CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thành phần và đặc tính lý hóa học của puzolan
3.1.1 Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của mẫu puzolan tương đối phức tạp và được biểu diễn trong đồ thị hình 3.1. Kết quả phân tích trên máy gia tốc cho thấy các nguyên tố O, Si, Al và Fe là thành phần chủ yếu tạo nên puzolan. Trong đó oxy chiếm tỉ trọng cao nhất với 46,6 %, tiếp sau là Si (24,7%), Al (17,8%), Fe (4,7%) và còn lại là 6,3%.
Hình 3.1. Thành phần hóa học của puzolan
Từ hình 3.1, trong puzolan có Si và Al chiếm tỉ trọng khá lớn và tỷ lệ Si/Al=
1,4, ngoài ra bằng phương pháp so màu xanh molipden xác định được trong puzolan có hàm lượng lớn Si vô định hình tương đối cao (5,7%). Hơn nữa, bằng phương pháp Chiurin xác định được trong puzolan có hàm lượng chất hữu cơ không đáng kể (0,7%) => Puzolan là vật liệu lý tưởng cho quá trình tổng hợp zeolit. Đặc biệt là
39
yếu tố Si vô định hình, nếu Si vô định hình càng cao thì zeolit giàu Si được tạo ra và quá trình tổng hợp zeolit dễ dàng hơn [12].
3.1.2 Đặc điểm cấu trúc
Thành phần khoáng vật học của puzolan tương đối hỗn tạp thể hiện qua sự xuất hiện của khá nhiều hiệu ứng trong nhiễu xạ đồ (Hình 3.2). Có thể thấy mẫu puzolan có mức độ tinh thể hóa tương đối cao với các hiệu ứng sắc nét. Nổi trội nhất là tinh thể quartz (cát) (phản xạ tại góc 2-theta số 28 với khoảng cách lớp 3,343nm, phản xạ tại góc 2-theta số 50 và 60 với khoảng cách lớp lần lượt là 1,817nm và 1,539nm).
Hình 3.2. Nhiễu xạ đồ tia X của vật liệu puzolan
Từ hình 3.2, có thể thấy ngoài các hiệu ứng của tinh thể quartz, trong nhiễu xạ đồ tia X của puzolan còn xuất hiện các hiệu ứng của tinh thể albite (phản xạ tại góc 2- theta số 22 và 28 với khoảng cách lớp lần lượt là 4,011nm và 3,191nm).
Trong khi đó Si vô định hình không có phản xạ đặc trưng.
40
3.1.3 Ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt hóa học đối với quá trình xử lý puzolan
Do trong puzolan vẫn còn nhiều tạp chất quartz (cát) gây ảnh hưởng đến độ tinh khiết của zeolit tổng hợp nên cần loại bỏ quartz.
Theo một số nghiên cứu, F- có vai trò quan trọng trong quá trình biến silic dạng tinh thể thành dạng vô định hình thuận lợi cho quá trình tổng hợp zeolit. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này đã sử dụng phụ gia NH4F kết hợp nung với vật liệu puzolan với các điều kiện khác nhau (nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ F-/Si) để lựa chọn được điều kiện phù hợp nhất tạo thuận lợi tổng hợp zeolit [15].
Kết quả về mối tương quan giữa các yếu tố (nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ F-/Si) ảnh hưởng đến hiệu suất hòa tan vật liệu puzolan được biểu diễn qua những biểu đồ dưới đây (Hình 3.3).
Hình 3.3. Ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt độ (a), thời gian (b), tỷ lệ F-/Si (c) đến hiệu suất hòa tan trong nước của puzolan
41
Ở hình 3.3 (a) ta thấy, ở nhiệt độ nung là 600oC hiệu suất hòa tan của mẫu là nhỏ nhất và đạt hiệu suất hòa tan lớn nhất là ở 200 oC, đây là điều kiện nhiệt độ tối ưu đảm bảo 2 yếu tố: nhiệt độ không quá cao để tiết kiệm năng lượng và hiệu suất hòa tan cao.
Ở hình 3.3 (b) hiệu suất hòa tan tăng dần theo tỷ lệ F-/Si, tỷ lệ F-/Si càng lớn thì hiệu suất hòa tan càng cao, tuy nhiên để puzolan được xử lý với phụ gia NH4F thuận lợi nhất về mặt kinh tế thì tỷ lệ F-/Si được là chọn là 1/1.
Ở hình 3.3 (c) hiệu suất hòa tan tăng dần theo thời gian nhiệt hóa, thời gian càng lâu thì hiệu suất hòa tan càng cao, tuy nhiên để đảm bảo 2 yếu tố thời gian không quá lâu và hiệu xuất hòa tan cao thì thời gian nhiệt hóa được chọn là 90 phút.
Vì vậy, để tổng hợp zeolit, puzolan được xử lý với phụ gia NH4F với điều kiện thuận lợi nhất về mặt kinh tế và hiệu suất hòa tan với điều kiện được lựa chọn là: nhiệt độ (200C), thời gian (90 phút), tỷ lệ F-/Si (1/1).
Cơ chế chính của quá trình nhiệt hóa trên là sự phân hủy NH4F thành NH3 và HF. Các hợp phần này phản ứng với Si trong vật liệu puzolan. Sau chuỗi phản ứng, SiF6
2- (một hợp chất tan tốt giúp cho quá trình nhiệt dịch diễn ra dễ dàng hơn dù ở điều kiện nhiệt độ thấp và nộng độ kiềm không cao) được tạo thành. Hơn nữa, NH4
+
và F- có khả năng thúc đẩy quá trình zeolit hóa [22]. Đây chính là lý do mà NH4F được lựa chọn là phụ gia cần bổ sung cho quá trình nhiệt hóa. Cơ chế xúc tác hóa học của quá trình nhiệt hóa:
NH4F → NH3 + HF
4HF + SiO2 (puzolan) → SiF4 + H2O SiF4 + 2HF + 2NH3 → (NH4)2SiF6