1- Ống hồn ngun; 2- Lị gia nhiệt; 3- Áo bọc nước; 4- Vùng Mg ngưng tụ; 5- Viên phối liệu; 6- Can nhiệt loại K; 7- Bộ kiểm soát nhiệt độ; 8- Đồng hồ đo chân
không; 9- Bình khí Ar; 10- Bơm chân khơng
Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm hồn ngun thể hiện trong Hình 3.4, bao gồm các bộ phận chính: lị gia nhiệt, ống hồn ngun, hệ thống bơm hút chân không, hệ thống nước làm mát vùng Mg kết tinh, hệ thống khí Ar.
Bộ phận chính của hệ thống hồn ngun là ống thép khơng gỉ 310S còn được gọi là ống hồn ngun được đặt bên trong lị gia nhiệt điện trở với các thanh gia nhiệt bằng SiC, nhiệt độ hoạt động tối đa là 1300 oC. Ống hoàn nguyên là dạng ống 2 đầu, với một đầu được nối với hệ thống chân khơng và đầu cịn lại nối với hệ thống khí Ar. Lị gia nhiệt được cách điện bằng gạch cao nhơm, có bộ điều khiển thời gian và nhiệt độ với can nhiệt loại K được đặt bên trong lò để đo và ghi lại nhiệt độ phản ứng.
Vùng Mg kết tinh được làm mát bằng áo nước, nước được bơm bằng hệ thống tuần hồn. Hệ thống chân khơng bao gồm máy bơm hút chân không ULVAC PX-202, đồng hồ đo áp suất chân không SMC-ZSE30, bộ điều áp chân không cùng bộ phận lọc bụi và hơi ẩm.
52
3.3. Các phương pháp phân tích, kiểm tra
3.3.1. Tính tốn hiệu suất hồn ngun
Hiệu suất hồn ngun được tính tốn dựa vào lượng Mg kim loại thu được tại vùng làm mát và lượng Mg có trong phối liệu ban đầu theo cơng thức:
Hiệu suất hồn ngun ( %) = 𝑤2
𝑤1. 100 (3.4)
Trong đó: w1 khối lượng Mg có trong phối liệu ban đầu = khối lượng phối liệu x % Mg trong phối liệu, w2 là khối lượng Mg kim loại thu được tại vùng làm mát.
Ngoài ra để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng chất hồn ngun, thơng số hiệu suất sử dụng silic do Pidgeon và Alexander [42] đề xuất được đưa vào tính tốn theo cơng thức sau:
Hiệu suất sử dụng silic ( %) = 𝑤2
𝑤3. 100 (3.5)
Trong đó: w3 là khối lượng Mg tính theo cân bằng hóa học với lượng silic có trong phối liệu.
Trong nghiên cứu động học, tốc độ của phản ứng có thể viết dưới dạng phần đã phản ứng X được xác định gần đúng theo độ hụt khối giữa phối liệu trước và sau phản ứng theo công thức do Yusi Che đề xuất [112]:
X = 𝑚1− 𝑚2
𝑚1. (3.6)
Trong đó m1 là khối lượng phối liệu trước phản ứng, m2 là khối lượng phối liệu sau phản ứng và là phần trăm khối lượng Mg theo lý thuyết trong phối liệu trước phản ứng.
3.3.2. Dữ liệu nhiệt động học
Cơ sở dữ liệu để tính tốn nhiệt động học sử dụng từ phần mềm FactSage với dữ liệu được tối ưu hóa cho các hệ như kim loại, oxit lỏng, rắn và xỉ, đối với các thành phần tinh khiết, dữ liệu được lấy chủ yếu từ bảng nhiệt hóa JANAF [113], dữ liệu đặc tính nhiệt động học từ Barin [114] và từ Berman [115]. Kết quả tính tốn nhiệt động học các phản ứng hoàn nguyên và giản đồ pha của một số hệ được xây dựng bằng modun Reaction và Phase Diagram của phần mềm FactSage 7.2 sử dụng gói dữ liệu FactPs, FToxid và FTsalt.
3.3.3. Nghiên cứu tổ chức tế vi
Hình dạng và cấu trúc vi mơ của bã và các tinh thể Mg sản phẩm thu được sau hoàn nguyên được nghiên cứu trên thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM JEOL.JSM-7600F (Hình 3.5) tại Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
53
Hình 3.5. Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F
3.4.4. Phân tích thành phần hóa học mẫu
Phương pháp quang phổ tán xạ năng lượng EDS: Phương pháp này được dùng
để xác định lượng nguyên tố hóa học tại một điểm hoặc một đường. Trong luận văn, EDS điểm được thực hiện nhằm xác định thành phần hóa học của các hạt hình thành trong bã phối liệu sau hồn nguyên và các hạt tạp chất bám trên bề mặt của tinh thể Mg sản phẩm. Thiết bị phân tích được tích hợp trên máy hiển vi điện tử quét SEM JEOL.JSM-7600F tại Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ.
Phương pháp phân tích hóa học hay phương pháp phân tích thể tích theo TCVN
9191:2012 và ISO 16374:2016, dung dịch hòa tan là axit nitric và axit clohydric đậm đặc, các mẫu hịa tan có khối lượng từ 0.5 đến 2g, được sử dụng làm phương pháp chính kiểm tra thành phần nguyên liệu ban đầu, đồng thời phân tích nhanh hàm lượng Mg trong sản phẩm hồn ngun để có định hướng cho thí nghiệm tiếp theo.
3.4.5. Phân tích thành phần pha
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): Phương pháp này dùng để xác định các pha
trong nguyên liệu ban đầu và bã phối liệu sau hoàn nguyên. Phổ nhiễu xạ tia X được phân tích bằng máy EQUINOX 5000 (Thermo Scientific, Pháp) tại Viện Khoa Học Vật Liệu, Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam với các thông số điện cực Cu, bức xạ Kα1, bước sóng = 1,540560 Å.
54
4. CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. Tính tốn nhiệt động học phản ứng hoàn nguyên dolomit
4.1.1 Các phản ứng hoàn nguyên dolomit bằng fero silic
Quy trình Pidgeon sử dụng phương pháp nhiệt silic để sản xuất Mg bằng cách hoàn nguyên oxit Mg sử dụng silic hoặc hợp chất fero silic làm chất hoàn nguyên. Để xác định các phản ứng có thể xảy ra giữa dolomit và fero silic trong q trình hồn nguyên, bột dolomit Thanh Hóa sau nung được phân tích XRD nhằm xác định các thành phần pha. Kết quả thể hiện trong Hình 4.1 cho thấy CaO và MgO là các pha chính, ngồi ra trong bột dolomit sau nung còn một số pha tạp khác với đỉnh nhiễu xạ có cường độ yếu là MnO và LiO3. Kết quả phân tích hàm lượng MgO và CaO lần lượt là 38,9 % và 58,7 %, phần còn lại là tạp chất.
Hình 4.1. Kết quả phân tích XRD mẫu dolomit sau nung
Chất hoàn nguyên fero silic là loại 72 % silic có thành phần hóa học chính được liệt kê trong Bảng 4.1 và kết quả phân tích XRD cho thấy các pha chính là Si và FeSi2 được thể hiện trong Hình 4.2. Ảnh SEM và phân tích EDS trong Hình 4.3 cho kết quả các pha Si là các hạt lớn, trong khi các pha FeSi2 là các hạt nhỏ, được phân bố xung quanh các hạt silic.
Bảng 4.1. Thành phần hóa học chất hoàn nguyên fero silic
Thành phần Si C P S Fe
Hàm lượng % 72 0.1 0.03 0.02 Còn lại Do vậy, phản ứng nhiệt silic tổng qt trong quy trình hồn ngun của Pidgeon được viết như sau [11,19,59]:
55
Hình 4.2. Kết quả phân tích XRD chất hồn ngun fero silic.
Hình 4.3. Ảnh SEM và phân tích EDS của mẫu fero silic 72%
Với các thành phần pha chủ yếu trong hỗn hợp phối liệu là CaO, MgO, Si và FeSi2, theo Pidgeon và Toguri [41–43,59,116], cơ chế của q trình hồn ngun dolomit
56
bằng fero silic là các phản ứng đơn thuần xảy ra ở trạng thái rắn-rắn, ban đầu fero silic sẽ hoàn nguyên MgO theo các phản ứng:
2MgO(s) + Si(s) 2Mg(g) + SiO2(s) (4.2)
2MgO(s) + ½ FeSi2(s) 2Mg(g) + SiO2(s) + ½ Fe (4.3) Tuy nhiên Oxit magie lại dễ dàng kết hợp với silic điơxít trong sản phẩm phản ứng (4.2) tạo ra magie silicat theo phản ứng (4.4), nên hạn chế hầu hết MgO tham gia phản ứng hoàn nguyên.
MgO(s) + SiO2 (s) Mg2SiO4(s) (4.4)
Nhưng do sử dụng dolomit có thêm thành phần CaO thì sẽ hình thành canxi silicat ổn định hơn magie silicat.
CaO(s) + SiO2(s) Ca2SiO4(s) (4.5)
Trong thời gian trước đây, hầu hết các nghiên cứu đồng ý với quan điểm về các phản ứng hồn ngun chỉ có dạng rắn – rắn nói trên. Tuy vậy gần đây, khi nghiên cứu bã thải sau hồn ngun thơng qua phân tích ảnh SEM, một số nhà nghiên cứu như M.Chen [46] phát hiện dấu vết của hợp chất ở trạng thái lỏng và theo ước tính có khoảng 6-7 % pha lỏng xuất hiện trong phối liệu khi nhiệt độ hoàn nguyên trên 1060 oC tại áp suất chân không 10 Pa. Do vậy, theo M.Chen cơ chế phản ứng hoàn nguyên ngoài phản ứng rắn – rắn cịn có sự có mặt của các phản ứng ở trạng thái rắn - lỏng, giúp tốc độ phản ứng có sự gia tăng đáng kể trong thời gian đầu của quá trình hồn ngun.
Với đề xuất về sự xuất hiện của một hợp chất lỏng, cùng kết quả tính tốn trong hệ thống Ca-Si của Ikhmayies [117] và đo sự thay đổi phát xạ trong phối liệu của Barua [118] có thể dự đốn pha lỏng này là sản phẩm của phản ứng giữa fero silic với CaO tạo thành hợp chất Ca-Si có điểm nóng chảy thấp, các phản ứng có thể xảy ra theo các phương trình sau:
2CaO(s) + 3/2 Si(s) CaSi(l) + ½ Ca2SiO4(s) (4.6) 2CaO(s) + 5/2 Si(s) CaSi2(l) + ½ Ca2SiO4(s) (4.7) 4CaO(s) + 2Si(s) Ca2Si(l) + Ca2SiO4(s) (4.8) Khi hợp chất này được hình thành sẽ cùng silic tham gia vào phản ứng hoàn nguyên dolomit với vai trị là chất hồn ngun trung gian theo các phản ứng (4.9) đến (4.13):
2CaO(s) + 2MgO(s) + CaSi2(l) 2Mg(g) + CaSi(l) + Ca2SiO4(s) (4.9) 2/3 CaO(s) + 2MgO(s) + 2/3 CaSi(l) 2Mg(g) + 2/3 Ca2SiO4(s) (4.10) 6/5 CaO(s) + 2MgO(s) + 2/5 CaSi2(l) 2Mg(g) + 4/5 Ca2SiO4(s) (4.11) 1/2 CaO(s) + 2MgO(s) + 1/2 Ca2Si(l) 2Mg(g) + 1/2 Ca3SiO5(s) (4.12) 2MgO(s) + 2CaO(s) + Si(s) 2Mg(g) + Ca2SiO4(s) (4.13) Ngoài ra theo giản đồ pha Fe-Si, pha FeSi2 trong fero silic sẽ phản ứng với silic chuyển thành pha Fe3Si7 khi nhiệt độ hệ thống trên 960 oC, phản ứng này được thể hiện trong phương trình (4.14):
57
3 FeSi2 (s) + Si(s) Fe3Si7 (s) (4.14)
Khi đó các pha FeSi2 và Fe3Si7 của hợp chất Fe-Si sẽ tiếp tục sản xuất Mg theo các phản ứng (4.15) đến (4.17):
2CaO(s) + 2MgO(s) + 1/4 Fe3Si7 (s) 2Mg(g) + Ca2SiO4(s) + 3/4 FeSi(s) (4.15) 2CaO(s) + 2MgO(s) + FeSi (s) 2Mg(g) + Ca2SiO4(s) + Fe(s) (4.16) 2MgO(s) + 2CaO(s) + 1/2 FeSi2 (s) 2Mg(g) + Ca2SiO4(s) + 1/2 Fe(s) (4.17) Một cơ chế phản ứng khác được đề xuất bởi Toguri và Pidgeon [59] cho rằng phản ứng hồn ngun theo quy trình Pidgeon có sự hình thành của SiO và Ca ở dạng khí tại nhiệt độ cao. Kết quả phân tích ảnh SEM và EDAX mẫu Mg sản phẩm kết tinh của B.Mehrabi cùng các cộng sự cũng đã tìm thấy sự có mặt của Ca trên bề mặt của Mg tinh thể [54]. Như vậy phản ứng tạo thành SiO và Ca tại nhiệt độ cao diễn ra theo phương trình (4.18) và (4.19):
MgO(s) + Si (s) Mg(g) + SiO(g) (4.18)
4CaO(s) + Si (s) 2Ca(g) + Ca2SiO4(s) (4.19) Theo Toguri, Ca và SiO được hình thành có thể coi là các chất trung gian, bởi lẽ hơi Ca có thể hồn ngun MgO theo phản ứng khí – rắn, cịn SiO sẽ kết hợp với CaO tạo thành Ca2SiO4 nằm lại trong bã thải theo phản ứng:
2CaO(s) + 2SiO (g) Ca2SiO4(s) + Si(s) (4.20)
MgO(s) + Ca (g) Mg(g) + CaO(s) (4.21)
Như vậy trong các nghiên cứu trên thế giới về quy trình Pidgeon tồn tại một số quan điểm khác nhau về cơ chế của các phản ứng hoàn nguyên dolomit từ dolomit bằng chất hoàn nguyên fero silic. Hơn nữa khi đo áp suất hơi Mg trong giai đoạn đầu của phản ứng hoàn nguyên dolomit, Wynnyckyj báo cáo rằng khi sử dụng chất hoàn nguyên là silic nguyên chất thì áp suất hơi của magiê lại thấp hơn so với silic ở trạng thái giảm hoạt tính như trong dạng hợp chất fero silic [19,119,120]. Từ kết quả này, nhà nghiên cứu Kipouros và Sadoway nhận định áp suất hơi của một sản phẩm tăng lên khi thế năng hóa học của chất tham gia phản ứng giảm đi là một mâu thuẫn, vì vậy Kipouros cho rằng cơ chế phản ứng hồn ngun khơng đơn giản theo quan điểm chỉ gồm các phản ứng rắn – rắn như Pidgeon đưa ra [19].
Căn cứ vào các phân tích trên, ba quan điểm phản ứng hồn ngun được đưua ra bao gồm quan điểm thứ nhất phản ứng hoàn nguyên hoàn toàn là các phản ứng trạng thái rắn – rắn, quan điểm thứ hai phản ứng hồn ngun cịn tồn tại các phản ứng ở trạng thái rắn – lỏng, mặc dù hợp chất lỏng này chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ khoảng 6÷7 % phối liệu nhưng lại góp phần thúc đẩy tốc độ của phản ứng hoàn nguyên, quan
điểm thứ ba tại nhiệt độ cao, phản ứng hồn ngun có thể có các phản ứng dạng rắn
– khí do xuất hiện sản phẩm phản ứng là các chất khí trung gian. Các dạng phản ứng có thể xảy ra được liệt kê trong Bảng 4.2.
58
Bảng 4.2. Các phản ứng của q trình hồn ngun
TT Các dạng
phản ứng Các phản ứng hoàn nguyên
1 Phản ứng
rắn – rắn 2MgO(s) + Si(s) 2Mg(g) + SiO2(s) (4.2) 2MgO(s) + 1/2 FeSi2(s) 2Mg(g) + SiO2(s) + 1/2 Fe (4.3) 2MgO(s) + SiO2 (s) Mg2SiO4(s) (4.4) 2CaO(s) + SiO2(s) Ca2SiO4(s) (4.5) 2 Phản ứng
rắn – rắn và rắn lỏng
2CaO(s) + 3/2 Si(s) CaSi(l) + 1/2 Ca2SiO4(s) (4.6) 2CaO(s) + 5/2 Si(s) CaSi2(l) + 1/2 Ca2SiO4(s) (4.7) 4CaO(s) + 2Si(s) Ca2Si(l) + Ca2SiO4(s) (4.8) 2CaO(s) + 2MgO(s) + CaSi2(l)
2Mg(g) + CaSi(l) + Ca2SiO4(s)
(4.9) 2/3 CaO(s) + 2MgO(s) + 2/3 CaSi(l)
2Mg(g) + 2/3 Ca2SiO4(s)
(4.10) 6/5 CaO(s) + 2MgO(s) + 2/5 CaSi2(l)
2Mg(g) + 4/5 Ca2SiO4(s)
(4.11) 1/2 CaO(s) + 2MgO(s) + 1/2 Ca2Si(l)
2Mg(g) + 1/2 Ca3SiO5(s)
(4.12) 2MgO(s) + 2CaO(s) + Si(s) 2Mg(g) + Ca2SiO4(s) (4.13) 3 FeSi2 (s) + Si(s) Fe3Si7 (s) (4.14) 2CaO(s) + 2MgO(s) + 1/4 Fe3Si7 (s)
2Mg(g) + Ca2SiO4(s) + 3/4 FeSi(s)
(4.15) 2CaO(s) + 2MgO(s) + FeSi (s)
2Mg(g) + Ca2SiO4(s) + Fe(s)
(4.16) 2MgO(s) + 2CaO(s) + 1/2 FeSi2 (s)
2Mg(g) + Ca2SiO4(s) + 1/2 Fe(s) (4.17) 3 Phản ứng rắn - rắn và rắn - khí MgO(s) + Si (s) Mg(g) + SiO(g) (4.18) 4CaO(s) + Si (s) 2Ca(g) + Ca2SiO4(s) (4.19) 2CaO(s) + 2SiO (g) Ca2SiO4(s) + Si(s) (4.20) MgO(s) + Ca (g) Mg(g) + CaO(s) (4.21) Phản ứng hồn ngun dolomit từ quy trình Pidgeon được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ cao và môi trường chân không, nhiều sản phẩm phụ, sản phẩm trung gian
59
có thể hình thành. Vì vậy, cần thiết phải tính tốn nhiệt động học các phản ứng hoàn nguyên nhằm đánh giá xác suất xảy ra các phản ứng khác nhau, cho phép lựa chọn vùng nhiệt độ và áp suất chân khơng thích hợp nhất trước khi làm thực nghiệm.
4.1.2. Tính tốn nhiệt động học phản ứng hoàn nguyên dolomit với chất hồn ngun fero silic
4.1.2.1. Phân tích nhiệt động học theo mối quan hệ G - T
Quan điểm phản ứng hoàn nguyên chỉ gồm các phản ứng ở trạng thái rắn – rắn:
Trước tiên, xem xét đến quan điểm chỉ có các phản ứng rắn-rắn xảy ra theo các phương trình phản ứng (4.2) đến (4.5). Năng lượng tự do của các phản ứng được tính tốn cho mơi trường chân khơng áp suất 600 Pa. Kết quả tính tốn nhiệt động học được trình bày trong Hình 4.4.
Hình 4.4. Đồ thị G-T theo cơ chế chỉ có phản ứng rắn - rắn, phản ứng (4.2) ÷ (4.5)
Silic trong fero silic có thể sản xuất Mg từ dolomit nhưng nhiệt độ tối thiểu yêu cầu khá cao 1460 oC (GT = 0), mặc dù áp suất chân không là 600 Pa. SiO2 là sản phẩm phụ sẽ tiếp tục phản ứng với CaO trong hỗn hợp để hình thành Ca2SiO4 mà khơng phản ứng với MgO. Do vậy mà MgO được tự do để tiếp tục tham gia phản ứng hồn ngun với silic. Điều này có thể thấy ở kết quả năng lượng tự do G của phản ứng (4.5) thấp hơn nhiều so với phản ứng (4.4).
Tuy nhiên theo kết quả thực nghiệm, Yucel 67 thu được kết quả hoàn nguyên
trong phạm vi nhiệt độ từ 1050 – 1300 oC, Behzad Mehrabi 13 sản xuất Mg với hiệu suất 67% tại nhiệt độ 1200 oC và kết quả nghiên cứu thực nghiệm của tác giả với hiệu suất 69% tại 1200 oC tại áp suất chân không 600 Pa. Trong khi kết quả tính tốn nhiệt động học ở trên, G của phản ứng có giá trị dương rất lớn trong phạm vi nhiệt độ
60
– rắn xảy ra đơn lẻ theo thứ tự từ phản ứng (4.2) – (4.5) như trên sẽ không hợp lý về mặt nhiệt động học.
Quan điểm phản ứng hoàn nguyên gồm các phản ứng rắn – rắn và rắn – lỏng:
Quan điểm này đề xuất sự xuất hiện của hợp chất lỏng trong hệ do đó tồn tại thêm các phản rắn – lỏng gồm các phản ứng từ (4.6) đến (4.17). Kết quả tính tốn nhiệt động học được trình bày trong Hình 4.5, Hình 4.6 và Hình 4.7.
Hình 4.5. Đồ thị G-T của các phản ứng hình thành hợp chất lỏng Ca-Si, phản ứng (4.6) ÷ (4.8)
Trong Hình 4.5, kết quả cho thấy phản ứng hình thành pha CaSi2 có thể xảy ra ở nhiệt độ tối thiểu 1040 oC, khi nhiệt độ tăng lên 1100 oC sẽ xảy ra phản ứng hình thành pha CaSi, trong khi đó sự hình thành pha Ca2Si u cầu nhiệt độ tối thiểu cao hơn rất nhiều và G > 0 trong vùng nhiệt độ tính tốn. Do vậy về mặt nhiệt động học, CaSi2 là hợp chất dễ hình thành nhất, tiếp đến là CaSi. Lúc này trong hệ sẽ tồn tại hợp chất Ca-Si, Si và FeSi2. Trong đó, hợp chất Ca-Si và Si sẽ tham gia vào các phản ứng hoàn nguyên dolomit trong giai đoạn tiếp theo theo các phản ứng (4.9) ÷ (4.13).
Hình 4.6 trình bày kết quả tính nhiệt động học của các phản ứng (4.9) ÷ (4.13). Dù có năng lượng tự do thấp nhất trong các phản ứng, nhưng phản ứng hồn ngun của Ca2Si khơng xảy ra trong hệ thống do sự hình thành pha Ca2Si là rất khó khăn như đã chỉ ra ở trên. Các phản ứng cịn lại đều có thể xảy ra tại nhiệt độ tối thiểu tương đối thấp từ 1060 oC đến 1080 oC. Căn cứ vào kết quả này có thể thấy quan điểm phản ứng