4. Phương pháp nghiên cứu
3.1. Kết quả phân tích mẫu ban đầu
3.1.1. Kết quả phân tích thành phần mẫu ban đầu
Các kết quả phân tích thành phần của bã thạch cao được liệt kê ở bảng 3.1.
Bảng 3.1: Kết quả phân tích hàm lượng một số chất trong bã thải gyps (% khối lượng)
H2O tự do 0,165
H2O kêt tinh 19,06
S1O2 và các chât không tan 7,49
AI2O3 và Fe2Ơ3 0,3 CaO 28,68 MgO 0 SO3 42,51 Cl- 0 P2O5 0,9
chứa các hợp chất khác như S1O2, Fe2Ơ3... Lượng tạp chất này tương đối lớn và có thế gây ảnh hưởng đến quá trình phân hủy bã thải.
3.1.2. Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp nhiễu xạ tỉa X (XRD)
Dựa vào kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu bã thải ban đầu ta phát hiện trong mẫu có cấu trúc tinh thể của CaSƠ4.2H2 0 thu được là cấu trúc đơn tà với thông số ô mạng cơ sở:
Các cạnh: a = 5.679; b = 15.202; c = 6.522
Các góc: a = 90° ;/? = 118.43° ; Y
90°
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample Gypsum
2-Theta - Scale
0 F i l e : Quang mau G yp sum .raw -Typ e: 2Th/Th locked - Start: 10.000 End: 70.000 "-S te p : 0.030 Step tim e: 1. s -T e m p .: 25 (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 10.000 ° -T h e ta : 5.000 ° -C h i: 0.0 (Uo0-006-0047 (D) - Gypsum - CaS 04-2H 20 - Y: 6 .1 6 % -d x b y : 1. - W L: 1.5406 - Monoclinic - a 5.68000 - b 15.18000 - c 6.51000 - alpha 90.000 - beta 118.400 - gamma 90.000 - Body-centered - 12/a (15} - 000-028-0775 (Q) - Calcium Oxide - CaO - Y: 0.70 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 -
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng khử
3.2.1. Ảnh hưởng bởi nhiệt độ đến quá trình khửgyps bằng cacbon
Quá trình khử CaSƠ4 bằng cacbon ở nhiệt độ cao xảy ra khá phức tạp để tạo các sản phẩm khác nhau như CaS, CaO tùy thuộc vào tỷ lệ các chất phản ứng, nhiệt độ và điều kiện môi trường. Theo lý thuyết thì quá trình khử CaSƠ4 bằng cacbon ở khoảng 900°c sẽ tạo thành CaS theo phản ứng [3]. C aS04 + 3C -► CaS + 2CO + C 02
Một số nghiên cứu cho rằng quá trình khử CaSƠ4 bằng cacbon ở nhiệt độ cao sẽ tạo thành CaS, CaO theo các phản ứng [2, 4].
CaSƠ4 + 2C -► CaS + 2 C 02 3CaSƠ4 + CaS -► 4CaO + 3 S 02
Khi nghiên cứu quá trình khử gyps (CaS0 4.2H2Ơ) bởi cacbon bằng giản đồ phân tích nhiệt chúng ta đã nhận thấy quá trình khử xảy ra ở hai khoảng nhiệt độ. Ở 500°C- 700°c ứng với khối lượng mất khoảng 7,5%, đồng thời xuất hiện pic tỏa nhiệt ở 624,34°c và ở 800°C- 1100°c ứng với khối lượng mất khoảng 6,3%, đồng thời xuất hiện pic tỏa nhiệt ở 1100°c (hình 3.2).
DrTGA TGA
Dựa trên kết quả thu được, các nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến quá trình tạo sản phấm được khảo sát ở nhiệt độ trong khoảng 700°c - 1000°c. Neu quá trình khử gyps bằng cacbon xảy ra hoàn toàn ở khoảng nhiệt độ này thì sẽ có lợi về mặt năng lượng hơn so với ở nhiệt độ 1000°c.
3.2.2. Anh hưởng hàm lượng cacbon và thời gian nung đến quá trình khử gyps bằng cacbon khi nung mẫu ở 700°c
Thời gian nung (phút)
Hình 3.3: Anh hưởng hàm lượng và thời gian nung ở 900°c đến khối lượng sản phấtn tạo thành
Ket quả trên hình 3.3 cho thấy thời gian nung càng lâu thì khối lượng chất rắn sau nung càng giảm, tuy nhiên sau khoảng 2 giờ 30 phút thì khối lượng chất rắn gần như không thay đổi. Từ hình 3.3 nhận thấy nếu dùng 0,07 gam cacbon thì trong 30 phút đầu khối lượng chất rắn sau phản ứng giảm rất
nhanh sau đó giảm từ từ cho đến khối lượng không đổi. Nếu dùng khối lượng cacbon từ 0,1 gam đến 0,25 gam thì khối lượng chất rắn sau phản ứng giảm từ từ cho đến không thay đổi. Ket quả từ hình 3.3 cũng cho thấy khối lượng cacbon tối ưu từ 0,2 gam hoặc 0,25 gam. Thời gian nung từ 140 - 150 phút.
3.2.3. Anh hưởng nhiệt hàm lượng cacbon và thời gian nung đến quá trình khửgyps bằng cacbon khi nung mẫu Ở900°c
Thời gian (phút)
Hình 3.4: Ánh hưởng của hàm lượng và thòi gian nung ở 900°c đến
khối lưọìig sản phẩm tạo thành
Ket quả trên hình 3.4 cho thấy thời gian nung càng lâu thì khối lượng chất rắn sau nung càng giảm, tuy nhiên sau khoảng 2 giờ 30 phút thì khối lượng chất rắn ứng với các mẫu 0,1-0,25 gam cacbon gần như không thay đổi. Từ hình 3.4 cũng nhận thấy nếu dùng khối lượng cacbon 0,07 - 0,1 gam thì
gam thì khối lượng chất rắn sau nung giảm từ từ cho đến không thay đổi. Từ kết quả trên có thể thấy khối lượng cacbon sử dụng nên nằm trong khoảng 0,2
- 0,25 gam, thời gian nung 140-150 phút.
3.2.4. Anh hưởng hàm lượng cacbon và thòi gian đến quá trình khử gyps bằng cacbon khi nung mẫu ở 1000°c
Hình 3.5 cho biết ảnh hưởng hàm lượng cacbon và thời gian nung đến quá trình khử gyps bằng cacbon khi nung mẫu ở 1000°c. Ket quả trên hình 3.5 cho thấy thời gian nung càng lâu thì khối lượng chất rắn sau nung càng giảm, tuy nhiên sau khoảng 2 giờ 30 phút thì khối lượng chất rắn gần như không thay đổi.
Hình 3.5: Anh hưởng hàm lượng cacbon và thời gian nung ở 1000°c đến khối lượng sản phẩm tạo thành
Từ hình 3.5 cũng nhận thấy nếu dùng khối lượng cacbon 0,07 gam thì khối lượng chất rắn giảm nhanh trong 120 phút đầu sau đó giảm từ từ cho đến không thay đổi, còn nếu khối lượng cacbon dùng 0,1 - 0,2 gam thì khối lượng chất rắn sau phản ứng giảm từ từ cho đến không thay đối. Neu dùng 0,25 gam cacbon thì trong khoảng 90 phút đầu khối lượng chất rắn thu được giảm nhanh sau đó giảm từ từ và đạt giá trị không đối ở khoảng 2 giờ 30 phút. Từ kết quả hình 3.5 có thế thấy khối lượng cacbon thích hợp trong khoảng 0,15 - 0,25 gam. Thời gian nung từ 120 phút đến 150 phút.
3.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khử gyps bằng cacbon ở cácnhiệt độ khấc nhau nhiệt độ khấc nhau
So sánh các mẫu với tỷ lệ phối liệu 1 gam gyps + 0,25 gam c và nung ở
700°c, 900°c, 1000°c được kết quả trên hình 3.6.
Thời gian nung (phút)
Hình 3.6: Sự giảm khối lượng khi nung 1 gam gyps với 0,25 gam c ở các nhiệt độ khácnhau.
Kết quả trên hình 3.6 cho thấy mẫu nung ở 700°c sau 2 giờ 30 phút có khối lượng lớn hơn khá nhiều so với mẫu nung ở 900°c và 1000°c. Ở 900°c
mẫu giảm từ từ và ổn định sau 90 phút. Sau 2 giờ 30 phút mẫu nung ở 900°c
và 1000°c đạt được cùng khối lượng như nhau và có thế coi như không đối.
3.2.6. Phân tích thành phần pha một số mẫu sản phẩm thu được sau khi nung bằng nhiễu xạ XRD b - U m/ - V A . V K - y ^ ''V v ,-v^W '',W / w V v j a: CaS b: Si02 c: CaSO. 20 I 30 I 40 I 50 60 70 2 thêta
Hình 3.7: XRD các mẫu sản phẩm 1 gam Gyps + 0,25 gam c nung ở 700°c (M l), 900°c (M2), 1000°c (M3)
Kết quả thu được từ hình 3.7 cho thấy mẫu nung ở 700°c ngoài thành phần CaS và SÌƠ2 còn có CaSƠ4 ứng với pic rõ nét ở 25,5 (vị trí c), điều này là do ở nhiệt độ này quá trình phản ứng xảy ra không hoàn toàn. Ớ 900°c pic xuất hiện CaSƠ4 còn rất yếu và ở 1000°c thì biến mất hoàn toàn. Sự xuất hiện pic S1O2 là do trong thành phần gyps có chứa khoảng 10% S1O2 (bảng 3.1). Nghiên cứu cũng cho thấy không xuất hiện pic đặc trưng của tinh thể CaO, điều đó có nghĩa là quá trình nung khử gyps bằng cacbon ở nhiệt độ 700°c -
K ẾT L U Ậ N
Qua quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài và trên cơ sở xử lý các số liệu, các tài liệu tham khảo về quá trình khử gyps bằng cacbon ở nhiệt độ cao. Tôi đã thực hiện được và làm sáng tỏ các vấn đề.
1. Đã khảo sát giản đồ phân tích nhiệt khử gyps bằng cacbon. Ket quả nhận được cho thấy quá trình khử xảy ra ở hai khoảng nhiệt độ là khoảng
650°c và 1100°c.
2. Đã khảo sát ảnh hưởng hàm lượng cacbon, nhiệt độ, thời gian nung đến khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng. Các kết quả thu được cho thấy khối lượng cacbon thích họp dùng để khử 1 gam gyps thành CaS vào khoảng 0,2 - 0,25 gam ứng với thời gian phản ứng 120 - 140 phút.
3. Đã xác định sản phẩm thu được sau khi nung bằng phương pháp XRD. Ket quả nhận được cho thấy quá trình nung khử gyps bằng cacbon ở 700°C- 1000°c sẽ tạo sản phẩm CaS và để quá trình xảy ra hoàn toàn cần thực hiện ở 1000°c trong thời gian tối thiểu 90 phút.
Neu tiếp tục nghiên cứu theo hướng mới để làm tăng sự tối ưu của việc xử lý bã thải gyps. Ta có thế áp dụng nó vào môi trường sản xuất công nghiệp để thu hồi lượng SƠ2 có trong bã thải gyps cũng như ứng dụng của CaO. CaS trong các ngành công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO I. Tài liệu trong nước
1. Nguyễn Văn Quang, La Văn Bình, La Thế Vinh. Điều chế amonỉ sunfat từ gypsum và amonỉỊỉorua. Tạp chí Hóa học, 52 (5A), 143-146 (2014).
2. Nguyễn Hạnh, Cơ sở lý thuyết hóa học, Phàn 2: Nhiệt động hóa học,động hóa học và điện hóa học, Nhà xuất bản giáo dục, 1996
3. Lê Kim Long, Hoàng Nhuận (biên dịch) Tính chất lý hóa học của các chất vô c ơ. NXB KH và KT (2001 ).
4. Lương Duyên Bình, et. Al, Vật lý đại cương, Tập 1: Cơ - Nhiệt, Nhà xuất bản giáo dục, 1996.
5. Lê Như Ý, Kỹ thuật thiết bị phản ứng, Đại học Đà Nang, 2008
6. Trương Dực Đức, Hướng dẫn thí nghiệm hóa phân tích, Bộ môn hóa phân tích trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
II. Tài liệu nước ngoài
7. E.M. van der Merwea, C.A. Strydoma, and J.H. Potgieter.
Thermo gravimetric analysis of there action Between carbon CC1SO4.2H2O gypsum and phosphogypsum In an inertat mosphere. Thermochimica Acta 340-341 (1999)431-437.
8. Kangle Ding, Shasha Wang. Reduction of Calcium Sulfate by Activated Carbon under Hydrothermal Conditions Experimental Study and Thermodynamic Assessment.
Natural gas geochemistry: recent developments, application, and technologies, may 9-12,2011- Beijing, China.
9. L.Bonstein, Thermodynamic Properties of Inorganic Material Scientific Group Thermodate Europe (SGTE), Springer, Berlin, Germany, 1999.