PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ZIRCONI ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANOMET TỪ TINH QUẶNG ZIRCON VIỆT NAM

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ZIRCONI ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANOMET TỪ TINH QUẶNG ZIRCON VIỆT NAM

GVHD : TS NGUYỄN HỮU TRÍ

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ZIRCONI ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANOMET

TỪ TINH QUẶNG ZIRCON VIỆT NAM

• Zirconi đioxit với những tính chất hóa lí ưu việt, là nguyên liệu quan trọng trong lĩnh vực gốm cao cấp, ZrO2 có độ sạch cao(98%) thường được dùng làm bột màu cho gốm,sản xuất men sứ,

thủy tinh đặc biệt và đá quý, gốm điện tử, gốm kỹ thuật, lớp phủ cách nhiệt, làm nồi nấu kim loại,

• Việt Nam là một quốc gia có trữ lượng Zircon khá lớn , dọc theo bờ biển miền Trung.

• Zircon là nguyên liệu chính để sản xuất ZrO2 Tuy nhiên, hiện khoáng này chỉ được khai thác chủ yếu để xuất khẩu ở dạng nguyên liệu thô nên có giá trị kinh tế rất thấp, gây lãng phí tài

nguyên

Như vậy, nếu sản xuất được ZrO2 sạch từ nguồn khoáng ZrSiO4 trong nước (sa

khoáng ven biển, biển mỏ, ) sẽ đem lại những lợi ích :

• Tận dụng hiệu quả tài nguyên khoáng ZrSiO4

• Đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu đối với ZrO2

• Góp phần phục vụ chính sách nội địa hóa trong việc xây dựng nhà máy điện hạt

nhân.

PHẦN I : TỔNG QUAN

PHẦN II : TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ZrO2

PHẦN III : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

ZrO2 CỠ NANO TỪ QUẶNG ZIRCON

a Địa chất :

1.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, KHAI KHOÁNG

Do tính chất hoạt động của Zr nên khơng tìm thấy Zr ở dạng đơn chất mà thường ở dạng hợp chất như silicat và oxit, tập trung chủ yếu trong 2 quặng là :

Quặng Zircon : Cơng thức được viết ở 2 dạng :

+ ZrSiO4 (ở t0 thường)

+ ZrO2 SiO2 (ở t0 cao)

b Sự khai khống Zircon :

1.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, KHAI KHOÁNG

- Trên thế giới :

Khống Zircon chủ yếu cĩ ở Australia,

Brasil, Ấn Độ, Nga, Nam Phi, Hoa Kỳ, cũng

như ở dạng trầm tích với trữ lượng nhỏ hơn

nhiều khắp thế giới.

- Ở Việt Nam :

Nguồn khống Zircon thường lẫn với các khống khác như rutil, ilmenit, manhetit… nằm trong một lớp sa khống gọi là cát đen cĩ dọc ven biển với trữ lượng lớn , tập trung chủ yếu ở Hà Tĩnh, Huế, Quảng Trị, Phú Yên, Bình Định, Bình Thuận…

+ Trữ lượng zircon tồn cầu : Ước tính trên 60 triệu tấn và tổng sản lượng hàng năm là khoảng 900.000 tấn.

b Sự khai khống Zircon :

1.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, KHAI KHOÁNG

a Thành phần – Cấu tạo :

Thành phần :

- Hàm lượng chính : ZrO2 (khoảng 61 – 66.8% )

- Ngoài ra còn có thêm 1 số oxit khác :

+ 32.9% SiO2 + 0.12% TiO2 + 0.07% Fe2O3 + 0.12% Al2O3 + 0.08% P2O5

2 ĐẶC ĐIỂM CỦA KHOÁNG ZIRCON

b Tính chất vật lý

- Thường cĩ ánh phi kim loại (như ánh kim cương, ánh thủy tinh)

- Cĩ độ cứng nằm giữa thạch anh và Topaz

- Màu sắc của quặng thay đổi từ vàng nâu vàng - da cam - lam Nếu hàm lượng ZrSiO4 khoảng 99% : màu trắng

- Bị làm mềm ở 16000 – 18600C

- t0nc = 2190 0C

2 ĐẶC ĐIỂM CỦA KHOÁNG ZIRCON

c Tính chất hĩa học :

- Zircon rất bền, nhất là ở nhiệt độ thấp

- Với axit:

+ Chỉ tác dụng với HF đặc => ZrOF2.2HF và SiF4 (khí)

+ Các axit khác khơng phân hủy được Zircon

- Với kiềm (kiềm hydroxid, kiềm carbonat, oxit kiềm thổ (CaO, SrO, BaO) ) : ở nhiệt độ cao, bị phân hủy tạo silicat và Zirconat

ZrSiO4 +4NaOH -> Na2ZrO3 +Na2SiO3 +2H2O

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TUYỂN KHOÁNG CƠ BẢN :

a Phương pháp kết tinh phân đoạn

- Dựa vào sự khác biệt về độ hòa tan của các hợp chất riêng biệt

b Phương pháp chiết

- Dựa vào khả năng hấp phụ khác nhau của chúng lên lớp nhựa trao đổi ion

- Dựa vào sự khác biệt về khả năng tạo phức với các dung môi chiết

c Phương pháp trao đổi ion

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ QUẶNG

Tuy n t ể ừ

Cát đen Zircon

Monazit

Tuyển tĩnh điện, tuy n n i ể ổ

Zircon ( trên90 %) Xử lý hóa học loại Fe ZrSiO4 (Fe3O4 0,05% - 0,13%)

Axit hóa, clo hóa

Rutil

TÍNH CHẤT

& ỨNG DỤNG CỦA ZrO2

• ZrO2 là chất rắn màu trắng Dạng tinh thể đơn tà của ZrO2 tồn tại trong

thiên nhiên là bađeleit đồng hình với một dạng tinh thể HfO2 và đều có cấu trúc không đều đặn

• ZrO2 rất cứng, khó nóng chảy và bền nhiệt, khá trơ về mặt hóa học, không tác dụng với nước, dung dịch loãng axít (trừ HF), chỉ tác dụng chậm với axít khi đun nóng lâu và tác dụng với kiềm nóng chảy

ZrO2 + H2SO4  ZrOSO4 + H2O ZrO2 + 2KOH  K2ZrO3 + H2O

- Do ZrO2 có nhiệt độ nóng chảy cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, khả năng chống ăn

mòn thấp, có cả tính axít lẫn bazơ nên được dùng trong nhiều lĩnh vực như ceramic,

kỹ thuật hạt nhân, chất hấp phụ, chất xúc tác

- Trong kỹ thuật hạt nhân gốm ZrO2 đã làm sạch Hf được dùng làm vật liệu phản xạ nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân, làm thùng chứa chất thải phóng xạ

- Các oxit của zirconium và hafnium (fianit): được dùng làm ngọc nhân tạo, vật liệu laze

- ZrO2 có kích thước nanomet còn có khả năng xúc tác quang hóa

Zirconi đioxit còn được gọi là zirconia, là một khoáng sản tự nhiên quí hiếm

Ziconia có nhiều ứng dụng như chế tạo khớp hông nhân tạo, làm mão răng thẩm

mỹ, các thiết bị điện tử

Trong nha khoa: nhờ đặc tính cứng chắc , chịu lực nén, tương hợp sinh học tốt , không gây kích thích với cơ thể, không dẫn nhiệt và tương phản ánh sáng giống như răng thật nên Ziconia là vật liệu lý tưởng cho phục hình răng mất mà yêu cầu thẩm mỹ cao

• Phương pháp clo hóa

• Phương pháp acid

• Phương pháp kiềm chảy …

• Giai đoạn I: Điều chế muối ZrOCl2.8H2O

từ tinh quặng zircon

• Giai đoạn II: Chuyển hóa ZrOCl2 thành

ZrO2 cỡ nano

• Nguyên liệu NaOH dễ kiếm

• Có thể nung ở nhiệt độ không quá cao

• Cho hiệu suất phân hủy cao(90 – 97%)

TINH QUẶNG ZIRCON

TINH QUẶNG ZIRCON

• Quặng Zircon cho vào máy nghiền phối trộn với NaOH

• Đun hỗn hợp trong lò nung để phân giải ở nhiệt độ và thời gian nhất định

• Phản ứng:

ZrO2.SiO2 + 4NaOH  Na2ZrO3 +Na2SiO3 + 2H2O

• Tỷ lệ phối liệu : k = mNaOH/ mquặng = 1,5

• Nhiệt độ phân hủy: 6750C

• Thời gian phân hủy: 50 phút

( Hiệu suất phân hủy = 97,2%)

• Sau khi khối chảy để nguội, hòa tan khối chảy này bằng nước nóng và rửa lại bằng nước nóng để loại bớt lượng NaOH dư và silicat natri là phần tan tốt trong nước Phần không tan còn lại chủ yếu là ZrO2.xH2O cùng một số tạp chất được lọc tách ra để xử lý tiếp

• Phản ứng khi hòa tan khối chảy này bằng nước:

Na2ZrO3 + (1+x)H2O = ZrO2.xH2O +2NaOH

• Phần không tan ngoài ZrO2.xH2O còn có các tạp chất như Fe2O3 và SiO2 cần phải

• - Dung dịch Zirconi oxiclorua được đem cô đặc, làm nguội kết tinh ta thu

được tinh thể ZrOCl2.8H2O (dựa vào sự thay đổi độ tan theo nồng độ

axit và nhiệt độ).

• - Tinh thể ZrOCl2.8H2O đem kết tinh lại trong môi trường HCl đậm đặc

để loại đi tạp chất

• Dùng dung dịch NH3 thêm vào dung dịch để kết tủa lại ZrO2.xH2O:

• Do tích số tan của Zirconi hydroxit lớùn hơn rất nhiều so với những kim loại khác => Chỉ cần chỉnh pH ~ 3 – 4 là có thể tách đư c ZrOợ 2.xH2O

• Thủy phân dung dịch ZrOCl2 0,15M bằng dung dịch NH3 ở pH=6, điều

kiện nhiệt độ phòng

• Phân tán kết tủa trong điều kiện sóng siêu âm, già hóa kết tủa trong điều kiện lò viba.

• Rửa và sấy nung kết tủa ở nhiệt độ ≥5000C.

Điều kiện và kỹ thuật thích hợp để chuyển hóa ZrOCl2 thành ZrO2 cỡ nano

1 TS Nguyễn Hữu Trí, Giáo Trình Các Nguyên Tố Hiếm.

2 Hoàng Nhâm, Hóa Học Vô Cơ, Tập 3, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2003.

3 TS Nguyễn Hữu Trí, Giáo Trình Zirconi.

4 Phạm Văn Trọn, Nghiên cứu điều chế zirconi đioxit kích thước nano từ tinh quặng zircon Việt Nam (Luận văn thạc sĩ)