L ỜI MỞ ĐẦU
3.1.2 Các dụng cụ và hóa chất cần dùng
Để tổng hợp được polyme alumino silicat và xác định thành phần hóa của chúng ta sử dung các dụng cụ và hóa chất sau:
- Máy khuấy từ. - Tủ sấy. - Lò nung. - Nước cất. - Ống đong dung tích 10ml, 50ml, 100ml. - Bếp điện. - Bếp cách cát.
- Bình tam giác dung tích 250ml.
- Bình định mức dung tích 100ml, 200ml, 250ml, 500ml. - Chén nung, đũa thủy tinh, giấy lọc, giấy pH….
- Chỉ thị Bromthymol xanh, HCl đặc, HCl 5%, HF, KHSO4, NH4Cl, dung dịch EDTA 0,1M, dung dịch ZnCl2, Natri axetat.
3.2. Tiến hành phản ứng tổng hợp polyme alumino silicat
- Lấy 100ml thủy tinh lỏng và 1 tỷ lệ nước nhất định (Khoảng 10ml) cho vào cốc 500ml. Sau đó đặt lên máy khuấy từ, khuấy ở các nhiệt độ xác định trong 1 thời gian.
- Cho khoảng 10g đến 15g cao lanh đã nung vào và khuấy tiếp ở nhiệt độ
trong thời gian khảo sát. Trong quá trình khuấy cần duy trì thể tích của dung dịch. - Sau khi khuấy xong để cặn của dung dịch lắng xuống, ta lấy nước trong ở
trên cho vào chai nhựa, đậy lắp kín. Trong quá trình lắng không được để dung dịch
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 4.1. Thành phần hoá học vàthành phần phacủa mẫu cao lanh
Cao lanh sử dụng trong nghiên cứu này là cao lanh Phú Thọ với thành phần hoá học các chất như sau:
SiO2 = 43,79%; Al2O3 = 37,37%; Fe2O3 = 1,94%; TiO2 = 0,38%; CaO = 0,77%; MgO = 0,89%; K2O = 1,11%; Na2O = 0,02%; Khối lượng mất khi nung = 4,10%. Thành phần pha của cao lanh được thể hiện qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Advance-Bruker với góc quét từ 5ođến 60o (hình 4).
Hình 4. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu cao lanh Phú Thọ
Kết quả chụp phổ XRD thu được ở hình 4 cho thấy trong cao lanh chứa chủ yếu là khoáng Kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4, khoáng Kyanite Al2SiO5, ngoài ra còn khoáng Halloysite Al2Si2O5(OH)4 và khoáng Hydrogen silicate H2Si3O7. Các thành phần pha rắn còn lại trong cao lanh có thể nằm ở dạng vô định hình hoặc tạp chất với hàm lượng nhỏ.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau 2
Li n ( C ps) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 2-Theta - Scale 5 10 20 30 40 50 d= 9 .96 1 d= 7 .14 7 d= 4 .97 7 d= 4 .45 3 d= 4. 34 8 d= 3 .5 7 6 d= 3 .33 2 d= 3. 18 6 d= 3. 14 8 d= 2. 55 8 d= 2 .49 2 d= 2 .38 2 d= 2. 3 42 d= 1 .994 d= 1 .66 1 Kaolinite Kyanite Halloysite Hydrogen silicate Kaolinite
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tách nhôm từ cao lanh.
4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung cao lanh đến khả năng tách Al
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung cao lanh đến khả năng tách Al từ cao lanh, chúng tôi đã làm thí nghiệm với các điều kiện sau:
- Cao lanh nung ở các nhiệt độ khác nhau: 6600C, 6700C, 6800C, 6900C, 7000C, 7100C lưu trong 6h.
- Lấy 100ml thủy tinh và 15ml nước cho vào cốc 500ml khuấy đều ở nhiệt
độ 60 - 700C.
- Cho 10g cao lanh vào trong cốc dung dịch đó và khuấy ở nhiệt độ 60 - 700C trong vòng 4h.
Khi khuấy xảy ra phản ứng của caolanh với dung dịch Na2SiO3 như sau:
<1000C
wNa2O.xSiO2.yH2O + Al2O3.2SiO2→ wNa2O.2Al2O3.(2+x)SiO2.zH2O
NaOH
Al2O3.2SiO2 + 2nH2O → n(OH)3-Si-O-Al--(OH)3
n(OH)3-Si-O-Al--(OH)3 + NaOH →Na+-(Si-O-Al--O-)n + 3nH2O w, x, y: Phụ thuộc thành phần của dung dịch kiềm.
z: Mức độ hydrat hóa.
- Sau khi khuấy xong ta lắng cặn xuống để lấy phần dung dịch trong ở trên. Sau đó đem phân tích thành phần hóa của dung dịch.
- Các mẫu thí nghiện được ký hiệu theo thứ tự là: mẫu 1-1, mẫu 1-2, mẫu 1- 3, mẫu 1- 4, mẫu 1-5, mẫu 1-6. Kết quả phân tích thành phần hoá học các mẫu được cho ở bảng 3.
Tên mẫu SiO2(%) Al2O3(%) Na2O(%) H2O và tạp chất (%) Mẫu 1-1 65,20 1,14 15,88 17,78 Mẫu 1-2 64,36 1,24 16,22 18,18 Mẫu 1-3 64,64 1,38 15,27 18,71 Mẫu 1-4 65,36 1,41 15,82 17,41 Mẫu 1-5 65,60 1,31 15,92 17,17 Mẫu1- 6 64,70 1,45 15,54 18,31
Bảng 3. Thành phần hoá học các mẫu dung dịch thu được ứng với nhiệt độ nung cao lanh khác nhau.
Nhìn vào bảng thành phần hóa học trên ta thấy cao lanh nung ở nhiệt độ 7100C (mẫu 1-6) là cho khả năng tách nhôm cao nhất.
Từ bảng 3 ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ nung cao lanh và khả
năng tách nhôm như sau (hình 5):
Quan hệ nhiệt độ nung caolanh và khả năng tách Al
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 650 660 670 680 690 700 710 720
Nhiệt độ nung Caolanh [0C]
Hàm l ượ ng A l t rong dung d ị ch [ % ]
Hình 5: Mối quan hệ giữa nhiệt độ nung cao lanh và khả năng tách nhôm
Nhìn vào đồ thị ta thấy khi tăng nhiệt độ nung caolanh từ 6600C đến 6900C khả
cấu trúc xốp, thuận lợi cho quá trình xâm nhập và tương tác của các ion hoạt tính trong dung dịch Na2SiO3 với caolanh. Từ 690oC đến 700oC khả năng tách Al lại giảm, đây có thể là do quá trình thay đổi cấu trúc pha của caolanh, các khoáng có mặt trong caolanh trở nên khó tan trong môi trường kiềm hơn. Đến 7100C thì khả
năng tách nhôm là cao nhất, điều này là do ở 7100C khoáng trong cao lanh chuyển hóa thành metacaolinit làm cho cao lanh hoạt tính hơn và dễ tách nhôm hơn.
4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nung đến khả năng tách Al.
Sau khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng tách nhôm. Lấy caolanh nung ở nhiệt độ 7100C với thời gian lưu khác nhau (4 giờ, 5 giờ, 6 giờ, 7 giờ) đem đi tổng hợp polyme alumino silicat để tìm ra thời gian lưu thích hợp. Các mẫu được đánh dấu theo thứ tự thời gian lưu: Mẫu 2-1, mẫu 2-2, mẫu 2-3, mẫu 2-4.
Tên mẫu SiO2(%) Al2O3( %) Na2O(%) H2O và tạp chất (%)
Mẫu 2-1 65,76 1,69 16,03 16,52
Mẫu2-2 65,42 1,73 15,82 17,03
Mẫu 2-3 65,68 2,3 15,81 16,21
Mẫu 2-4 64,81 2,03 15,43 17,73
Bảng 4: Thành phần hoá học các mẫu polyme thu được ứng với thời gian lưu khác nhau ở 710oC.
Từ bảng 4 ta có đồ thị về mối quan hệ giữa thời gian lưu và khả năng tách nhôm (hình 6). Nhìn vào đồ thị quan hệ giữa thời gian lưu và hàm lượng nhôm trong dung dịch (quy theo % Al2O3) ta thấy khi nung cao lanh ở nhiệt độ 7100C trong khoảng 4
đến 5 giờ thì khả năng tách Al gần như không đổi, trong khoảng 5 đến 6 giờ thì khả
năng tách Al tăng lên và đạt cao nhất ứng với thời gian 6 giờ, điều này có thể lý giải là do với thời gian lưu như trên đảm bảo cho khoáng của cao lanh chuyển hóa tối đa thành metacaolinit làm cho cao lanh hoạt tính hơn, nung lâu hơn 6 giờ thì khả năng
tách Al lại giảm, điều này có thể là do quá trình kéo dài thời gian nung làm cho khoáng metacaolinit bị già hoá, làm giảm khả năng hoạt tính của nguyên tử Al trong khoáng.
Quan hệ thời gian nung cao lanh ở 7000C và khả năng tách Al
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5
Thời gian nung caolanh [giờ]
Hà m l ượ ng A l t ro ng du ng d ị ch [ % ]
Hình 6: Mối quan hệ giữa thời gian nung và khả năng tách nhôm
4.2.3. Nghiên cứu nhiệt độ phản ứng đến khả năng tách nhôm
Nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng đến khả năng tách Al. Để nghiên cứu ảnh hưởng này, trong quá trình thí nghiệm chúng tôi đã sử dụng mẫu thí nghiệm với 10g cao lanh đã nung ở nhiệt độ 7100C và lưu ở nhiệt độ đó trong 6 giờ cho vào trong dung dịch thủy tinh lỏng khuấy ở các nhiệt độ khác nhau (400C, 500C, 600C, 700C) với thời gian khuấy là 4h để tổng hợp polyme vô cơ alumino silicat. Trong quá trình khuấy phải luôn đảm bảo thể tích của dung dịch không thay đổi. Các mẫu được ký hiệu là mẫu 3-1, mẫu 3-2, mẫu 3-3, mẫu 3-4. Kết quả phân tích dung dịch thu được sau 4 giờ phản ứng ở các nhiệt độ trên được cho ở bảng 5.
Tên mẫu SiO2(%) Al2O3( %) Na2O(%) H2O và tạp chất (%)
Mẫu 3-1 65,26 0,9 16,02 17,79
Mẫu 3- 2 64,32 1,02 15,88 18,78
Mẫu 3- 3 65,65 2,25 15,31 16,79
Mẫu 3- 4 65,63 2,19 16,01 16,17
Bảng 5. Thành phần hóa học các mẫu với nhiệt độ phản ứng khác nhau
Nhìn vào bảng 5 thành phần hóa của các mẫu thấy rằng mẫu 3-3 ứng với nhiệt độ
phản ứng 60oC cho hiệu suất tách nhôm cao nhất. Từ bảng 5 ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ phản ứng và hàm lượng Al2O3 thu được (hình 7)
Quan hệ nhiệt độ phản ứng đến khả năng tách Al 0 0.5 1 1.5 2 2.5 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Nhiệt độ phản ứng [oC] Hà m l ượ ng A l t ron g d un g d ị ch [% ] Hình 7: Mối quan hệ giữa nhiệt độ phản ứng và khả năng tách Al
Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đến độ nhớt của pha lỏng và sự chuyển động của các cấu tử hoạt động trong pha lỏng vì vậy thông thường khi nhiệt độ tăng thì tốc độ
phản ứng tăng. Khả năng tách Al khỏi cao lanh được đánh giá thông qua phân tích thành phần Al có trong dung dịch (quy đổi về dạng Al2O3), điều này liên quan đến hiệu suất quá trình. Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất quá trình cho thấy ban đầu khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 40oC đến 50oC thì hiệu suất quá trình hầu như không đổi, khi nhiệt độ tăng trên 50oC thì hiệu suất quá trình tăng điều này có thể là do ở một nhiệt độ thích hợp hoạt tính của pha lỏng đạt giá trị lớn nhất, vì vậy khả năng tương tác của pha lỏng với pha rắn tốt nhất và hiệu
suất quá trình thu được cao nhất. Ở giá trị nhiệt độ nhỏ hoặc lớn hơn giá trị nhiệt độ
thích hợp hoạt tính của pha lỏng đều giảm do vậy hiệu suất quá trình nhỏ hơn.
4.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng tách nhôm
Thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến khả năng tách Al hay không? Với mẫu cao lanh nung ở 710oC trong 6 giờ và nhiệt độ phản ứng là 60oC thì thời gian phản ứng thế nào là thích hợp? Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng tách Al chúng tôi đã khảo sát phản ứng trong khoảng thời gian từ 2 giờ đến 5 giờ. Trong quá trình khuấy phải luôn đảm bảo thể tích của dung dịch không thay đổi. Các mẫu
được ký hiệu là mẫu 4-1, mẫu 4-2, mẫu 4-3, mẫu 4-4. Kết quả nhận được cho ở
bảng 6.
Tên mẫu SiO2(%) Al2O3( %) Na2O(%) H2O và tạp chất (%)
Mẫu 4- 1 64,88 0,72 15,88 18,52
Mẫu 4-2 65,22 0,82 16,22 17,74
Mẫu 4-3 64,76 2,22 14,22 18,80
Mẫu 4-4 65,88 2,2 16,12 15,80
Bảng 6. Thành phần hoá học các mẫu thu được với thời gian phản ứng khác nhau.
Nhìn vào bảng 6 thành phần hóa học thấy mẫu 4-3, ứng với thời gian khuấy 4 giờ
cho hiệu suất tách nhôm cao nhất. Khuấy với thời gian lớn hơn thì hiệu suất tách nhôm hầu như không đổi. Từ bảng 6 ta có đồ thị biêủ diễn mối quan hệ giữa thời gian khuấy và hàm lượng Al2O3 (hình 8).
Quan hệ giữa thời gian phản ứng và khả năng tách Al 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Thời gian phản ứng [giờ] Hà m l ượ ng A l t ro ng du ng d ị ch [ % ] Hình 8: Mối quan hệ giữa thời gian phản ứng và khả năng tách Al
Thời gian khuấy càng tăng thì khả năng tách nhôm tăng do tốc độ phản ứng phụ
thuộc rất nhiều vào thời gian tiếp xúc giữa hai pha. Ở thời gian đầu khả năng tách nhôm tăng theo thời gian vì khi đó các phản ứng chưa đạt đến cân bằng. Càng khuấy thì màng sản phẩm phản ứng được bao bọc quanh hạt cao lanh tan ra sẽ tạo
điều kiện cho pha lỏng lại tiếp xúc trục tiếp với hạt cao lanh và sản phẩm tạo thành. Cứ như thế cho đến khi phản ứng đạt cân bằng thì khả năng tách nhôm không hầu như không tăng.
4.2.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến khả năng tách nhôm
Để nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến khả năng tách Al, thí nghiệm lấy cao lanh nung ở 7000C lưu trong 6h cho vào dung dịch thủy tinh lỏng khuấy ở nhiệt
độ (60– 70)0C với tốc độ khuấy khác nhau từ 400 vòng/phút đến 800 vòng/phút. Để
lắng cặn dung dich ta gạn lấy phần dung dịch trong ở trên cho vào chai nhựa đậy kín, sau đó đem phân tích thành phần các chất có trong dung dịch. Các mẫu được ký hiệu theo thứ tự là mẫu 5-1, mẫu 5-2, mẫu 5-3, mẫu 5- 4, mẫu 5-5. Kết quả phân tích dung dịch được cho ở bảng 7.
Tên mẫu SiO2(%) Al2O3( %) Na2O(%) H2O và tạp chất (%) Mẫu 5-1 64,88 1.72 15,88 17,52 Mẫu 5-2 65,22 1,82 16,22 17,42 Mẫu 5-3 64,76 2,22 14,22 18,80 Mẫu 5-4 65,88 2,21 16,12 15,79 Mẫu 5-5 65,55 2,22 15,76 16,47
Bảng 7. Thành phần các chất trong dung dịch thu được khi thực hiện phản ứng ở
các tốc độ khuấy khác nhau.
Từ bảng 7 ta xây dựng được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ khuấy và hàm lượng Al2O3 như sau (hình 9). Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ khuấy và khả năng tách Al 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Tốc độ khuấy (Vòng/phút) hà m l ượ ng A l 2 O 3 (% )
Hình 9: Mối quan hệ giữa tốc độ khuấy và hàm lượng Al2O3
Từđồ thị ta thấy khi tăng tốc độ khuấy khả năng tách nhôm sẽ tăng do khi phản ứng xảy ra sẽ tạo màng sản phẩm bao bọc hạt cao lanh ngăn không cho phản ứng xảy ra khi khuấy thì màng này bị phá vỡ, càng khuấy nhanh thì màng sản phẩm bị phá vỡ
nhanh và tăng khả năng tiếp xúc giữa pha lỏng và pha rắn. Ngoài ra khuấy trộn còn làm cho các hạt cao lanh không bị lắng xuống đáy bình phản ứng tạo thành tập hợp
hạt, giảm khả năng tiếp xúc với pha lỏng vì vậy khuấy trộn tăng sẽ tăng khả năng phản ứng. Tuy nhiên khi tốc độ khuấy đã đủ để phá vỡ màng sản phẩm và tạo cho các hạt cao lanh phân tán đều trong toàn khối dung dịch mà ta vẫn tiếp tục tăng tốc
độ khuấy thì lúc đó tốc độ khuấy hầu như không làm tăng thêm khả năng tách Al.
4.2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến khả năng tách nhôm * Dùng phụ gia Al2O3 kỹ thuật
Lấy 10g cao lanh đã nung ở nhiệt độ 7100C và lưu ở nhiệt độ đó 6 giờ cho vào trong dung dịch thủy tinh lỏng khuấy ở nhiệt độ (60 – 70)0C, sau đó cho thêm khoảng 2g Al2O3 kỹ thuật vào và khuấy với tốc độ khuấy 600 vòng/phút trong 4 giờ. Trong quá trình khuấy phải luôn đảm bảo thể tích của dung dịch không thay
đổi. Gạn lấy phần dung dịch trong ở trên và đem đi phân tích thành phần các chất có trong dung dịch. Mẫu được ký hiệu là 6-1.
Sau đó đem các mẫu đi phân tích thành phầnh hóa có được như sau: SiO2=65,74%; Al2O3=3,92%; Na2O = 15,32%; H2O và tạp chất = 15,02% Nhìn vào thành phần hóa học thấy khi cho phụ gia vào hiệu suất tách nhôm có tăng nhưng không đáng kể do ta đã sử dụng các điều kiện tối ưu để tổng hợp polyme và phản ứng đã gần đạt đến trạng thái cân bằng nên khi cho thêm Al2O3 vào thì phản
ứng xảy ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Vì vậy khả năng tách Al2O3 có tăng