nghiên cứu điều chế thủy tinh lỏng từ soda và cát

TÓM TẮT LUẬN VĂN ---o0o--- Sodium silicate hòa tan hay còn gọi là thủy tinh lỏng là một loại chất lỏng chứa thủy tinh hòa tan và có tính chất của một chất lỏng được sử dụng rất phổ biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

- -

LÊ TUẤN EM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ THỦY TINH LỎNG TỪ SODA VÀ CÁT

LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

Chuyên Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Mã số: CN 262

CẦN THƠ − 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ***********

Cần Thơ, ngày 01 tháng 02 năm 2012

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

Năm học: 2011-2012

1 Họ và tên sinh viên : Lê Tuấn Em MSSV: 2082216

2 Ngành: Công nghệ hóa học Khóa: 34

3 Tên đề tài: Nghiên cứu điều chế thủy tinh lỏng từ soda và cát

4 Địa điểm, thời gian thực hiện:

Địa điểm: Phòng thí nghiệm Vô cơ - CNHH, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ

Thời gian: 02/2012 – 05/2012

5 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS Lê Thanh Phước

6 Mục tiêu của đề tài:

 Tổng hợp thủy tinh tan từ soda và cát

 Khảo sát các điều kiện tối ưu để điều chế thủy tinh tan

 Tìm hiểu sự liên hệ tính chất của thủy tinh lỏng với module của chúng

7 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

 Tổng hợp thủy tinh tan từ soda và cát

 Hòa tan thủy tinh tan bằng nước nóng để tạo thành dung dịch thủy tinh lỏng

 Khảo sát điều kiện tối ưu điều chế thủy tinh tan có module 1,6 và 2,6

 Giới hạn của đề tài:

Khảo sát các điều kiện cơ bản như nhiệt độ và thời gian lưu trong sản xuất thủy tinh tan

Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài:

Hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn, phòng thí nghiệm, thiết bị, hóa chất, kinh phí và một số dụng cụ cần thiết khác

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 1,000,000 đồng

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ Ý kiến của Cán Bộ Hướng Dẫn

Lê Tuấn Em TS Lê Thanh Phước

Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG LV VÀ TLTN

LỜI CẢM ƠN

-o0o -

Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô thuộc bộ môn Công Nghệ Hóa Học – Khoa Công Nghệ đã trang bị cho em những kiến thức và những kinh nghiệm vô cùng quý giá trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường để em có được những kết quả như ngày hôm nay Những kiến thức và kinh nghiệm ấy sẽ giúp ích rất nhiều cho em trong cuộc sống và nghề nghiệp trong tương lai

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Thanh Phước, thầy là người đã hướng dẫn, quan tâm giúp đỡ và tạo động lực cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến thầy Trương Chí Thành và thầy Nguyễn Việt Bách đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thời gian thực hiện đề tài

Con xin gởi lời cảm ơn đến gia đình thân yêu đã luôn bên cạnh ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần để con có thể vượt qua những khó khăn trong học tập

Cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn tất cả!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

-o0o -

Sodium silicate hòa tan (hay còn gọi là thủy tinh lỏng là một loại chất lỏng chứa thủy tinh hòa tan và có tính chất của một chất lỏng) được sử dụng rất phổ biến trong thực tế Chúng được sử dụng làm chất bít kín, chất gắn, chất chống kết bông, chất tạo nhũ và chất đệm Hầu hết các ứng dụng của thủy tinh lỏng là trong nghành công nghiệp giấy và bột giấy (chúng tăng cường độ tẩy trắng) và trong nghành công nghiệp chất tẩy rửa, chúng làm tăng cường hoạt động của chất tẩy rửa và làm giảm độ nhớt của kem Do đó việc sản xuất thủy tinh lỏng cũng như cần có một quy trình công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng hợp lý là một trong những yêu cầu vô cùng cấp bách và thiết thực

Ngày nay, thủy tinh lỏng được sản xuất bằng công nghệ tiên tiến với nguyên liệu ban đầu là cát và soda Đầu tiên là cát và soda được cân theo đúng tỷ lệ và được trộn đều để tạo thành hỗn hợp phối liệu, sau đó hỗn hợp phối liệu được nung ở nhiệt độ cao

để tạo thành thủy tinh hòa tan, và cuối cùng là hòa tan sodium silicate hòa tan thu đượctrong nước và hơi nước nóng thì sẽ thu được dung dịch thủy tinh lỏng

Do đó để hoàn thiện quy trình sản xuất cũng như tìm ra những thông số tối ưu trong quy trình sản xuất thủy tinh lỏng thì cần phải khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ mol trong hỗn hợp phối liệu ban đầu đến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm thủy tinh lỏng thu được Nhưng do thời gian thực hiện đề tài có giới hạn nên tôi chỉ khảo sát các yếu tố, điều kiện cơ bản ảnh hưởng đến quy trình sản xuất thủy tinh lỏng có module được sử dụng phổ biến trên thị trường Việt Nam hiện nay đó là thủy tinh lỏng loại module thấp có module 1,6 và thủy tinh lỏng loại module cao có module 2,6

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Khái quát về hợp chất silicate 3

1.1.1 Sơ lược về hợp chất silicate 3

1.1.2 Phân loại hợp chất silicate 3

1.1.3 Ứng dụng của hợp chất silicate 8

1.2 Khái quát về thủy tinh lỏng 9

1.2.1 Sơ lược về thủy tinh lỏng 9

1.2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình sản xuất thủy tinh lỏng 10

1.2.3 Chỉ tiêu chất lượng của thủy tinh lỏng 13

1.2.4 Ứng dụng thủy tinh lỏng 14

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 16

2.1 Nguyên liệu và hóa chất 16

2.1.1 Nguyên liệu 16

2.1.1.1 Cát thạch anh (cát trắng) 16

2.1.1.2 Soda 20

2.1.1.3 Tiêu chuẩn nguyên liệu sản xuất thủy tinh tan 22

2.1.2 Hóa chất 23

2.2 Thiết bị và dụng cụ 23

2.2.1 Thiết bị 23

2.2.2 Dụng cụ 25

CHƯƠNG 3: TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ 26

3.1 Khảo sát tỷ lệ mol 26

3.1.1 Cách tiến hành 26

3.1.2 Kết quả 26

3.1.3 Biện luận kết quả 29

3.2 Khảo sát nhiệt độ 31

3.2.1 Cách tiến hành 31

3.2.2 Kết quả 31

3.2.3 Biện luận kết quả 35

3.3 Khảo sát thời gian lưu 38

3.3.1 Cách tiến hành 38

3.3.2 Kết quả 38

3.3.3 Biện luận kết quả 40

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

4.1 Kết luận 43

4.2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 – Khung tứ diện 

4

SiO 3

Hình 2 – Cấu trúc silicate chuỗi mạch đơn 4

Hình 3 – Cấu tạo anion pyrosilicate 5

Hình 4 – Cấu tạo silicate chuỗi mạch kép 5

Hình 5 – Cấu tạo silicate mạch vòng  9 3O Si 6

Hình 6 – Cấu trúc của silicate lớp 6

Hình 7 – Zeolite và cấu trúc zeolite 8

Hinh 8 – Bột màu phát quang 8

Hình 9 – Sơ đồ công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng 10

Hình 10 – Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng 12

Hình 11 – Khối silica aerogel 15

Hình 12 – Cát thạch anh 16

Hình 13 – Sơ đồ biến đổi thù hình của SiO2 17

Hình 14 – Mạng lưới tinh thể thạch anh β 17

Hình 15 – Cấu trúc mạng tinh thể β-tridymite 18

Hình 16 – Cấu trúc mạng tinh thể β-cristobalite 18

Hình 17 – Soda khan 20

Hình 18 – Lò nung Nabertherm 23

Hình 19 – Máy nghiền bi 24

Hình 20 – Tủ sấy 24

Hình 21 – Bếp điện 25

Hình 22 – Sản phẩm thủy tinh bị lẫn ion Fe3+ 26

Hình 23 – Sản phẩm thủy tinh có lẫn ion Cu2+ 27 Hình 24 – Đồ thị hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 theo tỷ lệ SiO2/Na2O

ở cùng nhiệt độ phản ứng 1150ºC và thời gian lưu 120 phút 29 Hình 25 – Đồ thị pH dung dịch thủy tinh lỏng của các tỷ lệ

ở cùng 1 nồng độ 1% 30 Hình 26 – Thủy tinh tan có module bằng 1,6 ở 1075ºC 31 Hình 27 – Thủy tinh tan có module bằng 2,6 ở 1150 ºC 32 Hình 28 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 theo nhiệt độ

(SiO2/Na2CO3 = 1,6) 35 Hình 29 – Đồ thị module thủy tinh lỏng thực tế và lý thuyết 36 Hình 30 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 theo nhiệt độ

(SiO2/Na2CO3 = 2,6) 36 Hình 31 – Đồ thị module thủy tinh lỏng thực tế và lý thuyết 37 Hình 32 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 của thủy tinh lỏng

module 1,6 theo thời gian lưu 40 Hình 33 – Đồ thị module thủy tinh tan theo thời gian 41 Hình 34 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 của thủy tinh lỏng

module 2,6 theo thời gian lưu 41 Hình 35 – Đồ thị module thủy tinh tan theo thời gian 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 – Tiêu chuẩn chung cho sản phẩm sodium silicate lỏng 13 Bảng 2 – Hàm lượng Na2O, hàm lượng SiO2 và pH dung dịch

thủy tinh lỏng 1% ở các tỷ lệ .28 Bảng 3 – Khảo sát chất lượng mẫu thủy tinh lỏng có module 1,6

ở các nhiệt độ khác nhau 33 Bảng 4 – Khảo sát chất lượng mẫu thủy tinh lỏng có module 2,6

ở các nhiệt độ khác nhau 34 Bảng 5 – Hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 trong điều kiện

tỷ lệ phối liệu SiO2/Na2CO3 là 1,6 và được nung ở 1075ºC 39 Bảng 6 – Hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 trong điều kiện

tỷ lệ phối liệu SiO2/Na2CO3 là 2,6 và được nung ở 1150ºC 39

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Khái quát về hợp chất silicate

1.1.1 Sơ lược về hợp chất silicate

Silicate là muối của acid silicic Silicate kim loại kiềm được tạo nên khi nấu chảy thạch anh trong hydroxide hay carbonate kim loại kiềm Chúng trong suốt như thủy tinh, không tan trong nước lạnh nhưng tan trong nước nóng nên còn được gọi là thủy tinh tan Dung dịch càng nhớt khi nồng độ của thủy tinh càng cao Dung dịch đậm đặc của sodium silicate được gọi là thủy tinh lỏng Nó được dùng để tẩm vải và gỗ làm cho những vật liệu này không cháy, dùng làm hồ dán đồ thủy tinh, đồ sứ và dùng để bảo quản trứng Ở trong dung dịch, silicate kim loại kiềm bị thủy phân cho môi trường kiềm Khi tác dụng với acid, dù là acid rất yếu, chúng giải phóng dễ dàng acid silicic dưới dạng kết tủa

Silicate của các kim loại khác được tạo nên khi nấu chảy thạch anh với oxide kim loại tương ứng Chúng không tan trong nước Một số bị acid mạnh phân hủy giải phóng acid silicic, còn các silicate khác chỉ chuyển sang dạng tan được khi nấu chảy với carbonate kim loại kiềm

Silicate thiên nhiên đứng hàng đầu trong các loại khoáng vật, chúng có đến hàng trăm chất và chiếm phần lớn khối lượng vỏ Trái Đất Những khoáng vật silicate không

có màu đặc trưng Nhiều khoáng vật ở dạng trong suốt, cứng, khó nóng chảy và bề ngoài trông giống đá

1.1.2 Phân loại hợp chất silicate

Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các silicate thiên nhiên và một số silicate nhân tạo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, nhận thấy tất cả mọi silicate đều được cấu tạo nên từ nhưng đơn vị cấu trúc chung là nhóm tứ diện đều 

4

SiO :

Hình 1 – Khung tứ diện 

4

SiOQua những nguyên tử O chung, những nhóm tứ diện đó liên kết với nhau tạo thành mạch thẳng, mạch vòng, lớp hoặc mạng lưới

Dựa vào đặc điểm cấu trúc đó, người ta phân chia silicate thành các nhóm: orthosilicate, silicate mạch thẳng, silicate mạch vòng, silicate lớp và silicate mạng lưới

Orthosilicate chứa ion đơn 

4

SiO Trong những silicate này, cation kim loại được phối trí bởi những nguyên tử O và tùy theo số phối trí của cation mà tạo nên những kiến trúc khác nhau Trong mạng lưới tinh thể phenakite (Be2SiO4) và willemite (Zn2SiO4), cation kim loại có số phối trí 4 Trong những khoáng vật kiểu M2SiO4 (ở đây M là Mg, Mn, ) cation có số phối trí 6 và trong zircon (ZrSiO4), ziriconi có số phối trí 8 Tuy liên kết M-O có tính ion hơn liên kết Si-O nhưng có một mức độ nhất định tính cộng hóa trị Bởi vậy những orthosilicate này không thể coi là hợp chất ion

3

SiO )n liên kết với nhau bằng các cation kim loại

Những metasilicate tổng hợp như Na2SiO3, Li2SiO3 và những khoáng vật loại pyroxen như enstatite (MgSiO3), diopside [CaMg(SiO3)2] và spodumene [LiAl(SiO3)2] thuộc nhóm silicate mạch đơn

Anion ngắn nhất có cấu tạo tương tự anion ( 

3

SiO )n là anion disilicate 

7

2 O Si

(hay còn gọi là pyrosilicate):

Hình 3 – Cấu tạo anion pyrosilicate Bởi vậy những khoáng vật như thortveitite (Sc2Si2O7) và hemimorphit [Zn3Si2O7.Zn(OH)2] cũng thuộc nhóm silicate mạch đơn

Liên kết trong các mạch (SiO3 )n và (Si4O11 )n là rất bền nhưng liên kết giữa các mạch đó với nhau lại tương đối yếu cho nên những khoáng vật thuộc nhóm mạch thẳng dễ tách ra theo hướng song song với mạch, nghĩa là chúng có cấu tạo sợi

Silicate mạch vòng chứa anion 

Khoáng vật benitoit (BaTiSi3O9) chứa anion 

9

3O

Si và khoáng vật beryl (Be3Al2Si6O18) là thuộc nhóm silicate mạch vòng

Silicate lớp chứa anion  n

Đá tan [Mg3(Si2O5)2(OH)2], kaolinite [Al2Si2O5(OH)4], mica [KAl2Si3O10(OH)2] thuộc nhóm silicate lớp Trong đá tan và kaolinite các lớp đều trung hòa về điện nên lớp này là riêng rẽ đối với lớp kia Các lớp đó dễ trượt lên nhau làm cho những khoáng vật này mềm, dễ bóc lớp và khi sờ vào ta cảm thấy nhờn ở ngón tay

Đá tan và kaolinite là những silicate đơn vì chúng được tạo nên hoàn toàn bởi các nhóm tứ diện SiO4, còn mica là alumosilicate (silicate kép) vì trong đó một phần các nhóm tứ diện SiO4 được thay thế bằng những nhóm tứ diện AlO4 Nhôm có hóa trị thấp hơn silicon cho nên trong các alumosilicate, ngoài nhôm và silicon còn có những cation kim loại khác nữa, thường là cation kim loại kiềm và kiềm thổ Trong mica, những lớp alumosilicate mang điện tích âm, chúng liên kết nhau qua những cation K+nằn giữa các lớp Lực tĩnh điện giữa các lớp tích điện âm và cation tích điện dương làm cho mica cứng hơn đá tan và kaolinite Tuy nhiên mica vẫn giữ kiến trúc lớp rõ rệt cho nên dễ bóc thành những lớp rất mỏng Trong thực tế người ta thường dùng những lớp mica trong suốt để làm cửa của các lò đốt hay lò sấy và làm tấm cách điện trong các thiết bị máy móc

Silicate mạng lưới có kiến trúc tương tự như thạch anh, mỗi một tứ diện SiO4

liên kết với bốn tứ diện bao quanh đưa đến thành phần (SiO2)n, nhưng ở đây một số nguyên tử Si được thay thế bằng nguyên tử Al tạo thành alumosilicate với khung chung là [(Si, Al)O2] Khung này tích điện âm nên cần có một số cation kim loại để trung hòa điện tích Khác với trường hợp mica, các cation kim loại ở đây được phân bố đều ở trong khung đó

Thuộc nhóm alumosilicate mạng lưới là những khoáng vật loại feldspar, các zeolite và các ultramarine Feldspar là những đá phún trào, chúng chiếm hơn một nữa khối lượng vỏ Trái Đất Những đại diện chính của khoáng vật loại feldspar là: orthoclase (KAlSi3O8), albite (NaAlSi3O8), trong đó một phần tư số nhóm tứ diện SiO4được thay thế bằng nhóm tứ diện AlO4 nên công thức được viết là (Na,K)[(AlO2)(SiO2)3] còn trong anorthite (CaAl2Si2O8), số nhóm tứ diện AlO4 và SiO4 bằng nhau nên công thức của chúng có thể viết là Ca[(AlO2)2(SiO2)2]

1.1.3 Ứng dụng của hợp chất silicate

Zeolite là alumosilicate mạng lưới có ứng dụng quan trọng nhất đối với thực tế

Có nhiều zeolite nhiên, một số đã được tổng hợp nhân tạo và ngoài ra còn có hàng chục zeolite tổng hợp không có ở trong thiên nhiên Chúng có công thức chung là

Mx/n[(AlO2)x(SiO2].zH2O, trong đó n là điện tích của cation kim loại Mn+, thường là

Na+, K+ hay Ca2+ và z là số nguyên tử nước kết tinh Khác với feldspar, zeolite có kiến trúc xốp hơn: Những nhóm tứ diện SiO4 và AlO4 được sắp xếp như thế nào để tạo nên những lỗ trống tương đối rộng, trong đó không những có ion dương mà còn có cả những phân tử H2O nữa Khi nung zeolite đến 350°C ở trong chân không, hầu hết những phân tử H2O đó thoát ra mà không làm biến đổi kiến trúc tinh thể Kết quả là zeolite khan có khả năng hấp thu và giữ lại những phân tử có thể chui lọt qua các lỗ trống, nghĩa là có khả năng hấp phụ trọn lọc Như vậy zeolite có vai trò của một rây phân tử Ví dụ như zeolite với kích thước của lỗ là 3,5Å có thể hấp phụ H2, O2 và N2nhưng thực tế không hấp phụ Ar và CH4 Những năm gần đây người ta dùng rây phân

tử đó để làm khô một số khí và chất lỏng

Hình 7 – Zeolite và cấu trúc zeolite Gần đây, những hợp chất silicate của kim loại kiềm thổ được nghiên cứu để sử dụng làm bột màu vô cơ trong công nghiệp Đây là một ứng dụng rất nỗi bật của hợp chất silicate bởi vì bột màu được tạo nên từ những hợp chất này có nhiều tính năng ưu việt hơn so với các loại bột màu vô cơ thông thường, như có tính lấp lánh và đặc biệt

là có khả năng phát quang trong bóng tối

Hinh 8 – Bột màu phát quang

1.2 Khái quát về thủy tinh lỏng

1.2.1 Sơ lược về thủy tinh lỏng

Thủy tinh lỏng là dung dịch đậm đặc của sodium silicate trong nước Thủy tinh lỏng là một hóa chất được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong các nghành công nghiệp giấy và bột giấy, công nghiệp chất tẩy rửa, công nghiệp gốm sứ

và cả trong lĩnh vực vật liệu composite,…

Cho đến nay, thủy tinh lỏng đã được biết đến như là một nguyên liệu trong ngành công nghiệp chất tẩy rửa Bởi vì chúng có thể cung cấp một lượng kiềm lớn và khả năng đệm pH rất tốt Một số loại còn có thể hỗ trợ cho việc tổng hợp chất tẩy rửa với khả năng chống keo tụ và ngăn ngừa sự lắng đọng trong dung dịch keo Các loại khác

có thể tác động trực tiếp như là chất làm mềm nước và đáp ứng các tiêu chuẩn trong công nghiệp chất tẩy rửa Một tính chất quan trọng khác là khả năng ăn mòn thủy tinh

và các kim loại trong quá trình rửa và làm sạch Trong quá trình sản xuất chất tẩy rửa, chúng được xem là chất hỗ trợ xử lý quan trọng trong quá trình tích tụ của các hạt chất tẩy rửa, điều chỉnh mật độ số lượng bột chất tẩy rửa

Đặc trưng của thủy tinh lỏng là tỷ lệ SiO2/Na2O theo khối lượng Giá trị đặc trưng này thường được gọi là module Tỷ lệ SiO2/Na2O cũng có thể được thể hiện trên

cơ sở phân tử Việc chuyển đổi giữa module và tỷ lệ phân tử có thể được chuyển đổi bằng trọng lượng công thức phân tử tương ứng Trong trường hợp của sodium silicate, module đã được nhân với hệ số chuyển đổi 1,032 để có được tỷ lệ phân tử

Trong thương mại, sodium silicate là loại hóa chất quan trọng nhất trong số các silicate kim loại kiềm Chúng là loại hóa chất được sử dụng với nhiều dạng, mức độ và thành phần khác nhau Sodium silicate được bán trên thị trường không chỉ dưới dạng dung dịch mà còn ở dạng bột mịn và dạng hạt với số lượng lớn Dạng rắn thì được sử dụng từ dạng vô định hình tới dạng tinh thể và từ khan cho tới các loại ngậm nước

1.2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình sản xuất thủy tinh lỏng

Hình 9 – Sơ đồ công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng

Giai đoạn 1: Sản xuất thủy tinh tan

Cát được trộn đều với soda theo đúng tỷ lệ để tạo thành hỗn hợp phối liệu phản ứng như mong muốn Sau đó hổn hợp phối liệu này được nung ở nhiệt độ 1000-1200°C trong vài giờ Sản phẩm thu được là thủy tinh tan vô định hình (thủy tinh vụn hay còn gọi là cullet), nó được hòa tan vào nước để tạo ra các dạng silicate khác nhau

Phương trình phản ứng chung xảy ra trong quá trình nung:

Na2CO3 + nSiO2 → Na2O.nSiO2 + CO2

Để biết được diễn biến, tốc độ và điểm kết thúc quá trình phản ứng thì người ta theo dõi lượng CO2 thoát ra, nhưng không phân biệt được từng phản ứng riêng lẻ Quá trình này cũng tạo cho hỗn hợp nấu chảy nhiều bọt Khi pha lỏng xuất hiện thì tốc độ tạo silicate tăng do tăng bề mặt phản ứng Do vậy cần cố gắng tìm cách tạo pha lỏng ở nhiệt độ thấp Do đó có thể thêm vào hỗn hợp phối liệu ban đầu một lượng chất khử bọt thích hợp để tạo pha lỏng dễ dàng hơn

Tuy nhiên điều quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất phản ứng này

là kích cỡ hạt cát cho vào Vì nhiệt độ nóng chảy của cát là rất cao trên 1600ºC nên

muốn cát chảy lỏng ra thì phải tốn một nhiệt lượng rất lớn Vì vậy để tiết kiệm năng lượng ta sẽ cho phản ứng xảy ra khi cát vẫn còn ở trạng thái rắn Do đó tốc độ phản ứng và hiệu suất phản ứng sẽ phụ thuộc rất lớn vào diện tích bề mặt riêng của cát nguyên liệu Cho nên, cát trước khi được cho vào hỗn hợp phối liệu với soda để phản ứng thì phải được nghiền mịn đến kích cỡ thích hợp Thực tế thì nghiền càng mịn càng tốt nhưng nếu như nghiền quá mịn thì sẽ tốn nhiều năng lượng cho quá trình nghiền

mà tốc độ phản ứng và hiệu suất phản ứng không tăng thêm bao nhiêu Và hỗn hợp phối liệu ban đầu phải được trộn thật đều vào nhau để tăng tối đa diện tích tiếp xúc bề mặt giữa cát và soda

Giai đoạn 2: Hòa tan thủy tinh vụn

Sau khi nung thì chúng ta sẽ thu được thủy tinh vụn màu trắng trong suốt hoặc có màu do lẫn tạp chất bằng nước và hơi nước nóng ở áp suất 5 atm (nước nóng khoảng 151°C) Sau khi thủy tinh vụn tan hết thì tiến hành lắng và lọc để loại phần không tan

ra khỏi dung dịch thủy tinh lỏng

Phần cặn không tan ở đây là cát chưa phản ứng hết Do đó lượng cặn không tan này có thể được dùng để tính hiệu suất phản ứng

Giai đoạn 3: Thay đổi tỷ lệ SiO 2 /Na 2 O

Thủy tinh lỏng thu được có thể được bán trực tiếp ra thị trường nhưng nếu muốn thì người ta có thể thay đổi tỷ lệ SiO2/Na2O nhỏ xuống để thích hợp với yêu cầu của thị trường Để thực hiện điều này thì người ta thêm vào thủy tinh lỏng có module cao xút hoặc soda với lượng thích hợp để tăng hàm lượng Na2O lên Và kết quả là module của thủy tinh lỏng bị giảm xuống

Toàn bộ quy trình sản xuất thủy tinh lỏng có thể được tóm gọn trong sơ đồ sau:

Soda

Na2CO3

Cát Trắng SiO2

Lò Nung 1000-1200ºC

Module Thấp

Soda hoặc Xút (Na2CO3 hoặc NaOH) Hình 10 – Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng

1.2.3 Chỉ tiêu chất lượng của thủy tinh lỏng

Bảng 1 - Tiêu chuẩn chung cho sản phẩm sodium silicate lỏng

Tên chỉ tiêu Mức và yêu cầu

1 Trạng thái bên ngoài Chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho

Chỉ tiêu chất lượng silicate cụ thể:

Sodium silicate lỏng loại module cao:

 Ngoại quan: chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt, cho phép có màu trắng đục hoặc ngà vàng

Sodium silicate lỏng loại module thấp:

 Ngoại quan: chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt, cho phép có màu trắng đục hoặc ngà vàng

 Hàm lượng Na2O: ≥ 13%

 Hàm lượng SiO2: ≥ 20%

Trong công nghiệp giấy và bột giấy thủy tinh lỏng có nhiệm vụ vận chuyển các ion kim loại, đệm pH, làm chất ổn định, là tác nhân hoạt động bề mặt, làm chất trợ lọc

và hạn chế sự ăn mòn Nó có thể giữ các nhóm peroxide để làm cho bột giấy trắng hơn

Trong công nghiệp chất tẩy rửa, nó làm nhiệm vụ phân tán đều hỗn hợp huyền phù, tạo môi trường kiềm giúp tăng cường hiệu quả giặt tẩy, chất nhũ hóa các hệ dầu

mỡ hữu cơ, hạn chế sự ăn mòn kim loại trong quá trình hoạt động và vệ sinh thiết bị Những vật liệu gồm nhiều thành phần khi kết khối lại đòi hỏi một chất kết dính

để đạt được lực liên kết giữa các thành phần đủ lớn Và nhìn chung chất kết dính có thể được chia thành ba nhóm: dạng matrix, dạng film và chất kết dính hóa học Sodium silicate là độc đáo ở chỗ nó có thể đáp ứng được cả ba khả năng trên Ví dụ, như là một chất kết dính matrix, sodium silicate sẽ được sử dụng cùng với xi măng Portland hoặc xi măng Pouzzolan để tăng thêm cường độ cho chúng

Film hình thành chất kết dính như keo do sự bay hơi của nước hoặc các dung môi Sodium silicate thương mại sẵn có chứa 45-65% nước theo trọng lượng Mất một phần nhỏ của nước này, ngay cả trong điều kiện môi trường bình thường cũng có thể tạo thành film thủy tinh mạnh mẽ và cứng nhắc Thời gian phơi khô sẽ phụ thuộc vào module, nồng độ, độ nhớt, độ dày màng của thủy tinh lỏng cũng như nhiệt độ và độ ẩm của không khí Có đôi khi người ta làm khô màng thông qua việc bổ sung nhiệt Chất kết dính hóa học có chức năng phản ứng với vật liệu thành phần hoặc làm cho các vật liệu thành phần phản ứng với nhau để tạo thành một khối vững chắc Ví dụ

rõ nhất là việc sử dụng của sodium silicate hòa tan với một nguồn calcium Phản ứng

sẽ sinh ra các hydrate của calcium silicate Đây là một chất kết dính rất tốt, thường gặp nhất là trong bê tông cốt thép

Một lĩnh vực mới được nghiên cứu gần đây đó là ứng dụng của thủy tinh lỏng trong công nghệ chế tạo silica aerogel Silica aerogel có giá bán trên thị trường rất đắt bởi vì nguyên liệu để sản xuất nó là các hợp chất alkoxide, những hợp chất này vốn có giá rất đắt trên thị trường nên khi dùng nó để sản xuất aerogel thì giá của silica aerogel càng đắt hơn nữa Do vậy thủy tinh lỏng là một hướng đi mới đầy triễn vọng để hạ giá thành của silica aerogel

Hình 11 – Khối silica aerogel

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT,

Hình 12 – Cát thạch anh

Ba dạng tinh thể của silicon dioxid ở áp suất thường là thạch anh, tridymite và cristobalite Mỗi một dạng đa hình này lại có hai dạng: Dạng α bền ở nhiệt độ thấp và dạng β bền ở nhiệt độ cao Dưới đây là sơ đồ biến đổi các dạng tinh thể của silicon dioxide:

Hình 13 – Sơ đồ biến đổi thù hình của SiO2 Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung Trong tứ diện SiO4, những nguyên tử Si nằm ở tâm của tứ diện liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ diện Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác nhau và tính trung bình cứ trên một nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh nghiệm của silicon dioxide là SiO2

Ba dạng đa hình của silicon dioxide có cách sắp xếp khác nhau của các nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể Trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc Nếu chiếu kiến trúc tinh thể của thạch anh β lên trên mặt phẳng đáy của đường xoắn ốc thì được hình dưới đây:

Hình 14 – Mạng lưới tinh thể thạch anh β

Tùy theo chiều của đường xoắn ốc đó mà có thạch anh quay trái và thạch anh quay phải Còn trong tridymite, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và

Zn trong mạng wurzite và trong cristobalite, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphalerite; liên kết giữa các nguyên tử Si với nhau đều được thực hiện qua nguyên tử O

Hình 15 – Cấu trúc mạng tinh thể β-tridymite

Hình 16 – Cấu trúc mạng tinh thể β-cristobalite

Tỉ khối của thạch anh là 2,56, của tridymite là 2,3 và của cristobalite là 2,2 Sự khác nhau giữa dạng α và dạng β của mỗi dạng đa hình đó là do sự quay một ít của các

tứ diện đối với nhau nhưng cách sắp xếp chung của các tứ diện không biến đổi Do vậy chúng ta có thể hiểu dễ dàng tại sao sự biến đổi giữa các dạng α và β xảy ra nhanh chóng và ở nhiệt độ thấp hơn so với sự biến đổi từ dạng đa hình này sang dạng đa hình

kia: trường hợp thứ nhất không đòi hỏi sự phá vỡ liên kết còn trường hợp thứ hai đòi hỏi sự phá vỡ và xây dựng lại tất cả liên kết Vì quá trình biến đổi dạng đa hình này sang dạng đa hình khác của silicon dioxide xảy ra chậm và cần năng lượng hoạt hóa cao cho nên thạch anh, tridymite và cristobalite đều tồn tại trong thiên nhiên mặc dù ở nhiệt độ thường chỉ có thạch anh là bền nhất và các dạng khác chỉ là bền giả

Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silicon dioxide thạch anh là coesite (được tạo nên ở áp suất 35.000 atm và nhiệt độ 250°C) và stishovite (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 1300°C) Hai dạng này về sau mới được phát hiện ở các thiên thạch Khi đun nóng ở 1200°C (coesite) và 400°C (stishovite), chúng biến thành silicon dioxide dạng bình thường

Khi để nguội chậm silicon dioxide đã nóng chảy hoặc đun nóng bất kì dạng nào của silicon dioxide đến nhiệt độ hóa mềm, thu được một vật liệu vô định hình giống như thủy tinh Những vật liệu dạng thủy tinh như vậy, về một số mặt giống với chất rắn và về một số mặt khác giống với chất lỏng Ở nhiệt độ khá thấp, chẳng hạn như ở nhiệt độ thường, vật liệu dạng thủy tinh tạo nên khối rắn có hình dạng xác định, đôi khi có độ bền cơ học cao, độ cứng lớn,… Nhưng ở nhiệt độ cao hơn, vật liệu dạng thủy tinh có tính chất giống như một chất lỏng chậm đông có độ nhớt rất lớn Khác với dạng tinh thể, chất dạng thủy tinh có tính đẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi chảy lỏng ra Bằng

phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta xác định được rằng trong trạng thái thủy tinh,

mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn Một ví dụ cụ thể đã gặp trước đây là trường hợp của B2O3 Một số chất khác cũng cho trạng thái thủy tinh là selenium, lưu huỳnh dẻo, beryllium fluoride, germanium dioxide, calcium silicate (CaSiO3), chì silicate (PbSiO3), lithium metaborate (Li2B2O4), sodium tetraborate (Na2B4O7) và cadmium diphotphate (Cd2P2O7)

Thạch anh nóng chảy ở 1600-1670°C Nhiệt độ nóng chảy của nó không thể xác định chính xác được vì có một phần biến hóa sang những dạng đa hình khác với tỉ lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài Cristobalite nóng chảy ở 1710°C Nhiệt độ sôi của silicon dioxide là 2230°C

Thạch anh thuộc loại khoáng hết sức phổ biến Người ta thường gặp những tinh thể thạch anh lớn và phát triển rất hoàn hảo Có tinh thể nặng đến 70 tấn Tinh thể thạch anh tinh khiết nhất được làm lăng kính và thấu kính Đá quaczit và cát là loại thạch anh kém tinh khiết hơn Cát thạch anh là sản phẩm chủ yếu của sự phân hủy nham thạch dưới tác dụng lâu đời của khí CO2 và nước Lượng cát rất lớn được dùng làm vật liệu xây dựng cùng với vôi và xi măng Cát thạch anh tinh khiết được dùng để chế thủy tinh, sứ Dọc theo bờ biển miền Trung nước ta có rất nhiều loại cát trắng này

để nấu thủy tinh

2.1.1.2 Soda

Hình 17 – Soda khan Sodium carbonate khan là chất bột màu trắng, hút ẩm và nóng chảy ở 851°C Nó

dễ tan trong nước, quá trình hòa tan tỏa nhiều nhiệt do sự tạo thành các hydrate Từ dung dịch ở nhiệt độ dưới 32,5°C, sodium carbonate kết tinh dưới dạng decahydrate

Na2CO3.10H2O Đây là những tinh thể đơn tà trong suốt, không màu, dễ tan trong nước và nóng chảy trong nước kết tinh ở 32,5°C Giữa nhiệt độ đó và 35,4°C nó mất nước biến thành heptahydrate Na2CO3.7H2O, trên 35,4°C biến thành monohydrate

Na2CO3.H2O và đến 107°C mất nước hoàn toàn biến thành soda khan Độ tan của các hydrate chứa nhiều phân tử nước tăng lên theo nhiệt độ, còn độ tan của monohydrate giảm xuống Khi để trong không khí, decahydrate mất bớt nước kết tinh trở nên trắng vụn

Soda được dùng rộng rãi trong các nghành công nghiệp thủy tinh, đồ gốm, xà phòng và phẩm nhuộm Nó cũng là chất đầu dùng để điều chế nhiều hợp chất quan trọng của sodium như xút ăn da, borax, thủy tinh tan, chromate và dichromate

Sodium carbonate đôi khi có trong một số hồ muối và trong tro của rong biển Cách đây 4000 năm người cổ Ai Cập đã biết lấy soda từ các hồ muối để sản xuất thủy tinh Từ các thế kỉ XV và XVI người ta dùng tro của rong biển để sản xuất xà phòng

và thủy tinh Trước đây trong công nghiệp, soda được sản xuất theo phương pháp sunfate do nhà hóa học người Pháp là N.Le Blanc (1742-1806) đề ra năm 1791: nung hỗn hợp sodium sunfate, đá vôi và than ở 1000°C

Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2

Na2S + CaCO3 → CaS + Na2CO3Hòa tan hỗn hợp sản phẩm phản ứng vào nước sẽ tách được CaS ít tan ra khỏi

Na2CO3

Ngày nay soda hầu như chỉ được sản xuất theo phương pháp ammoniac do kĩ sư người Bỉ là E.Solvay (1838-1922) đề ra năm 1864 Phương pháp này dựa chủ yếu vào phản ứng hóa học:

NaCl + NH4HCO3 = NaHCO3 + NH4Cl Đây là một phản ứng thuận nghịch, cả bốn chất đều tan trong nước nhưng NaHCO3 hơi ít tan hơn Ở 20°C, độ tan (trong 100 g nước) của NaHCO3 là 10 g, của

NH4HCO3 là 21,5 g, của NaCl và NH4Cl còn lớn hơn nữa

Thực tế trong công nghiệp người ta cho khí NH3 rồi khí CO2 đi qua dung dịch NaCl bão hòa:

NaCl + CO2 + NH3 + H2O = NaHCO3 + NH4Cl Lọc tách NaHCO3 ra và đun nóng để chuyển thành Na2CO3 khan Quá trình này giải phóng một nửa lượng CO2 đã sử dụng Khí CO2 này được đưa lại vào quá trình sản xuất Chế hóa sản phẩm phụ NH4Cl với vôi tôi để tái sinh khí NH3 và đưa lại vào quá trình sản xuất Trong khi nung vôi khí CO2 giải phóng cũng được đưa vào quá trình sản xuất Như vậy từ những nguyên liệu ban đầu là NaCl và CaCO3 phương pháp

Solvay cho phép điều chế những sản phẩm là Na2CO3 và CaCl2 mà về mặt lý thuyết phản ứng:

2NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2

là không thể thực hiện được Dưới đây là sơ đồ các phản ứng trong quá trình sản xuất soda theo phương pháp Solvay:

2.1.1.3 Tiêu chuẩn nguyên liệu sản xuất thủy tinh tan

 Trọng lượng bao gói: 40  02 kg/bao

 Trên bao bì có ghi đầy đủ thông tin về sản phẩm

H 2 O +

CO 2 +

2.1.2 Hóa chất

Các hóa chất được sử dụng trong việc chuẩn độ thủy tinh lỏng để kiểm tra chất lượng sản phẩm sau khi nung, gồm có:

 Dung dịch chuẩn HCl 0,2N của chi nhánh công ty cổ phần hóa chất và vật

tư kĩ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam

 Dung dịch chuẩn NaOH 0,2N của chi nhánh công ty cổ phần hóa chất và vật tư kĩ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam

 Potassium fluoride KF.2H2O dạng tinh thể xuất xứ Trung Quốc

 Dung dịch phenolphtalein 1% trong ethanol

Hình 18 – Lò nung Nabertherm

Hình 19 – Máy nghiền bi

Hình 20 – Tủ sấy

Hình 21 – Bếp điện

2.2.2 Dụng cụ

Các dụng cụ được sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm:

 Cốc sứ, chén sứ chịu nhiệt loại 30 ml hoặc 40 ml

CHƯƠNG 3: TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ

THẢO LUẬN KẾT QUẢ

3.1 Khảo sát tỷ lệ mol

3.1.1 Cách tiến hành

Tiến hành nung các hỗn hợp phối liệu trong cốc sự chịu nhiệt với tỷ lệ cát và soda cho vào lần lượt từ 0,6 đến 3,8 Quá trình nung được thực hiện bởi lò nung Nabertherm ở nhiệt độ 1150°C với thời gian lưu là 120 phút Nguyên liệu cho vào là cát và soda đều phải ở dạng bột mịn và được trộn đều vào nhau Lấy 2,5 g thủy tinh vụn thu được sau khi nung đem đi nghiền mịn rồi hòa tan bằng nước sôi Lọc để tách cặn ra khỏi dung dịch thủy tinh lỏng Lấy dung dịch thủy lỏng thu được pha thành 250

ml và đem đi chuẩn độ để xác định hàm lượng Na2O, hàm lượng SiO2, pH dung dịch,… Phần cặn thu được trên giấy lọc đem đi sấy khô rồi cân để xác định hàm lượng chất không tan trong sản phẩm

Chất lượng thủy tinh lỏng được kiểm tra theo tiêu chuẩn 64-TCN 38-86 (xem phụ lục)

3.1.2 Kết quả

Kết quả là hầu hết các mẫu sau khi nung đều thu được thủy tinh trong suốt Nhưng trong một số trường hợp khi bị lẫn các ion kim loại khác như Fe3+ thì sản phẩm thu được là thủy tinh có màu đỏ, hoặc lẫn ion Cu2+ thì sản phẩm thu được có màu xanh

Hình 22 – Sản phẩm thủy tinh bị lẫn ion Fe3+ và Cu2+