Nghiên cứu sử dụng hidroxit nhôm Tân Rai hoạt hóa trong quá trình sản xuất PAC Luận văn ThS. Kỹ thuật hoá học, vật liệu, luyện kim và môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC Chuyên ngành : Kĩ thuật Hóa học Mã số : 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ THỊ MAI HƢƠNG GS.TS NGUYỄN TRỌNG UYỂN Hà Nội - 2016 Lời cảm ơn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Thị Mai Hương GS.TS Nguyễn Trọng Uyển giao đề tài tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trình làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn khoa Hóa học – Trường Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt thầy cô môn Công nghệ Hoá học tạo điều kiện giúp đỡ em trình hoàn thiện luận văn Em xin chân thành cảm ơn Viện trưởng đồng nghiệp Viện Hóa học Các hợp chất thiên nhiên – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam thành viên Trung tâm Phát triển công nghệ Sạch Vật Liệu tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em thời gian qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình, sinh viên khoá trường Đại học Công nghiệp Hà Nội bạn bè bên động viên, chia sẻ giúp đỡ mặt suốt thời gian học tập nghiên cứu vừa qua Một lần xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thành Trung DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PAC polyalumiumclorua PFC polyferric clorua FC Sắt III clorua AS Nhôm III sunfua PAS polyaluminium sunfat PASS polyaluminium silicate sunfat SEM Scanning Electron Microscopy - SEM XRD Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X Al(OH)3 – Nhôm hiđroxxit trƣớc nghiền Al(OH)3 – Nhôm hiđroxxit sau nghiền MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÔM HIDROXIT 1.1.1 Nhôm tri hiđrôxit .3 1.1.2 Nhôm monohiđrôxit 1.1.3 Sự phân huỷ nhiệt nhôm hiđrôxit .13 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CHẤT KEO TỤ 15 1.2.1 Chất keo tụ 15 1.2.2 Một số phƣơng pháp điều chế chất keo tụ 19 1.3 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÒA TAN 21 1.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ NGHIỀN 24 1.4.1 Giới thiệu phƣơng pháp nghiền 24 1.4.2 Một số thiết bị nghiền[2,11,16] .25 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.1 HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ .27 2.1.1 Hoá chất 27 2.1.2 Thiết bị 27 2.1.3 Dụng cụ 27 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU.28 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 28 2.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM 29 2.2.3 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt 29 2.2.5 Xác định nồng độ nhôm (Al3+) phƣơng pháp chuẩn độ complexon 30 2.2.6 Xác định nồng độ H+ phƣơng pháp chuẩn độ axit - bazo 31 2.2.7 Xác định hàm lƣợng Cl- phƣơng pháp chuẩn độ kết tủa 31 2.2.7 Xác định hàm lƣợng SO42- 32 2.2.9 Xác định tổng hàm lƣợng Fe3+ 33 2.2.10 Xác định tỉ trọng sản phẩm .34 2.2.11 Công thức xác định số n PAC 34 2.3 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÍ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẪU TRƢỚC VÀ SAU NGHIỀN 34 2.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN ĐẾN HIĐRÔXXIT NHÔM .35 2.5 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÒA TÁCH 35 2.5.1 Khảo sát ảnh hƣởng tốc độ khuấy 35 2.5.2 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng 35 2.5.3 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ axit .35 2.5.4 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian phản ứng 36 2.6 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO PAC TỪ NHÔM HIĐROXXIT TÂN RAI 36 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU 38 3.1.1 Kết X-ray 38 3.1.2 Kết SEM 39 3.1.3 Kết BET 39 3.1.4 Kết phổ tán xạ Laser 40 3.1.5 Kết phân tích thành phần hóa học 41 3.2 KẾT QUẢ KHẢ NĂNG HÒA TÁCH TRONG AXIT HCL VÀ SỰ THAY ĐỔI BỀ MẶT SAU HÒA TÁCH CỦA NHÔM HIĐROXIT TÂN RAI TRƢỚC VÀ SAU KHI NGHIỀN 41 3.2.1 Kết ảnh hƣởng nhiệt độ nồng độ đến hiệu suất trình hòa tách 42 3.2.2 Khảo sát thay đổi bề mặt sau hoà tách 44 3.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HÒA TÁCH TRONG AXIT HCl CỦA MẪU NHÔM HIDROXIT TÂN RAI SAU KHI NGHIỀN 47 3.3.1 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy 47 3.3.2 Ảnh hƣởng thời gian 48 3.4 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO PAC 49 3.4.1 Lựa chọn điều kiện giai đoạn 49 3.4.2 Lựa chọn điều kiện giai đoạn .51 KẾT LUẬN .53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC ………………………… …………………………………………… 57 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo Gibbsit .4 Hình 1.2 Mô hình cấu trúc Gibbsit Hình 1.3 Phân bố nhóm OH Gibbsit khoảng cách chúng .5 Hình 1.4 Mô hình cấu trúc Gibbsit Hình 1.5 Cấu trúc Bayerit Hình 1.6 Cấu trúc lớp Bayerit Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể Nordstrandit Hình 1.8 Ô mạng sở Bemit 10 Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể Bemit .10 Hình 1.10 Cấu trúc dạng phân tử polyme Bemit 10 Hình 1.11 a-Mạch AlO(OH), b-AlO(OH), 11 Hình 1.12 Mô hình tinh thể Bemit 11 Hình 1.13 Hình dáng tinh thể Diaspor .12 Hình 1.14 Cấu trúc Diaspor .13 Hình 1.15 Cấu trúc Diaspor .13 Hình 1.16 Máy nghiền phƣơng pháp va đập 25 Hình 1.17 Máy nghiền bi trụ ngắn 26 Hình 2.1 Sự nhiễu xạ tia X bề mặt vật liệu .28 Hình 2.2 Máy X- Ray .28 Hình 2.3 Máy chụp SEM 29 Hình 3.1 Kết X-ray mẫu Al(OH)2-2 38 Hình 3.2 Kết X-ray mẫu Al(OH)2-1 38 Hình 3.3 kết SEM mẫu Al(OH)3-1 Al(OH)3-2 39 Hình 3.4 Kết phân bố kích thƣớc hạt mẫu trƣớc nghiền 40 Hình 3.5 Kết phân bố kích thƣớc hạt mẫu sau nghiền 40 Hình 3.6 Hiệu suất hòa tách HCl 4M theo nhiệt độ .42 Hình 3.7 Hiệu suất hoà tách HCl 750C theo nồng độ 43 Hình 3.8 Kết SEM mẫu có hiệu suất 15% (3M – 750C) 44 Hình 3.9 Kết SEM mẫu có hiệu suất 32% (5M – 750C) 45 Hình 3.10 Kết SEM mẫu có hiệu suất 50% (5M – 850C) 45 Hình 3.11 Kết SEM mẫu mẫu Al(OH)3-1 Al(OH)3-2 sau hoà tách .46 Hình 3.12 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy đến hiệu suất 47 Hình 3.13 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất phản ứng 48 Hình 3.14 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình hòa tách .50 Hình 3.15 Ảnh hƣởng thời gian đến trình hòa tách 50 Hình 3.16 Sản phẩm bã sau phản ứng 52 Hình 3.17 Hình ảnh số PAC thị trƣờng sản phẩm luận văn 52 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số dạng monome, polyme muối nhôm muối sắt 16 Bảng 1.2 Các sản phẩm keo tụ 18 Bảng 2.1 Các hóa chất nguyên liệu đầu sử dụng luận văn 27 Bảng 2.2 Các dụng cụ sử dụng luận văn 27 Bảng 3.1 Kết khảo sát diện tích bề mặt phƣơng pháp BET 40 Bảng 3.2 Thành phần hóa học mẫu trƣớc sau nghiền 41 Bảng 3.3 Tổng hợp kết hiệu suất hòa tách dung dịch axit HCl .43 DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1 Sơ đồ phân huỷ nhiệt Gibbsit 14 Sơ đồ 1.2 Sơ đồ phân huỷ nhiệt tinh thể Bayerit .15 Sơ đồ 1.3 Sơ đồ phân huỷ nhiệt gel Bemit 15 Sơ đồ 1.4 Quy trình điều chế PAC 20 Sơ đồ 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo PAC 37 MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề “môi trƣờng” ngày nhận đƣợc quan tâm ngƣời dân xã hội nhƣ phủ nhà khoa học Trong đó, xử lí nƣớc những vấn đề ƣu tiên hàng đầu Vấn đề xử lí nƣớc hữu khắp nới từ thành thị tới nông thôn, từ miền xuôi đến miền ngƣợc nhƣ làm nƣớc bể bơi; xử lí nƣớc sinh hoạt gia đình hay đến vấn đề to lớn nhƣ xử lí nƣớc thải từ nhà máy, khu công nghiệp trƣớc đổ sông, biển Có nhiều biện pháp để xử lí nƣớc, phƣơng pháp hay đƣợc sử dụng dùng chất keo tụ để làm nƣớc Phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng nhiều có nhiều ƣu điểm nhƣ: phƣơng pháp thực đơn giản, trình làm nƣớc nhanh chóng, dễ dàng mua hóa chất, ko cần đầu tƣ thiết bị máy móc phức tạp… Trong đó, Polyaluminium clorua đƣợc viết tắt PAC, hóa chất keo đƣợc sử dụng nhiều thị trƣờng Dòng hóa chất keo tụ có nhiều ƣu điểm so với loại hóa chất truyền thống nhƣ khoảng pH hoạt động rộng, làm giảm pH nƣớc, tốc độ keo tụ nhanh, ảnh hƣởng đến môi trƣờng… Hiện thị trƣờng Việt Nam có nhiều loại PAC, nhƣ PAC Trung Quốc, PAC - Ấn Độ hay PAC – Việt Nam Ở miền Bắc nƣớc ta, có nhà máy Hóa chất Việt Trì – Phú Thọ sản xuất PAC Nhà máy sản xuất PAC từ nhômhiđroxit, điều kiện phản ứng 1550C atm Từ điều kiện phản ứng chứng tỏ phản ứng xảy khó khan, tốc độ phản ứng chậm Đo đó, cần nghiên cứu phƣơng pháp “hoạt hóa nhôm hiđroxit” để cải thiện khả phản ứng, giúp giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm tăng sức cạnh tranh sản phẩm so loại sản phẩm nhập ngoại Một số cách “hoạt hóa nhôm hiđroxit phƣơng pháp nghiền đập li tâm” Tuy nhiên, phƣơng pháp chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều Việt Nam chƣa đƣợc áp dụng đối tƣợng “Nhôm hiđroxit Tân Rai” Do đó, lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC” Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu khảo sát số tính chất hóa lí khả hòa tách axit HCl mẫu nhôm hidroxit sau nghiền Dựa vào kết đó, đề xuất quy trình công nghệ chế tạo PAC Những nội dung nghiên cứu:  Nghiên cứu khảo sát số tính chất hóa lí khả hòa tách axit HCl mẫu nhôm hidroxit sau nghiền o Nghiên cứu so sánh số tính chất hóa lí mẫu trƣớc sau nghiền; o Đánh giá hiệu hòa tách hòa tách nhôm hiđroxit sau nghiền dung dịch axit HCl; o Nghiên cứu số yếu tố ảnh hƣởng đến trình hòa tách axit HCl mẫu sau nghiền;  Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo PAC  Khảo sát số yếu tố đến quy trình chế tạo PAC nhƣ nhiệt độ; thời gian, tốc độ khuấy…  Đề xuất quy trình công nghệ;  Đánh giá số tiêu sản phẩm nhƣ: hàm lƣợng Al2O3, khối lƣợng riêng, số “n”… Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng số phƣơng pháp hóa lí đại nhƣ: SEM, BET, X-ray, Laser  Sử dụng số phƣơng pháp chuẩn độ thể tích để xác định hàm lƣợng Al3+, Ca2+, Cl-…  Sử dụng phƣơng pháp khối lƣợng để xác định hàm lƣợng bã rắn, khối lƣợng riêng sản phẩm… CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÔM HIDROXIT Nhôm hiđrôxit sản phẩm công nghiệp, từ nhôm hiđrôxit sản xuất kim loại dạng siêu tinh khiết, sản xuất gốm sứ cao cấp, loại thuốc, chất hấp phụ xúc tác Theo cấu trúc, nhôm hiđrôxit đƣợc phân thành hai loại: nhôm trihiđrôxit Al(OH)3 nhôm mônô hiđrôxit AlO(OH)[19] 1.1.1 Nhôm tri hiđrôxit Nhôm trihiđrôxit có ba dạng thù hình: - Gibbsit - Bayerit - Nordstrandit 1.1.1.1 Nhôm hiđrôxit dạng Gibbsit Gibbsit dạng nhôm hiđrôxit quan trọng thành phần bôxit, đồng thời sản phẩm trung gian trình sản xuất nhôm từ bôxit a Điều chế Có nhiều phƣơng pháp điều chế Gibbsit khác từ nguồn nguyên liệu khác - Sục CO2 vào dung dịch natri aluminat điều kiện nhiệt độ pH thích hợp ( nguyên liệu ban đầu phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O nhôm kim loại) - Kiềm hoá muối nhôm nitrat Al(NO3)3 - Axit hoá dung dịch natri aluminat b Thành phần hoá học Gibbsit có công thức: Al2O3.3H2O = 2Al(OH)3 Khối lƣợng riêng : 2,3 - 2,43 g/cm3 c Cấu trúc Gibbsit Ô mạng sở Gibbsit gồm có ion Al3+ 24 ion OH-, tƣơng ứng với phân tử Al(OH)3[19] Các số mạng Gibbsit , Å Å : a = 8,54 - 8,7 ; b = 5,06 - 6,09 ; c = 9,21 - 9,76 ;  = 85016„ - 85026„ Tinh thể Gibbsit có cấu trúc lớp, lớp bao gồm phiến từ ion OH- nằm mặt phẳng song song (001), chúng phiến ion nhôm Do có bố trí mặt phẳng (001) nên hình thành mạng lƣới lục giác, tạo thành nhóm OH- Ion nhôm nằm trung tâm hình lục giác (Hình 1.1a) Hình 1.1.a Hình 1.1.b Hình 1.1 Cấu tạo Gibbsit Trong mạng tinh thể Gibbsit ion nhôm có 2/3 số thể tích lục giác Mỗi lấp đầy hình lục giác không gian có số sai lệch so với cấu trúc bát diện hoàn hảo [19] Các bát diện nối với đỉnh chung vào vòng gồm mặt với thành phần [Al(OH) 6]3- Cấu trúc mạng tinh thể Gibbsit gồm lớp từ tập hợp vòng nhóm hiđrôxit Trong lớp, ion OHcủa lớp nằm đối diện với lớp (Hình 1.1b) Giữa lớp đƣợc nối với liên kết OH Trong mạng lƣới tinh thể Gibbsit xuất tinh thể bó chặt vòng từ bát diện [Al(OH) 6]3- (Hình 1.2 1.3) Vị trí ... đƣợc nghiên cứu nhiều Việt Nam chƣa đƣợc áp dụng đối tƣợng Nhôm hiđroxit Tân Rai Do đó, lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC Mục tiêu... - NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC Chuyên ngành : Kĩ thuật Hóa học Mã số : 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG... tài: Nghiên cứu khảo sát số tính chất hóa lí khả hòa tách axit HCl mẫu nhôm hidroxit sau nghiền Dựa vào kết đó, đề xuất quy trình công nghệ chế tạo PAC Những nội dung nghiên cứu:  Nghiên cứu