QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ZrO2

QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ZrO2

GVHD : TS NGUYỄN HỮU TRÍ

QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ZrO2

 Zirconi đioxit v i nh ng tính ch t hóa lí u vi t, là nguyên li u quan tr ng trong lĩnh v c ớ ữ ấ ư ệ ệ ọ ự

g m cao c p ố ấ , ZrO2 có đ s ch cao(98%) th ộ ạ ườ ng đ ượ c dùng làm b t màu cho g m,s n xu t men ộ ố ả ấ

sứ, th y tinh đ c bi t và đá quý, g m đi n t , g m k thu t, l p ph cách nhi t, làm n i n u ủ ặ ệ ố ệ ử ố ỹ ậ ớ ủ ệ ồ ấ kim lo i, ạ

 Vi t Nam là m t qu c gia có tr lệ ộ ố ữ ượng Zircon khá l nớ , d c theo b bi n mi n Trung.ọ ờ ể ề

 Zircon là nguyên li u chính đ s n xu t ZrO2 Tuy nhiên, hi n khoáng này ch đệ ể ả ấ ệ ỉ ược khai thác ch y u đ ủ ế ể xu t kh u d ng nguyên li u thô ấ ẩ ở ạ ệ nên có giá tr kinh t r t th p, gây lãng phí ị ế ấ ấ tài nguyên

Nh v y, n u s n xu t đ ư ậ ế ả ấ ượ c ZrO 2 s ch t ngu n khoáng ZrSiO ạ ừ ồ 4 trong n ướ c (sa khoáng ven bi n, bi n m , ) s đem l i nh ng l i ích : ể ể ỏ ẽ ạ ữ ợ

T n d ng hi u qu tài nguyên khoáng ZrSiOậ ụ ệ ả 4

Đáp ng nhu c u trong nứ ầ ước và xu t kh u đ i v i ZrOấ ẩ ố ớ 2

Góp ph n ph c v chính sách n i đ a hóa trong vi c xây d ng nhà máy đi n h t ầ ụ ụ ộ ị ệ ự ệ ạ

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

I.1.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, KHAI KHOÁNG Địa chất

Sự khai khống Zircon

I.2 ĐẶC ĐIỂM C A KHOÁNG ZIRCON Ủ

I.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ QUẶNG

Phương pháp kết tinh phân đoạn

Phương pháp chiết

Phương pháp trao đổi ion

I.5 TUYỂN QUẶNG ZIRCON TỪ CÁT ĐEN

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)

+ 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

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…

b Sự khai khống Zircon :

1.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, KHAI KHOÁNG

Xu hướng sản xuất Zirconi của thế giới

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

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 ch t r n màu tr ngấ ắ ắ D ng tinh th đ n tà c a ZrOạ ể ơ ủ 2 t n t i trong ồ ạthiên nhiên là bađeleit đ ng hình v i m t d ng tinh th HfOồ ớ ộ ạ ể 2 và đ u có ề

c u trúc không đ u đ n.ấ ề ặ

ZrO2 r t c ng, khó nóng ch y và b n nhi t, khá tr v m t hóa h cấ ứ ả ề ệ ơ ề ặ ọ , không tác d ng v i nụ ớ ước, dung d ch loãng axít (tr HF), ch tác d ng ị ừ ỉ ụ

ch m v i axít khi đun nóng lâu và tác d ng v i ki m nóng ch y ậ ớ ụ ớ ề ả

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

- Do ZrO2 có nhiệt độ nóng chảy cao 28500 C , 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 li u NaOH d ki mệ ễ ế

Có th nung nhi t đ không quá caoể ở ệ ộ

Cho hi u su t phân h y cao(90 – 97%)ệ ấ ủ

TINH QUẶNG ZIRCON

 Qu ng Zircon cho vào máy nghi n ặ ề ph i tr n v i NaOH ố ộ ớ

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

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 loại đi

(Theo một số tác giả cho rằng phần không tan này gồm: 80-85% ZrO2.xH2O, 8-12% SiO2, 4-6% NaOH và các tạp chất khác)

Để tinh chế, người ta hòa tan phần cặn này bằng dung dịch HCl 3N để nó

chuyển sang muối Zirconyl dễ tan trong nước Phương trình xảy ra như sau:

ZrO2.xH2O +2HCl = ZrOCl2 + (x+1)H2O

 - Dung d ch Zirconi oxiclorua đị ược đem cô đ c, làm ngu i k t tinh ta thu ặ ộ ế

nhi t đ ) ệ ộ

lo i đi t p ch t ạ ạ ấ

 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

Đi u ki n và k thu t thích h p đ chuy n hóa ZrOCl ề ệ ỹ ậ ợ ể ể 2 thành

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)