) 2 là những chất rất dễ chuyển hóa thành sản phẩm kẽm oxit chất lượng cao hay các hợp chất khác của kẽm và cũng rất thuận lợi cho việc thu hồi amoniac tái sử dụng cho quá trình hòa tách. [...]... ỏp cao v cỏc dõy dn cao ỏp, ZnO lm tng in tr i vi hiu ng vnh do cú hng s in mụi cao, khi nhit lm vic cao ZnO cũn gúp phn duy trỡ cỏc tớnh cht vt lý ca cỏc hp cht cao su nh vic trung ho cỏc sn phm cú tớnh axit sinh ra L cht n nh nhit: Km ụxit cú tỏc dng lm chm quỏ trỡnh lu hoỏ ngc trong rt nhiu chng loi cao su s dng lm vic nhit cao 14 L cht lm úng rn cao su latex: Trong vic sn xut cỏc sn phm cao. .. trng cao nờn c s dng trong cỏc sn phm trng v cú mu nh nh cỏc lp cao su bờn sn ca sm lp, cỏc tm ph bng cao su hay gng tay y t L cht tng bn c hc: ZnO lm tng bn ca cao su thiờn nhiờn, cỏc elastomer tng hp nh cỏc poly sunphua hay cloroprene Mc tng cng bn tu thuc thnh phn km ụxit, mn ca ZnO cú vai trũ c bit quan trng trong quỏ trỡnh tng tỏc vi cao su Trong cỏc iu kin lm vic tc cao v ỏp sut cao, ZnO. .. rt nhiu cỏc lnh vc nh cụng nghip cao su, gm s, thc n chn nuụi, m phm, dc phm Trờn c s ú chỳng tụi chn ti Nghiờn cu iu ch ZnO cht lng cao t qung km Bc Kn bng phng phỏp amoni t mc tiờu l xỏc nh quy trỡnh cụng ngh iu ch km oxit cht lng cao t qung km vựng Bc Kn bng phng phỏp amoni 11 PHN 1 TNG QUAN 1.1 Tớnh cht lý húa hc v cỏc ng dng ca ZnO 1.1.1 Tớnh cht ca ZnO Km oxớt ZnO: l loi bt mu trng, hi vng trng... gii phúng nhit lm gim nhit lm vic Hn na, ZnO cũn cú tỏc dng trung ho cỏc cht cú tớnh axit sinh ra trong quỏ trỡnh lm vic nhit cao ca cỏc sn phm cao su To liờn kt cao su vi kim loi: Khi liờn kt cao su vi ng thau, ZnO phn ng vi CuO trờn b mt ng thau to thnh mt mui km - ng cú kh nng kt dớnh rt cao L thnh phn quan trng trong cụng nghip gm s: Nhng tớnh cht do ZnO to ra cho mt s ng dng trong cỏc thu tinh... xp, ZnO rt cú hiu qu trong vic lm ụng c cỏc sn phm xp vi bn cao L cht n nh quang hc: ZnO cú vai trũ tuyt vi trong cỏc bt mu trng v cỏc cht xỳc tin nhm hp th cỏc tia t ngoi Vỡ vy, ZnO c s dng nh mt cht n nh quang hc cho cỏc sn phm cao su mu trng v nh mu khi cỏc sn phm ú c s dng trong cỏc iu kin b tỏc ng lõu di ca ỏnh sỏng mt tri L mt bt mu: Do cng sỏng mnh, ch s khỳc x cao v kớch thc ht rt mn, ZnO. .. quỏ trỡnh lu hoỏ tng lờn rt nhiu khi cú mt ZnO nh vic to thnh cỏc liờn kt ngang trong cao su thiờn nhiờn (NR) v cao su isoprene (IR) Mt tỏc dng khỏc ca ZnO, vi vai trũ l cht tr xỳc tin lu hoỏ, nú lm gim hin tng tớch t nhit v ci thin kh nng chu mi mũn ZnO úng vai trũ nh mt cht tn nhit do ma sỏt khụng lm tng nhit bờn trong cao su Ngi ta cũn phỏt hin ra rng ZnO ci thin ỏng k kh nng chu nhit ca quỏ trỡnh... NaCl 1.1.2 ng dng ca bt ZnO Vai trũ tr xỳc tin lu hoỏ cao su ca km oxit ZnO: Cho n nay, ZnO vn c coi l cht tr xỳc tin lu hoỏ cao su tt nht Nhiu cụng 13 trỡnh ó c cụng b v vai trũ ca ZnO trong lu hoỏ cao su Trong nhiu h lu hoỏ, ZnO l tin cht ca cỏc cht xỳc tin dn xut t km, nú phn ng vi hu ht cỏc cht xỳc tin to ra mt mui km cú hot tớnh cao Vic to thnh cỏc ion km vi cỏc cht xỳc tin khỏc nhau l vn mu cht... sunfua, phõn hy ZnCO3 hoc Zn(OH)2 thu c ZnO Km oxớt núng chy nhit 1975 C Cú nhit núng chy bng 4470 cal/mol Km oxớt b CO, C v cỏc cht hon nguyờn khỏc hon nguyờn thnh km kim loi ZnO + CO = Zn + CO2 (1) Phn ng (1) xy ra rt chm nhit di 600 C nhng nhit trờn 800 C thỡ xy ra rt nhanh Nu cú Fe2O3 thỡ 650 C s sinh ra ferit km ZnO. Fe2O3, 2ZnO. Fe2O3, 4ZnO Fe2O3 nhit cng cao thỡ kh nng sinh ra ferit cng ln... quỏ trỡnh sn xut ZnO theo phng phỏp ny cú th biu din bng cỏc phng trỡnh phn ng sau: ZnO( rn) + CO = Zn hi + CO2 Zn hi + 1 O2 = 2 ZnO( rn) 18 Sn phm thu c thng cú cht lng khụng cao, tu thuc vo dng nguyờn liu l qung, ph liu cụng nghip m ta cú th thu c sn sn phm vi hm lng ZnO t 7099% Vỡ vy, sn phm ca cụng ngh ny cú th c dng lm nguyờn liu sn xut km kim loi hay dựng cho ngnh gm s, ngnh cao su cú yờu cu thp.[4]... NH3, cỏc mui amoni cacbonat, amoni clorua, hay amoni sunphat c s dng nh l cỏc tỏc nhõn phi hp nhm tng cng kh nng phn ng ca km khi chỳng m nhim hai nhim v chớnh l úng vai trũ m trong h v tỏc nhõn cung cp anion trung hũa in tớch hỡnh thnh dng phc cú kh nng tan tt Vi mc ớch chớnh l thu hi km di dng sn phm l ZnO thỡ vic s dng tỏc nhõn phi hp l amoni cacbonat l phự hp nht vỡ nú va cho phộp iu ch ZnO vi cỏc . ZnO chất lượng cao từ quặng kẽm Bắc Kạn bằng phương pháp amoni ” đặt mục tiêu là xác định quy trình công nghệ điều chế kẽm oxit chất lượng cao từ quặng kẽm vùng Bắc Kạn bằng phương pháp amoni. . HỌC TỰ NHIÊN TRẦN NGỌC VƯỢNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ ZnO CHẤT LƯỢNG CAO TỪ QUẶNG KẼM OXIT BẮC KẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP AMONI Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60440113 . HỌC TỰ NHIÊN TRẦN NGỌC VƯỢNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ ZnO CHẤT LƯỢNG CAO TỪ QUẶNG KẼM BẮC KẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP AMONI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC