Nhôm sunfat được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp xử lí nước, công nghiệp giấy và công nghiệp dệt. Có nhiều hướng để sản xuất sản phẩm này và ở Việt Nam, cao lanh là nguồn khoáng dồi dào. Do đó chúng tôi đã nghiên cứu sản xuất nó bằng phương pháp hòa tách cao lanh trong dung dịch axit sunphuric. Trên cơ sở các thông số công nghệ tối ưu đã tìm được, chúng tôi kiến nghị quy trình sản xuất nhôm sunfat từ cao lanh.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 51 (1) (2013) 101-106 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÈN NHÔM TỪ CAO LANH Lê Thị Mai Hương1, *, Phạm Ngọc Tú2, Nguyễn Bích Thủy1, Nguyễn Xuân Nguyên1, Nguyễn Thị Hồng Vân1 Viện Hóa học hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm KHCNVN, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: huonghvc@gmail.com Đến Toà soạn: 10/5/2012; Chấp nhận đăng: 30/3/2013 TĨM TẮT Nhơm sunfat sử dụng rộng rãi cơng nghiệp xử lí nước, cơng nghiệp giấy cơng nghiệp dệt Có nhiều hướng để sản xuất sản phẩm Việt Nam, cao lanh nguồn khống dồi Do chúng tơi nghiên cứu sản xuất phương pháp hòa tách cao lanh dung dịch axit sunphuric Trên sở thơng số cơng nghệ tối ưu tìm được, chúng tơi kiến nghị quy trình sản xuất nhơm sunfat từ cao lanh Từ khóa: nhơm sunfat, cao lanh, thông số công nghệ MỞ ĐẦU Phèn nhôm hợp chất vơ có chứa 12 – 16 % nhơm sunfat Sunfat nhơm có cơng dụng chủ yếu công nghiệp giấy, nhuộm, thuộc da làm chất keo tụ để làm nước Những công dụng xuất phát từ chỗ muối nhôm thuỷ phân mạnh nước tạo thành nhôm hydroxit Khi nhuộm vải, hyđroxit nhôm sợi vải hấp phụ giữ chặt sợi kết hợp với phẩm nhuộm tạo thành màu bền, có tác dụng chất cắn màu Tác dụng keo tụ làm nước hyđroxit nhơm có bề mặt phát triển, hấp phụ chất lơ lửng nước kéo chúng lắng xuống Trong công nghiệp giấy sunfat nhôm cho vào bột giấy với muối ăn, nhôm clorua tạo nên phản ứng trao đổi, bị thuỷ phân mạnh tạo nên hyđroxit Hydroxit kết dính sợi xenlulo với làm cho giấy khơng bị nhòe mực viết Các muối nhơm nói chung sunfat nhơm nói riêng sử dụng rộng rãi, đặc biệt xử lí nước Chúng ta thấy hợp chất nhơm có khắp nơi, phần lớn tồn tự nhiên dạng ơxit khống nhơm boxit, cao lanh, đất sét, … nói quặng quan trọng, sản phẩm tự nhiên qua trình phân huỷ đặc biệt phổ biến nham thạch aluminosilicat tạo nên Ở Việt Nam có nguồn cao lanh dồi rẻ tiền Trước Lê Thị Mai Hương, Phạm Ngọc Tú, Nguyễn Bích Thủy, Nguyễn Xuân Nguyên, Nguyễn Thị Hồng Vân năm 1975 miền Bắc có số sở sản xuất phèn nhôm từ cao lanh Phú Thọ, Đức Giang , Hải Dương Các quy trình sản xuất thường bao gồm nhiều khâu: nung – hòa tách – lọc bã , chưa tối ưu hóa, có chất lượng sản phẩm thấp Từ có nguồn ngun liệu hidroxit nhơm Tân Bình, Nhà máy Hải Dương chuyển sang nguồn nguyên liệu Đến kinh tế mở cửa, sản phẩm phải cạnh tranh với Trung Quốc, nên giảm giá thành thay đổi nguyên liệu đầu vào giá rẻ cần thiết Công ty Thành Trung (Phú Thọ) nơi sản xuất phèn nhôm dạng lỏng từ Cao lanh, có thiết bị thơ sơ, thông số công nghệ lựa chọn theo kinh nghiệm nên chất lượng sản phẩm không ổn định tiêu hao lớn.Vì mục đích báo lựa chọn điều kiện hòa tách cao lanh tối ưu đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất phèn sunfat nhôm từ cao lanh theo thông số tối ưu NGUYÊN LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu hóa chất vật tư Cao lanh phân bố rộng rãi nhiều miền khác Thành phần cao lanh gồm oxit nhôm, oxit silic số tạp chất khác Cao lanh xếp vào nhóm đất sét đơn khống thành phần khống caolinnhit (Al2SiO5(OH)4) Thành phần hố học cao lanh thay đổi diện rộng nên trước đưa vào sản xuất thường sử dụng cao lanh qua tuyển, cụ thể sử dụng cao lanh Thanh Sơn - Phú Thọ Cao lanh sau tuyển có thành phần hóa học sau: Al2O3 – 34,5 % Fe2O3 – 1,46 %; SiO2 – 49,0 %; khối lượng sau nung – 12,7 % Axit H2SO4 loại tinh khiết Hệ thống thiết bị phản ứng chống ăn mòn axit 2.2 Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chế tạo, cụ thể sau: Cao lanh sau tuyển cắt thành khối, phơi khô đưa vào lò nung khoảng nhiệt độ 600 ÷ 800 oC 0,5 đến Sau để nguội, đập vỡ máy nghiền thô, nghiền tinh đến kích thước ÷ mm Cao lanh hoạt hoá chuyển vào thiết bị phản ứng với axit sunfuric nồng độ khoảng 15 ÷ 30% (do oxit silic SiO2 không phản ứng với axit H2SO4 nên bước cơng nghệ sunfat hố, hồ tan chọn lọc Al2O3 khỏi SiO2) nhiệt độ khoảng 65 ÷ 95 oC Thời gian phản ứng khoảng ÷ giờ, sau pha lỗng nước rửa, hoà trộn với chất trợ lắng, lọc rửa qua thiết bị lọc chân khơng, sau đưa vào máy vắt ly tâm Bã thải SiO2 đưa xử lí Dung dịch sunfat nhơm đưa sang cơng đoạn chế tạo [2, 3] Để nghiên cứu điều kiện tối ưu, yếu tố cần khảo sát thay đổi khoảng nêu trên, yếu tố lại giữ ngun khơng đổi Phương pháp xác định hiệu suất chuyển hóa Al2O3: Từ thực nghiệm xác định hiệu suất chuyển hóa Al2O3 nhiệt độ, thời gian phản ứng nồng độ axit khác sở xác định hàm lượng Al2O3 tổng cao lanh Al2O3 hòa tan mơi trường phản ứng: + Phương pháp xác định hàm lượng Al2O3 tổng cao lanh [1] + Phương pháp xác định nồng độ nhơm (Al3+) hòa tan axit phương pháp thể tích [1, 3] từ suy hàm lượng Al2O3 hòa tan dung dịch axit 102 Đề xuất cải tiến quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhôm từ cao lanh KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát ảnh hưởng trình nung cao lanh đến tính chất khả hòa tách nhôm từ cao lanh axit Bằng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, hố lí, rơnghen, quang phổ hồng ngoại biểu diễn q trình nhiệt hố theo sơ đồ sau: Al2SiO5(OH)4 Al2O3 2SiO2 450−5500 C → 830 - 850 C → 3.( γAl2O3) + SiO2 Al2O3 2SiO2 + 2H2O↑ (1) γ.Al2O3 + 2SiO2 (2) 900 C → Al2O3 2SiO2 (3) Cao lanh khó tan H2SO4 Khi tăng nhiệt độ nung tạo dạng meta dễ dàng phản ứng với H2SO4, mức độ tách Al2O3 đạt 90% Nếu nhiệt độ tăng 850 ÷ 9000C có khả hồ tách vào dung dịch giảm tạo thành dạng γ.Al2O3 mulitta (phản ứng 3) khó tan axit H2SO4 Bảng Ảnh hưởng thời gian nung với cỡ hạt khác vào độ hòa tách Al2O3 Thời gian nung (giờ) Hàm lượng Al2O3 hòa tan (%) Hạt cỡ 9cm Hạt cỡ mm Vỏ hạt Lõi hạt 0,5 38,3 38,16 35 38,9 41,3 41,8 1,5 39,9 Khơng khảo sát Hình Độ hòa tan nhôm từ cao lanh nhiệt độ nung khác Từ đồ thị thực nghiệm (hình1) số liệu (bảng 1) cho thấy nhiệt độ nung khoảng từ 650 - 750 0C độ tan Al2O3 cao lanh đạt hiệu cao, thời gian nung phụ thuộc vào kích cỡ hạt cao lanh Do chúng tơi chọn chế độ hoạt hóa cao lanh nhiệt độ 700 0C với cao lanh dạng cục cm 3.2 Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng số yếu tố q trình hòa tách phèn nhơm từ cao lanh 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian nồng độ axit sunfuric q trình hòa tách nhơm từ cao lanh Q trình hồ tan nhơm từ cao lanh axit q trình dị thể, nên tốc độ phản ứng hồ tan phụ thuộc nhiều vào thời gian tiếp xúc hai pha Và q trình hố học công 103 Lê Thị Mai Hương, Phạm Ngọc Tú, Nguyễn Bích Thủy, Nguyễn Xuân Nguyên, Nguyễn Thị Hồng Vân nghiệp đạt tới giá trị gần cân (nghĩa phân bố nồng độ chất hai pha đạt giá trị cân bằng) Thực nghiệm (hình 3) cho thấy: phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa khơng tuyến tính với thời gian nồng độ axit nồng độ axit tăng mức độ hồ tách nhơm từ cao lanh tăng dẫn đến tốc độ chuyển hoá tăng Ở giai đoạn đầu hiệu suất tăng nhanh theo thời gian, sau khoảng - đạt gần với trạng thái cân thời điểm tăng nồng độ axit ảnh hưởng không đáng kể đến mức độ chuyển hóa Bởi vậy, chúng tơi chọn thời gian phản ứng hiệu nồng độ axit thích hợp 20÷30%, tương ứng với nồng độ 2,325 M ÷ 3,73 M với hai lí do: để đạt hiệu mong muốn; hai phù hợp với điều kiện thực sản xuất công nghiệp Hình Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa vào nồng độ axit thời gian phản ứng 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Q trình hồ tách nhơm từ cao lanh axit sunfuric thường tiến hành nhiệt độ sôi nước, thực tế sản xuất nhiệt độ cao môi trường axit đòi hỏi vật liệu đặc biệt để chế tạo thiết bị phản ứng, nên đầu tư thiết bị tốn Bởi khảo sát khoảng nhiệt độ từ 65 ÷ 95 0C, kết trình bày đồ thị (hình 5) rằng: nhiệt độ tăng hiệu suất chuyển hố tăng Ở khoảng 85 ÷ 95 0C hiệu suất phân hủy đạt ≈ 90 %, chúng tơi lựa chọn nhiệt độ thích hợp 95 0C Hình Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa Al2O3 vào nhiệt độ 104 Đề xuất cải tiến quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhơm từ cao lanh 3.3 Đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhôm từ cao lanh Trên sở thực nghiệm chúng tơi kiến nghị quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhơm từ cao lanh sau (hình 6): Cao lanh tuyển hoạt hóa chế độ nung 700 0C giờ, sau nghiền nhỏ hòa tách axit H2SO4 20 ÷ 30 % nhiệt độ 95 0C, có khuấy đảo trộn Lượng axit tính theo tỷ lượng dư % Sau phản ứng, dung dịch muối sunfat nhôm lọc tách khỏi bã silic Nước rửa bã silic nên dung tiếp để pha loãng axit sunfuric, đưa thùng phản ứng Dung dịch muối sunfat nhôm thu (dung dịch A) hay gọi phèn lỏng Hình Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhôm từ cao lanh KẾT LUẬN Đã nghiên cứu lựa chọn điều kiện tối ưu, là: hoạt hóa cao lanh chế độ nung 700 C giờ, hòa tách axit H2SO4 20 ÷ 30 % nhiệt độ 95 0C, có khuấy đảo trộn Lương axit tính theo phương trình tỉ lượng dư % Đã đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhơm từ cao lanh theo thơng số tối ưu tìm TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Long Biên - Phân tích hóa học định lượng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 Trần Hồng Cơn, Nguyễn Trọng Uyển - Cơng nghệ hóa học vơ cơ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 Lê Thị Mai Hương nhóm nghiên cứu đề tài B2004-28-138 - Nghiên cứu q trình hòa tan quặng boxit cao lanh Việt Nam axit để sản chất keo tụ hiệu cao xử lí nước 105 Lê Thị Mai Hương, Phạm Ngọc Tú, Nguyễn Bích Thủy, Nguyễn Xuân Nguyên, Nguyễn Thị Hồng Vân Lê Thị Mai Hương, Taraxova T V - Nghiên cứu ảnh hưởng phương pháp nghiền đến trình hòa tan nhơm hiđrơxit, Tuyển tập báo cáo khoa học, Viện Hóa học cơng nghiệp Việt Nam, 2000 ABSTRACT STUDY ON THE TECHNOLOGY PROCESS OF ALUMINUM SUNPHATE PRODUCTION FROM KAOLIN Le Thi Mai Huong1, Pham Ngoc Tu2, Nguyen Bich Thuy1, Nguyen Xuan Nguyen1, Nguyen Thi Hong Van1 Institute of Natural Products Chemistry, VAST, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi, Vietnam Hanoi University of Science and Technology * Email: huonghvc@gmail.com Aluminum sulfate is widely used in water treatment, textile and paper industries There are many ways producing it, and in Viet Nam, kaolin is a rich minerals source Therefore, we were studied the production of it by dissolution kaolin in sulfuric acid solution On the basis of the optimum technological parameters found, we have proposed production process of alum from kaolin Keywords: aluminum sulfate, kaolin, technological parameters 106 ... Đề xuất cải tiến quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhôm từ cao lanh 3.3 Đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất phèn nhơm từ cao lanh Trên sở thực nghiệm kiến nghị quy trình cơng nghệ sản xuất phèn. .. số công nghệ lựa chọn theo kinh nghiệm nên chất lượng sản phẩm khơng ổn định tiêu hao lớn.Vì mục đích báo lựa chọn điều kiện hòa tách cao lanh tối ưu đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất phèn. .. sở sản xuất phèn nhôm từ cao lanh Phú Thọ, Đức Giang , Hải Dương Các quy trình sản xuất thường bao gồm nhiều khâu: nung – hòa tách – lọc bã , chưa tối ưu hóa, có chất lượng sản phẩm thấp Từ có