Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh

Tính cấp thiết của đề tài Gốm cordierit 2MgO.2Al2O3.5SiO2 là một trong những loại gốm mới có nhiều tính chất quý như hệ số giãn nở nhiệt rất bé, có độ bền nhiệt và bền cơ cao… Vì thế, co

Trang 1

3.2 Tính toán cấp phối 3

3.1 Kiểm tra thành phần hóa của nguyên liệu 26

3.1.1.Cao lanh Hiệp Tiến 26

3.1.2.Tacl Phú Thọ 26

3.2 Tính toán cấp phối 27

3.2.1.Tính phần trăm các oxit trong cordierit 27

3.2.2.Tính toán cấp phối tạo sản phẩm 28

3.3 Khảo sát nhiệt độ nung đến quá trình tạo pha cordierit bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 29

3.3.1.Mẫu nung ở 1000oC 29

3.3.2.Mẫu nung ở 1100oC 30

3.3.3.Mẫu nung ở 1200oC 31

3.3.4.Mẫu nung ở 1240oC 32

3.4 Khảo sát một số tính chất của gốm cordierit 33

Trong đó: H là độ hút nước 33

So sánh tính chất cơ lý của các mẫu nhận thấy mẫu nghiên cứu ở 1240oC có khối lượng riêng và độ hút nước nhỏ hơn mẫu so sánh 1 ở 1250 oC của tác giả Trần Ngọc Tuyền, điều này cho thấy cordierit tổng hợp được sít đặc hơn, độ xốp bé hơn và nhiệt nung của mẫu nghiên cứu cũng bé hơn 34

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34

Trang 3

1 2.1

Trình bày mối quan hệ giữa dhkl với a, b, c, của một hệ tinh thể

ncesourcenotfound

2 3.1 Thành phần hóa của cao lanh Hiệp Tiến (% trọng lượng)

Error:Referencesourcenotfound

3 3.2 Thành phần hóa học của tacl Phú Thọ (% trọng lượng)

4 3.3 Thành phần (%) khối lượng nguyên liệu

5 3.4 Thành phần % khối lượng nguyên liệu quy về 100%

6 3.5 Cấp phối tạo gốm cordierit

Trang 5

1 1.1 Cấu trúc của khoáng cordierit

Referencesourcenotfound

2 1.2 Gốm cordierite dạng tổ ong làm chất mang xúc tác xử

lý khí thải

3 1.3 Vật liệu chịu lửa composite mullite-cordierit làm giá đở,

tấm kê trong lò nung gốm sứ

4 1.4 Vật liệu cách điện từ gốm cordierite

5 1.5 Quy trình tổng hợp vật liệu gốm theo phương pháp

sol-gel

Error:Referencesource

Trang 6

6 1.6 Sơ đồ tổng hợp cordierit theo phương pháp gốm truyền

thống

7 1.7 Cao lanh Hiệp Tiến

8 1.8 Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinit

9 1.9 Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh

Referencesourcenot

Trang 7

11 1.11 Bột nhôm hidroxit nce

sourcenotfound

20 2.9 Sơ đồ quy trình thực nghiệm

Trang 8

22 2.11 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm có bình hút chân không

23 3.1 Cao lanh Hiệp Tiến

24 3.2 Bột tacl Phú Thọ

Reference

Trang 9

27 3.5 Mẫu nung ở 1100oC

28 3.6 Giản đồ XRD của mẫu ở 1100oC

30 3.8 Giản đồ XRD của mẫu ở 1200 oC

Reference

Trang 10

32 3.10 Giản đồ XRD của mẫu ở 1240 oC

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Gốm cordierit (2MgO.2Al2O3.5SiO2) là một trong những loại gốm mới có nhiều tính chất quý như hệ số giãn nở nhiệt rất bé, có độ bền nhiệt và bền cơ cao…

Vì thế, cordierit được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: làm vật liệu chịu lửa bền nhiệt trong công nghiệp gốm sứ, làm sứ cách điện cao thế, làm vật liệu nền, màng nhằm thay thế vật liệu nhôm oxit truyền thống trong công nghiệp điện tử Đặc biệt, cordierit được dùng làm chất mang xúc tác tổ ong (honeycomb cordierite) để xử lý khí thải động cơ

Do có vai trò to lớn như vậy nên việc nghiên cứu tổng hợp cordierit là một yêu cầu bức thiết và đang được các nhà khoa học rất quan tâm Và đã có rất nhiều nhà nghiên cứu đã công bố công trình nghiên cứu của mình A.Yamuna và cộng sự

[13] đã tổng hợp cordierit đi từ cao lanh, MgO, talc, thạch anh, silica fumed Kết

quả là đã tạo ra được cordierit ở nhiệt độ nung là 1350oC Ewais và cộng sự [8] đã tổng hợp cordierit từ silica fumed, bôxit và talc Kết quả thu được cordierit với độ xốp 46.4% và nhiệt độ nung cordierit là 1300-13500C Mazin Y Tamar-Agha và

cộng sự [12] đã tổng hợp cordierit từ serpentin, cao lanh và bôxit bằng phương pháp

thiêu kết truyền thống Kết quả đã tổng hợp được cordierit ở nhiệt độ 1300oC đạt được các yêu cầu kỹ thuật nhưng hàm lượng cordierit chưa cao

Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về cordierit ứng dụng làm chất nền cho

bộ chuyển hóa xúc tác như Lê Quang Linh [3] đã tổng hợp cordierit theo phương pháp sol-gel nhưng thu được hàm lượng cordierit thấp Nguyễn Bá Trung [7] đã tổng hợp cordierit từ cao lanh Vĩnh Phú bằng phương pháp đồng kết tủa Trần Ngọc Tuyền [5] đã tổng hợp được cordierit từ cao lanh A Lưới bằng phương pháp phân tán rắn – lỏng Kết quả cho hàm lượng cordierit cao ở 1300oC

Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu tổng hợp cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung thiêu kết truyền thống nhằm khảo sát điều kiện thích hợp để tổng hợp gốm cordierit ở nhiệt độ nung thiêu kết thấp, có chất lượng đạt yêu cầu

Trang 13

Hướng nghiên cứu này sử dụng nguyên liệu địa phương có sẵn đó là cao lanh Hiệp Tiến – Lâm Đồng và talc Phú Thọ sẽ giảm chi phí đáng kể cho quá trình sản xuất.

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit bằng phương pháp nung thiêu kết truyền thống

- Khảo sát nhiệt đô nung để tổng hợp gốm cordierit đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

- Sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước để giảm chi phí sản xuất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp cordierit là cao lanh Hiệp Tiến, tacl Phú Thọ và nhôm hidroxit để tổng hợp gốm cordierit

Quá trình được thực hiện tại phòng thí nghiệm công nghệ Hóa Học - Khoa công nghệ Hóa Học - Trường cao đẳng Công Nghệ Đà Nẵng và được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất gốm sứ có liên quan đến đề tài

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu về thành phần nguyên liệu: cao lanh, tacl và nhôm hidroxit để tổng hợp gốm cordierit

- Tìm hiểu về cordierit và phương pháp tổng hợp cordierit

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Tính toán phối liệu để tổng hợp gốm cordierit

- Khảo sát nhiệt độ thích hợp để tạo ra sản phẩm

- Dùng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định sự có mặt của gốm cordierit

- Khảo sát một số tính chất của gốm

5 Bố cục đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, báo cáo gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài

1.1.Tổng quan về cordierit

1.2.Một số ứng dụng của gốm cordierit

Trang 14

Chương 3: Kết quả và thảo luận

3.1 Kiểm tra thành phần hóa của nguyên liệu

Trang 15

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về cordierit

Khoáng cordierit trong tự nhiên được phát hiện bởi nhà địa chất người Pháp Pierre Louis A.Cordier vào thế kỹ XVIII Cordierit tự nhiên hình thành nhờ quá trình biến hình (metamorphism) của đá sét (argillaceous rocks) dưới tác dụng của nhiệt độ áp suất cao Đến nay, người ta xác định được hai dạng tồn tại chủ yếu của cordierit là α- cordierit (indialite) và µ-cordierit Trong đó, dạng µ-cordierit kém bền, chỉ tồn tại trong những điều kiện đặc biệt; α- cordierit là dạng bền ở nhiệt độ cao, nó là pha chính trong các loại vât liệu bền sốc nhiệt [5]

Cordierit thuộc loại khoáng magnesium aluminosilicate với công thức 2MgO.2Al2O3.5SiO2, thành phần các oxit là: MgO = 13.8%, Al2O3 = 34.8% ; SiO2 = 54.4%

Khoáng cordierit thuộc nhóm silicate vòng (cyclosilicates), có cấu trúc tương

tự beryl (Al2Be3[Si6O18]), gồm các nhóm tứ diện đồng phẳng liên kết với nhau thành những vòng lục giác, mỗi vòng gồm 4 nhóm tứ diện SiO4 và hai nhóm tứ diện AlO4,

do đó công thức của khoáng có thể viết dưới dạng: Mg2Al2Si[Al2Si4O8] Các vòng lục giác này liên kết với nhau thông qua các nhóm tứ diện SiO4 và các nhóm bát diện MgO6 và AlO6 Các nhóm này được hình thành ở bên trong các hốc tự do của đơn vị câu trúc Một đơn vị cấu trúc được hình thành bởi ba vòng tứ diện chồng lên nhau và hai gốc giữa chúng (Hình 1.1) [5]

Hình 1.1 Cấu trúc của khoáng cordierit

Trang 16

Gốm cordierit (2MgO.2Al2O3.5SiO2) có nhiều tính chất quý như hệ số giãn

nở nhiệt rất bé, có độ bền nhiệt cao, chịu được sốc nhiệt, có hằng số điện môi và tổn hao điện môi rất bé trong vùng tần số cao

Gốm cordierit là một loại gốm mà tinh thể chính là cordierit, gốm cordierit

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 cordierit là một loại gốm rất khó nung do có khoảng nung rất hẹp (từ 20oC - 30 oC) Cho đến nay sau gần 200 năm trôi qua đã có nhiều công trình nghiên cứ 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 công nghệ đóng tàu nói chung cũng có nhu cầu rất lớn về loại vật liệu này Ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều công trình nghiện cứu để tổng hợp cordierit nhưng ứng dụng chưa nhiều Việc phát triển công nghệ sản xuất cordierit nói chung và cordierit làm chất nền cho xúc tác xử lý khí thải là rất cần thiết Do có vai trò to lớn như vậy nên việc nghiên cứu tổng hợp cordierit là một yêu cầu bức thiết và đang được các nhà khoa học rất quan tâm

Rất nhiều các nghiên cứu khoa học đã tổng hợp thành công vật liệu gốm cordierit đi từ nguyên liệu tự nhiên [5]

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

 Tổng hợp cordierit bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hổ trợ của phương pháp cơ hóa

 Tổng hợp cordierit từ các nguyên liệu là cao lanh, tacl và bột nhôm hydroxyt thương mại

 Tổng hợp cordierit bằng phương pháp phân tán pha rắn- lỏng trên nền khoáng alumosilicat tự nhiên

 Tổng hợp cordierit bằng phương pháp sol- gel đi từ Na2SiO3 và muối có chứa Magiê và nhôm

Trang 17

1.2 Một số ứng dụng của gốm cordierit [5]

1.2.1 Chất mang xúc tác xử lý khí thải

Quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel, xăng… của động cơ đốt trong thường thải

ra các khí độc: cacbon monoxit (CO), các oxit của nitơ (NOx), các hydrocacbon (HC)… Vì thế, nghiên cứu xử lý khí thải động cơ là vấn đề cấp thiết được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm qua Hướng nghiên cứu chính hiện nay là gắn các tâm xúc tác (các kim loại quý Pt, Rh, Pd… hoặc các oxit CeO2, TiO2, ZrO2…dạng nano) lên chất mang xúc tác làm vật liệu gốm, rồi đưa vào ống xả của động cơ để chuyển hóa CO, NOx, HC thành CO2, N2, H2O Do hoạt động trong môi trường khắc nghiệt nên đòi hỏi vật liệu phải có hệ số giản nở nhiệt bé, độ bền sốc nhiệt cao, đồng thời phải có độ bền cơ học và hóa học cao Gốm cordierit là loại vật liệu đáp ứng đầy đủ những yêu cầu này và do đó, nó được sử dụng phổ biển để làm chất mang xúc tác xủa lý khí thải động cơ

Hình 1.2 Gốm cordierit dạng tổ ong làm chất mang xúc tác xử lý khí thải.

Hiện nay, bằng công nghệ hiện đại, người ta chế tạo được loại gốm cordierit dạng tổ ong (cordierite honeycomb) làm chất mang xúc tác, nên diện tích tiếp xúc giữa chất xúc tác và khí thải tăng lên rất lớn, làm tăng cao hiệu quả của quá trình xử

lý (Hình 1.2) Một số kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy: dùng gốm cordierit

dạng tổ ong làm chất mang xúc tác đã loại được 78% khí CO và 82% khí HC trong khí thải động cơ diesel

Trang 18

1.2.2 Tổng hợp composite mullite-cordierit

Composite mullite-cordierit (MC) là loại vật liệu có độ chịu lửa cao, có hệ số giãn nở nhiệt bé, có thể sử dụng để sản xuất gạch chịu lửa bền sốc nhiệt để xây lò nung, làm bao nung, giá đỡ, tấm kê trong lò nung gốm sứ (Hình 1.3), ống chịu nhiệt, màng lọc nhiệt độ cao, sử dụng làm bộ phận trao đổi nhiệt trong tuabin khí, lò đốt khí gas…

Hình 1.3 Vật liệu chịu lửa composite mullite-cordierit làm giá đở, tấm kê trong

lò nung gốm sứ.

1.2.3 Vật liệu cách điện

Gốm cordierit có hằng số điện môi bé trong vùng tần số cao (ɛ = 5÷6 ở tần số 1MHz), điện trở suất rất cao (ρ > 1012 Ωcm), điện áp đánh thủng lớn (V = 4÷5 Kv/mm, nên chúng được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện Các loại sứ cách điện với điện áp từ hàng chục đến hàng trăm Kv chế tạo từ gốm cordierit của Công ty gốm kỹ thuật Ferro-Ceramic Grinding Inc được trình bày ở hình 1.4

Hình 1.4 Vật liệu cách điện từ gốm cordierit

Trang 19

1.3.Tổng quan về các phương pháp tổng hợp

1.3.1 Phương pháp Sol- gel [5]

Phương pháp sol-gel cho phép trộn lẫn các chất phản ứng ở quy mô phân tử

và hạt keo Nhờ có những đặc điểm ưu việt, nên nó được được phát triển mạnh mẽ

và là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay trong kỹ thuật tổng hợp vật liệu Trong những năm gần đây, nhiều tác giả trên thế giới và trong nước đã nghiên cứu áp dụng phương pháp sol-gel để tổng hợp gốm cordierit Để tổng hợp gốm theo phương pháp này, người ta thường điều chế sol bằng cách dùng dung môi để thủy phân các hợp chất cơ kim, thường là các alkoxide kim loại M(OR)n trong đó: M là kim loại , R là gốc ankyl Sau khi thu được sol, tiếp tục xử

lý hoặc để lâu dần già hóa thành gel

Có thể tóm tắt quá trình tổng hợp vật liệu gốm bằng phương pháp sol-gel theo sơ đồ ở hình 1.5

Hình 1.5 Quy trình tổng hợp vật liệu gốm theo phương pháp sol-gel.

M.A.Einarsrud và cộng sự [9] đã nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit ở nhiệt

độ nung thấp bằng phương pháp sol-gel Nguyên liệu ban đầu là muối Mg(CH3COO)2.4H2O và các alkoxode là tetraethoxysilane (TEOS) và aluminum sec-butoxide (ASB) Các alkoxide này được phân tán trong dung môi hữu cơ 2-methoxyetanol (HO-CH2-CH2-O-CH3), với chất kìm hãm quá trình thủy phân của của các alkoxide là acetyl aceton (CH3-CO-CH2-CO-CH3) Gel sau khi sấy khô, được nung sơ bộ ở 400oC, sau đó ép viên và nung thiêu kết Kết quả cho thấy: ngay tại nhiệt nung 900 oC, pha cordierit đã hình thành với cường độ pic nhiễu xạ khá rõ rệt

Trang 20

 Ưu nhược điểm của phương pháp sol-gel [18]

Phương pháp sol-gel có thuận lợi là tiến hành với thiết bị đơn giản, không đắt tiền, tốn ít năng lượng Ngoài ra, với phương pháp này dễ dàng thay đổi quy trình cũng như nồng độ pha tạp của các loại vật liệu khác nhau Nhược điểm của phương pháp là đòi hỏi hóa chất có độ tinh khiết cao và đắt tiền

Bằng phương pháp sol-gel, không những tổng hợp được các oxyt phức hợp siêu mịn (kích thước hạt d < 10 µm) có tính đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao, bề mặt riêng lớn, mà còn cho phép tổng hợp các hạt tinh thể cỡ nanomet, các sản phẩm

ở dạng màng mỏng, sợi Trong những năm gần đây, phương pháp này phát triển rất mạnh và trở thành một trong các phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp vật liệu vô cơ Phương pháp này cho phép trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử và có thể điều khiển được tất cả các giai đoạn để thu được sản phẩm có tính chất như mong muốn

1.3.2 Phương pháp đồng kết tủa [18]

Bản chất của phương pháp là kết tủa đồng thời tất cả các ion có trong thành phần của oxyt phức hợp từ dung dịch ở dưới dạng hydroxide, cacbonat, oxalat, citrat,… Sau đó kết tủa được rửa và nung sẽ thu được oxyt phức hợp

Điều kiện cùng kết tủa là tích số hòa tan của các hợp chất này phải xấp xỉ bằng nhau và tốc độ kết tủa trong suốt quá trình phải như nhau Nếu chọn được điều kiện đồng kết tủa tốt thì sản phẩm sinh ra ở nhiệt độ cao, có tính đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao và bề mặt riêng lớn Vì vậy rất khó để lựa chọn được điều kiện đồng kết tủa tốt Mặt khác, khi rửa sẽ kéo theo chọn lọc một số cấu tử nào đó làm cho thành phần kết tủa khác với thành phần dung dịch ban đầu

1.3.3 Phương pháp phân tán rắn – lỏng [5]

Nguyên tắc của phương pháp này là phân tán pha rắn ban đầu (Chứa chất tham gia phản ứng) vào pha lỏng, rồi tiến hành kết tủa pha rắn thứ hai Khi đó, các hạt pha kết tủa sẽ bám xung quay hạt pha rắn ban đầu, làm cho mức phân bố của chúng đồng đều hơn, tăng diện tích tiếp xúc cũng như tăng hoạt tính của chất tham gia phản ứng, do đó sẽ làm giảm nhiệt độ phản ứng pha rắn xuống thấp

Trang 21

C.Shu và cộng sự [11] đã tổng hợp cordierit bằng phương pháp phân tán rắn - lỏng từ nguyên liệu đầu là dung dịch Na2SiO3, MgCl2 và hỗn hợp bột hydroxit Mg(OH)2 và Al(OH)3 siêu mịn Precursor cordierit được điều chế bằng cách phân tán thật đều pha rắn là hỗn hợp bột Mg(OH)2 và Al(OH)3 vào pha lỏng và dung dịch MgCl2 Thêm từ từ từng giọt dung dịch natri silicate Na2SiO3 có môi trường kiềm vào hỗn hợp rắn- lỏng thì Mg2+ sẽ kết tủa dưới dạng Mg(OH)2, trong khi đó

Na2SiO3 bị thủy phân thành dạng gel SiO2.nH2O Perecursor thu được vừa ứng với

tỷ lệ hợp thức của cordierit, vừa có sự phân bố đồng đều của các cấu tử Precursor được rửa sạch, sấy khô, ép viên và nung ở các nhiệt độ khác nhau Kết quả cho thấy: ở 700oC, precursor bị phân hủy tạo thành các oxit MgO, Al2O3 và SiO2 ở dạng

vô định hình Pha cordierit được hình thành khi nung mẫu ở 1250oC trong thời gian

2 giờ Cơ chế phản ứng tạo pha cordierit được các tác giả đề nghị như sau: đầu tiên tinh thể cristobalite (SiO2) phản ứng với pha trung gian là spinel (MgAl2O4) để hình thành sapphirne (4MgO.4Al2O3.2SiO2) Tại 1250oC sapphirne tiếp tục phản ứng với silicate vô định hình tạo thành α- cordierit

1.3.4 Phương pháp truyền thống [5]

Hình 1.6 Sơ đồ tổng hợp cordierit theo phương pháp gốm truyền thống

Đây là phương pháp lâu đời nhất và hiện nay vẫn đang được sử dụng để tổng hợp vật liệu nói chung và gốm cordierit nói riêng Nguyên liệu để tổng hợp gốm cordierit là Al(OH)3 hoặc MgO, Tacl và Cao lanh… Các giai đoạn cơ bản của quá trình tổng hợp vật liệu theo phương gốm truyền thống được nêu ở hình 1.6 Trước hết, nguyên liệu được phối trộn sao cho đạt tỷ lệ hợp thức mong muốn của vật liệu Tiếp theo, nghiền trộn phối liệu để làm giảm cấp hạt, tăng diện tích tiếp xúc, đảm bảo phân bố đồng đều các cấu tử phản ứng (Lực nén càng cao thì phối liệu càng sít đặc, bề mặt tiếp xúc càng lớn) và do đó, tạo thuận lợi cho quá trình nung thiêu kết tiếp theo Tiếp đến là giai đoạn nung - giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình

Trang 22

thực hiện phản ứng giữa các pha rắn Do các phản ứng pha rắn không xảy ra đến cùng, nên trong sản phẩm vẫn còn một lượng chất tham gia phản ứng Vì thế, sau khi nung thiêu kết lần thứ nhất, người ta thường tiến hành nghiền mịn sản phẩm, ép viên rồi nung lại lần thứ hai Quá trình có thể tiếp tục vài lần như vậy cho đến khi sản phẩm đơn pha.

Phương pháp này có ưu điểm là dễ đảm bảo tỷ lệ hợp thức, độ tinh khiết của sản phẩm cao và tự động hóa được quá trình sản xuất Tuy nhiên, do việc nghiền trộn phối liệu thuần túy cơ học, nên mức độ phân tán của các cấu tử rất kém Kích thước hạt phối liệu vẫn lớn (Cỡ µm) nên các ion phải khuếch tán một khoảng cách khá xa (Khoảng 104 Å) để tiếp xúc với nhau, diện tích tiếp xúc giữa các chất phản ứng hạn chế nên tốc độ chậm, phải thực hiện ở nhiệt độ cao và phản ứng không đi đến cùng

S.J.Kim và cộng sự [10] đã nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit bằng phương pháp truyền thống đi từ nguyên liệu đầu là các oxit MgO, Al2O3, và SiO2 tinh khiết Phối liệu đúng tỷ lệ hợp thức được nghiền ướt trong máy nghiên hành tinh với tốc

độ nghiền 300 vòng/phút và thời gian nghiền được khảo sát trong khoảng 1÷32 giờ Kết quả cho thấy: do nghiền trộn phối liệu thuần túy bằng cơ học, nên cấp hạt phối liệu vẫn lớn, vì thế nhiệt độ tạo pha cordierit rất cao Mặc dù thời gian nghiền kéo dài đến 32 giờ, nhiệt độ nung thiêu kết 1350oC, nhưng sản phẩm thu được vẫn không đơn pha; ngoài ra α-cordierit vẫn còn chứa một lượng đáng kể spinel MgAl2O4 Chỉ khi nhiệt độ nung đến 1400 oC, thành phần pha tinh thể của sản phẩm mới đơn pha

Vì vậy, để làm giảm nhiệt độ nung thiêu kết, thuận lợi trong việc chuẩn bị phối liệu, trong đồ án này em nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung thiêu kết truyền thống đi từ các nguyên liệu tự nhiên: cao lanh Hiệp Tiến, tacl Phú Thọ và nhôm hidroxit thương mại Khảo sát ảnh hưởng của cấp hạt phối liệu, chế độ nung đến quá trình tạo pha cordierit, đồng thời xác định một số tính chất cơ lý quan trọng của gốm điều chế được để đánh giá khả năng ứng dụng của nó

Trang 23

1.4.Tổng quan về nguyên liệu

1.4.1 Cao lanh [17]

Cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên rất phổ biến trên thế giới, đây là một loại khoáng sét dẻo không trương nở, có màu trắng, vàng hoặc nâu đỏ Cao lanh được tìm thấy ở rất nhiều mỏ khác nhau trên thế giới, ở Việt Nam cao lanh có

ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Yên, Hiệp Tiến, Hà Giang, Phú Thọ và Lâm Đồng…Với trữ lượng lớn và chất lượng tốt

Cao lanh đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp vật liệu xây dựng, sản xuất gốm sứ, công nghiệp in, làm chất nền, mới đây cao lanh đang được chú ý như một nguồn nguyên liệu có nhiều ưu điểm để sản xuất zeolit làm các chất trao đổi ion, hấp phụ, làm các chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi trường

Hình 1.7 Cao lanh Hiệp Tiến

 Thành phần hóa học

Thành phần chính của cao lanh là khoáng vật kaolinit, có công thức hóa học đơn giản là Al2O3.2SiO2.2H2O, công thức lý tưởng là Al4(Si4O10)(OH)8 với hàm lượng SiO2=46,5%; Al2O3=39,5% và H2O=13,96% trọng lượng Trong cao lanh còn có các thành phần khác như Fe2O3, TiO2, K2O, CaO, Na2O với hàm lượng nhỏ, trong cao lanh nguyên khai còn có chứa các khoáng khác như haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, α-quart, pyrit, nhưng hàm lượng rất ít

Trong các loại khoáng sét thì kaolinit có hàm lượng Al2O3 thường từ 36,83 ÷40,22%; SiO2 có hàm lượng từ 43,64 ÷46,90%, các oxyt khác chiếm từ 0,76 ÷3,93%, lượng nước hấp phụ bề mặt và lượng mất khi nung từ

Trang 24

12,79 ÷15,37%, đôi khi bằng 10% Tỷ số mol SiO2/Al2O3 thay đổi từ 1,75 ÷ 2,94 nhưng thường trong khoảng 2,1 ÷ 2,4.

 Các tính chất đặc trưng cơ bản của cao lanh

Tính chất cơ bản của cao lanh thường được đề cập là tính chất trao đổi ion, tính chất hấp phụ và tính chất xúc tác Do bề mặt của kaolinit không lớn, thường dao động từ 15 ÷20m2/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của kaolinit Với khả năng trương nở kém nên không sử dụng kaolinit làm chất xúc tác mà chỉ sử dụng nó với vai trò chất nền

 Tính chất trao đổi ion.

Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của mình Sự trao đổi cation thường được nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng rộng hơn so với anion Các cation trao đổi thường là Ca2+, Mg2+, NH4 , Na+, K+, H+ Các anion trao đổi thường là SO42-, Cl–, PO43-, NO3

Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương lượng trao đổi trên 100g mẫu Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC) của cao lanh rất nhỏ, thông thường CEC chỉ khoảng 3 ÷15 meq/100g và AEC khoảng 20,3 meq/100g

Hình 1.8 Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinit.

Bề mặt của kaolinit được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài CEC ở bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự giảm kích thước hạt CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng lưới cấu trúc Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng

là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên

bề mặt ngoài của kaolinit Hình 1.8 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	3,96 MB