PHẦN 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3. Nghiờn cứu giải phỏp cụng nghệ điều chế kẽm oxit chất lượng cao từ
3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung tới chất lượng sản
phẩm kẽm oxit.
Giai đoạn nung thu sản phẩm ZnO xảy ra phản ứng như sau: ZnCO3.3Zn(OH)2.H2O → 4ZnO + CO2 + 7H2O
Trong giai đoạn này, sản phẩm sau khi sấy bị bung ra do quỏ trỡnh tỏch nước nội phõn tử cựng với khớ CO2 do phản ứng phõn hủy nhiệt muối kẽm cacbonat bazơ tạo ra cho phộp thu nhận được bột ZnO thành phẩm. Nhiệt độ nung ảnh hưởng khỏ lớn tới chất lượng sản phẩm thu được. Theo cỏc nghiờn cứu trước đõy thỡ muối kẽm cacbonat bazơ bắt đầu phõn hủy nhẹ ở nhiệt độ
200°C sau đú tốc độ phõn hủy tăng rất nhanh và gần như hoàn toàn khi đạt nhiệt độ 350°C [2] Nếu nhiệt độ thấp thỡ thời gian phõn hủy lõu, hàm lượng ZnO trong sản phẩm thấp. Nếu nhiệt độ quỏ cao thỡ cỏc hạt ZnO cú thể bị kết khối ảnh hưởng tới diện tớch bề mặt riờng của sản phẩm, điều này cũng khỏ phự hợp với cỏc kết quả mà chỳng tụi thu được bằng thực nghiệm. Với cỏc sản phẩm ZnO chất lượng cao hiện nay thỡ hàm lượng kẽm thụng thường phải lớn hơn 99,5% vỡ vậy để cú thể đạt được chất lượng sản phẩm như mong muốn nhiệt độ nung được khảo sỏt trong khoảng nhiệt độ từ 350-700°C .
Tiến hành nung muối kẽm cacbonat bazơ trong khoảng thời gian 120 phỳt ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau và nung ở 600°C trong khoảng thời gian từ 60 phỳt tới 180 phỳt.
Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung được thể hiện ở bảng 3.10 và bảng 3.11 dưới đõy:
Bảng 3.10: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới chất lượng sản phẩm ZnO
TT Nhiệt độ Thời gian (phỳt) Hàm lượng ZnO (%)
1 350 120 98,5 2 400 120 98,8 3 450 120 99,0 4 500 120 99,1 5 550 120 99,3 6 600 120 99,5 7 650 120 99,5 8 700 120 99,7
Bảng 3.11: Sự ảnh hưởng của thời gian nung tới chất lượng sản phẩm ZnO
TT Nhiệt độ Thời gian (phỳt) Hàm lượng ZnO (%)
1 600 60 99,1
2 600 90 99,3
3 600 120 99,5
4 600 150 99,5
5 600 180 99,6
Từ cỏc số liệu thu được, chỳng ta cú thể khẳng định được nhiệt độ và thời gian cú ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Để hàm lượng ZnO trong sản phẩm đạt tiờu chuẩn thương mại thỡ cú thể sử dụng thời gian nung là 120 phỳt ở nhiệt độ 600°C. Mặc dự vậy nhiệt độ nung này là tương đối cao cú thể gõy ảnh hưởng tới hỡnh thỏi học của sản phẩm và diện tớch bề mặt riờng của sản phẩm.
Để xỏc định cỏc pha tạp chất và xỏc định xem muối kẽm cacbonat bazơ đó phõn hủy hồn tồn chưa chỳng tụi đó sử dụng phương phỏp nhiễu xạ tia X
Hỡnh 3.14: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sản phẩm kẽm oxit sau khi nung ở 600°C trong khoảng thời gian 120 phỳt
Kết quả phõn tớch X-Ray của mẫu cho thấy cỏc pick phự hợp với kẽm oxit và khụng tồn tại pha tạp chất trong sản phẩm kẽm oxit. Chứng tỏ sản phẩm ZnO thu được cú độ tinh khiết cao
Tiến hành chụp bề mặt sản phẩm ZnO trờn kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) để đỏnh giỏ hỡnh thỏi học bề mặt của sản phẩm.
Hỡnh 3.15. Kết quả chụp bề mặt sản phẩm sau khi nung ở 600°C, thời gian 120 phỳt độ phúng đại 5000 lần.
Hỡnh 3.16. Kết quả chụp bề mặt sản phẩm sau khi nung ở 700°C, thời gian 120 phỳt độ phúng đại 10000 lần.
Từ kết quả quả chụp bề mặt sản phẩm hỡnh 3.15 và 3.16 chỳng ta cú thể đỏnh giỏ sản phẩm nung ở 600°C tương đối tơi xốp cũn sản phẩm được tạo thành sau khi nung ở 700°C đó bắt đầu xảy ra hiện tượng kết tụ, qua đú cú thể đỏnh giỏ diện tớch bề mặt riờng của sản phẩm được tạo thành khi nung kẽm cacbonat bazơ ở 600°C cú diện tớch bề mặt riờng lớn hơn của sản phẩm được tạo thành khi nung kẽm cacbonat bazơ ở 700°C. Kớch cỡ hạt kẽm oxit nhỏ hơn 0,5 àm .
Sản phẩm ZnO thu được bằng phương phỏp amoni và sản phẩm ZnO thu được bằng phương phỏp thăng hoa oxy húa của Viện CNXH được đo bằng phương phỏp BET. Kết quả thu được trỡnh bày ở bảng kết quả 12 và 13 dưới đõy:
Bảng 3.12: Kết quả đo bề mặt riờng của sản phẩm ZnO thu được theo phương phỏp amoni
Bảng 3.13: Kết quả đo bề mặt riờng của sản phẩm ZnO thu được theo phương phỏp thăng hoa oxy húa.
Từ bảng kết quả trờn bảng 12 và bảng 13 chỳng ta nhận thấy sản phẩm ZnO thu được theo phương phỏp amoni cú diện tớch bề mặt riờng là 26,4 m2/g vượt trội hơn hẳn diện tớch bề mặt riờng của sản phẩm ZnO sản xuất theo phương phỏp thăng hoa oxy húa cú giỏ trị vào khoảng 6 m2/g
Phõn tớch hàm lượng chỡ của sản phẩm ZnO thu được theo phương phỏp amoni bằng phương phỏp chuẩn độ thấy giỏ trị hàm lượng Pb trong mẫu là rất thấp ≈ 0,01%.
Bảng so sỏnh chất lượng sản phẩm ZnO thu được theo phương phỏp amoni và sản phẩm ZnO chất lượng cao thu được theo phương phỏp thăng hoa oxy húa được trỡnh bày trờn bảng 3.14.
Bảng 3.14: So sỏnh chất lượng sản phẩm ZnO amoni và sản phẩm ZnO thăng hoa oxy húa
TT Loại sản phẩm %ZnO %Pb Diện tớch bề mặt riờng (m2/g)
1 ZnO amoni 99,5 0,01 26,4
2 ZnO TH oxh 99,5 0,05 6,0
Từ cỏc số liệu tổng hợp được ở bảng 14 cú thể đỏnh giỏ chất lượng sản phẩm ZnO thu được theo phương phỏp amoni đạt được tiờu chuẩn thương mại của sản phẩm ZnO chất lượng cao, thậm chớ cũn cú nhiều thụng số vượt trội hơn hẳn. Do diện tớch bề mặt riờng rất lớn nờn cú thể coi sản phẩm ZnO điều chế theo phương phỏp amoni là loại sản phẩm ZnO hoạt tớnh cú giỏ trị kinh tế cao.
Sau cỏc thớ nghiệm khảo sỏt, đỏnh giỏ và kết luận chỳng tụi đề xuất quy trỡnh thớ nghiệm điều chế kẽm oxit chất lượng cao từ quặng kẽm oxit vựng Bắc Kạn như hỡnh 3.17.
Hỡnh 3.17: Sơ đồ thớ nghiệm điều chế kẽm oxớt từ quặng kẽm oxớt vựng Bắc Kạn bằng phương phỏp thủy luyện với hệ tỏc nhõn amoniac và amoni
cacbonat Quặng kẽm Bắc Kạn Hũa tỏch (120 phỳt) Lọc Kết tủa (t0 80oC); xục khớ 150 phỳt Bó Lọc, rửa, sấy Kẽm cacbonat bazơ Nung 600oC (120 phỳt) ZnO 99,5% DD 80g NH3 và 60g CO2/l
KẾT LUẬN
Từ những kết quả thớ nghiệm thu được chỳng tụi cú một số kết luận như sau:
1. Đó tiến hành phõn tớch xỏc định được hàm lượng Zn trong quặng kẽm oxit Bắc Kạn là 7%, kẽm tồn tại ở dạng khoỏng hỗn hợp Zn(ClO3)26H2O chiếm 18%, Na4Zn2Si3O10 chiếm 12%. Hàm lượng cỏc tạp chất lớn trong đú chủ yếu là Fe và Pb.
2. Thực nghiệm cho thấy cú thể sử dụng hệ tỏc nhõn chứa 80g NH3 và 60g CO2/l để hũa tỏch chọn lọc kẽm với tỷ lệ 200g quặng/200ml dung dịch, quặng được nghiền nhỏ tới kớch thước cỡ hạt nhỏ hơn 0,125 mm. Thời gian hũa tỏch là 2h với tốc độ khuấy 80 vũng/phỳt ở nhiệt độ thường hoặc 50°C tựy điều kiện cho phộp. Hiệu suất hũa tỏch đạt từ 80% đến 85%.
3. Quỏ trỡnh thu hồi kẽm cú thể thực hiện bằng quỏ trỡnh kết tủa kẽm dưới dạng muối kẽm cacbonat bazơ bằng cỏch tỏch loại NH3 ở nhiệt độ 80°C kốm xục khụng khớ trong thời gian 150 phỳt. Hiệu suất thu hồi đạt trờn 98%. 4. Với điều kiện nung ở nhiệt độ 600°C, thời gian 120 phỳt từ kết tủa kẽm Cacbonat Bazơ đó thu được ZnO cú độ sạch 99,5%, hàm lượng tạp chất Pb < 0,01%, kớch thước hạt nhỏ hơn 0,5 àm. Diện tớch bề mặt riờng của sản phẩm đạt 26,4 m2/g.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Http://www.vinachem.com.vn/XBP/TT0103/0103.IV.
[2] Nguyễn Văn Tuấn (2008), “Nghiờn cứu cải tiến thiết bị và cụng nghệ sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao bằng lũ quay” 229.07.RD/HĐ – KHCN
2008, Cụng ty TNHH NN MTV Kim loại màu Thỏi nguyờn – Bộ Cụng thương.
[3] Lờ Minh Tuấn (2006), “Nghiờn cứu cụng nghệ điều chế chất trợ xỳc tiến lưu húa cao su cú chứa kẽm oxit hoạt tớnh”, BCKH 12/2006 Viện CNXH -
Viện NLNT VN.
[4] Lờ Xuõn Khuụng (1997), “Lý thuyết cỏc quỏ trỡnh luyện kim”, Nhà xuất
bản Giỏo dục.
[5] Phạm Minh Tuấn (2008), “Hoàn thiện cụng nghệ và dõy chuyền thiết bị cho sản xuất ZnO 98,5% quy mụ 150tấn/năm”, DAT-NLNT/06-04 (2008),
Viện CNXH - Viện NLNT VN.
[6] Phan Đỡnh Thịnh (2007), BCKH 06/2007, “Hoàn thiện cụng nghệ sản
xuất kẽm cacbonat”, Viện CNXH, Viện NLNT VN.
[7]Vũ Thị Thanh Thủy (2009), “Chế tạo vật liệu ZnO cú cấu trỳc nanomet bằng phương phỏp húa”, Luận văn Thạc sĩ khoa học, ĐHKHTN - ĐHQG Hà
Nội.
Tiếng Anh
[8] Daniel A. D. Boateng (1992), “Method for the solvent extraction of
Zinc”, US patent 5135652.
[9] Frank H. Murphy, Matt W. Oleksy (1989), “Recovery of Zinc and ammonium chloride”, US patent 4865831.
[10]. http://www.zinc.org/info/zinc_oxide_applications
[11] Nicholas J. Welham, Garry M. Johnston, Matthew L. Sutclife (2013),
[12] Raymond Lee Nip (2003), “Method for preparing of zinc carbonate”,
US patent 6555 075.
[13] W.Herbert Burrows (1974), “Zinc oxide recovery process”, US patent
3849121.
[14] Wikipedia-Online Dictionary.
[15] Yeonuk Choi, Serge Payant, Joo Kim (2004), “Product of zinc oxide from acid soluble ore using precipitation method”, US patent 6726889 B2. [16]. Y Sawada (1996), Thermal analysis of basic carbonate – Thermochimica, Acta 273.