Hiện nay NPCC được chú ý nghiên cứu nhiều trên thế giới cũng như ở Việt nam vì nó có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: dược phẩm, mĩ phẩm, thực phẩm, làm chất độn trong lĩnh vực chế tạo mực in, nhựa cao cấp,… Để sử dụng được trong các lĩnh vực này thì NPCC phải có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn và khơng chứa các tạp chất là các ion kim loại có độc tính cao. Vì vậy người ta tìm hiểu các phương pháp khác nhau để điều chế NPCC có chất lượng để có thể đáp ứng được ứng dụng trong từng lĩnh vực cụ thể. Sau đây tơi xin trình bày tổng quan tài liệu về lĩnh vực điều chế NPCC.
1.4.1. Nguyên tắc điều chế NPCC
Nguyên tắc điều chế NPCC dựa trên nguyên tắc điều chế PCC. Tuy nhiên để thu được sản phẩm NPCC có kích thước hạt nhỏ người ta thường cải tiến quy trình điều chế PCC bằng cách điều chỉnh các điều kiện điều chế như: nhiệt độ, nồng độ các chất phản ứng, thời gian,…và đồng thời bổ sung các chất có hoạt tính hoạt động bề mặt khơng độc vào hỗn hợp phản ứng.
1.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến diện tích bề mặt riêng và kích thƣớc hạt của sản phẩm NPCC
Như chúng tơi đã trình bày ở trên, cacbonat háo sữa vơi là q trình tương tác dị thể, trong hệ phản ứng có cả 3 pha: rắn, lỏng, khí. Vì vậy, có rất nhiều yếu tố trong quá trình cacbonat hố có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm NPCC, chủ yếu là ảnh hưởng đến diện tích bề mặt riêng, kích thước hạt và độ kiềm dư của sản phẩm. Sau đây, chúng tơi xin trình bày chi tiết ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng của sản phẩm NPCC, chủ yếu là diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt.
1.4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cacbonat hóa
Nhiều tác giả cho rằng, nhiệt độ cacbonat hố chính là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ phân tán (độ mịn) của sản phẩm NPCC. Theo Ratton và Brooks [3] thì kết tủa keo của NPCC thu được khí cacbonat hố sữa vơi ở nhiệt độ từ 15-20oC. Theo Shiraichithif [8] độ phân tán cao của NPCC thu được khi cacbonat hố sữa vơi ở nhiệt độ khơng q 150C. Ovechkim [7] lại cho rằng, NPCC có độ phân tán cao, bề mặt riêng lớn nhất khi cacbonat hố sữa vơi ở nhiệt độ 10- 20oC. Một số phát minh sử dụng các phụ gia vô cơ và hữu cơ vào sữa vơi trước khi cacbonat hố đã đạt được độ phân tán cao, nhưng đồng thời người ta cũng không loại trừ ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ.
V.M Kharin và A.V.Cosovseva [2] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến động học của q trình kết tinh và đặc tính kết tinh kết tủa của canxi cacbonat và đã xác định rằng, khi tăng nhiệt độ cacbonat hố thì tốc độ tạo mầm tăng lên,
nhưng tốc độ lớn lên của tinh thể cũng tăng. Do đó ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ mịn của sản phẩm NPCC là khá phức tạp.
1.4.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg trong nguyên liệu đá vôi
Hàm lượng Mg trong nguyên liệu đá vôi ảnh hưởng đến độ phân tán của PCC. Hàm lượng Mg càng cao thì bề mặt riêng của sản phẩm càng cao. Điều này thể hiện rõ khi sản xuất bột nhẹ từ nguồn nguyên liệu có hàm lượng Mg cao thì thể tích tăng lên.
1.4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đá vôi
Khi tăng nhiệt độ nung đá vôi từ 900oC lên 1200oC, hoạt tính của vơi tăng lên. Sản phẩm NPCC sản xuất từ vơi có hoạt tính cao đó cũng có độ mịn cao, bề mặt riêng lớn.
1.4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước dùng để tôi vôi
Nhiệt độ của nước dùng để tôi vôi thực tế không ảnh hưởng đến tốc độ hyđrat hố CaO, nhưng lại có ảnh hưởng đến tốc độ phân tán của Ca(OH)2, từ đó sẽ có ảnh hưởng đến kích thước hạt NPCC tạo ra khi cacbonat hố.
1.4.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ của sữa vôi
Bề mặt riêng của NPCC cũng phụ thuộc vào nồng độ của sữa vơi trong q trình cacbonat hóa. Nồng độ sữa vơi tối ưu để đạt bề mặt riêng lớn nhất tuỳ thuộc vào nhiệt độ cacbonat hoá. Khi tiến hành cacbonat hố ở nhiệt độ 15-20oC thì nồng độ sữa vơi từ 25-120g Ca(OH)2/ lít sẽ cho sản phẩm có được bề mặt riêng lớn nhất. Khi tiến hành cacbonat hố sữa vơi ở nhiệt độ cao hơn thì nồng độ sữa vơi thích hợp sẽ giảm xuống thấp hơn. Thơng thường, khi cacbobnat hố ở 20oC, người ta sử dụng sữa vơi có nồng độ 90-120g Ca(OH)2 /lít.
1.4.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn
Tốc độ khuấy trộn huyền phù trong q trình cacbonat hố ảnh hưởng đến bề mặt của sản phẩm NPCC. Khuấy trộn đảm bảo tăng tiếp xúc tốt nhất cho pha khí với pha khí lỏng, tức là thúc đẩy quá trình chuyển khối. Mặt khác khuấy trộn tăng cường quá trình trao đổi nhiệt giữa khối phản ứng với tác nhân làm lạnh ở vỏ thiết
bị cacbonat hố hoặc với bên ngồi, làm giảm nhiệt độ khối phản ứng, do đó làm tăng bề mặt riêng của sản phẩm NPCC
1.4.2.7. Ảnh hưởng của sự có mặt của mầm kết tinh
Nếu trong sữa vơi đưa vào cacbonat hóa có sẵn mầm kết tinh NPCC (do sản phẩm mẻ trước cịn sót lại trong bình phản ứng, hoặc có lẫn vào từ trước), thì kết tủa NPCC thu được thường tơi xốp , nhưng bề mặt riêng của sản phẩm NPCC giảm rõ rệt.
1.4.2.8. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong pha khí và áp suất khí
- Nồng độ CO2 trong pha khí có ảnh hưởng rõ rệt đến thời gian cacbonat hoá. Nồng độ CO2 trong pha khí càng lớn thì thời gian cacbonat hóa càng giảm, nghĩa là tốc độ phản ứng cacbonat hoá càng mãnh liệt, nhiệt lượng toả ra trong một đơn vị thời gian càng lớn. Nhưng nếu giữ nhiệt độ cacbonat hố khơng thay đổi thì nồng độ CO2 trong khí hầu như khơng ảnh hưởng đến giá trị bề mặt riêng của sản phẩm NPCC.
- Ảnh hưởng của áp suất khí đến q trình cacbonat hố cũng giống như ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong khí. Tăng áp suất hỗn hợp khí là tăng áp suất riêng phần của CO2 do đó tăng tốc độ cacbonat hoá.
Cần lưu ý rằng, với một thiết bị phản ứng nhất định, nồng độ CO2 trong khí càng cao thì tốc độ cacbonat hố càng lớn nhưng đồng thời hiệu suất sử dụng CO2 sẽ càng giảm. Kết quả nghiên cứu q trình cacbonat hố tiến hành ở 50oC với nồng độ khí CO2 là 16,7% cho thấy, hiệu suất sử dụng CO2 đạt đến 53,5%. Nhưng khi nồng độ CO2 là 50% thì hiệu suất giảm xuống chỉ cịn 28,8%. Vì vậy, khi tiến hành cacbonat hóa với hàm lượng khí CO2, phải có các giải pháp kỹ thuật phù hợp để tăng hiệu suất sử dụng CO2.
Hiện nay thiết bị cacbonat hoá thường chia làm 2 loại: loại kín và loại hở. Loại kín sử dụng nhiều cấp nhằm tăng hiệu suất sử dụng CO2. Tuy nhiên để nén khí cần xử lý triệt để tạp chất trong hỗn hợp khí nén nhằm tránh mài mòn máy nén. Loại hở sử dụng cách khuấy tự hút khí vào thùng cacbonat hố hoặc dùng quạt đẩy để thắng áp suất của cột huyền phù trong thiết bị cacbonat hoá. Loại hở thường được sử dụng ở những nơi thừa CO2, vì hiệu suất sử dụng CO2 thấp.
Từ kết quả của các cơng trình nghiên cứu cho thấy rằng, yếu tố khống chế quá trình cacbonat hố chủ yếu là pha khí
1.4.2.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất phụ gia
Nhiều tác giả đã thông báo về ảnh hưởng của nồng độ các chất phụ gia vô cơ và hữu cơ đến bề mặt riêng và kích thước hạt của sản phẩm NPCC.
Theo các tác giả cơng trình [3] khi sử dụng chất phụ gia là một polisacarit hoặc hỗn hợp một polisacarrit với một ion kim loại trong quá trình cacbonat hố sữa vơi thì bề mặt riêng của sản phẩm tăng rõ rệt đồng thời kích thước hạt NPCC giảm xuống.
Theo các tác giả cơng trình [7] khi sử dụng các chất phụ gia là axit xitric, PVA, axit etylenđiamintetraaxetic (EDTA), kích thước và hình dạng của sản phẩm NPCC cũng thay đổi rõ rệt. Khi sử dụng axit xitric và muối xitrat, các hạt thu được có dạng hình thoi, cịn khi sử dụng EDTA thì các hạt sản phẩm có dạng hình cầu. Trong cả hai trường hợp, kích thước hạt trung bình đều giảm rõ rệt.
Trong luận văn này chúng tôi khảo sát khả năng sử dụng các chất phụ gia là glucose và saccarose để điều chế NPCC theo phương pháp sục khí CO2 vào huyền phù Ca(OH)2 trong nước. Glucose và saccarose là các hợp chất hữu cơ có chứa nhiều nhóm OH nên có khả năng ức chế quá trinh phát triển hạt, đồng thời chúng khơng có độc tính, là các thương phẩm dạng tinh thể rắn, dễ tan trong nước, phổ biến, và giá thành rẻ.