nhập môn kỹ thuật hh vật liệu silicat, thủy tinh lỏng

Việc phủ một lớp thủy tinh lỏng lên một số vật dụng sẽ làm cho độ bền của vật dụng tăng lên đáng kể, vừa tạo ra nghệ thuật vì thủy tin trong suốt rất đẹp, đây được xem là vật liệu quan trọng mới trên thế giới hiện nay. Có thể ta chưa biết rằng, thủy tinh lỏng có thể sử dụng chúng trên tất cả các bề mặt, hầu như là như vậy, thủy tinh lỏng sẽ thay thế các chất tẩy rửa từ đó chúng ta sẽ đỡ tốn chi phí nhân công và các loại hóa chất tẩy rửa độc hại khác Bạn đã từng biết qua công nghệ nano để bảo vệ bề mặt của sơn thì thủy tinh lỏng cũng được ứng dụng như thế, tuy nhiên việc ứng dụng của thủy tinh lỏng lại rộng hơn do chúng sử dụng trên nhiều bề mặt khác nhau. Các công ty nhà hàng khách sạn lớn trên thế giới đều ứng dụng công nghệ này để giảm chi phí và các tác động môi trương thông qua thủy tinh lỏng. Việc khó khăn cho các công ty thực phẩm chính là phải sử dụng chất tẩy mạnh để giữ thực phẩm khử khuẩn vô trùng, điều này đã được một cty tại Đức phun một lớp thủy tinh lỏng lên thực phẩm sau đó rửa bằng nước nóng rất an toàn và tiết kiệm chi phí tối đa. Ngoài ra còn ứng dụng phun thủy tinh lỏng lên các thiết bị cấy ghép, ống thông, vết khâu,…trong y tế cũng đang được tiến hành thử nghiệm tại bệnh viện Lancashine, các cửa hàng hambuger của Đức cũng đang tiến hành thử nghiệm trên thực phẩm của họ. Trong nông nghiệp thủy tinh lỏng cũng được ứng dụng, các cây giống đuợc phủ một lớp thủy tinh lỏng sẽ tránh được nấm mốc, mà không cần thêm bất kỳ loại hóa chất chống nấm mốc nào, thủy tinh lỏng giúp cây tăng đề kháng và không bị nấm mốc hoặc mối tấn công. Thủy tinh lỏng có thành phần chính từ cát thạch anh, một trong những thành phần chính của kính, hoàn toàn an toàn với môi trường, vi khuẩn không thể phân chia trên bề mặt của thủy tinh lỏng. Việc phun một lớp thủy tinh lỏng lên bề mặt vật nó sẽ rất mỏng khoảng 100 nanomet, tức là còn mỏng hơn 450 lần sợi tóc người và điều này thì không thấy bằng mắt thường, lại dễ dàng lau rửa bằng nước hoặc vải ướt mà không cần hóa chất, điều này là rất tốt cho thực phẩm tránh được các hóa chất bảo quản, bề mặt thủy tinh lỏng này chịu được các axit hay bazơ mạnh nhiệt độ khoảng từ 40 độ C đến 450 độ C, chịu được ngay cả tia UV tia cực tím. 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 trên thị trường không chỉ dưới dạng dung dịch à còn ở dạng bột

Chương 1 : Tổng quan

1.1.Khái quát 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 trong 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 thì nồng độ của thủy tinh càng cao Dung dịch đậm đặc của soodium silicate được gọi là thủy tinh lỏng Nó được dùng để tẩm vải và gỗ để 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 silicate 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 acid mạnh phân hủy giải phóng acid silicic, còn các silicate khác chỉ chuyển sang dạng tan đượckhi 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

1.2.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 silicate đều được cấu tạo nên từ những đơn vị cấu trúc chung là nhóm tứ diện đều SiO44:

Hình 1- khung tứ diện SiO4

4-Qua 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 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 SiO44- Trong những silicate này cation kim loại được phối trí bởi những nguyên liệu 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 wilemite (Zn2SiO4), cation kim loại có số phối trí 4 Trong những khoáng vật kiểu M2SiO4( ở đây là M là

Mg, Mn ) cation có số phối 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 tính cộng hòa giá trị Bởi vậy những orthosilicate này không thể coi là hợp chất ion M22+SiO44-

Silicate mạch thẳng gồm có 2 loại: silicate mạch đơn chứa anion (SIO32-)n và silicate mạch kép chứa anion (Si4o116-)n

Anion (SiO32-)n được tạo nên bởi các nhóm tứ diện SiO4

liên kết với những nguyên tử O chung tạo thành mạch thẳng:

Hình 2- Cấu trúc silicate chuỗi mạch đơn

Trong mạch đó trừ nhóm ở hai đầu mạch, mỗi nhóm

tứ diện SiO4 có hai nguyên tử O chung Những mạch (SiO32-)n liên kết với nhau bằng các cation kim loại

Những metasilicate tổng hợp có cấu tạo tương tự anion (SiO32-)n la anion disilicate Si2O76- ( hay còn gọi là pyrosilicate )

Hình 3- Cấu tạo anion pyrosilicat

Bởi vậy những khoáng vật như thortveitite (Sc2Si2O7)

và hemimorphit [Zn3Si2O7.Zn(OH)2] cũng thuộc nhóm silicate mạch đơn

Anion Si4O116- được tạo nên bởi sự liên kết giữa hai mạch đơn

Anion Si4O116- được tạo nên bởi sự liên kết giữa hai mạch đơn qua những nguyên tử O chung:

Hình 4- Cấu tạo silicate chuỗi mạch kép

Như vậy trong mạch kép có một số nhóm tứ diện có

ba nguyên tử O chúng Thuộc nhóm silicate mạch kép là các khoáng vật loại amphibol như tromolitre [CA2Mg2(Si4O11)2(OH)2], anthophyllite [Mg7(Si4O11)2(OH)2] và amiang [Mg6(Si4O11)(OH)6.H2O] Khác với pyroxen, trong amphibol thường có các nhóm OH- nhưng kiến trúc của amphibol tương tự kiến trúc của pyroxen, nghĩa là những mạch kép cũng liên kết với nhau bằng cation kim loại Chính vì vậy trong pyroxen cũng như trong amphybol thường có những cation kim loại khác nhau

Liên kết trong các mạch (SiO32-)n và (Si4O116-)n là rất bền nhưng liên kết giữa các mạch đó với nhau lại tương đối yếu 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 Si3O96- và Si6O1812-, được tạo nên nhờ các tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua nguyên tử

O chung tạo thành vòng kín:

Hình 5- cấu tạo silicate mạch vòng Si3O9

6-Khoáng vật benitoit (BaTiSiO9) chứa anion Si3O96- và khoáng vật beryl (Be3Al2Si6O18) là thuộc nhóm silicate mạch vòng

Silicate lớp chứa anion (Si2O52-)n , được tạo nên nhờ các nhóm tứ diện SiO4 liên kết với nhau theo hai chiều tạo thành lớp:

Hình 6- cấu trúc của silicate lớp

Trong lớp mỗi nhóm tứ diện SiO4 liên kết với ba nhóm

tứ diện xung quanh qua ba nguyên tử O chung

Đá tan [ Mg3(Si2O5)2(OH)2], kaolinite [Al2Si2O5(OH)4] , mica [Kal2Si3O10(OH)2] thuộc nhóm silicat 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 dễ trượt lên nhau làm cho những khoáng vật này mềm, dễ bóc lớp và khi sờ vào ta thấy nhờn ở ngón tay

Đá tan và kaolitine là những dilicate 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 nhóm tứ diện AlO4 Nhôm có hóa trị thấp hơn silicon cho nên trong các alumosilicate, ngoài nhôn và silocon 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+ nằm giữa các lớp Lực tĩnh điện giữa các lớp tĩnh 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 mica trong suốt để làm cửa của các

lò đốt lò sây hay 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 bổ đều ở trong khung đó

Thuộc nhóm alumosilicate mạng lưới là những khoáng vật loại feldspar và các ultramarine Fedspar là những đá phún trào, chúng chiếm hơn một nửa 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 SiO4 được 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 lại là Ca[ơ(AlO2)2(SiO2)2(SiO2)2]

1.3 Ứng dụng của hợp chất silicate

Zeolite là alumosilicate mạng lưới có ứng dụng quan trọng nhất đối với đối với thực tế Có nhiều zeolite nhiên, mọt số đã được tổng hợp nhân tạo và ngoài ra còn có hàng chục zeolite tổng hợp không có 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 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

3500C ở trong chân không, hầu hết những phân tử H2O đó thoát ra mà không làm biến đổi cấu trúc tinh thể Kết quả

là zeolite khan có khả năng hấp thụ và giữ lại những phần

tử có thể chui lọt qua các lỗ trống, nghĩa là có khả năng hấp phụ chọn lọc Như vậy zeolite có vai trò của một rây phân tử Ví dụ như zeolite với kích thước của lỗ là 3,5A có thể hấp phụ H2, O2 và N2 nhưng thực tế không hấp phụ Ar

và CH4 Những năm gần đây người ta dùng rây phân tử để làm khô một số khí và chất lỏng

Gần đây, những hợp chất silicate của kim loại kiềm thổ được nghiên cứu để làm bột màu vô cơ trong công nghiệp Đây là một ứng dụng rất nổi bật của hợp chất silicate bởi vì bột màu 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

Hình 8- Bột màu phát quang

1.4.Lịch sử hình thành thủy tinh

Các loại thủy tinh có nguồn gốc tự nhiên, gọi là các loại đá vỏ chai, đã được sử dụng từ thời đại đồ đá Chúng được tạo ra trong tự nhiên từ các dung nham núi lửa

Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc Việc sản xuất thủy tinh lần đầu tiên hiện còn lưu được chứng tích là ở Ai Cập khoảng năm 2000 TCN, khi đó thủy tinh được sử dụng như là men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác Trong thế kỷ 1 TCN kỹ thuật thổi thủy tinh đã pát triển và nhugnwx thứ trước kia là hiếm có và

có giá trị đã trở thành bình thường Trong thời kỳ đế chế La

Mã rất nhiều lọi hình thủy tinh đã được tạo ra, chủ yếu là các loại bình và chai lọ Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây vì tạp chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất

nó Thủy tinh ngày na nói chung có màu hơi ánh xanh lá cây, sinh ra cùng bởi các tạp chất như vậy Các đồ vật làm

từ thủy tinh từ thế kỷ 7 và thế kỷ 8 đã được tìm thấy trên đảo torcello gần Venice Các loại hình này là liên kết quan trọng giữa thời La Mã và sự quan trọng sau này của thành phố đó trong việc sản xuất thủy tinh Khoảng năm 1000 sau CN, một đọt phá quan trọng trong kỹ thuật đã được tạo ra ở Bắc Âu khi thỷ tinh soda được thay thế bằng thủy tinh làm từ các nguyên liệu có sẵn hơn: bồ tạt thu được từ tro gỗ Từ thời điểm này trở đi, thủy tinh ở khu vực phía bắc châu Âu có sự sai khác rõ nét với thủy tinh ở khu vực Địa Trung Hải, là khu vực mà sô đa vẫ được sử dụng chủ yếu

Thế kỷ 11 tại Đức, phương pháp mới chế tạo thủy tinh tấm đã ra đời bằng các quả cầu để thổi, sau đó

chuyển nó sang thành các hình trụ tạo hình, cắt chúng khi đang còn nóng và sau đó dát phẳng thành tấm Kỹ thuật này đã được hoàn thiện vào thế kỷ 13 ở Veenido

Cho đến thế lỷ 12 thủy tinh đốm( thủy tinh với các vết màu, thông thường là kim loại) đã không được sử dụng rộng rãi nữa

Trung tâm sản xuât sthuyr tinh từ thế kỷ 14 là

Veenido, ở đó người ta đã phát triển nhiều công nghệ mới

để sản xuất thủy tinh và trở thành trung tâm xuất khẩu có lãi các đồ đựng thức ăn, gương và nhiều đồ xa xỉ khác Sau

đó, một số thợ thủy tinh của Veenido đã chuyển sang các khu vực khác như Bắc Âu và việc sản xuất thủy tinh đã trở nên phổ biến hơn

Công nghệ thủy tinh Crown đã được sử dụng cho đến giữa những năm 1800 Trong công nghệ này ống thổi thủy tinh có thể xoay tròn khoảng 9 pound( khối lượng) (4kg) thủy tinh lỏng tại phần cuối của ống cho đến khi nó được làm phẳng thành đĩa đường kính khoảng 5ft(1.5m).đĩa sau

đó được cắt thành tấm chữ nhật

Thủy tinh của người Veenido là là cao giá giữa thế kỷ

10 và thế kỷ 14 bởi vì họ giữ được bí quyết Khoảng năm

1688, công nghệ đúc thủy tinh đã được phát triển, dẫn tới việc sử dụng nó như một vật liệu thông dụng Sự phát minh ra máy ép thủy tinh năm 1827 cho phép sẳn xuất hàng loạt các đồ vật từ thủy tinh rẻ tiền hơn

Thủy tinh nghệ thuật đôi khi được tạo ra bằng

phương pháp khắc axit hay bằng các chất ăn mòn khác ( tạo ra hình cần thiết trên bề mặt thủy tinh) Thông

thường nó được tạo ra bởi các nghệ nhân sau khi thủy tinh được thôi hay đúc Trong những năm 1920 phương pháp mới để khắc axit theo khuôn đã được phát kiến, theo đó các tác phẩm nghệ thuật thủy tinh Điều này làm giảm chi phí sản xuất và kết hợp với việc sử dụng rộng rãi của các loại thủy tinh màu đã tạo ra các sản phẩm thủy tinh rẻ tiền trong những năm 1930, sau này được biết đến như là thủy tinh thời kỳ suy thoái

Chương 2: Tìm hiểu về thủy tinh lỏng

2.1.khái quát về thủy tinh lỏng

• Tên tiếng Anh : Sodium silicate , Water glass

• Tên tiếng Việt : Natri silicát , nước thủy tinh, thủy tinh chống thấm

• Tên thường gọi : Thuỷ tinh lỏng , nước thuỷ tinh

• Công thức hoá học : Na2SiO3 , mNa2O nSiO2

• Khối lượng phân tử : 284,22

 Ngoại quan :

 Là chất lỏng trong , sánh , không màu hoặc màu vàng xanh

 Có độ nhớt rất lớn như keo

dài nhưng dễ bị phân dã khi để ngoài không khí

độ phân dã càng lớn khi môđun silíc càng cao

Mô đun silic (còn gọi là mô đun ) là đặc trưng xác định độ tan và một số tính chất khác của

thuỷ tinh lỏng , được tính bằng tỉ số giữa m và n trong công thức tổng quát : mNa2O nSiO2

dụng với nhiều chất ở dạng rắn , khí , lỏng

 Dễ bị các axít phân hủy ngay cả axít cácboníc

và tách ra kết tủa keo đông tụ axít silicsic

- Sodium silicate (Na2SiO3): 40-41%

- Nước (H2O): 59-60%

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 ngành công nghiệp giấy và bột giấy, công nghiệp chất tẩy, công nghệ gốm sứ và cả trong lĩnh vực vật liệu composite,

Đặc trưng của thủy tinh lỏng là tỷ lệ SiO2/NaO2 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

2.2 quy trình công nghệ 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 tỷ lệ để tạo thành hỗn hợp phối liệu phản ứng như mong muốn Sau đó hỗn hợp phối liệu này được nung ở nhiệt độ 1000- 1200oC 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 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 thước 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 ỗn 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 qua trình nghiền mà tốc độ phản ứng và hiệu suất phản ứng không tang 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 5atm ( nước nóng khoảng 151oC) 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 mudule cao xút hoặc soda với lượng thích hợp để tăng hàm