2.2.2.1. Mô tả thực nghiệm
Nghiên cứu động học của quá trình hòa tan cao lanh trong axit sunfuric được thực hiện như sau :
Thiết bị thí nghiệm gồm có : Máy điều nhiệt với tác nhân gia nhiệt là nước (thể tích 15 lít). Mục đích là để giữ cho nhiệt ổn định. Quặng cao lanh và axit được cho vào bình ba cổ. Để tăng tốc độ phản ứng (tăng tốc độ chuyển khối giữa hai pha) trong bình phản ứng ba cổ có lắp thêm cánh khuấy. Trục khuấy được lắp với động cơ có thể điều chỉnh để thay đổi được tốc độ khuấy. Để đảm bảo nhiệt độ môi trường ổn định, trong máy điều nhiệt có lắp nhiệt kế tiếp
xúc và rơ le. Khi nhiệt độ của nước trong máy điều nhiệt lên cao hoặc xuống thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì nhờ có rơ le và nhiệt kế tiếp xúc mà nó tự ngắt hoặc đóng mạch để dòng điện đi vào điện trở. Để kiểm tra nhiệt độ phản ứng, có đặt thêm nhiệt kế thường vào bình phản ứng ba cổ với độ chính xác là 0,10C. Máy điều nhiệt này chỉ dùng tiến hành thí nghiệm ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000C.
2.2.2.2. Tiến hành thí nghiệm
Sau khi nhiệt độ của nước trong máy điều nhiệt đã đạt yêu cầu thì lắp bình phản ứng ba cổ vào. Quặng cao lanh sau khi đem nung ở nhiệt độ xác định trong thời gian thích hợp. Đem sàng để phân loại chọn lấy hạt có kích thước nhất định và đem cân lấy một lượng xác định. Sau đó lắp cánh khuấy vào cho chạy thử, khi đã khuấy tốt thì bắt đầu cho axit H2SO4 vào bình. Cho cánh khuấy chạy với tốc độ không đổi là 600 vòng/phút. Nhìn nhiệt độ ở nhiệt kế đặt trong bình phản ứng đã đạt nhiệt độ yêu cầu thì cho cao lanh vào và bắt đầu ghi thời gian phản ứng. Trong quá trình tiến hành thí nghiệm ba cổ của bình phản ứng phải dùng nút cao su đậy kín tránh hiện tượng bay hơi làm giảm thể tích dung dịch trong bình. Sau thời gian phản ứng đã qui định dung dịch trong bình phản ứng được đem lọc. Phần bã trên phễu lọc dưới cũng được rửa kĩ bằng nước cất. Toàn bộ dung dịch sau lọc rửa được chuyển vào bình định mức đem phân tích để xác định hàm lượng Al3+.
2.2.3. Phương pháp phân tích
Xác định nồng độ nhôm (Al3+) bằng phương pháp phân tích thể tích
2.2.3.1. Cơ sở phương pháp
Trong môi trường axit yếu việc định phân xác định nhôm bằng EDTA gặp khó khăn do phức hiđroxo của nhôm tác dụng với EDTA rất chậm. Nên chuẩn độ nhôm bằng EDTA dùng phép chuẩn độ dư (phương pháp chuẩn độ ngược).
Cho một lượng dư EDTA có nồng độ xác định vào dung dịch muối nhôm rồi đem đun nóng để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Sau đó lượng EDTA dư được
chuẩn bằng dung dịch muối ZnCl2 có nồng độ xác định ở pH = 5,2 – 5,5 với chất chỉ thị màu là xylen da cam. Màu của dung dịch chuyển từ vàng sang đỏ.
Các phản ứng chính xảy ra :
Al3+ + H2Y2- AlY- + 2H+ H2Y2- + Zn2+ ZnY2- + 2H+
Zn2+
(dư) + xylen da cam phức màu đỏ
2.2.3.2. Phương pháp tiến hành
Xác định hàm lượng Al3+ hòa tan trong axit
Lấy tất cả dung dịch của 2 lần lọc rửa (sau khi axit hóa) cho vào bình định mức 250ml, sau đó định mức bằng nước cất và lắc đều.
Lấy 5ml dung dịch sau định mức cho vào bình tam giác, cho thêm 20ml dung dịch EDTA 0,1M vào, đun nóng đến gần sôi, để nguội, tiếp tục cho thêm 20ml dung dịch đệm axetatnatri pH = 5,2 – 5,5 , thêm 1- 2 giọt xylen da cam lắc đều, sau đó chuẩn độ lượng EDTA 0,1M. Khi dung dịch chuyển từ màu vàng sang màu đỏ thì dừng chuẩn độ, ghi thể tích ZnCl2 0,1M tiêu hao.
2.2.3.3. Công thức tính toán
%
Trong đó : - CAl3+ : Nồng độ Al3+ ( mol/l).
- VEDTA : Thể tích EDTA cho vào (ml). - CMEDTA : Nồng độ EDTA (mol/l).
- CZnCl2 : Nồng độ ZnCl2 (mol/l). - Vđm : Thể tích mẫu định mức (ml). - Vxđ : Thể tích mẫu hút (ml).
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ sử dụng trong nghiên cứu được cho ở bảng dưới :
Thành phần Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO + MgO
Na2O K2O Mất khi nung ở 850oC Hàm lượng% 37,84 45,57 0,46 4,05 0,05 0,92 11,11
Bảng 3.1: Thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú Thọ.
Dựa vào bảng thành phần hóa học của mẫu cao lanh ta thấy hàm lượng nhôm oxit trong mẫu cao lanh khảo sát là khá lớn đạt tới 37,84%. Vì vậy, hướng đề tài nghiên cứu khả năng tách nhôm từ cao lanh của em rất khả quan bởi trữ lượng của cao lanh là vô tận.
3.1. Giản đồ XRD của mẫu cao lanh ở các nhiệt độ khác nhau
Thành phần pha mẫu cao lanh được xác định qua giản đồ nhiễu xạ tia X trên máy Advance-Bruker với góc quét từ 10o -
70o.
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Caolanh
01-1098 (D) - Muscovite - H2KAl3(SiO4)3 - Y: 19.04 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 01-0527 (D) - Kaolinite - Al2Si2O5(OH)4 - Y: 29.82 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 33-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 12.75 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Khoi-Cao lanh.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 04/17/12 11:46:20
Li n (Cp s) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 2-Theta - Scale 5 10 20 30 40 50 60 70 d = 9 .9 5 1 d = 7 .1 5 3 d = 4 .9 8 2 d= 4 .4 3 7 d = 4 .3 5 9 d = 4 .2 4 9 d = 4 .1 7 4 d = 3 .5 7 2 d = 3 .3 2 9 d = 2 .5 5 5 8 d = 2 .4 9 3 2 d = 2 .3 8 1 1 d = 2 .3 3 7 0 d = 2 .2 8 9 3 d = 2 .1 2 7 4 d = 1 .9 9 4 0 d = 1 .7 8 5 5 d = 1 .6 6 1 1 d = 1 .5 4 2 3 d = 1 .4 8 7 3 d = 1 .4 1 8 5
Hình 3.1: Giản đồ XRD của mẫu cao lanh ở nhiệt độ thường.
Kết quả nhận được cho thấy trong mẫu cao lanh trước khi nung chứa hai pha tinh thể chính là Kaolinite và Quartz (hình 3.1).
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau cao lanh 600C
00-003-0010 (D) - Montmorillonite - (Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·xH2O - Y: 21.07 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 -
00-033-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 95.36 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91340 - b 4.91340 - c 5.40530 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 - 113. File: Trung K54A mau Cao lanh-600C.raw - Type: Locked Coupled - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 1 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.00
Li n (C ps) 0 100 200 300 400 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 d= 4. 89 2 d= 4. 44 9 d= 4. 25 6 d= 3. 34 7 d= 2. 28 5 d= 1. 82 0 d= 1. 37 4 d= 1. 54 2 d= 2. 55 4
Hình 3.2: Giản đồ XRD của mẫu cao lanh ở nhiệt độ 6000C. Nghiên cứu quá trình chuyển pha khi nung mẫu cao lanh ở 600oC trong 2 giờ nhận thấy ở 600oC mất pha tinh thể Kaolinite chỉ còn lại pha Quartz và xuất hiện pha tinh thể Montmorillonite (hình 3.2).
Hình 3.3: Cấu trúc nguyên tử của tinh thể khoáng vật Kaolinite và
Hình 3.4: Sơ đồ rút gọn về cấu trúc nguyên tử của tinh thể khoáng vật
Kaolinit và Montmorillonite.
Về cơ bản khoáng vật Kaolinit bao gồm các lớp lặp lại của một lớp tứ diện (bốn mặt – silic) và một lớp bát diện (alumin or gibbsit). Do một lớp này thường tạo ra bởi hai lớp cơ bản nên người ta gọi kaolinit là khoáng vật sét tỷ lệ 1:1 (hình 3.3). Hai lớp gắn kết với nhau bằng cách thức : nguyên tử silic ở đầu lớp silic liên kết với lớp bát diện và tạo thành một lớp riêng biệt (hình 3.4). Lớp này có bề dày khoảng 0,72nm và phát triển không hạn chế theo hai phương khác. Một tinh thể kaolinit thông thường gồm 70 -100 lớp cơ bản tạo thành. Các lớp kế tiếp liên kết với lớp cơ bản bằng mối liên kết hydro giữa các hydroxyl (-OH) của các khối bát diện và các oxi (-O-) của các khối tứ diện. Do mối liên kết hydro rất chặt chẽ, nó làm giảm quá trình hydrat hóa và cho các lớp này gắn kết nhau để tạo thành tinh thể lớn hơn. Vì vậy axit khó tấn công vào sâu bên trong hạt cao lanh ở trạng thái chưa nung.
Monmorilonit, đôi khi còn gọi là smectit là một khoáng vật quan trọng được tạo bởi 2 lớp silic và 1 lớp alumin (gipxit) (hình 3.3). Do đó, monmorilonit được gọi là khoáng vật có tỷ lệ 2:1. Khối bát diện nằm giữa hai
lớp silic (khối tứ diện) bởi các đỉnh tứ diện liên kết với các nguyên tử hydroxyl nằm ở đỉnh khối bát diện tạo thành một lớp hoàn chỉnh (hình 3.4). Bề dày của lớp có tỷ lệ 2:1 này khoảng 0,96nm và phát triển không hạn chế theo 2 phương kia (tương tự như tinh thể kaolinit). Vì lực hút Van der Waal giữa các lớp silicat nằm phía trên yếu và có độ hụt điện tích âm thực trong lớp bát diện. Do đó, ion H+ của phân tử axit dễ dàng tấn công vào tinh thể monmorilonit hay chính là cao lanh khi đã được nung tới nhiệt độ 6000C.