Nghiên cứu sản xuất chất trợ lọc từ diatomite lâm đồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN DOÃN MINH ĐĂNG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHẤT TRỢ LỌC TỪ DIATOMITE LÂM ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỐ CHÍ MINH - 07/2011 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học: TS MAI THANH PHONG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng 07 năm 2011 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có: Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên nghành sau luận văn đƣợc chỉnh sửa (nếu có) Chủ tịch hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên nghành i TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Doãn Minh Đăng Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1986 Nơi sinh: Cần Thơ Chun ngành: Cơng Nghệ Hóa Học MSHV: 09050102 I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Sản Xuất Chất Trợ Lọc Từ Diatomite Lâm Đồng II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát đặc tính khống Diatomite Lâm Đồng Nghiên cứu phƣơng pháp xử lý diatomite Lâm Đồng để đạt chuẩn sản xuất chất trợ lọc Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý lên đặc tính chất trợ lọc III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 05/07/2010 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 07/2011 V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS Mai Thanh Phong CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH TS Mai Thanh Phong Nội dung đề cƣơng luận văn thạc sĩ đƣợc Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƢỞNG PHÒNG ĐT – SĐH tháng năm 2011 TRƢỞNG KHOA QL NGÀNH ii LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Mai Thanh Phong, Thầy tận tình dạy, hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Qua đây, xin chân thành cảm ơn q Thầy, Cơ khoa Kỹ Thuật Hóa Học giảng dạy tơi q trình học tập trường thực luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến anh chị, bạn sinh viên phịng thí nghiệm Hóa Dầu ln giúp đỡ ủng tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh, chị lớp cao học khóa ln chia sẻ động viên tơi khóa học Và sau cùng, tơi xin tri ân Gia đình quan tâm, tạo điều kiện cho việc học dành cho điều tốt đẹp iii TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu đánh giá đặc tính khống diatomite Lâm Đồng, nghiên cứu trình xử lý diatomite Lâm Đồng nhằm sản xuất chất trợ lọc, đồng thời khảo sát nhiệt độ xử lý nhiệt qui trình sản xuất chất trợ lọc Kết nghiên cứu cho thấy khống diatomite Lâm Đồng có chất lƣợng trung bình Cụ thể hàm lƣợng SiO2 thấp (52.9%), hàm lƣợng oxit kim loại khác cao nhƣ Al2O3 (22.9%), Fe2O3 (5.32%) ngồi cịn có tạp chất hữu lẫn khoáng Một số axit nhƣ HCl 3.5M, HCl 5M, H2SO4 6M, H2SO4 9M COOH-HOOC 1M đƣợc sử dụng để làm giàu SiO2 giảm hàm lƣợng Al2O3, Fe2O3…Trong đó, axit H2SO4 6M cho kết xử lý tốt Tuy nhiên cách thức xử lý axit ảnh hƣởng đến trình Vì vậy, đề tài nghiên cứu phƣơng pháp xử lý khác nhau: - Phƣơng pháp xử lý axit lần (không thay axit thời gian xử lý) - Phƣơng pháp xử lý axit nhiều lần (thay axit thời gian xử lý) Để thu đƣợc chất trợ lọc, khoáng diatomite sau xử lý đƣợc nung nhiệt độ khác từ 900 – 12500C Các phƣơng pháp phân tích nhƣ trắc phổ huỳnh quang tia X – XRF, phổ nhiễu xạ tia X – XRD, kính hiển vi điện tử quét - SEM, đo diện tích bề mặt riêng – BET …đã đƣợc sử dụng để xác định tính chất hóa, lý vật liệu iv ABSTRACT Thesis has studied and evaluated the characteristics of mineral of Lam Dong diatomite; the research of process to the production of filters aid from Lam Dong diatomite and it‟s also investigated of heat treatment temperature during production of filter aid The research results show that the mineral of Lam Dong diatomite has average quality Specifically, the content of SiO2 is low (52.9%), while the contents of other metal oxides are high such as Al2O3 (22.9%), Fe2O3 (5.32%); and in addition, there are organic impurities which are mixed in mineral Some acids such as 3.5M HCl, 5M HCl, 6M H2SO4, 9M H2SO4 and 1M COOH-HOOC were used to enrich SiO2 and decreased contents of Al2O3, Fe2O3 In particular, acid 6M H2SO4 gave the best results of treatment However, the methods of treatment in acids were influence to the process Thus, the subject has studied two different treatment methods: - Treatment method in acids one time (do not change the acids during the treatment processing) - Treatment method in acids multiple times (change the acids during treatment processing) To obtain the filter aids, diatomite after treatment has been calcinated at different temperatures from 900 to 12500C The analytical methods such as X-ray fluorescence spectrometry - XRF, X-ray diffraction spectrum - XRD, scanning electron microscopy - SEM, measuring the specific surface area - BET were used to determine the chemical and physical properties of material v MỤC LỤC CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI i NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG xi DANH MỤC HÌNH xiii DANH MỤC ĐỒ THỊ xv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii CHƢƠNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1 KHOÁNG DIATOMITE .3 2.1.1 Tên gọi 2.2 NGUỒN GỐC HÌNH THÀNH 2.2.1 Thành phần hóa học 2.2.2 Trữ lƣợng khoáng diatomite 2.2.3 Ứng dụng khoáng diatomite 2.2.4 Tình hình nghiên cứu giới 13 2.2.5 Tiềm thị trƣờng 14 2.3 KHOÁNG DIATOMITE LÂM ĐỒNG 15 2.3.1 Địa chất 15 2.3.2 Ứng dụng khoáng diatomite Lâm Đồng 17 2.4 CHẤT TRỢ LỌC 17 2.4.1 Khái niệm 17 2.4.2 Đặc tính chất trợ lọc 19 2.4.3 Sử dụng chất trợ lọc 19 vi 2.4.4 Ứng dụng 19 2.5 QUÁ TRÌNH LỌC 20 2.5.1 Khái niệm 20 2.5.2 Nguyên tắc sở vật lý trình lọc 21 2.5.3 Vách lọc 22 2.5.3.1 Lƣới đan đĩa lỗ 22 2.5.3.2 Vải lọc 22 2.5.3.3 Giấy lọc 25 2.5.3.4 Lớp hạt rắn 25 2.5.3.5 Vật liệu có mao quản xốp 25 2.5.3.6 Màng mỏng 26 2.5.4 Một số thiết bị lọc 26 2.5.4.1 Phân loại thiết bị lọc 26 2.5.4.2 Một thiết bị lọc thƣờng dùng 26 2.5.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình lọc 27 2.5.5.1 Ảnh hƣởng lớp bã 27 2.5.5.2 Ảnh hƣởng kích thƣớc hạt rắn (bã) 27 2.5.5.3 Ảnh hƣởng bề mặt hạt, dạng hạt tính ỳ hạt 28 2.5.5.4 Ảnh hƣởng dòng chảy 28 2.5.5.5 Ảnh hƣởng chênh lệch áp suất 29 2.5.5.6 Ảnh hƣởng nồng độ huyền phù 29 2.5.5.7 Ảnh hƣởng nhiệt độ 29 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 3.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 31 3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31 3.3 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 31 3.4 Ý NGHĨA THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI 32 3.5 MỘT SỐ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC 32 3.5.1 Nghiên cứu nƣớc 32 3.5.2 Nghiên cứu nƣớc 33 3.6 QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM 35 vii 3.6.1 Sơ đồ trình tiến hành thí nghiệm 35 3.6.2 Thuyết minh qui trình thí nghiệm 35 3.7 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 37 3.7.1 Hóa chất 37 3.7.1.1 Axit clohydric – HCl 37 3.7.1.2 Axit sulfuric - H2SO4 37 3.7.1.3 Axit oxalic - COOH-COOH 38 3.7.1.4 Sodium carbonate - Na2CO3 38 3.7.2 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 38 3.7.2.1 Dụng cụ thí nghiệm 38 3.7.2.2 Thiết bị thí nghiệm 39 3.8 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 39 3.8.1 Địa điểm thực nghiệm 39 3.8.2 Chuẩn bị thực nghiệm 39 3.8.2.1 Phƣơng pháp chuẩn bị mẫu diatomite Lâm Đồng 39 3.8.2.2 Hóa chất 40 3.8.2.3 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 40 3.8.3 Tiến hành thí nghiệm 40 3.8.3.1 Xử lý khoáng diatomite Lâm Đồng axit 41 3.8.3.2 Xử lý diatomite Lâm Đồng theo phƣơng pháp 42 3.8.3.3 Xử lý diatomite Lâm Đồng theo phƣơng pháp 43 3.8.3.4 Rửa axit sau thời gian xử lý 44 3.8.3.5 Sấy 45 3.8.3.6 Nung 46 3.9 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN Q TRÌNH THÍ NGHIỆM 47 3.9.1 Nghiền – rây 47 3.9.2 Nồng độ axit 47 3.9.3 Tốc độ khuấy 48 3.9.4 Nhiệt độ xử lý 48 3.9.5 Nhiệt độ thời gian nung 48 3.10 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 48 viii 3.10.1 Phƣơng pháp huỳnh quang tia X – XRF 48 3.10.2 Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X – XRD 49 3.10.3 Phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai kết hợp nhiệt khối lƣợng DTA 49 3.10.4 Chụp mẫu kính hiển vi điển tử quét – SEM 51 3.10.5 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng - BET 51 3.10.6 Phƣơng pháp phân tích kích thƣớc hạt 52 3.10.7 Phƣơng pháp đo khối lƣợng riêng 52 3.10.8 Phƣơng pháp đo độ ẩm 53 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 4.1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 54 4.1.1 Mẫu diatomite Lâm Đồng thô 54 4.1.1.1 Thành phần hóa 54 4.1.1.2 Phân bố kích thƣớc hạt 55 4.1.1.3 Phân tích XRD DTA-TG 56 4.1.1.4 Quan sát bề mặt 58 4.1.1.5 Độ ẩm khối lƣợng riêng 59 4.1.2 Kết xử lý diatomite Lâm Đồng axit theo phƣơng pháp 60 4.1.2.1 Xử lý axit HCl 3.5M 60 4.1.2.2 Xử lý axit HCl 5M .66 4.1.2.3 Xử lý axit H2SO4 6M 71 4.1.2.4 Tóm tắt kết phƣơng pháp 76 4.1.3 Kết xử lý diatomite Lâm Đồng theo phƣơng pháp 77 4.1.3.1 Thành phần hóa diatomite Lâm Đồng xử lý axit H2SO4 6M 77 4.1.3.2 Phân bố kích thƣớc hạt 82 4.1.3.3 Thành phần hóa diatomite Lâm Đồng xử lý axit H2SO4 9M, H2C2O4 1M 84 4.1.4 Tóm tắt kết phƣơng pháp 86 4.1.5 Chất trợ lọc từ khoáng diatomite Lâm Đồng 86 4.1.5.1 Thành phần hóa 87 4.1.5.2 Quan sát màu sắc 92 ix Luận văn Thạc Sĩ CBHD: TS Mai Thanh Phong chất trợ lọc peak SiO2 mạnh chiếm phần lớn, peak montmorillonite vết phổ 22_MAU_THANH PHONG_FA2 300 290 280 270 260 250 240 230 d=3.34865 220 210 200 Lin (Counts) 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 20 d=1.37479 30 d=1.45384 40 d=1.54123 d=2.46055 50 d=1.81904 60 d=1.98024 70 d=2.28609 80 d=2.12847 d=4.25963 90 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale 22_MAU_THANH PHONG_FA2 - File: 22_MAU_THANH PHONG_FA2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 2.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.050 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 00-046-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91344 - b 4.91344 - c 5.40524 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - - 113.010 - I/Ic PDF 3.4 - S-Q 100.0 % Hình 4.13 Phổ XRD chất trợ lọc Khác với phổ nhiễu xạ XRD chất trợ lọc 1, phổ nhiễu xạ XRD chất trợ lọc (Hình 4.15) cho thấy chất trợ lọc SiO2 – dạng quartz Các khoáng montmorillonite, khoalinite bị phân hủy q trình gia nhiệt SiO2 vơ định hình dạng quartz đặc trƣng góc θ 210, 270, 31.50, 39.50, 460, 500, 600, 640, 680… Đặc biệt có peak có cƣờng độ mạnh góc θ = 270 Các peak đặc trƣng tƣơng ứng với giá trị d 4.25963, 3.34865, 2.46055, 2.28609, 2.12847, 1.98024, 1.81904, 1.54123, 1.45384, 1.37479… Các khoáng gia nhiệt lên đến 11000C tách nƣớc hoàn toàn thành oxit kim loại chuyển thành dạng thù hình khác chúng HVTH: Trần Dỗn Minh Đăng 99 Luận văn Thạc Sĩ CBHD: TS Mai Thanh Phong 22_MAU_THANH PHONG_FA3 300 290 280 270 260 d=3.33570 250 240 230 220 210 200 Lin (Counts) 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 20 d=1.37479 d=1.45384 30 d=1.54084 40 d=4.46392 d=8.92184 50 d=1.49920 60 d=1.81983 70 d=1.98024 80 d=2.28291 d=4.25963 90 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale 22_MAU_THANH PHONG_FA3 - File: 22_MAU_THANH PHONG_FA3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 2.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.050 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 00-046-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91344 - b 4.91344 - c 5.40524 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - - 113.010 - I/Ic PDF 3.4 - S-Q 89.7 % 00-012-0219 (I) - Montmorillonite-18A - Na0.3(AlMg)2Si4O10OH2·6H2O - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 5.19500 - b 5.19500 - c 17.93000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P (0) - - 419.066 - Hình 4.14 Phổ XRD chất trợ lọc Tƣơng tự nhƣ phổ nhiễu xạ XRD chất trợ lọc Ngồi oxit SiO2 dạng quartz cịn có khống montmorillonite nhƣng peak có cƣờng độ nhỏ Còn phần lớn quartz với peak cƣờng độ mạnh xuất nhiều phổ XRD Kết hợp phổ DTA mẫu diatomite Lâm Đông thô ban đầu nói oxit kim loại, dạng thù hình khống diatomite kết hợp nhiệt độ cao biến đổi thù hình trình gia nhiệt Nên sau trình nung chất trợ lọc xuất trở lại khoáng montmorillonite (Hình 4.16) Các peak đặc trƣng SiO2 dạng quartz góc θ nhƣ 200, 270, 36.50, 29.50, 42.50, 460, 500, 600, 680… Các peak có giá trị d tƣơng ứng 4.25963, 3.33570, 2.28921, 1.980242, 1.81983, 1.54084, 1.45384… Trong khống montmorillonite có peak góc θ nhƣ 100, 200 620 tƣơng ứng với giá trị d 8.92184, 4.46392, 1.49920 HVTH: Trần Doãn Minh Đăng 100 Luận văn Thạc Sĩ CBHD: TS Mai Thanh Phong 17_MAU_MINH DUNG_FA4 350 d=4.05916 340 330 320 310 300 290 280 270 260 250 240 230 210 200 190 180 170 160 d=3.34670 Lin (Counts) 220 150 140 130 120 110 100 40 30 d=2.12958 50 d=2.86214 d=18.59747 60 d=4.24630 70 d=3.14847 80 d=1.94622 d=2.49694 90 20 10 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale 17_MAU_MINH DUNG_FA4 - File: 17_MAU_MINH DUNG_FA4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 ° - End: 50.000 ° - Step: 0.050 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta: 3.000 01-077-1317 (C) - Cristobalite low, syn - SiO2 - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.98770 - b 4.98770 - c 6.96970 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P41212 (92) - - 173.386 - I/Ic PDF - S-Q 60.2 00-046-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91344 - b 4.91344 - c 5.40524 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - - 113.010 - I/Ic PDF 3.4 - S-Q 32.5 % 00-012-0219 (I) - Montmorillonite-18A - Na0.3(AlMg)2Si4O10OH2·6H2O - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 5.19500 - b 5.19500 - c 17.93000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P (0) - - 419.066 - Hình 4.15 Phổ XRD chất trợ lọc Chất trợ lọc nung nhiệt độ 12500C có phổ nhiễu xạ XRD khác phổ mẫu chất trợ lọc (Hình 4.17) Trong phổ cịn khống montmorillonite quartz nhƣng xuất crytalbalite Điều phù hợp với phổ DTA trình gia nhiệt Khi nhiệt độ 10500C bắt đầu có hình thành các khống oxit kim loại kết hợp với khoáng diatomite có biến đổi thù hình SiO2 thành crytalbalite, dạng thù hình SiO2 Trong chất trợ lọc chủ yếu SiO2 với dạng thù hình khác Dựa vào peak thấy đƣợc cryralbalite mạnh xuất nhiều, điều chứng tỏ quartz chuyển thành crytalbalite nhiều Peak đặc trƣng crytalbalite nằm góc θ = 220, có giá trị d = 4.05916 Ngồi cịn có peak góc θ nhƣ 28.50, 31.50, 360, 430, 470,… có giá trị d tƣơng ứng 3.14847, 2.86214, 2.49994, 1.94622… Các peak SiO2 dạng quartz cƣờng độ giảm nhiều, peak đặc trƣng góc θ = 27.50 có giá trị d = 3.34670 Cuối SiO2 dạng thù hình crytalbalite peak có cƣờng độ yếu nằm góc θ = 50, 100, 150, 200, 350… Nhƣng có giá trị d = 18.59747 góc θ = 50 HVTH: Trần Doãn Minh Đăng 101 Luận văn Thạc Sĩ CBHD: TS Mai Thanh Phong 4.1.5.6 Phân bố kích thƣớc hạt Bảng 4.15 Phân bố cỡ hạt chất trợ lọc Size, μm 11- 22- 37- 44- 52- 62- Average 22 37 44 52 62 74 size 16.5 29.6 23.8 8.39 5.25 2.60 2.80 38.38 17.4 24.1 25.5 14.8 4.24 6.17 4.94 2.83 38.38 FA 18.8 22.3 24.1 18.4 4.26 5.01 4.32 2.83 38.38 FA 18.7 21.2 23.9 15.3 6.63 5.35 6.59 2.34 38.38