Tìm hiểu các phương pháp chế tạo nano silica từ nguyên liệu là nguồn phế phẩm tro trấu

Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa MỤC LỤC SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa LỜI MỞ ĐẦU Trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên, ngày cạn kiệt việc tận thu, tái chế sử dụng lại nguyên vật liệu nói chung phụ, phế phẩm trình sản xuất, chế biến nói riêng biện pháp tiết kiệm cần thiết, tình hình kinh tế có nhiều khó khăn Quan trọng phụ, phế phẩm tận dụng, tái chế sử dụng lại góp phần giảm lượng chất thải môi trường, làm lành bầu không khí vốn bị đe dọa dư thừa chất thải độc hại Ứng dụng trấu làm nguyên liệu đốt nhà máy nhiệt điện vừa giải tình hình khủng hoảng nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giải vấn đề thải bỏ trấu gây ô nhiễm môi trường – trạng thực tế nước sản xuất nông nghiệp Việt Nam Qua nghiên cứu gần việc tinh luyện thu nguồn SiO tinh khiết, phương pháp hóa lý cho thấy hạn chế mặt kinh tế tác động đến môi trường từ việc thải bỏ hóa chất dùng tách chiết, nghiên cứu thực nhằm tìm giải pháp mang lại tính thiết thực thực tiễn sản xuất Đề tài “Các phương pháp chế tạo Nano Silica từ tro trấu” thực với mục tiêu cung cấp số giải pháp an toàn, thân thiện với môi trường để tinh luyện SiO2 tinh khiết, phục vụ cho ngành sản xuất vật liệu chất lượng cao, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường hướng đến phát triển bền vững Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu phương pháp chế tạo Nano Silica từ nguyên liệu nguồn phế phẩm tro trấu Nhiệm vụ nghiên cứu: • • Tổng quan lúa, trấu, tro trấu Tìm hiểu phương pháp điều chế nano silica từ tro trấu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Ý nghĩa khoa học: Cung cấp giải pháp hợp lý, an toàn để tinh luyện SiO2 tro trấu mà thân thiện có tính thực tiễn sản xuất, tạo sản phẩm phụ độc hại • Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp phương pháp tinh luyện SiO2, qua lựa chọn phương pháp tối ưu nhất, góp phần tạo sản phẩm silic có giá trị • SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÚA, TRẤU, TRO TRẤU 1.1 LÚA 1.1.1 Nguồn gốc Lúa năm loại lương thức giới, với ngô (Zea Mays L), lúa mì (Triticum sp Tên khác: tiểu mạch), sắn (Manihot esculenta Crantz, tên khác: khoai mì) khoai tây (Solanum tuberosum L) Theo quan niệm xưa lúa loại lương thực lục cốc Lúa nói tới loài (Oryza sativa Oryza glaberrima) họ Poacea, có nguồn gốc vùng nhiệt đới cận nhiệt đới khu vực đông nam Châu Á Châu Phi Hai loài cung cấp 1/5 toàn carlo tiêu thụ người[1] Lúa loại thực vật sống năm cao tới – 1,8 m cao hơn, với mỏng theo (2 – 2,5 cm) dài 50 – 100 cm Các hoa nhỏ tự thụ phấn mọc thành cụm hoa phân nhanh hay cong rủ xuống dài 30 -50 cm Hạt loại thóc (hạt nhỏ, cứng ngũ cốc) dài – 12 mm dày – mm Cây lúa non gọi mạ Sau ủ, người ta gieo thẳng hạt nảy mầm vào ruộng lúa cày bừa kỹ qua giai đoạn gieo mạ ruộng riêng để lúa non có sức phát triển tốt, sau khoảng thời gian nhổ mạ để cấy ruộng lúa Sau sát bỏ lớp vỏ thu sản phẩm gạo phụ phẩm cám trấu Gạo nguồn lương thực chủ yếu nửa dân số giới (chủ yếu Châu Á Châu Mỹ La Tinh), điều làm cho trở thành loại lương thực người tiêu thụ nhiều Trong tiếng Anh từ Rice (lúa,gạo) có nguồn gốc từ arisi tiếng Tamil[2] 1.1.2 Giá trị Giá trị sử dụng: cơm ra, gạo để dùng chế biến loại bánh, làm môi trường đề nuôi cấy niêm khuẩn, nem, cơm mẻ, dùng để cất rượu cồn… người ta kể hết công dụng Cám hay vỏ gạo, có chứa nhiều protein, chất béo, chất khoáng, vitamin, vitamin nhóm B, nên dùng làm bột dinh dưỡng trẻ em điều trị người bị bệnh phù nhũng Cám thành phần thức ăn gia súc, gia cầm trích lấy dầu ăn… Trấu công dụng làm chất đốt, chất độn chuồng dùng làm ván ép, vật liệu cách nhiệt, cách âm, chế tạo cacbon silic… Giá trị thương mại: thị trường giới, giá gạo xuất tính đơn vị trọng lượng cao nhiều so với loại hạt cốc khác Nói chung giá gạo xuất cao lúa mì từ – lần bắp hạt từ – lần SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Thời điểm khủng hoảng lương thực giới vào năm 1970 làm giá hạt ngũ cốc giới tăng đột ngột Giá gạo từ 147 USD/tấn (1972) tăng lên 350 USD/tấn (1973)… Nhìn chung giá gạo giới từ năm 1975 – 1995 biến động mạnh mức cao… 1.1.3 Tình hình sản xuất Trên giới: diện tích trồng lúa giới tăng rõ rệt từ năm 1980 – 1995 Trong vòng 15 năm diện tích trông lúa giới tăng bình quân 1,36 triệu ha/năm Diện tích trông lúa tập chung Châu Á (khoảng 90%) Các nước có diện tích trồng lúa lớn theo thứ tự phải kể đến Ấn Độ, Trung Quốc, Indonesia, Bangladesh, Thái Lan Việt Nam đứng thứ Hình 1.1 Sản lượng lúa mì, gạo ngô giới (1996 – 2000)[3] Ở nước ta: thời gian chiến tranh, diện tích trồng lúa nước dao động khoảng 4,40 – 4,90 triệu ha, suất có tăng chậm, khoảng 700kg lúa/ha vòng 20 năm Sản lượng lúa tổng cộng miền 10 triệu tấn[bảng 1.1] Sau ngày giải phóng(1975), với phong trào khai hoang phục hóa, diện tích lúa tăng lên nhanh ổn định khoảng 5,5 – 5,7 triệu Năng suất bình quân cuối thập niên 1970 giảm sút nghiêm trọng đất đai khai hoang chưa cải tạo, thiên tai sâu bệnh đặc biệt năm 1978 – 1979 Sau bước sang thập niên 1980 suất lúa tăng dần công trình thủy lợi nước với hang loạt sách cải cách ruộng đất đổi kinh theo chế thị trường Đã chuyển nước ta từ nước phải nhập gạo sang tự túc lương thực trở thành nước xuất gạo lớn thứ giới Bảng 1.1 Diện tích sản lượng lúa qua năm[4] SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Đồ án Chuyên ngành Vô Tổng số 1996 7003.8 1997 7099.7 1998 7362.7 1999 7653.6 2000 7666.3 2001 7492.7 2002 7504.3 2003 7452.2 2004 7445.3 2005 7329.2 2006 7324.8 2007 7207.4 2008 7400.2 2009 7437.2 2010 7489.4 2011 7655.4 2012 7761.2 2013 7899.4 Diện tích Chia Lúa Lúa đông hè thu xuân Nghìn 2541 1984 2682 1885 2783 2140 2888 2341 3013 2292 3056 2210 3033 2293 3022 2320 2978 2366 2942 2349 2995 2317 2988 2203 3013 2368 3060 2358 3085 2436 3096 2589 3124 2659 3140 2773 Khoa Công Nghệ Hóa Lúa mùa 2478 2531 2438 2423 2360 2225 2177 2109 2100 2037 2011 2015 2018 2017 1967 1969 1977 1985 SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Tổng số 26396 27523 29145 31393 32529 32108 34447 34568 36148 35832 35849 35942 38729 38950 40005 42398 43737 44076 Sản lượng Chia Lúa Lúa đông hè thu xuân Nghìn 12209 6878.5 13310 6637.8 13559 7522.6 14103 8758.3 15571 8625.0 15474 8328.4 16719 9188.7 16822 9400.8 17078 10430 17331 10436 17588 9693.9 17024 10140 18326 11395 18695 11212 19216 11686 19778 13402 20291 13958 20237 14455 Lúa mùa 7308.7 7575.8 8063.4 8532.5 8333.3 8305.6 8538.9 8345.3 8640.0 8065.1 8567.4 8777.8 9007.2 9042.2 9102.7 9217.3 9487.9 9383.5 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Hình 1.2 Lượng gạo xuất số nước xuất chính[5] 1.2 TRẤU VÀ TRO TRẤU 1.2.1 Trấu Nguồn gốc, thành phần: trấu lớp vỏ hạt lúa tách trình xay xát Vỏ trấu chiếm 20% hạt thóc, có màu vàng, nhẹ xốp có kích thươc trung bình khoảng – 10mm dài, rộng -3mm, dày khoảng 0,2mm Khối lượng thể tích vỏ trấu khí nén khoảng 122 kg/m3 Chất hữu chứa chủ yếu cellulose, lignin Hemi – cellulose (90%), có thêm thành phần khác hợp chất nitơ vô Lignin chiếm khoảng 25 – 30% cellulose chiếm khoảng 35 – 40% Bảng 1.2 Thành phần hữu thành phần hóa học vỏ trấu Thành phần hữu α – cellulose Ligin Hemi – cellulose Nitơ Vô Thành phần hóa học Cacbon Hydro Nitơ Oxy Tro SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Tỷ lệ theo khối lượng 35 – 40 25 – 30 20 – 30 10 41,44 4,94 0,57 37,32 15,73 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Hình 1.3a Cây lúa Hình 1.3b Vỏ trấu Trữ lượng: theo báo cáo kế hoạch thực 12 tháng năm 2013 ngành Nông Nghiệp Phát Triển Nông Thôn Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nông Thôn thực hiện, sản lượng lúa năm 2013 đạt xấp xỉ 44 triệu [bảng 1.1] Ước tính trung bình phát sinh 8,8 triệu vỏ trấu Ứng dụng: từ lâu, vỏ trấu loại chất đốt quen thuộc với bà nông dân, đặc biệt vùng đồng Sông Cửu Long Chất đốt từ vỏ trấu sử dụng nhiều sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc…) sản xuất (làm gạch, sấy lúa…) Do có ưu điểm bật sử dụng làm chất đốt: Vỏ trấu sau xay xát dạng khô, có hình dáng nhỏ rời, tơi xốp, nhẹ, vận chuyển dễ dàng Thành phần chất xơ cao phân từ có cho sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ đơn giản, chi phí đầu tư thấp Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp chăn nuôi, trấu sử dụng thường xuyên Thông thường trấu chất đốt cho việc nấu thức ăn nuôi cá lợn, trấu dùng nung gạch nghề sản xuất gạch khu vực đồng Sông Cửu Long Ngoài ra, gần người ta ứng dụng vỏ trấu làm nguyên liệu cho nhà máy nhiệt điện Hình 1.4 Bếp nấu dùng để đốt trấu SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Hình 1.5 Dùng trấu đốt gạch Đồ án Chuyên ngành Vô Hình 1.6 Bãi chứa trấu làm nguyên liệu đốt cho nhà máy nhiệt điện An Giang Khoa Công Nghệ Hóa Hình 1.7 Xây dựng nhà máy nhiệt điện trấu Đình Hải (Cần Thơ) 1.2.2 Tro Trấu Nguồn gốc: tro trấu thành phần lại sau đốt cháy hoàn toàn thành phần hữu vỏ trấu Thành phần: Các thành phần oxit tro thể qua bảng 1.3 Chúng thay đổi tùy thuộc vào giống lúa, điều kiện khí hậu, đất đai vùng miền Hàm lượng SiO tro trấu cao Oxit silic sử dụng đời sống sản xuất phổ biến Nếu tận thu nguồn SiO2 có ý nghĩa lớn nước ta Làm điều ta không cần nhập SiO2 vấn đề ô nhiễm môi trường vỏ trấu cải thiện Bảng 1.3 Các thành phần oxit có tro trấu[6] Thành phần oxit Tỷ lệ khối lượng SiO2 80 – 90 Al2O3 – 2,5 K2O 0,2 CaO 1–2 Na2O 0,2 – 0,5 Hiện nay, nhiều nhà khoa học giới Việt Nam quan tâm nghiên cứu việc sử dụng tro trấu làm phụ gia khoáng hoạt tính để làm tăng chất lượng cho xi măng, bê tông mà giá thành giảm đặc biệt, tính ưu việt tro trấu làm tăng tính chống thấm, nâng cao tuổi thọ bê tông tro SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa trấu mịn, chứa nhiều oxit silic trạng thái vô định hình, có hoạt tính puzơlan cao, tương đương với muội silic Vì vậy, tro điều chế kỹ thuật, đồng thời gia công thích hợp, thay muội silic bê tông chất lượng cao dùng cho bê tông thủy công yêu cầu độ chống thấm nước cao chịu ăn mòn môi trường xâm thực Giải pháp sử dụng tro trấu nhằm tăng chất lượng bê tông có hiệu cao nước nông nghiệp nước ta, muội silic phải nhập ngoại Tình hình nghiên cứu giới: Sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu phát điện giảm thiểu ô nhiễm mà lượng tro trấu thu sau đốt lại có giá trị sử dụng không nhỏ Đương nhiên nhà khoa học từ lâu phát vỏ trấu có giá trị sử dụng làm nguyên liệu xây dựng muốn tận dụng tro sau đốt vỏ trấu làm nguyên liệu thay xi măng quan tâm đến hàm lượng cacbon vỏ trấu cao, không thay thành phần xi măng.Tuy nhiên, khoa học không ngừng tìm cách để giải vấn đề Theo tin từ Discovery, hỗ trợ quỹ khoa học xã hội, nhà khoa học Mỹ tìm phương pháp gia công trấu mới, đông thời sử dụng tro trấu làm thành phần xi măng Rajan Vempati – Giám đốc tập đoàn CHK bang Texas Mỹ cộng cho biết phương pháp cho trấu vào lò đốt nhiệt độ 800⁰C, cuối lại SiO2 có độ tinh khiết cao Từ việc dùng nhiệt đốt trấu để tạo tro trấu vừa phát sinh lượng nhiệt lớn việc nghên cứu chủ yếu nghiêng việc sáng chế kiểu lò đốt để thu SiO từ tro trấu sau lò đốt Hội đồng Khoa Học Nghiên Cứu công nghiệp Pakistan (Pakistan Coulcil Sccientific In dustrial Research – PCSIR) thiết kế lò đốt thủ công cho phép thu tro trấu có hoạt tính cao, công suất nhỏ không tận thu nguồn nhiệt lượng trấu Tình hình nghiên cứu nước: Với ứng dụng thiết thực sản xuất sinh hoạt hàng ngày, hàng loạt nghiên cứu chế tạo nano silica hình thành phát triển: Đề tài nghiên cứu tận dụng phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu xây dựng (Vũ Thị Bách, Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, 2010) Đề tài “Nghiên cứu tận dụng tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện ĐÌnh Hải (Khu Công Nghiệp Trà Nóc – Cần Thơ) làm vật liệu xây dựng” (Nguyễn Thị Chiều Dương, Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, 2011) Các tác giả Phạm Đình Dũ, Võ Thị Thanh Châu, Đinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa [7] sử dụng nguồn trấu sẵn có làm nguồn thay TEOS SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa đắt tiền khó bảo quản để tổng hợp MCM - 41 chức toả bề mặt vật liệu Diện tích bề mặt MCM - 41 tổng hợp từ trấu không thua so với MCM - 41 tổng hợp từ TEOS Khả hấp phụ vật liệu tốt, sử dụng để phân huỷ chất hữu độc hại môi trường nuớc phenol, phenol đỏ, metylen xanh Nhóm tác giả sử dụng hai phương pháp khác để tổng hợp SiO2 từ trấu Đó chiết xuất trực tiếp từ trấu thu hồi từ tro môi trường NaOH Tuy nhiên, nghiên cứu bước đầu tổng hợp SiO2 từ trấu, chưa đưa quy trình cụ thể chưa tìm điều kiện tối ưu Các tác giả Hồ Sỹ Thắng, Nguyễn Thị Ái Nhung, Đinh Quang Khiếu, Trần Thái Hoà, Nguyễn Hữu Phú [8] sử dụng trấu để tổng hợp vật liệu xúc tác mao quản trung bình SBA - 16 Sn - SBA - 16 diện tích bề mặt > 800 (m2/g) Hệ vật liệu dùng để tổng hợp chất hữu clo clo benzene benzen, toluene, xylen,…Hấp phụ xúc tác để phân huỷ phenol, cloram phenicol môi trường nước CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO TRẤU Hiện có ba phương pháp chế tạo nano silica từ tro trấu, là: • • • Phương pháp nhiệt Phương pháp sinh học Phươg pháp hóa học 2.1 Phương pháp nhiệt[9] Bản chất phương pháp dùng nhiệt để đốt cháy gần toàn tạp chất, đến tro trấu có màu trắng hoàn toàn dừng lại Ở tác giả tiến hành thí nghiệm sau: Vỏ trấu sau đem nhặt hết tạp chất Đem sấy 105⁰C khối lượng không đổi Sau đem tro trấu vào bình hút ẩm 30 phút đặt vào lò nung SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 10 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Hình 3.7 Sự thay đổi hàm lượng cacbon trình ủ Nhận xét: dựa vào số liệu ta thấy hàm lượng carbon có thay đổi rõ rệt trình ủ Chứng tỏ trình phân hủy diễn tuong đối đồng đèu Trong bảy ngày đâu, hàm lượng carbon giảm (từ 19,73% xuống 17,81%) Từ ngày thứ đến ngày thứ 13 hàm lượng carbon mẫu bắt đầu giảm nhanh từ 17,81% xuống 11,70%, thể hiên VSV bắt đầu phát triển phân hủy mạnh mẽ 31 ngày ủ Từ ngày 13 đến kết thúc trình ủ, hàm lượng carbon giảm chậm ổn định Bảng 3.6 Kết chung thông số sau 31 ngày ủ Chỉ tiêu Sau ủ Đặc tính sản phẩm Sau ủ Thời gian ủ (ngày) 31 Màu sắc Đen nâu Nhiệt độ 28 – 33 Độ ẩm 60,37 pH 6–9 Hàm lượng nitơ (%) 0,29 Độ ẩm trung bình (%) 53,10 Hàm lượng cacbon (%) 7,63 Tổng lượng nước thêm 13 vào(lít) Tổng lượng chế phẩm thêm 2,8 vào (g) Nhận xét: tuần đầu tiên, sau điều chỉnh bổ sung điều kiện thận lợi cho vi khuẩn, nấm phát triển, khoảng ngày thứ lượng VSV gia tăng làm tốc độ phân hủy tăng, hiệu đạt cao vào ngày thứ 12; 13 trình ổn định vào ngày sau Hàm lượng Cacbon Nitơ có suy giảm chứng tỏ có chuyển hóa thành CO NH theo phương trình: CxHyOzNtSa + O2 + VSVhiéu khí → CO2 + NH3 + Sản phẩm khác + NL SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 24 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Độ ẩm mẫu ban đầu bị sụt giảm VSV sử dụng nước cho trình sinh trưởng phát triển Nhưng sau độ ẩm tăng lên, thể có sinh nước, sản phẩm trình phân hủy chất hữu Tuy nhiên, độ hấp thu nước tro cao tro mịn bề mặt hấp thu nước lớn nên nước sinh không thoát xuống lớp sỏi mà giữ lại tro, làm độ ẩm tro tăng lên 2.3 Phương pháp hóa học[11] Bản chất phương pháp đưa silic dạng muối natri silicat, sau axit hóa dung dịch để thu silic oxit dạng gel Đem tách tạp chất xử lý nhiệt ta thu silic oxit dạng tinh thể 2.3.1 Quá trình tách SiO2 từ tro trấu Mặc dù oxit silic chiếm lượng lớn vỏ trấu chưa tìm tài liệu công bố dạng tồn oxit silic vỏ trấu Theo hiểu biết chúng tôi, oxit silic tồn dạng kim dạng “alkoxit tự nhiên” Khi chiết dung dịch kiềm bị thuỷ phân tạo thành muối natri silicat Khi axit hóa dung dịch thu HCl xảy phản ứng: Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3 Trong dung dịch, mầm hạt (SiO2)n lớn dần lên phát triển thành hạt sol liên kết với tạo thành gel Gel thu đem rửa để loại bỏ chất bẩn, sau sấy nung ta thu SiO2 Rõ ràng hiệu suất chiết SiO2 từ tro trấu phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn “alkoxit oxit silic” thuỷ phân môi trường kiềm 2.3.2 Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 SiO2 SiO2.nH2O Hỗn hợp dạng gel Tro Dung dịch Dung dịch SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 Dung dịch NaOH Axit HCl 25 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa SiO2 thu đem cân, tính hiệu suất chiết theo công thức: H% = m m 100 = 100 mo 17,04 Trong đó: m, m0 khối lượng SiO2 thực tế lý thuyết Hình 3.8 Quá trình tách cacbon khỏi tro trấu Trong thí nghiệm, tro trấu qua công đoạn tiền xử lý tác giả cân 20g đổ vào cốc thủy tinh 1000ml (a) Sau cho vào 250ml dung dịch NaOH 5M (b) Đem đun cách thủy gờ (c) ta thu hỗn hợp dung dịch (d) Quá trình đun cách thủy kết thúc, tiến hành lọc dung dịch để loại bỏ tạp chất (e) Dung dịch thu (f) Sau tác giả tiếp tục dùng axit HCl 2M với lượng phù hợp để đưa dung dịch môi trường trung tính (thử giấy đo pH) Hỗn hợp dạng gel, gel rửa nước cất để loại bỏ ion Cl- Sau gel sấy 100⁰C (24 giờ), nung 550⁰C (2 giờ), sản phâm thu SiO2 dạng tinh thể, đem nghiền, rây qua rây 0,25mm để tạo độ mịn SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 26 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Hình 3.9 Gel qua giai đoạn Kết luận: mẫu Mẫu SiO2 thu có độ tinh khiết tương đối cao, mẫu không carbon Trung bình 20g tro trấu lấy từ nhà máy ta tinh chế 15,6g hỗn hợp chứa chủ yếu SiO (ngoài lượng nhỏ OH- Cl-) với hiệu suất chiết tách 78,17% Hình 4.1a Mẫu tro ban đầu Hình 4.1b Mẫu SiO2 chiết tách SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 27 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa 2.3.3 Ảnh hưởng nồng độ NaOH thời gian đun đến trình thu hổi SiO2 Nồng độ NaOH: để nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành quy trình trình bày mục 2.3.2 Nhưng ta cố định nhiệt độ đun 100 0C thời gian đun 4,0h, thay đổi nồng độ NaOH từ 0,5M đến 6,0M Sau trình làm thực nghiệm thu kết sau: Bảng 3.7 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến hiệu suất thu hồi SiO2 Khối lượng tro (g) Nồng độ NaOH (mol/l) Khối lượng SiO2 thu (g) Khối lượng SiO2 theo lý thuyết (g) Hiệu suất (%) 20 0,5 17,04 20 1,0 8,954 17,04 52,55 20 1,5 9,944 17,04 58,36 20 2,0 12,265 17,04 71,98 20 2,5 12,324 17,04 72,43 20 3,0 12,930 17,04 75,88 20 3,5 13,430 17,04 78,81 20 4,0 14,694 17,04 86,23 20 4,5 15,624 17,04 91,80 20 5,0 16,329 17,04 95,83 20 5,5 16,133 17,04 94,68 20 6,0 16,375 17,04 96,10 SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 28 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Hình 4.2 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến hiệu suất thu hồi SiO2 Nhận xét: từ hình 4.2 cho thấy, nồng độ NaOH tăng hiệu suất tăng, nồng độ NaOH 0,5M ta không thu SiO 2, hiệu suất 0, tăng nồng độ NaOH từ 1,0M đến 5,0M hiệu suất tăng lên đáng kể (từ 52,55% tăng lên 95,83%) Khi tiếp tục tăng nồng độ NaOH lên từ 5,0M đến 6,0M hiệu suất đạt cực đại thay đổi không đáng kể Như vậy, với dung dịch NaOH 5,0M ta thu SiO với hiệu suất tối ưu Bên cạnh đó, trình điều chế, phải tách SiO dạng dung dịch keo nên nồng nộ NaOH ban đầu có ảnh hưởng lớn đến khả lọc, dung dịch NaOH có nồng độ nhỏ trình tách xảy dễ dàng hơn, nồng độ dung dịch lớn làm ảnh hưởng đến vật liệu chứa gây nguy hiểm trình tiến hành thu hồi Do thấy dung dịch NaOH có nồng độ 5,0M tối ưu để thu hồi SiO từ tro trấu đạt hiệu suất cao Ảnh hưởng thời gian đun: để nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành quy trình trình bày mục 2.3.2 Nhưng ta cố định nồng độ NaOH nồng độ 3,5 M, nhiệt độ đun 100oC, thay đổi thời gian đun từ 2,0h đến 5,0h Sau trình làm thực nghiệm thu kết sau: SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 29 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa Bảng 3.8 Ảnh hưởng thời gian đun đến trình thu hồi SiO2 Khối lượng tro (g) Thời gian (h) 20 20 20 20 20 20 20 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Khối lượng SiO2 thu (g) 10,692 10,770 12,296 12,920 14,285 14,381 14,032 Khối lượng SiO2 theo lý thuyết (g) 17,04 17,04 17,04 17,04 17,04 17,04 17,04 Hiệu suất 62,75 63,20 72,16 75,86 83,83 84,04 82,25 Hình 4.3 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất thu hồi SiO2 Nhận xét: Từ hình 4.3 thấy thời gian tăng hiệu suất tăng, tăng thời gian từ 2,0h lên 4,0h, hiệu suất tăng lên đáng kể (từ 62,75% tăng lên 83,83%) Nhưng tiếp tục tăng từ 4,0h lên 5,0h hiệu suất thay đổi không đáng kể Như với thời gian đun 4,0h ta thu SiO2 với hiệu suất cao.Vậy thời gian tối ưu để thu hồi SiO2 từ tro trấu 4,0h Vậy từ ta rút kết luận: để trình thu hồi SiO2 đạt hiệu suất cao nhất, nên thực NaOH có nồng độ 5,0M thời gian đun SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 30 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa 2.4 So sánh sơ ba phương pháp Phươ ng pháp nhiệt Phương Phươn pháp g hóa học pháp sinh học Ph ươ ng ph áp thự c hiệ n Nung 950⁰C để loại bỏ carbo n tro trấu Tách chiết SiO2 dung dịch NaOH, HCl Sau lọc thu gel SiO3(thủy tinh lỏng) Sấy, nung gel để thu hồi SiO2 Dùng chế phẩm vi sinh, ủ hiếu khí VSV phân hủy thành phần carbon tro trấu Ưu điể m Hiếu suất cao (80,27 %) Mẫu gần loại bỏ hết carbo Hiệu suất 78,17%, Thời gian xử lý nhanh Hạn chế xử dụng hóa chất, thân thiện với môi trường Chi phí thấp SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 31 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa n Nh ượ c điể m Mất Tốn hóa chất lượng nhiệt lớn để đốt cháy hoàn toàn carbo n, thời gian lâu 31 ngày ủ/ 7kg tro trấu Hiệu suất thấp 61,73 % Tốn không gian ủ thời gian xử lý lâu SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 32 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA NANO SILICA 3.1 Ứng dụng silica công nghệ chế tạo vật liệu 3.1.1 Cải thiện tính chất bê tông Tính dẻo vữa bê tông: số thí nghiệm cho thấy với bê tông 300kg/m3 xi măng pooclăng 10% silica fume độ sụt thực tế thay đổi nhiều so với bê tông đối chứng có hàm lượng chất kết dính Với bê tông giàu xi măng việc thêm silica fume đòi hỏi tốn lượng việc đổ đầm vữa bê tông bị quánh lại Trong trường hợp cần thiết phải thêm vào vữa bê tông phụ gia dẻo hóa Silica fume làm tăng tính ổn định vữa bê tông, làm giảm phân tầng, tách nước cho vữa bê tông Trong vữa bê tông giàu chất kết dính gây nên tượng nứt co ngót Cho nên vùng thời tiết nắng nóng gió Việt Nam cần thiết phải có biện pháp bảo dưỡng thật cẩn thận Sự phát triển cường độ bê tông: giống vật liệu puzơlan, silica fume tham gia phản ứng với Ca(OH) bê tông tạo sản phẩm có khả kết dính Silica fume tinh khiết, mịn hiệu phản ứng cao nhanh Cùng với khuyếch tán hạt silica fume lấp đầy vào khoảng sản phẩm thủy hóa xi măng, làm chặt cấu trúc đá xi măng làm tăng khả kết dính đá xi măng hạt cốt liệu Độ hoạt tính silica fume phụ thuộc vào khả phản ứng SiO2 với Ca(OH)2 Với silica fume cho phép sản xuất bê tông có cường độ cao nhiều so với bê tông thông thường Với việc sử dụng cốt liệu thiên nhiên chế tạo bê tông có cường độ 150 N/mm 2, với loại cốt liệu đặc biệt chế tạo bê tông có cường độ lên tới 300 N/mm2[12] Tốc độ phát triển cường độ bê tông có sử dụng silica fume khác so với bê tông thường Trong điều kiện tiêu chuẩn, sau ngày cường độ đạt từ 55-65% cường độ tuổi 28 ngày [13] Hoạt tính silica fume diễn chủ yếu giai đoạn từ đến 20 ngày Silica fume thường hay sử dụng kết hợp với tro bay xỉ lò cao để đạt tốc độ phát triển cường độ cao Các thí nghiệm gần số nước cho thấy, 1kg silica fume thay từ 3-5kg xi măng pooclăng thông thường mà không làm thay đổi cường độ bê tông, nhiên mức độ thay chừng mực định Với việc cho vào bê tông lượng silica fume tới 30% có sử dụng kết hợp với phụ gia siêu dẻo chế tạo vữa bê tông có tỷ lệ N/CKD nhỏ 0,3 Loại bê tông có cường độ cao điều kiện giữ ẩm tốt Trong môi trường có độ ẩm không cao dẫn đến hậu không mong muốn co, nứt, Tác động nhiệt độ đến khả phản ứng silica fume mạnh so với xi SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 33 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa măng pooclăng thông thường Với nhiệt độ thấp phản ứng xảy chậm, nhiệt độ cao phản ứng xảy nhanh Độ kiềm bê tông: hiệu từ việc lấp đầy lỗ rỗng hạt silica fume mịn làm giảm kích thước lỗ rỗng mao quản, tăng khả chống thấm cho bê tông Trên thực tế người ta chế tạo bê tông không thấm với liều lượng silica fume vừa phải hàm lượng xi măng pooclăng không cao Hiệu ảnh hưởng silica fume đến khả chống thấm bê tông tốt đến cường độ [14] Bê tông có sử dụng silica fume có khả chống thấm cao nhiều so với bê tông thường tương đương Điều có ý nghĩa đặc biệt công trình thủy lợi, thủy điện có yêu cầu chống thấm cao Khả bảo vệ cốt thép: lý thuyết độ kiềm bê tông cốt thép giảm làm giảm độ bền tác động cabonat hóa clo Tuy nhiên nghiên cứu Na uy Thụy Điển kết cấu bê tông cốt thép vòng 12 năm cho thấy, độ bền bê tông cốt thép chất lượng cao có sử dụng silica fume tác động cácbonat hóa không thấp bê tông sử dụng ximăng pooclăng thông thường có cường độ tương đương, bê tông có sử dụng silica fume có khả ngăn ngừa thấm clo từ nước biển lớn nhiều so với bê tông thường Tuy nhiên bảo dưỡng bê tông có sử dụng silica fume không tốt hư hỏng kết cấu lại lớn so với bê tông thường Một số thí nghiệm nghiên cứu ăn mòn cốt thép số nước cho thấy điều kiện bảo dưỡng tốt khả bảo vệ cốt thép bê tông có sử dụng silica fume không khác so với bê tông thông thường có cường độ Bê tông có sử dụng silica fume tác động hóa học (sunphát) Chúng ta biết rằng, khả chống thấm cao hàm lượng vôi tự làm tăng độ bền bê tông chống lại số chất xâm thực hóa học Bê tông có sử dụng silica fume có độ bền tốt với hàng loạt chất xâm thực Các thí nghiệm thời gian dài toàn diện Na uy cho thấy độ bền bê tông có sử dụng silica fume môi trường sunphát tương đương với độ bền bê tông sử dụng xi măng pooclăng bền Silica fume với tính ưu việt cải biến cách hiệu số tính chất bê tông nêu Hiện việc nghiên cứu sử dụng nước ta chưa phổ biến, đặc biệt ngành Thuỷ lợi, cần phải tiếp tục nghiên cứu ứng dụng sâu rộng nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao công nghệ xây dựng nước SVTH: Nguyễn Bắc Vượng - 0641120193 34 Đồ án Chuyên ngành Vô Khoa Công Nghệ Hóa 3.1.2 Ứng dụng công nghệ sản xuất linh kiện điện tử • • • • • • • Linh kiện điện tử suốt Transistor nano cho vi tính, tụ điện, vật liệu cách điện, cách nhiệt… Liên mạng vi mạch (interconnect) Bộ cảm ứng hóa sinh học Công nghệ nhớ Màn hình Sợi quang học dùng viễn thông,… 3.1.3 Ứng dụng công nghệ silicat Silica dùng làm nguyên liệu cho số ngành như: • • • • Làm gạch ngói xây dựng Sản xuất đồ gốm, đồ sành sứ Sản xuất thủy tinh Sản xuất xi măng 3.1.4 Ứng dụng làm chất độn Đặc điểm: Silica chất độn thêm vào nhằm làm tăng trọng lượng, tăng độ cứng, tạo độ suốt tốt sơn Ngoài ra, Silica có tác dụng cải thiện sức chịu va chạm vật liệu, tăng suất phân tán, tăng độ bóng láng sản phẩm kim loại, dễ gia công góp phần làm giảm giá thành sản phẩm Ví dụ như: Chất độn cao su: silica đóng vai trò chất độn cho cao su tự nhiên để làm tăng đặc tính sản phẩm như: độ chịu mài mòn cao, độ bền xé cao, chịu nhiệt kết dính với vải sợi, kim loại tốt Khi sử dụng hệ kết mạng hiệu và xử lý bề mặt Silica tốt làm giảm hình thành liên kết mạng polysulfide, dẫn đến giá trị biến dạng dư sau nén giảm Với lợi ích silaca mang lại cho ngành cao su chúng nguyên liệu thiếu Chất độn sản xuất sơn: Sơn dầu, sơn gỗ, sơn Epoxy, sơn công nghiệp, sơn ô tô xe máy cao cấp, sơn chịu nhiệt, sơn cách nhiệt, Trong sản xuất keo: Keo dính Silica (Aerosil) 3.2 Ứng dụng làm chất mang xúc tác Chất mang silicagel: chất sẵn có tự nhiên, cộng thêm với tính ưu việt trình hóa học tạo nên cho silica gel vị đáng trân trọng Silica gel thực chất dioxit silic, dạng hạt cứng xốp (có vô số khoang rỗng li ti hạt) Công thức hóa học đơn giản SiO2.nH2O (n