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 cơng nghệ tạo điều kiện giúp đỡ đóng góp ý kiến q báu cho em q 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 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 .7 1.1 Tổng quan cao lanh 1.1.1 Khái niệm, thành phần, phân loại cấu trúc cao lanh .7 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 nhơm 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 q 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 q 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 q trình hòa tách 41 3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng tới q 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 nhơm 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 khống tự nhiên có chứa hàm lượng lớn nhơm oxit nên sử dụng để sản xuất muối nhơm Trên giới có số cơng trình nghiên cứu q 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 cơng 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 khơng giống nhau, nghiên cứu q 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 cơng 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 nhơm Tuy nhiên, sau khảo sát quặng boxit tỉnh phía bắc tồn dạng diaxpo khó hòa tan chưa có cơng nghệ phù hợp để từ ngun liệu Vì vậy, chúng tơi 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 qtrình nghiên cứu khả tách nhơm cao lanh dung dịch axit nitric - Tìm điều kiện cơng nghệ tối ưu cho q trình hòa tách nhơm 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 nhơm 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 khơng 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 nhơm nitrat Hình 1.5 Sơ đồ ngun 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 q trình hòa tách Đồ thị Ảnh hưởng nồng độ axit đến trình hòa tách Đồ thị Ảnh hưởng nhiệt độ hòa tách đến q trình hòa tách Đồ thị Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến q 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 cơng 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… Ngồi 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 khơng 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 khống cao lanh thơng thường khống loại có chứa khoảng 14% nước, sau nung 560oC xảy trình chuyển pha để tạo nên khống chứa khoảng 20% lỗ xốp Sự giảm khối lượng 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 q trình kết tinh oxit silic khơng định hình để tạo thành cristobalit làm thay đổi cấu trúc cao lanh 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình hòa tách nhơm 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 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 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 q 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 0,041 < d