Kaolin là một loại khoáng sét tự nhiên phân bố rộng khắp thế giới. việt Nam trữ lượng hơn 15 triệu tấn. Kaolin được sử dụng phổ biến trong ngành gốm sứ, vật liệu xây dựng, dùng trong nước lọc, phân bón,... Kaolin là nguồn nguyên liệu cung cấp đồng thời hai nguyên tố nhôm và silic. Do vậy sẻ giảm chi phí nguyên liệu đầu vào. Tuy nhiên chọn nguồn kaolin thích hợp để sản xuất zeolite 4A là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu.
2.3.2.1. Thành hần h a họ ủa kao in
Kaolin là loại khoáng sét tự nhiên ngậm nước có thành phần chính là kaolin, công thức đơn giản của kaolin là: Al2O3.2SiO2.2H2O, với thành phần hoá học: 46,54 SiO2 39,5 Al2O3; 13,96% H2O, tuy nhiên trong thực tế hiếm có loại khoáng cao lanh nào đạt thành phần như trên. Ngoài thành phần chính kể trên, trong khoáng cao lanh thường xuyên có mặt các oxit kim loại như: Fe2CO3, TiO2, gO, CaO và một hàm lượng nhỏ: K2O và Na2O.
Thành phần hóa học và thành phần khoáng của kaolin có ảnh hưởng quan trọng đến cấu trúc, tính chất và khả năng ứng dụng của nó. Do đó việc xác định thành phần hóa học và khoáng hóa của nó là rất cần thiết.
Trong tổng hợp zeolite 4A thì kaolin cần có thành phần silic và nhôm cao, tỉ số mol Si/Al càng gần 1 càng tốt. Ngoài ra tạp chất trong kaolin cũng là một yếu tố cần được chú ý nhiều đến. Độ trắng của kaolin là một trong những chỉ tiêu để lựa chọn nguồn kaolin thích hợp cho tổng hợp zeolite 4A[19]
.
2.2.3.2. Tổng h eo ite A t kao in
Tuy kaolin được sử dụng để tổng hợp zeolite 4A có nguồn gốc rất khác nhau nhưng qua nhiều công trình nghiên cứu cho thấy điểm giống nhau giữa
các quy trình tổng hợp là đều có giai đoạn nung kaolin ở nhiệt đô từ 600-900oC nhằm loại nước cấu trúc, tạp chất trước khi tổng hợp thủy nhiệt tạo
30
Hình 2. 19 Quy trình tổng hợp zeolite 4A từ kaolin
Kaolin bột Tổng hợp NaAlO2 Dung dịch NaOH
4M
Nung ở 600C, 2 giờ
Khuấy tạo gel trong 3 giờ Làm già ở nhiệt độ phòng Kết tinh ở 100C 4 giờ Lọc chân không Rửa đến pH= 10- 12
Sấy ở 70C, 2 giờ Zeolite 4A bột Xử lí kaolin
31 Thuyết minh quy trình
a. Xử lí kaolin nguyên liệu
Kaolin khai thác từ vùng mỏ cần được xử lí nhằm loại bỏ các tạp chất là các hợp chất hữu cơ và là oxide của một số kim loại có ảnh hưởng đến độ tinh khiết, màu sắc cũng như hiệu suất của quá trình tổng hợp nên cần được làm sạch trước khi đưa vào sản xuất. Thành phần không mong muốn trong kaolin chủ yếu là ion sắt (III) làm ảnh hưởng đến độ sáng cũng như độ tinh khiết của zeolite 4A cần tổng hợp. Vì vậy cần làm sạch kaolin bằng cách cho mẫu vào dung dịch HCl ở nồng độ thích hợp, khuấy rồi để trong một ngày đêm. Sau đó, lọc và rửa sạch với nước cất rồi mang đi sấy khô.
b. Chuyển hoá kaolin thành metakaolin
Kaolin đã xử lí đem nghiền thành bột mịn. Kaolin sử dụng cho phản ứng thuỷ phân nhiệt phải ở dạng hoạt hoá (dạng metakaolin), vì vậy bột kaolin được nung ở nhiệt độ 600C trong 2 giờ để chuyển qua dạng hoạt hoá cần thiết.
c. Tạo gel
Tạo gel là giai đoạn quan trọng. H n hợp phản ứng gồm bột metakaolin, dung dịch NaOH 4 ,… được tính toán thành phần sao cho được zeolite 4A. Có thể bổ sung aluminum dưới dạng alumiate nếu metakaolin thiếu aluminum. Trong môi trường kiềm đủ mạnh, các liên kết trong khung gel được hình thành do tương tác giữa các silicate và alumiate.
d. Già hoá
Đây cũng là giai đoạn quan trọng không kém. Trong giai đoạn này, các sol tạo ở giai đoạn tạo gel được hoà tan tạo thành các tiểu phân chuẩn bị tiền chất cho kết tinh tạo tinh thể. Cũng trong giai đoạn này các nhân tinh thể được hình thành. Giai đoạn làm già góp phần giảm thời gian kết tinh tạo tinh thể. Tuy nhiên thời gian làm già càng lâu thì thì kích thước trung bình của tinh thể zeolite nhỏ lại.
e. Kết tinh
Gel sau khi được già hoá sẽ được kết tinh thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 100C trong 4 giờ. Thực nghiệm cho thấy khi tăng nồng độ kiềm trong khung gel
32
hoặc tăng nhiệt độ kết tinh thì sẽ giảm được thời gian kết tinh do tốc độ tạo nhân tinh thể tăng.
Tính chất zeolite phụ thuộc vào thời gian kết tinh, nếu kết tinh không đủ thời gian thì độ tinh khiết của sản phẩm không cao, tinh thể zeolite c n bị lẫn các tạp chất aluminosilicate vô định hình sẽ làm giảm hiệu suất phản ứng.
f. Lọc, rửa, sấy
Đây là giai đoạn sau cùng của quá trình tổng hợp. Tuy là giai đoạn phụ nhưng đóng vai tr khá quan trọng. H n hợp tạo thành được lọc bằng hệ thống lọc chân không, sau đó rửa nhiều lần để loại bớt kiềm dư. Nếu là sản phẩm zeolite sử dụng cho công nghiệp bột giặt thì chỉ nên rửa đến pH 10-12 là được.
Nếu nước rửa chứa nhiều kiềm dư thì có thể được tái sử dụng làm nguyên liệu. Zeolite cần được sấy ở nhiệt độ thích hợp nếu sấy ở nhiệt độ quá cao sẽ mất nước kết tinh, gây phá vỡ cấu trúc khung, mất hoàn toàn hoạt tính[20].
33
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Dụng ụ a thi t
Để tiến hành thực nghiệm cần có những dụng cụ và thiết bị cần thiết sau: ảng 3. 1 Dụng cụ và thiết bị
STT Tên thiết bị Số lượng
1 2 3 4