TINH CHẾ NHÔM HYDROXIT VÀ SẢN XUẤT α al2o3 TINH KHIẾT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC ====o0o==== ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: TINH CHẾ NHÔM HYDROXIT VÀ SẢN XUẤT α-Al2O3 TINH KHIẾT GVHD SVTH : : PGS.TS La Thế Vinh Hoàng Thị Chiện Nguyễn Thị Thu Chuyển Hà Nội, 01/2015 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhôm hidroxit 1.2 Động học q trình hịa tan nhơm hidroxit 1.3 Giới thiệu nhôm oxit 1.3.1 α- Al2O3 10 1.3.2 γ- Al2O3 10 1.3.3 - Al2O3 11 1.3.4 - Al2O3 12 1.4 Qúa trình thay đổi cấu trúc Al2O3 nung 12 1.5 Các phương pháp điều chế nhôm hydroxit nhôm oxit 13 1.5.1 Phương pháp kết tủa 13 1.5.2 Phương pháp điều chế thủy nhiệt theo chu trình Bayer 14 1.5.3 Phương pháp sol-gel 14 1.6 Ứng dụng α- Al2O3 14 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Hóa chất dụng cụ .16 2.1.1 Hóa chất 16 2.1.2 Dụng cụ 16 2.2 Quy trình thực nghiệm sản xuất α-Al2O3 từ Al(OH)3 16 2.3 Xác định nồng độ H+ dư phương pháp chuẩn độ axit – bazo 17 2.4 Các phương pháp phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu 17 2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM 17 2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 18 2.4.3 Phương pháp phổ tán xạ lượng EDX 19 2.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt TG 21 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 22 3.1 Thành phần bột nhôm hydroxit ban đầu 22 Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu Al(OH)3 ban đầu 22 3.2 Nghiên cứu làm Al(OH)3 .22 3.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả làm 23 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả làm 23 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả làm .23 Hình 3.2 Phổ XRD bột nhôm hydroxit sau làm 24 3.3 Nghiên cứu q trình hịa tách Al(OH)3 .24 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 25 Hình 3.3 Quan hệ nhiệt độ hiệu suất hòa tách .26 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ axit 26 Hình 3.4 Quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách 27 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng .27 Hình 3.5 Quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách 28 3.4 Nghiên cứu trình sản xuất α-Al2O3 28 3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng tác nhân kết tủa 29 3.4.1.1 Kết tủa amoni cacbonat 29 3.4.1.2 Kết tủa NH3 29 Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu α-Al2O3 sử dụng tác nhân kết tủa (NH4)2CO3 NH3 30 3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng phân tán giai đoạn kết tủa 30 Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu α-Al2O3 sử dụng phương thức phân tán khác 31 Hình 3.8 Phổ XRD sản phẩm α-Al2O3 32 Hình 3.9 Giản đồ TG tiền chất Al(OH)3 .33 Từ giản đồ ta thấy ứng với đường DTG DTA có pick tỏa nhiệt 242.09oC 319oC ứng với giảm nhẹ khối lượng, điều giải thích q trình tách nước vật lý 33 Hình 3.10 Giản đồ TG tiền chất NH4AlCO3(OH)2 .34 Hình 3.11 Giản đồ TG tiền chất NH4AlCO3(OH)2 có tác động siêu âm 35 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Thành phần bột nhôm hydroxit ban đầu 22 Bảng 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả làm .23 Bảng 3.3: Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả làm 23 Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả làm 24 Bảng 3.6: Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 25 Bảng 3.7: Ảnh hưởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách 26 Bảng 3.5: Ảnh hưởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách 27 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu Al(OH)3 ban đầu 22 Hình 3.2 Phổ XRD bột nhơm hydroxit sau làm 24 Hình 3.3 Quan hệ nhiệt độ hiệu suất hòa tách 26 Hình 3.4 Quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách 27 Hình 3.5 Quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách 28 Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu α-Al2O3 sử dụng tác nhân kết tủa (NH4)2CO3 NH3 30 Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu α-Al2O3 sử dụng phương thức phân tán khác 31 Hình 3.8 Phổ XRD sản phẩm α-Al2O3 32 Hình 3.9 Giản đồ TG tiền chất Al(OH)3 33 Hình 3.10 Giản đồ TG tiền chất NH4AlCO3(OH)2 34 Hình 3.11 Giản đồ TG tiền chất NH4AlCO3(OH)2 có tác động siêu âm 35 MỞ ĐẦU Nhôm nguyên tố phổ biến vỏ trái đất, chiếm 8% khối lượng rắn vỏ trái đất, chủ yếu quặng boxit sản xuất dạng Al(OH)3 Từ xa xưa, hợp chất nhôm sử dụng rộng rãi lĩnh vực sản xuất vật liệu, sử dụng vật liệu tầm trung mà không sử dụng hết ưu vật liệu nhơm Ngày cơng nghiệp phát triển mạnh mẽ, địi hỏi vật liệu đời cao cấp vật liệu nano Nano α-Al2O3 cho vật liệu cao cấp có tính chất vượt trội như: điểm nóng chảy cao, độ cứng cao, kháng điện cao, tính chất học tốt, chống mài mịn, chống ăn mòn, cách nhiệt chịu nhiệt,… Nano α-Al2O3 thích hợp để sử dụng làm gốm sứ cao cấp, xương nhân tạo, chất bán dẫn, chất xúc tác chất mang, vật liệu laser dụng cụ cắt nghiền,… Tận dụng từ nguồn nguyên liệu dồi Al(OH)3 sẵn có, từ nghiên cứu sản xuất α-Al2O3 cao cấp Vì nên em chọn đề tài “ Nghiên cứu tinh chế hydroxit nhôm để sản xuất bột mịn α-AlO3” Nôi dung nghiên cứu em gồm: - Tinh chế bột nhôm hydroxit thô - Hịa tách bột nhơm hydroxit tạo dung dịch muối - Nghiên cứu sản xuất bột mịn α-Al2O3 Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, em xin gửi lời cảm ơn biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS La Thế Vinh, người giao đề tài, trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ em hồn thành đề tài Trong q trình nghiên cứu khơng tránh khỏi bế tắc thiếu sót thân em, em mong thầy cho em thêm ý kiến để giúp đề tài nghiên cứu em hoàn thiện định hướng nghiên cứu tiếp tương lai Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhôm hidroxit Nhôm hidroxit sản phẩm cơng nghiệp, từ nhơm hidroxit sản xuất kim loại dạng siêu tinh khiết, sản xuất gốm sứ cao cấp, loại thuốc, chất hấp phụ xúc tác Theo cấu trúc, nhôm hidroxit phân thành hai loại: nhôm trihidroxit Al(OH)3 nhơm mơnơ hidroxit AlO(OH) Nhơm hidroxit có ba dạng thù hình: - Gibbsit - Bayerit - Nordstrandit Nhơm hidroxit dạng Gibbsit Gibbsit dạng nhôm hidroxid quan trọng thành phần bôxit, đồng thời sản phẩm trung gian trình sản xuất nhôm từ bôxit Sục CO2 vào dung dịch natri aluminat điều kiện nhiệt độ pH thích hợp ( nguyên liệu ban đầu phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O nhôm kim loại) thu gibbsit Gibbsit có cơng thức: Al2O3.3H2O = 2Al(OH)3 Tinh thể Gibbsit có cấu trúc lớp, lớp bao gồm phiến từ ion OH- nằm mặt phẳng song song (001), chúng phiến ion nhơm Do có bố trí mặt phẳng (001) nên hình thành mạng lưới lục giác, tạo thành nhóm OH- Ion nhơm nằm trung tâm hình lục giác Trong mạng tinh thể Gibbsit ion nhơm có 2/3 số thể tích lục giác Mỗi lấp đầy hình lục giác khơng gian có số sai lệch so với cấu trúc bát diện hoàn hảo Các bát diện nối với đỉnh chung vào vòng gồm mặt với thành phần [Al(OH)6 ]3- Cấu trúc mạng tinh thể Gibbsit gồm lớp từ tập hợp vịng nhóm hiđrơxit Trong lớp, ion OH- lớp nằm đối diện với lớp Giữa lớp nối với liên kết OH Trong mạng lƣới tinh thể Gibbsit xuất tinh thể bó chặt vịng từ bát diện [Al(OH)6]3- Nhôm hidroxid dạng Bayerit Bayerit khoáng chất chủ yếu điều chế nhân tạo Các phương pháp điều chế Bayerit: Từ dung dịch muối nhôm pH= 10,0- 11,5 Sục CO2 vào dung dịch aluminat có nồng độ đến 200g/lít Al2O3 điều kiện nhiệt độ phòng Tự phân hủy dung dịch aluminat khơng có mầm tinh thể điều kiện nhiệt độ phịng Khi thủy phân nhơm hỗn hống hóa nước dẫn điện điều kiện nhiệt độ phòng Chế biến thủy nhiệt Gibbisit nồi áp lực, áp lực khơng khí CO2 nhiệt độ 100-105oC Thành phần hóa học Bayerit giống Gibbsit: Al(OH)3 Bayerit Gibbsit, có cấu trúc với lớp kết tinh hệ lục giác Trong cấu trúc Bayerit, nguyên tử lớp thứ ba phân bố nguyên tử lớp thứ giống mạng tinh thể oxit titan Một số tài liệu khẳng định rằng, Bayerit có đồng thời nhiều mối liên hệ với cấu tạo Gibbsit Tuy lớp bát diện cấu trúc tinh thể Bayerit phân bố khác Gibbsit Trong cấu trúc Bayerit 1/3 thể tích bát diện cation Al3+ chiếm, cịn lại 1/3 ô trống 1.1.1.3 Nhôm tri hidroxit dạng Nordstrandit Nordstrandit Van Nordstrandit với số tác giả khác phát Ngày nay, có nhiều phương pháp điều chế Nordstrandit tinh khiết Trong phương pháp điều chế Nordstrandit thu nhôm hiđrôxit dạng gel, cách bão hịa với có mặt tác nhân tạo chelat như: etylen diamin, etylenglycol,… Trộn NH3 vào dung dịch nitrat nhôm thu sản phẩm dạng huyền phù etylendiamin 70% 58oC 60 ngày Sau đó, đem sản phẩm lọc rửa nước cất, sấy 50oC thu Nordstrandit tinh khiết cho dung dịch amoniac có pH= 7- tác dụng với muối nhơm nhiệt độ phịng Sau phản ứng thu lấy kết tủa, rửa nước cất tẩm diamin alkilen Sản phẩm đem ủ 60oC 10-60 ngày Hoặc cho NH3 tác dụng với nitrat nhôm, thu thể gel Đem hỗn hợp tạo thành ngâm dung dịch EDTA nhiệt độ phịng 49 ngày Nordstrandit có cơng thức: Al(OH)3 Nordstrandit có nhiều dạng tinh thể khác nhau: dạng phiến, dạng vẩy Tinh thể Nordstrandit khác biệt so với tinh thể Gibbsit vắng mặt ion kim loại mạng lưới tinh thể Nordstrandit Bayerit Gibbsit có cấu trúc lớp Cấu trúc tinh thể Nordstrandit chiếu mặt phẳng( Hình 1.7) Độ lớn liên kết Nordstrandit 1.2 Động học trình hịa tan nhơm hidroxit Q trình hịa tan nhơm hiđrơxit axit q trình dị thể Phản ứng hóa học thường giai đoạn trình chuyển pha diễn thể tích pha cịn chất pha khác khuếch tán tới Khả phản ứng Al(OH)3 với axit có liên quan tới cấu trúc trạng thái lượng hạt mạng tinh thể Các chất có nhiều dạng thù hình khác khả phản ứng khác Trong trạng thái kết tinh hạt rắn có chỗ khuyết tật, vị trí khuyết tật khả phản ứng cao so với vị trí khác, nồng độ khuyết tật tăng khả phản ứng tăng Mật độ khuyết tật tăng cách tăng nhiệt độ Mặt khác, số hạt cạnh đỉnh tinh thể tăng khả phản ứng tăng cần phải tăng độ mịn tinh thể Từ cơng trình nghiên cứu động học q trình hịa tan đưa số mơ hình động học cho phản ứng Đối với q trình hịa tan Al(OH)3 hồn tồn dựa vào mơ hình để giải vấn đề động học Tốc độ hịa tan Al(OH)3 tính lượng chất chuyển vào dung dịch sau sau đơn vị thời gian Các yếu tố ảnh hưởng đến động học trình là: độ mịn chất hạt rắn, tốc độ khuấy trộn, nhiệt độ phản ứng, tiêu chuẩn nồng độ axit Q trình hịa tan gồm nhiều giai đoạn nối tiếp Nên yếu tố ảnh hưởng nhiều tới trình phân hủy - Chuyển chất từ vùng khác đến vùng phản ứng - Biến đổi hóa học vùng phản ứng - Chuyển sản phẩm khỏi vùng phản ứng 1.3 Giới thiệu nhôm oxit 10 Các yếu tố khảo sát: - Tỷ lệ rắn/lỏng - Nhiệt độ hòa tách - Thời gian rửa 3.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả làm Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ rắn lỏng với tỷ lệ 1:1, 1:1.5, 1:2, 1:2.5 Cân 10(g) Al(OH)3 sấy khô cho vào cốc thủy tinh 250ml, thêm nước cất với thể tích 10, 15, 20, 25ml, đặt lên máy khuấy từ tốc độ 300rpm khuấy 30 phút nhiệt độ thường (30oC) Kết thúc trình khuấy đem lọc, đo Ph dung dịch lọc, phần rắn đem rửa nước cất khoảng 400ml nước cất đến Ph=6.5 Kết đo Ph thu bảng sau: Bảng 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả làm Tỷ lệ R/L 1:1 1:1.5 1:2 1:2.5 Gía trị Ph 9.13 8.87 9.12 8.96 -7 -7 -7 Hàm lượng OH (Mol) 1.35x10 1.11x10 2.64x10 2.28x10-7 Qua bảng ta thấy tỷ lệ rắn lỏng có ảnh hưởng đến hiệu làm sạch, với tỷ lệ rắn lỏng 1:2 hiệu làm tốt lỏng nhiều độ đảo trộn tốt hơn, rửa Natri 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả làm Ở khảo sát trước lựa chọn tỷ lệ rắn/lỏng 1:2 tối ưu Tiếp tục tiến hành khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, khảo sát với nhiệt độ nhiệt độ thường (30oC), 50 70oC Cân 10 (g) Al(OH)3 sấy khô cho vào cốc 250ml, thêm 20ml nước cất, đặt lên máy khuấy từ tốc độ 300rpm 30 phút với nhiệt độ 30, 50, 70 oC Kết thúc trình khuấy đem lọc, đo Ph dung dịch lọc, phần rắn đem rửa nước cất khoảng 400ml nước cất đến Ph=6.5 Kết đo Ph thu bảng sau: Bảng 3.3: Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả làm Nhiệt độ ( C) 30 50 70 PH 9.18 9.17 9.10 Qua bảng ta thấy nhiệt độ không ảnh hưởng nhiều đến hiệu làm sạch, lựa chọn o làm nhiệt độ thường tối ưu 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả làm Ở khảo sát trước lựa chọn tỷ lệ rắn lỏng 1:2, thực nhiệt độ thường tối ưu Tiếp tục tiến hành khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy 15, 30, 45 60 phút Cân 10 (g) Al(OH)3 sấy khô cho vào cốc 250ml, thêm 20ml nước cất, đặt lên máy khuấy từ tốc độ 300rpm nhiệt độ thường với thời gian 15, 30, 45 60 phút Kết thúc 24 trình khuấy đem lọc, đo Ph dung dịch lọc, phần rắn đem rửa nước cất khoảng 400ml nước cất đến Ph=6.5 Kết đo Ph thu bảng sau: Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả làm Thời gian (phút) 15 30 45 60 PH 8.17 9.18 9.07 9.1 Qua bảng ta thấy thời gian khuấy ảnh hưởng đến hiệu làm sạch, lựa chọn thời gian tối ưu 30 phút Sau tiến hành làm sạch, mẫu khuấy với tỷ lệ rắn/lỏng 1:2, thời gian 30 phút nhiệt độ thường đem phân tích XRD Hình 3.2 Phổ XRD bột nhôm hydroxit sau làm Từ giản đồ XRD ta thấy mẫu bột hyroxit nhôm sạch, cịn thành phần Al(OH)3 khơng thấy xuất tạp chất Natri 3.3 Nghiên cứu q trình hịa tách Al(OH)3 Bột nhôm hydroxit sau làm tiến hành hịa axit tạo muối nhơm Trong nghiên cứu sử dụng axit HCl làm tác nhân hòa tách Các yếu tố khảo sát: - Nhiệt độ phản ứng - Nồng độ axit 25 - Thời gian hịa tách Tính toán lượng axit HCl cần để phản ứng với Al(OH)3 Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O Cần 14,04g HCl để phản ứng hết với 10g Al(OH)3 Thể tích dung dịch HCl 36.5% 32.6ml Do bột nhôm hydroxit thương mại trơ hóa học nên cần nghiền mịn, tăng bề mặt riêng trước hịa tách Khơng lấy dư axit dư nhiều axit phải cần nhiều hóa chất trung hịa kết tủa 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng Do bột nhôm hydroxit thương mại trơ axit kiềm nên cần gia nhiệt để tan axit Axit HCl bay mạnh nên sử dụng axit nồng độ loãng để phản ứng, với 64ml HCl nồng độ 20% tính tốn Tiến hành khảo sát nhiệt độ 45, 60, 75 90-95oC Cân 10g bột nhôm hydroxit làm sạch, nghiền mịn vào cốc thủy tinh chịu nhiệt 250ml, thêm 65ml HCl 20% Đặt cốc lên máy khuấy từ tốc độ 500rpm, gia nhiệt đến nhiệt độ 45, 60, 75 90-95oC, với thời gian khuấy 90 phút Kết thúc trình khuấy đem lọc, rửa 2-3 lần thu dung dịch muối (M) bã rắn nhôm hydroxit chưa phản ứng hết Phần bã đem rửa, sấy khơ, cân ghi khối lượng tính hiệu suất hòa tách Phần dung dịch muối đem chuẩn độ lượng axit dư xác định nồng độ Al3+ Kết hịa nhơm hydroxit thu bảng sau: Bảng 3.6: Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách Nhiệt độ ( C) 45 60 75 Khối lượng bã rắn (g) 8.34 7.05 5.94 Hiệu suất (%) 16.6 29.5 40.6 o Từ bảng 3.5 xây dựng đồ thị quan hệ nhiệt độ hiệu suất hòa tách: 26 90-95 4.32 56.8 56.8 60 50 Hiệu suất (%) 40.6 40 30 29.5 16.6 20 10 45 60 75 90 Nhiệt độ (o C) Hình 3.3 Quan hệ nhiệt độ hiệu suất hòa tách Từ kết ta thấy nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất hịa tách, nhiệt độ tăng hiệu suất hịa tăng Do nhiệt độ tăng độ linh động H+ tăng dễ dàng phản ứng Lựa chọn nhiệt độ tối ưu 90 – 95oC 100 – 115oC nhiệt độ sôi HCl, thực nhiệt độ cao vừa tốn lượng, HCl bay nhiều làm giảm hiệu suất phản ứng 3.3.2 Ảnh hưởng nồng độ axit Tiến hành khảo sát nồng độ axit 15, 20, 25% Cân 10g bột nhôm hydroxit làm sạch, nghiền mịn vào cốc thủy tinh chịu nhiệt 250ml, thêm HCl với nồng độ khác nhau: 87.5ml HCl 15%, 64ml HCl 20%, 50ml HCl 25% Đặt cốc lên máy khuấy từ tốc độ 500rpm, gia nhiệt đến 90-95oC, với thời gian khuấy 90 phút Kết thúc trình khuấy đem lọc, rửa 2-3 lần thu dung dịch muối (M) bã rắn nhôm hydroxit chưa phản ứng hết Phần bã đem rửa, sấy khơ, cân ghi khối lượng tính hiệu suất hòa tách Phần dung dịch muối đem chuẩn độ lượng axit dư xác định nồng độ Al3+ Kết hịa nhơm hydroxit thu bảng sau: Bảng 3.7: Ảnh hưởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách Nồng độ HCl (%) 15 20 25 Khối lượng bã rắn 6.78 4.08 3.63 (g) Hiệu suất (%) 32.2 59.2 Từ bảng 3.5 xây dựng đồ thị quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách 27 63.7 70 60 Hiệu suất(%) 63.7 59.2 50 40 32.2 30 20 10 15 20 25 Nồng độ HCl(%) Hình 3.4 Quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách Qua kết ta thấy nồng độ axit lỗng q 15% hiệu suất hòa tách thấp, nồng độ cao độ linh động H+ tăng làm tăng hiệu suất, từ nồng độ 15-20% hiệu suất tăng nhanh, từ 20 – 25% hiệu suất tăng chậm bay HCl Vì lựa chọn nồng độ axit tối ưu 20% 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng Qua khảo sát lựa chọn điều kiện tối ưu tiến hành phản ứng nhiệt độ 90 – 95oC với nồng độ axit 20% Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng: 60, 90, 120 150 phút Cân 10g bột nhôm hydroxit làm sạch, nghiền mịn vào cốc thủy tinh chịu nhiệt 250ml, thêm 64ml HCl nồng độ 20% Đặt cốc lên máy khuấy từ tốc độ 500rpm, gia nhiệt đến 90-95oC, với thời gian khuấy 60, 90, 120 150 phút Kết thúc trình khuấy đem lọc, rửa 2-3 lần thu dung dịch muối (M) bã rắn nhôm hydroxit chưa phản ứng hết Phần bã đem rửa, sấy khô, cân ghi khối lượng tính hiệu suất hịa tách Phần dung dịch muối đem chuẩn độ lượng axit dư xác định nồng độ Al3+ Kết hịa nhơm hydroxit thu bảng sau: Bảng 3.5: Ảnh hưởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách Thời gian (phút) 60 90 120 150 Khối lượng bã rắn (g) 6.12 4.08 2.75 2.16 Hiệu suất (%) 38.8 59.2 69.6 78.4 Từ bảng 3.5 xây dựng đồ thị quan hệ thời gian hiệu suất hòa tách: 28 90 78.4 80 72.5 Hiệu suất (%) 70 59.2 60 50 38.8 40 30 20 10 60 90 120 150 Thời gian (phút) Hình 3.5 Quan hệ nồng độ axit hiệu suất hòa tách Từ kết ta thấy thời gian ảnh hưởng đến hiệu suất hòa tách, giai đoạn đầu hiệu suất tăng nhanh, phía cuối hiệu suất hịa tách tăng chậm, phần HCl bay dung dịch nồng độ Al3+ tăng H+ tiếp xúc với hạt nhôm hydroxit Kết luận: Từ thông số khảo sát ta thấy điều kiện tối ưu để hịa nhơm hydroxit là: - Tốc độ khuấy : 500rpm - Nhiệt độ phản ứng : 90 – 95oC - Nồng độ axit HCl : 20% - Thời gian phản ứng : 120 phút Tiến hành tạo muối nhôm điều kiện trên, dung dịch muối nhôm (M) thu đem chuẩn độ xác định nồng độ axit dư tính tốn nồng độ Al3+ : Dung dịch M đem dịnh mức vào bình 250ml, dùng pipep hút 10ml cho vào bình định mức 100ml, lấy 10ml từ bình định mức 100ml cho vào bình tam giác 100ml, thêm 1-2 giọt thị metyl da cam, lắc Chuẩn độ dung dịch NaOH 0.1N, dung dịch chuyển từ màu đỏ sang vàng dừng chuẩn độ ghi lại thể tích NaOH 0.1N tiêu tốn: Nồng độ H + ¿= V NaOH ×0.1 × 100 ¿ 10 ×10 (mol/l) Từ lượng bã nhơm hydroxit dư tính lượng Al 3+ dung dịch muối, sau tính lượng tác nhân kết tủa cần để trung hòa hết axit dư kết tủa muối nhơm 3.4 Nghiên cứu q trình sản xuất α-Al2O3 Mục đích sản xuất α-Al2O3 tinh khiết với kích thước hạt nhỏ mịn, ta tiến hành khảo sát ảnh hưởng tác nhân kết tủa chất phân tán đến kích thước hạt 29 3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng tác nhân kết tủa Sử dụng tác nhân kết tủa nồng độ đặc bão hòa mầm tinh thể tạo nhiều nhỏ, tác nhân kết tủa sử dụng NH3 amoni bicacbonat 3.4.1.1 Kết tủa amoni cacbonat Tính tốn lượng amoni bicacbonat cần để kết tủa 50ml dung dịch muối Gia nhiệt dung dịch muối khuấy 300rpm đến 50 – 60oC Dùng pipep nhỏ từ từ dung dịch amonicacbonat bão hòa vào dung dịch muối, tiếp tục khuấy thêm 30 phút Kết tủa thu đem lọc rửa nước ấm, rửa hết ion Cl-, kiểm tra cách nhỏ dung dịch rửa vào AgNO3 đến không thấy xuất kết tủa trắng ion Cl - Sấy kết tủa 80oC đến khô, chuyển vào chén nung nung 1200oC 2h AlCl3 + 2(NH4)2CO3 = NH4AlCO3(OH)2 + 3NH4Cl + 2H2O+ CO2 2NH4AlCO3(OH)2 = Al2O3 + 2NH3 + 2CO2 + 2H2O 3.4.1.2 Kết tủa NH3 Tính tốn lượng NH3 28% cần để kết tủa 50ml dung dịch muối Gia nhiệt dung dịch muối khuấy 300rpm đến 50 – 60oC Dùng pipep nhỏ từ từ dung dịch amonicacbonat bão hòa vào dung dịch muối, tiếp tục khuấy thêm 60 phút Kết tủa thu đem lọc rửa nước ấm, rửa hết ion Cl-, kiểm tra cách nhỏ dung dịch rửa vào AgNO3 đến khơng thấy xuất kết tủa trắng ion Cl - Sấy kết tủa 80oC đến khô, chuyển vào chén nung nung 1200oC 2h AlCl3 + NH3 + H2O = Al(OH)3 + NH4Cl Al(OH)3 = Al2O3 + H2O 30 a a b b Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu α-Al2O3 sử dụng tác nhân kết tủa (NH4)2CO3 NH3 a) Kết tủa (NH4)2CO3 , b) Kết tủa NH3 Qua ảnh SEM ta nhận thấy kết tủa (NH4)2CO3 NH3 cho hạt αAl2O3 với kích thước hạt nhau, có hạt phân bố kích thước khơng kết tụ với 3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng phân tán giai đoạn kết tủa Sử dụng tác nhân kết tủa (NH4)2CO3 khảo sát sử dụng chất phân tán glyxerol, siêu âm để phân tán Qúa trình kết tủa tương tự trên, chất phân tán thêm vào giai đoạn kết tủa 31 a a c c d d Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu α-Al2O3 sử dụng phương thức phân tán khác a) Không dùng phân tán, b) Phân tán Gyxerol, c) Phân tán siêu âm Từ kết ta nhận thấy sử dụng phân tán làm giảm khả kết tụ hạt, hạt phân bố có kích thước nhỏ hơn, kết tủa thường hạt thu khoảng μm, dùng phân tán glyxerol hạt nhỏ có tượng kết tụ, siêu âm thu mẫu hạt tốt khoảng μm 32 Hình 3.8 Phổ XRD sản phẩm α-Al2O3 Phổ XRD α – Al2O3 có góc quét θ thay đổi từ 20 – 80o , xuất pic mạnh trùng với phổ chuẩn α-Al2O3 33 Hình 3.9 Giản đồ TG tiền chất Al(OH)3 Từ giản đồ ta thấy ứng với đường DTG DTA có pick tỏa nhiệt 242.09oC 319oC ứng với giảm nhẹ khối lượng, điều giải thích q trình tách nước vật lý Có pic thu nhiệt ứng với giảm khối lượng, 332.53oC giảm khối lượng nhiều (26.721%) bớt nước liên kết tạo AlOOH Từ nhiệt độ 400-600oC có giảm nhẹ khối lượng chuyển hóa thành oxit nhơm dạng γAl2O3 , từ 600-1100oC khối lượng không giảm oxit nhôm dạng γ,θ,α-Al2O3 Ở nhiệt độ 1200oC giảm nhẹ khối lượng, từ 400-1200oC giảm 8.685% 34 Hình 3.10 Giản đồ TG tiền chất NH4AlCO3(OH)2 Từ giản đồ thấy có pic thu nhiệt DTA ứng với giảm khối lượng, 103.36oC giảm 12.639%, 212.96oC giảm 28.651% Từ nhiệt độ 620-1100oC khối lượng không giảm Ở nhiệt độ 1200oC giảm nhẹ khối lượng 35 36 Hình 3.11 Giản đồ TG tiền chất NH4AlCO3(OH)2 có tác động siêu âm Từ giản đồ thấy có pick thu nhiệt DTA ứng với giảm khối lượng, 101.53oC giảm 7.024%, 193.81oC giảm 14.126% Có pick tỏa nhiệt 681.74, 949.74, 1036.25oC Từ nhiệt độ 500-1100oC khối lượng giảm khơng Ở nhiệt độ 1200oC giảm mạnh khối lượng 4.671% KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: - Đã làm bột nhôm hydroxit thơ sản xuất từ quy trình bayer - Lựa chọn điều kiện tối ưu để hòa tách axit với hiệu suất ~ 72% Tốc độ khuấy : 500rpm Nhiệt độ phản ứng : 90 – 95oC Nồng độ axit HCl Thời gian phản ứng : 20% : 120 phút - Bước đầu nghiên cứu sản xuất α – Al2O3 với cỡ hạt trung bình – μm Tuy nhiên chưa đạt hạt nano α – Al2O3 mong muốn Nghiên cứu làm tiền đề để phát triển hướng nghiên cứu sản xuất hạt nano α – Al2O3 từ bột nhôm hydroxit 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Mai Hương (2007), Nghiên cứu động học q trình hịa tách cao lanh Thanh Ba- Phú Thọ axit sunfuric, Luận văn thạc sĩ Hóa học, Viện Kỹ Thuật Hóa Học- Đại học Bách Khoa, Hà Nội Nguyễn Thành Trung (2016), Nghiên cứu sử dụng hidroxit nhơm Tân Rai hoạt hóa q trình sản xuất PAC, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội T.S Lê Thị Mai Hương, Taraxova T.V (2000), “Nghiên cứu ảnh hưởng phương pháp nghiền đến q trình hịa tan nhơm hiđrơxit”, Tuyển tập báo cáo khoa học- Viện hóa học cơng nghiệp Việt Nam Su Jin Kim, Kyu Sung Han, Tam Tran et al (2018), Recovery of Fine Alunminum hydroxide with high whiteness index from low quality Bauxite using caustic roasting and Water Leaching, Ressearch paper, vol.56, no1 (2018) pp.49-58 No-kuk Park, Hee-young Choi et al (2013), Purificationof Al(OH)3 synthesized by bayer process for preparation of high purity alumina as sapphire raw material, Journal of Crystal Growth 373 (2013) 88-91 ISSN 0036-0236, Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2019, Vol 64, No 4, pp 438–444 © Pleiades Publishing, Ltd., 2019 Russian Text © V.A Matveev, D.V Maiorov, 2019, published in Zhurnal Neorganicheskoi Khimii, 2019, Vol 64, No 4, pp 357–364 Bull Mater Sci., Vol 17, No 2, April 1994, pp 95-103 © Printed in India Alumina ceramics by sol-gel technique U.P.B Sci Bull., Series B, Vol 73, Iss 2, 2011; SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF ALUMINA NANO-POWDER OBTAINED BY SOL-GEL METHOD; Xie et al Nanoscale Research Letters (2016) 11:259 DOI 10.1186/s11671016-1472-z, The Effect of Novel Synthetic Methods and Parameters Control on Morphology of Nano-alumina Particles; Yadian Xie, Duygu Kocaefe, Yasar Kocaefe, Johnathan Cheng and Wei Liu 10 Int J Nanosci Nanotechnol., Vol 10, No 1, Mar 2014, pp 13-26; Application of Novel Gamma Alumina Nano Structure for Preparation of Dimethyl ether from Methanol; Department of Chemical Technologies, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, I R Iran 11 Shuai Wei, Le Zhang, Yue Ben et al (2017), High dispersibility of α-Al2O3 powders from coprecipitation method by step-by-step horizontal ball-milling, J Mater Sci: Mater Electron (2017) 28:16254–16261 12 Yadian Xie, Duygu Kocaefe, Yasar Kocaefe, The Effect of Novel Synthetic Methods and Parameters Control on Morphology of Nano-alumina Particles, Xie et al Nanoscale Research Letters (2016) 11:259 13 http://zbshenglun.com/item/?id=137 38 ... xuất α- Al2O3 cao cấp Vì nên em chọn đề tài “ Nghiên cứu tinh chế hydroxit nhôm để sản xuất bột mịn α- AlO3” Nôi dung nghiên cứu em gồm: - Tinh chế bột nhơm hydroxit thơ - Hịa tách bột nhơm hydroxit. .. sản xuất α – Al2O3 với cỡ hạt trung bình – μm Tuy nhiên chưa đạt hạt nano α – Al2O3 mong muốn Nghiên cứu làm tiền đề để phát triển hướng nghiên cứu sản xuất hạt nano α – Al2O3 từ bột nhôm hydroxit. .. 1.3.1 α- Al2O3 10 1.3.2 γ- Al2O3 10 1.3.3 - Al2O3 11 1.3.4 - Al2O3 12 1.4 Qúa trình thay đổi cấu trúc Al2O3 nung