Nghiên cứu khả năng tách nhôm trong cao lanh bằng dung dịch axit nitric

LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn PGS.TS La Thế Vinh giao đề tài tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em suốt trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ hợp chất vô – Viện Kỹ Thuật Hóa Học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đồng nghiệp khoa Hóa công nghệ tạo điều kiện giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu cho em trình thực khóa luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Vũ Minh Khôi – Trường Đại Học Công Nghiệp thầy ThS Nguyễn Văn Quang thầy cô giáo khoa Hóa học – Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình làm khóa luận Viễn Kỹ Thuật Hóa Học – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình, bạn phòng thí nghiệm môn vô bạn bè Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội bên động viên, chia sẻ giúp đỡ mặt suốt thời gian học tập nghiên cứu vừa qua Một lần xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan MỤC LỤC MỞ ĐẦU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC ĐỒ THỊ CHƯƠNG : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan cao lanh 1.1.1 Khái niệm, thành phần, phân loại cấu trúc cao lanh 1.1.2 Tính chất vật lý 1.1.3 Tính chất hóa học 1.1.4 Trạng thái thiên nhiên 12 1.1.5 Ứng dụng 13 1.2 Tổng quan nhôm nitrat 15 1.2.1 Tính chất hóa lý nhôm nitrat 15 1.2.2 Các phương pháp chế tạo nhôm nitrat 16 1.2.2.1 Điều chế nhôm nitrat từ nhôm hydroxit 16 1.2.2.2 Điều chế nhôm nitrat từ cao lanh .17 CHƯƠNG 2: 19 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 19 2.1 Phương pháp nghiên cứu 19 2.1.1 Phân tích cấu trúc, thành phần cao lanh phương pháp hóa lý 19 2.1.1.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X- Ray Diffraction, XRD) 19 2.1.1.2 Phương pháp phân tích nhiệt (DSC) 22 2.1.1.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope) 23 2.1.2 Phương pháp phân tích thể tích 25 2.1.3 Nghiên cứu trình hòa tách nhôm oxit phản ứng cao lanh với dung dịch axit nitric số điều kiện khác 26 2.2 Thực nghiêm 26 2.2.1 Hóa chất, dụng cụ 26 2.2.1.1 Hóa chất 26 2.2.1.2 Dụng cụ 27 2.2.2 Pha chế dung dịch chuẩn 27 2.2.3 Cách tiến hành 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ 30 3.2 Phân tích cấu trúc, thành phần cao lanh phương pháp hóa lý30 3.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 30 3.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt (DSC) 33 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hòa tách nhôm cao lanh 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt cao lanh 34 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung cao lanh 37 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ axit đến trình hòa tách 39 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ hòa tách tới trình hòa tách 41 3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng tới trình hòa tách 43 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 MỞ ĐẦU Nhu cầu sử dụng nhôm giới tăng liên tục trữ lượng quặng boxit (nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhôm nay) có hạn Tình trạng khuyến khích việc tìm kĩ thuật để sản xuất nhôm từ nguyên liệu khác cao lanh loại đất sét có trữ lượng vô tận Trên giới xu hướng nghiên cứu sản xuất nhôm từ nguyên liệu cao lanh dược quan tâm diễn sôi Cao lanh khoáng tự nhiên có chứa hàm lượng lớn nhôm oxit nên sử dụng để sản xuất muối nhôm Trên giới có số công trình nghiên cứu trình tách nhôm cao lanh số phương pháp khác Hiện nước ta chưa có tác giả sâu vào nghiên cứu lĩnh vực này, đặc biện quy trình công nghệ để đưa vào sản xuất Như biết, tùy thuộc vào điều kiện hình thành, đặc điểm địa chất kiểu khí hậu mà thành phần, tính chất loại cao lanh khác không giống nhau, nghiên cứu trình hòa tách loại cao lanh cụ thể dung dịch axit HNO3 có ý nghĩa thực tế Việt Nam nước có nhu cầu nhập nhôm vào loại lớn giới, năm nước ta nhập khoảng 70000 nhôm kim loại Trong nước ta có nguồn nguyên liệu chứa nhôm quặng boxit cao lanh không nhiều đủ để sản xuất nước thời gian dài (Theo báo cáo khoa học Viện Hóa học – Tổng công ty Hóa chất Việt Nam năm 2000) trữ lượng quặng boxit thăm dò 2,7 tỉ tấn, dự báo quặng boxit nguyên khai khoảng 6,7 tỉ Trước tình hình vấn đề đặt đề xuất phương án nghiên cứu sản xuất nhôm từ nguồn nguyên liệu quặng thiên nhiên có sẵn địa phương để giảm chi phí nhập nhôm Tuy nhiên, sau khảo sát quặng boxit tỉnh phía bắc tồn dạng diaxpo khó hòa tan chưa có công nghệ phù hợp để từ nguyên liệu Vì vậy, chọn đề tài: “Nghiên cứu khả tách nhôm cao lanh dung dịch axit nitric” Mục đích đề tài: - Nắm phương pháp phân tích nguyên liệu, sản phẩm quátrình nghiên cứu khả tách nhôm cao lanh dung dịch axit nitric - Tìm điều kiện công nghệ tối ưu cho trình hòa tách nhôm oxit cao lanh dung dịch axit nitric Nội dung nghiên cứu: - Phân tích thành phần hóa học, cấu trúc pha mẫu cao lanh - Nghiên cứu khả hòa tách nhôm oxit mẫu cao lanh chọn DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DSC Diffen DifferentialScanning Phép Đo nhiệt lượng quét vi Calorimetry sai DTA Differential Thermal Analyis Phân tích nhiệt vi sai SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua TGA Thermogravimetry Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X CEC Cation Exchange Capacity Dung lượng trao đổi cation AEC Anion Exchange Capacity Dung lượng trao đổi anion BĐM Flask Bình định mức EDTA Etylen diamin tetraxetat n Số tâm phát xạ d Độ dài khoảng cách hai mặt phẳng song song θ Góc chùm tia X mặt phẳng phản xạ λ Bước sóng β Độ rộng vị trí nửa pic D Kích thước tinh thể trung bình với góc nhiễu xạ 2 DANH MỤC HÌNH VẼ Tên Nội dung Hình 1.1 Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc kaolinit Hình 1.2 Các vị trí trao đổi ion khác hạt kaolinit Hình 1.3 Vị trí nhóm OH cấu trúc cao lanh Hình 1.4 Muối nhôm nitrat Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 1.6 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Hình 1.7 Giản đồ XRD mẫu cao lanh trước nung Hình 1.8 Giản đồ XRD mẫu cao lanh nung nhiệt độ 4000C Hình 1.9 Giản đồ XRD mẫu cao lanh nung nhiệt độ 6000C Hình 1.10 Giản đồ XRD mẫu cao lanh nung nhiệt độ 8000C Hình 1.11 Giản đồ phân tích nhiệt cao lanh (Thanh Sơn-Phú Thọ) Hình 1.12 Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,038 0,041mmvới độ phóng đại 500 2000 lần Hình 1.13 Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,038 0,041mmvới độ phóng đại 5000 lần Hình 1.14 Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,041 – 0,22mm với độ phóng đại 200 500 lần Hình 1.15 Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,041 – 0,22mm với độ phóng đại 2000 lần DANH MỤC BẢNG Tên Nội Dung Bảng Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ Bảng Khảo sát kích thước hạt Bảng Khảo sát nhiệt độ nung Bảng Khảo sát nồng độ axit Bảng Khảo sát nhiệt độ hòa tách Bảng Khảo sát thời gian phản ứng DANH MỤC ĐỒ THỊ Tên Nội Dung Đồ thị Ảnh hưởng nhiệt độ nung cao lanh đến trình hòa tách Đồ thị Ảnh hưởng nồng độ axit đến trình hòa tách Đồ thị Ảnh hưởng nhiệt độ hòa tách đến trình hòa tách Đồ thị Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến trình hòa tách CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan cao lanh 1.1.1 Khái niệm, thành phần, phân loại cấu trúc cao lanh  Khái niệm Cao lanh có nguồn gốc tên gọi từ Cao Lĩnh thổ (tức đất Cao Lĩnh, đất sét trắng Cao Lĩnh), khu vực đồi Giang Tô, Trung Quốc Các mỏ đất sét trắng khai thác để làm nguồn nguyên liệu sản xuất đồ sứ Trung Quốc Tên gọi kaolin giáo sĩ dòng Tên người Pháp du nhập vào châu Âu kỷ 18 phiên âm ngược trở lại tiếng Việt trở thành cao lanh Cao lanh (kaolin) hay đất cao lanh loại đất sét màu trắng, bở, chịu lửa, với thành phần chủ yếu khoáng vật kaolinit số khoáng vật khác illit, montmorillonit, thạch anh…có công thức chung Al2Si2O5(OH)4.nH2O (n=0,2…) Trong công nghiệp, cao lanh sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn sản xuất đồ gốm sứ, vật liệu chịu lửa, vật liệu mài, sản xuất nhôm, phèn nhôm, đúc, chất độn sơn, cao su, giấy, xi măng trắng  Thành phần Thành phần cao lanh SiO2, Al2O3, H2O… Ngoài có thành phần Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O,,Na2O khoáng khác hidromica, montmorilonit, feldpar, limonit, quat, anatase, rutil, pyrite  Phân loại Có nhiều kiểu phân loại cao lanh khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc phát sinh, mục đích sử dụng, độ chịu lửa, độ dẻo, độ xâm tán, hàm lượng oxit… 3.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt (DSC) TG /% DTA /(uV/mg) exo Peak: 530.857 102 0.4 100 0.2 98 Peak: 110.273 -0.2 Peak: 1009.16 96 -0.4 Mass Change: -11.13 % -0.6 94 -0.8 92 -1.0 -1.2 90 Mass Change: -0.19 % [1] -1.4 200 400 600 800 1000 1200 Admin 22-05-2012 17:16 Instrument: File: Project: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NETZSCH STA 409 PC/PG 77 2012.ssv 77 2012 5/22/2012 3:16:55 PM PCM N.H.Hanh Sample: Reference: Material: Correction File: Temp.Cal./Sens Files: Range: Sample Car./TC: Bot trang, 18.800 mg Al2O3,0.000 mg Polime Calib DTA 20 08 07.tsv / Senszero.exx 30/10.00(K/min)/1200 DTA(/TG) HIGH RG / S Mode/Type of Meas.: Segments: Crucible: Atmosphere: TG Corr./M.Range: DSC Corr./M.Range: Remark: DTA-TG / Sample 1/1 DTA/TG crucible Al2O3 O2/30 / N2/0 000/30000 mg 000/5000 µV Hình 1.11: Giản đồ phân tích nhiệt cao lanh (Thanh Sơn – Phú Thọ) Nhận xét: Từ kết giản đồ phân tích nhiệt thấy, Dưới 4000C khối lượng giảm không nhiều ứng với hiệu ứng thu nhiệt khoảng 110,3oC chủ yếu nước vật lý Trong khoảng 400oC đến 600oC có giảm mạnh mẽ khối lượng đồng thời có pic thu nhiệt khoảng 531oC nhiệt độ chuyển pha từ Kaolinite sang Montmorillonite thấy giản đồ XRD (hình 1.9 1.10) Theo lý thuyết trình biến đổi cấu trúc khoáng cao lanh thông thường khoáng loại có chứa khoảng 14% nước, sau nung 560oC xảy trình chuyển pha để tạo nên khoáng chứa khoảng 20% lỗ xốp Sự giảm khối lượng 33 mẫu cao lanh khoảng 450oC đến 550oC tạo cho vật liệu có khung cấu trúc xốp với thể tích mao quản tăng lên, tạo điều kiện thuận lợi cho trình hòa tách Al2O3 dung dịch axit HNO3 Kết giản đồ phân tích nhiệt phù hợp với lý thuyết với kết XRD Ở nhiệt độ 6000C khối lượng giảm chậm đồng thời có pic tỏa nhiệt 1009,10C liên quan đến trình kết tinh oxit silic không định hình để tạo thành cristobalit làm thay đổi cấu trúc cao lanh 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hòa tách nhôm cao lanh 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt cao lanh Mẫu cao lanh sàng tiến hành chụp SEM để xác định lại kích thước cỡ hạt, kết ảnh sau:  Mẫu cao lanh sàng sàng 0,038 - 0,041mm Hình 1.12: Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,038 - 0,041mm với độ phóng đại 500 2000 lần 34 Hình 1.13: Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,038 - 0,041mm với độ phóng đại 5000 lần Mẫu cao lanh sàng sàng 0,041 – 0,22mm Hình 1.14: Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,041 – 0,22mm với độ phóng đại 200 500 lần 35 Hình 1.15: Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng sàng 0,041 – 0,22mm với độ phóng đại 2000 lần Nhận xét: Dựa vào kết chụp SEM ta thấy sàng sàng 0,041mm cho hạt phân bố kích thước trung bình ~3µm Còn mẫu sàng sàng 0,22mm cho hạt phân bố không đồng cỡ hạt trung bình khoảng µm Tuy nhiên trình sàng sàng 0,041mm tiến hành khó khăn suất sàng thấp Mẫu sau sàng tiến hành hòa tách axit HNO3 6M thời gian 1h, dung dịch sau hòa tách tiến hành lọc định mức xác định lượng Al hòa tan từ xác định ảnh hưởng kích thước hạt đến trình hòa tách cao lanh Kết khảo sát kích thước hạt đến khả hòa tách: Bảng 2: Khảo sát kích thước hạt Mẫu cao lanh % Al2O3 0,041 < d [...]... (phản ứng 3) khó tan trong axit HNO3 Trong dung dịch HNO3 oxit SiO2 hoà tan không đáng kể Nồng độ silic trong dung dịch Al(NO3)3 không lớn từ (0,1  0,2g/l) Nếu tăng thời gian nung 1 giờ tại 6000C dẫn đến độ hoà tách của Al2O3 trong cao lanh tốt bằng HNO3 trong thời gian 1h tại nhiệt độ 90-950C Nếu nhiệt độ hoà tách Al2O3 trong cao lanh khoảng 60  1040C thì mức độ tách Al2O3 vào dung dịch sẽ tăng Nếu... Tính chất hấp phụ Cao lanh có khả năng hấp phụ kém Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1÷ 3% và chủ yếu là hấp phụ bề mặt Do vậy cao lanh ít có giá trị sử sụng làm chất hấp phụ  Những biến đổi trong cấu trúc cao lanh khi nung Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc cao lanh khi nung chính là cơ sở cho những ứng dụng của cao lanh trong nhiều ngành công nghiệp vật liệu và hoá chất Trong cao lanh cũng như nhiều... 2H+ Zn+2 (dư) + xylen da cam  phức màu đỏ 2.1.3 Nghiên cứu quá trình hòa tách nhôm oxit bằng phản ứng của cao lanh với dung dịch axit sunfuric trong một số điều kiện khác nhau - Khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước hạt - Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ axit - Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung - Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ hòa tách - Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng 2.2 Thực... nung (%) không được vượt quá Trong sản xuất nhôm nitrat, hàm lượng Na2O và K2O cần ở mức thấp, vì nếu hàm lượng này cao, mức tiêu thụ axit nitric và hydroxit nhôm sẽ tăng do hình thành muối khó tan và làm tăng lượng bã khó tan trong dung dịch 1.2.2.2 Điều chế nhôm nitrat từ cao lanh Cao lanh được phân bố rộng rãi trên nhiều miền khác nhau Thành phần của cao lanh gồm oxit nhôm, oxit silic và một số các... của cao lanh thay đổi trong diện rộng nên trước khi đưa vào sản xuất thường sử dụng cao lanh đã qua tuyển  Phân hủy cao lanh bằng axit nitric: Cao lanh khó tan trong HNO3, có rất nhiều công trình đã nghiên cứu quá trình nhiệt hoá cao lanh nhưng chưa có sự thống nhất về cơ chế của quá 17 trình này Bằng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, hoá lý, rơnghen, quang phổ hồng ngoại có thể biểu diễn quá trình nhiệt... đó chuyển dung dịch vào bình điịnh mức 250ml Pha nước cất đến vạch mức Căn cứ vào lượng cân tính nồng độ dung dịch Lấy 20ml dung dịch NaOH cho vào bình nón, cho thêm vài giọt phenolphtalein vào bình rồi chuẩn độ dung dịch NaOH bằng dung dịch KHP cho đến hết màu hồng Căn cứ vào thể tích đã lấy và nồng độ dung dịch KHP tính được nồng độ dung dịch NaOH NNaOH = N.V KHP VNaOH  Pha chế dung dịch EDTA... phản ứng với axit HNO3, vì vậy bước công nghệ đầu tiên là axit hoá Hoà tan chọn lọc Al2O3 ra khỏi SiO2, chế biến Al(NO3)3 vào các sản phẩm khác Cao lanh được xếp vào nhóm đất sét đơn khoáng Đất sét được gọi là cao lanh nếu trong nó chứa lớn hơn 50% khoáng caolinit (Al2Si2O5(OH)4) Đất sét được phân biệt với cao lanh bởi độ mịn hạt cao lanh, tính dẻo và khả năng thiêu kết tại nhiệt độ cao Trong đất sét... thiết bị hoà tách phải làm thiết bị chịu áp lực 18 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM Với mục đích đặt ra là phân tích hàm lượng nhôm trong cao lanh và trong mẫu sau hòa tách Em đã chọn phương pháp nghiên cứu: - Phân tích cấu trúc, tính chất của cao lanh bằng phương pháp hóa lý - Phân tích thành phần của vật liệu trước và sau theo phương pháp hóa học 2.1 Phương pháp nghiên cứu 2.1.1 Phân... lượng Al2O3 trong mẫu 29 Vdm CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ sử dụng trong nghiên cứu được cho ở bảng 1 Bảng 1 Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ Thành phần Al2O3 SiO2 Fe2O3 Hàm lượng % 37,84 45,57 0,46 CaO + MgO 4,05 Mất khi Na2O K2O nung ở 850oC 0,05 0,92 11,11 Nhận xét: Từ bảng trên ta thấy, trong cao lanh thì hàm... chuẩn độ ngược bằng Zn2+ (phương pháp phân tích thể tích) 28  Chuẩn độ hàm lượng nhôm - Hút 5ml dung dịch mẫu đã phá vào bình tam giác bomex - Thêm 25ml dung dịch EDTA 0,1M - Lắc đều và đun sôi nhẹ khoảng 2 phút để quá trình phản ứng xảy ra hoàn toàn - Sau đó làm nguội, thêm khoảng 10ml dung dịch đệm axetat và 1 - 2 giọt chỉ thị xylen da cam - Chuẩn độ bằng dung dịch ZnCl2 cho đến khi dung dịch trên chuyển ... tài: Nghiên cứu khả tách nhôm cao lanh dung dịch axit nitric Mục đích đề tài: - Nắm phương pháp phân tích nguyên liệu, sản phẩm quátrình nghiên cứu khả tách nhôm cao lanh dung dịch axit nitric. .. cho trình hòa tách nhôm oxit cao lanh dung dịch axit nitric Nội dung nghiên cứu: - Phân tích thành phần hóa học, cấu trúc pha mẫu cao lanh - Nghiên cứu khả hòa tách nhôm oxit mẫu cao lanh chọn DANH... qua tuyển  Phân hủy cao lanh axit nitric: Cao lanh khó tan HNO3, có nhiều công trình nghiên cứu trình nhiệt hoá cao lanh chưa có thống chế 17 trình Bằng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, hoá lý,