Hình 15: Ánh SEM của các mẫu nghiên cứu
a. Xerogel b. Gốm xốp mullit
c. Gốm xốp cordierit d. Gốm xốp composit (M - C)
Hình ảnh SEM cho ta thấy các tinh thể có dạng hình mặt thoi, một số hạt kết tụ lại thành hình tròn, chủng được phân bố tạo nên các khoảng trống xen kẽ nhau, có các tinh thể mullit và cordierit đan xen vào nhau với chất liên kết pha thuỷ tinh tạo ra các khoảng trống xốp phân bổ khá đồng đều với kích thước khoảng 2 |0.m.
3.2.5. Ảnh hưởng của các chất hữu cơ đến quá trình tạo gốm xốp contposií 3.2.5.1.A nh hưởng của hàm lượng chất tạo xốp đến quá írìnli tạo gốm xốp
Khi sử dụng chất tạo xốp poliacrylamit 1, 2, 3, 4% kết quả thu được trình bày trên bảng 12, hình 16
Bảng 12: Độ xốp của m ẫu nghiên cửu
M ẩu M I M2 M3 M 4
Thể tích tư nhiên 7,6 8.1 8,5 8,5
Thể tích toàn đăc 5,1 5.3 4,3 4,2
Hình 16: Anh hưởng của hàm lượngpoỉyacryìam it đến độ xốp
Từ kết quả trên chúng ta thấy rằng khi tăng hàm lượng polime acrylamit gốm thu được có độ xốp tăng lên, ờ đây chúng tôi chọn 3% chất tạo xốp để nghiên cứu đối với các polime khác nhau.
3.2.5.2.Anh hưởng của các hợp chai hữu cơ đến độ xốp của gốm
Ánh hưởng của việc sử dụng các chất hữu cơ: đường glucozơ (M l); polyvinylancol (M2), polystyren (M3); polyacrylamit (M4) và Laurinsunfat (M5) trong quá trình tạo gốm xốp được minh họa trên đồ thị hình 17:
□ Độ xốp kín ■ Độ xốp hờ □ Độ xốp tồng
Từ hình 17 chúng tôi nhận thấy độ xốp trong các mẫu gốm phụ thuộc vào hàm lượng, bản chất, tính chất, thành phần, cấu trúc của chất tạo xốp. Độ xốp tổng đạt được khoảng 50 - 60% về thể tích và khi tăng nồng độ từ 1 - 4% chất tạo xốp polyacrylam it độ xốp tăng. Với hàm lượng chất tạo xốp tăng quá lớn thì độ xốp quá lớn ảnh hưởng đến độ kết khối vật liệu nên chúng tôi chỉ khảo sát ờ nồng độ 3% của các chất hữu cơ đến quá trình tạo gốm xốp là thích hợp.
Khi sử dụng chất tạo xốp Laurinsunĩat thu được có độ xốp tổng lớn nhất. Khi sử dụng các chất hữu cơ với mạch hidro cacbon càng dài thì việc tạo khuôn dễ dàng hơn và kích thước mao quản lớn thu được vật liệu có độ xốp lớn.
Khi nghiên cứu vai trò các chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến độ xốp của vật liệu, tác giả Nakamisi I.Shizaki và các cộng sự [3, 23,14] cho thấy các chất hoạt động bề mặt như: chất không phân cực S°I°, chất hoạt động cation s + r , chất hoạt động anion s + I' cũng như mạch cacbon dài và ngắn từ c 4 - Cg có tác dụng điều khiển sự phân bố lỗ xốp mao quản. Khi sử dụng các loại khác nhau, sẽ có tác đụng khác nhau. Khi sử dụng hàm lượng chất tạo bột 1 - 2% (KL) cho thấy khi dùng chất hoạt động không phân cực luôn làm tăng diện tích bề mặt vật liệu.
Mạch cacbon ảnh hưởng đến kích thước lỗ, chiều dày mao quản và độ xốp của vật liệu, kích thước lỗ và độ xốp giảm khi độ dài mạch cacbon giảm.
N hững điều này đã được nghiên cứu bởi các tác giả cũng phù hợp với các kết quả của chúng tôi khi sử dụng Laurinsunfat chất hoạt động bề mặt, poliacrylamit là chất hoạt động lưỡng cực, cellulose, đường glucose, polystyren là những chất không phân cực, polistyren có mạch carbon dài. Vì vậy, có thể sắp xếp vai trò của các chất hữu cơ đến quá trình tạo xốp cho gốm tăng dầacartheo
trật tự c e llu lo se < đường g lu co se < polystyren < polyacrilam it < laurinsunfat.
Qua kết quả thu được, chúng tôi thấy khi sử dụng laurinsunĩat để tạo cấu trúc rỗng cho vật liệu, nó có vai trò tạo khí đồng thời có quá trình tạo bọt.
Với kết quả trên đã được chứng minh bằng phương pháp BET, diện tích bề mặt của gốm xốp thu được khi sử dụng laurinsunfat là 143 m2/g và kích thước lỗ trung bình 94,289 nm còn sử dụng polyarylamit 80m 2/g; kích thước lỗ trung bình 84,311 nm của vật liệu, các tác giả cho ràng mạch cacbon ảnh hưởng đến kích thước lỗ, chiều dày thành mao quản và độ xôp.
3.2.6. X ác định các tính chất vật lý của gốm xốp.
Chúng tôi đã tiến hành xác định các tính chất của vật liệu gốm xốp như hệ số giãn nở nhiệt a theo phương pháp TMA, hệ số cách nhiệt Ả được tính theo công thức: [6]
x = Vo,0196 + 222 X ^ V — 0,14
ổ v = — (g/cm3)
V 0
v0: Thể tích tự nhiên của vật liệu (cm3) m: Khối lượng của vật liệu (g)
Ket quả thu được trình bày trên bảng
Bảng 13: Các giá trị vật lý của các mẫu gốm xốp
Mẩu Độ co ngót % Mất khi nung % Độ hút nước % Khối lượng riêng g/cn? Rn N/cm2 Đô xôp % tỷ lệ a . 10^/c X KcaVnith Hở Kín ry-1 TôngX M|(mullit) 4,44 19,20 37,67 1,50 156,2 50,6 5,23 55,83 2,7 0,32 M^cordierit) 3,27 18,52 34,06 . 1,27 167,0 52,5 2,92 55,42 7,2 0,215 m3 3,21 12,17 34,02 1,45 175,0 53,3 1,63 54,93 3,3 0,44 m4 2,96 11,86 35,49 1,37 322,9 52,4 3,60 56,00 3,5 0,43 m5 2,95 9,33 36,70 1,34 229,1 49,6 5,15 54,75 3,8 0,42 M„ 2,77 9,25 35,90 1,30 201,0 47,9 5,07 52,97 5,6 0,45 m7 2,83 10,37 38,51 1,29 190,0 50,7 6,9 57,60 6,2 0,45
Từ bảng kết quả cho chúng ta thấy gốm xốp đạt độ xốp tổng từ 50 - 60% về thể tích: kích thước lỗ xốp xốp trung bình 100A° thuộc loại gốm xốp lớn. Các
giá trị hệ số giãn n ở nhiệt a nhỏ, hệ số cách nhiệt Ằ, nhỏ, khối lượng riêng bé,
cường độ kháng nén trung bình.
Các giá trị vật lý thu được của gốm xốp nằm trong giá trị cho phép để sử dụng làm vật liệu cách nhiệt, cách âm, làm tấm lọc ờ nhiệt độ cao và làm chất mang xúc tác để xử lý môi trường. Điều này cho thấy chủng ta có thể tổng hợp
được các vật liệu có các hệ số a , X, Rn thích hợp cho từng lĩnh vực ứng dựng từ các phối liệu ban đầu.
Rn của composit (M - C) cao hơn so với các gốm riêng lẻ, điều này có thể giải thích do sự đan xen các hạt tinh thể mullit - cordierit vào nhau dưới tác dụng của liên kết pha thủy tinh đã làm tăng cường độ Rn của vật liệu.
Hình 18 trình bày một vài mẫu gốm xốp composit M - c điều chế được trong quá trình nghiên cứu
H ìn h l8 : Anh gốm xốp điểu chế được
3.2.7. ủ n g dụng của vật liệu gốm xốp
Vật liệu gốm xốp có khả năng hấp phụ xanh metylen. Ket quả thực nghiệm thu được độ hấp thụ bão hoà của gốm xốp đối với xanh metylen là 4,7 m g/lgam gốm xốp.
- Nghiên cứu sử dụng gốm xốp làm chất mang xúc tác M n 02 để xử lý ion Fe2+, M n2+ trong nước ngầm. Mau gốm xốp composit được chọn làm chất mang M n 02 có thành phần (M : c = 50 -H 50). Kết quả thực nghiệm được trình bày trên bảng 14 và 15
Bảng 14: Lượng ion Mn2+, Fe bị hấp phụ trên vật liệu xốp -h chất mang = 80:20 Mẩu MnOz (% KL) Composit (M - C) (% KL) Lưọng Mn2+ bị hấp phụ (mg/g) Fe2+ bị hấp phụ (mg/g) m3 20 80 13,60 20,28 M4 20 80 13,91 26,00 m5 20 80 13,95 26,62 m6 20 80 13,80 25,20 m7 20 80 12,60 24,50 *? A Ẩ Ẩ r
Bảng 15: Tỷ lệ chât mang gôm xôp vói MnOỉ
Mẩu MnOz (% KL) Composit (M - C) (M - c = 50 h-50) Lưọng Mn2+ bị hấp phụ (mg/g) Fe2+ bị hấp phụ (mg/g) M5-10 10 90 13,00 18,25 Ms_20 20 80 13,95 26,62 M5. 40 40 60 14,00 27,00 M5.6O 60 40 14,05 27,10
Từ kết quả trên chúng tôi thấy rằng có thể sử dụng gốm xổp composit (mullit - cordierit) làm chất mang xúc tác M n 0 2 để xử lý ion M n2+, Fe2+ trong dung dịch nước. Khả năng tích tụ lượng M n2+ và Fe2+ được tạo ra từ phản ứng oxi hoá M n2+, Fe2+ thành M n 0 2 và Fe(OH)3 với sự xúc tác của M n ơ 2.
Theo phản ứng sau:
M n2+ + — 02(kk) + 2e = M n C ^ 4Fe2+ + 3 0 2kk + 6H20 + 8e = 4Fe(OH)3i
Các kết tủa M n 0 2, Fe(OH)3 sinh ra được vật liệu gốm xốp và M n 0 2 kết tụ lại trên bề mặt hạt M n 0 2.
Vật liệu xốp composit M - c có vai trò chất mang M n 0 2 nhằm làm phân bố M n 0 2 tốt trên bề mặt xốp của gốm, vì thế làm tăng khả năng xúc tác của M nƠ2 đối với việc xử lý ion M n2+, Fe2+trong nước.
5. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu của đề tài chúng tôi có một số kết luận sau: 1. K hoáng caolanh A - lưới, sét Trúc Thôn, talc Phú Thọ có thành phần hoá học S i0 2, AI2O3, M gO với hàm lượng lớn có thể dùng để điều chế gốm xốp mullit - cordierit. Để đạt được cấp hạt 3 - 1 0 0 |im thời gian nghiền là: 120 phút, tốc độ nghiền: 300 vòng/phút.
2. Điều chế được gốm xốp mullit và cordierit và composit (M - C) bằng phương pháp khuếch tán rắn - lỏng từ khoáng sát và bổ sung muối Al3+, Mg2+ thu được pha tinh thể cordierit ở 1200°c, mullit ở 1300°c với thời gian lưu 2
g iờ , sả n p h ẩ m c ò n lẫ n m ộ t ít p h a a A I2O3 v à S a p p h ir in .
Bằng phương pháp Sol - gel pha tinh thể cordierit và mullit thu được ở nhiệt độ 1200°c lưu 2 giờ với cường độ pic lớn hơn.
3. Sử dụng các chất hữu cơ trong quá trình điều chế gốm xốp thu được gốm có độ xốp 50 - 60% về thể tích. Ảnh hường đến sự tạo xốp được sắp xếp như sau:
Laurinsunfat > polyacrylamit > polystyren > PVA > đường glucose
4. Sản phẩm gốm xốp compọsit (M - C) có hệ số a , X nhỏ, độ xốp tổng > 50% có thể sử dụng làm vật liệu cách âm, cách nhiệt, vật liệu lọc ở nhiệt độ cao và vật liệu chất mang xúc tác.
5. V ật liệu gốm xốp có thể sử dụng làm chất mang xúc tác oxyhoá M n 0 2 để xử lý ion Fe2+, M n2+ trong nước ngầm với tỷ lệ M n 0 2: gốm xốp = 20 -h40% có khả năng hấp phụ được 13,95 mg/g đối với M n2+ và 26,62 mg/g đối với Fe2+.
TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO TIÉNG VIỆT
1. Luu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh, Nguyễn Thị Tố Loan.
(2008), “Tông hợp M nO2 kích thước nanomet bằng phương pháp boc cháy Ífc7
và nghiên cứu khá năng sử dụng M hOị kích thước nanomet để hấp phụ Asenic ",
1 ạp chí Hóa học, T.46 (2A), tr. 43-48.
2. Nguyễn Hoàng (2007),Nghiên cứa chế tạo vật liệu xứ lý mangan tronq 111 rức
và thiêt kê thiêt bị xử lí mcmgan trong nước ngầm qui mô hộ gia đình. Báo cáo kết quả nghiên cứu khoa học QG-05-12, Đại học Quốc Gia Hà nội. 3. Nguyễn V ăn K hôi, (2007), Poìyme ưa nước, Hoá học và ím g clĩiny,NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ
4. Đỗ Q u ang M inh, (2006), “Kỹ thuật xán suất vật liệu gốm", NXB Đ1IQG T P H C M ,, tr. 255-256.
5. Lê Thị Kim O an h , Phạm Thị H ạnh, (2008), ' X ử lý Asen trung nước ngủni banơ đioxit m anẹan MnO2 theo mô hình hấp phụ độn%", Tạp chí Hóa học, 1.46 (2A). tr. 245-248.
6. Nguyễn N h ư Q uí,(2002), “Công nghệ vật liệu cách nhiệt. ” NXB XD.
7. T rầ n Ngọc Tuyền, (2006), "Nghiên cứu tông hợp gốm cordierite và composite mnllite - corcỉierite từ cao lanh A Lưới - Thừa Thiên Huê ", Luận án
tiến sĩ hóa học ĐHKHTN-ĐHQGHN
8. P han V ăn T ư ò n g , (2007), Vật liệu vô cơ, NXB ĐHQGHN
9. P han Văn T u ò n g , (2007), Các phương pháp tông hợp vật liệu gốm, NXB ĐIIỌGHN
10. P hạm X uân Yên,(1995), K ĩ thuật san xuất gốm sử. NXB Khoa học và kì thuật.
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIÉNG ANH
11. Ales K oller A cer, (1994), Structure and properties o f ceram ics, Amsterdam- London- Newyork- Tokyo, p413.
12. M .Anasovska. (1998), Evolution o f thephase composition duriìĩíỊ sinterriiiíỉ
o f the MgO- A12Ỡ3 - S i0 2 system. Proceeding o f the Ninth worId Round table conference on sinterring held septeniber,l-4,in Belgred, Yogoslakit
13. M. B engisu.( 2001) , Engining ceramics. Springer - Kerlay, Berlin Heidelberg
14. Bing T an , H ans - Toachim L eh m ler (2005) Large and sm all - nanopore silica prepcired with a short - chain cation ỷĩuorinated surfactant.
Nanotechnology 16, p502-507
15. Boudchieha, M. R., Achour, s. and Harabi, A., (2001), “CrystaìHzatioìì
and sintering o f cordierite and anorthite based binary ceram ics", J. Mater. Sci. Lett 20, pp. 215-217.
16. Burghelea V., Tardei c ., Grecu N., ỈMelinescu A., (2004). Svníhesis (111(1
cìuiracterization fìf cordierite - mullite com posites”, Key Fneinecrintỉ Materials, Vols. 264-268, pp. 1689-1692.
17. Cai Shu, Xu M ingxia, Z hou cailou, T an Jiaq u i. (2002) Fabrication oj cordierite pow der from Mcignesium-aluminium hydroxide and Sodium siHcate : Its characteristics andsintering. M aterials Research Bulletin 37- 9, p 1333-1340. 18. FA C osta D liveira, J .C ru z fe rn a n d e s, (2001), M echanical and thennal
behaviour o f cordierite-zircoma composites, (79-91).
19. D. Doni Jayaseelan, D. Amutha Rani, D. Benny Anburaj, T. Ohji,
(2004), “Pulse elecíric current sintering and microstructure o f industrial mullite in the presence o f sintering ciids”, Ceramics International 30, pp. 539-
20. D. INI. D abbs an d I. A. Aksay, (1996), M ullite synthesis 11/7/;
Alumiiìosilo.xanes”, Chem. Mater, tr. 2050 - 2060.
21. M. Ham idouclie, N. Iìouaouadja, C.Olagnon, c;. Fantozzi. (200 )
Tliermơl shock bchaviour o f mullite ceramic ”, Ceramics International 28. pp. 599-609.
22. Ya.Feiliu, Xing-Qinliu-Huivei, (2001), "Porous mullite ceramic írum
national cìay produced by gel casting”, Ceramics International 27, pp. 1 - 7.
23. K Ishizaki, Skom arnesu, M Nanko.(2001) Porons Materials process
techoìogy and application,(J-7).K\u'wer Academic Publishers,London.235p. 24. Isniagilov, R.A. S h k ra b in a , N.A. K o ry ab k in a, (1997), Porous aìumina as a support fo r cotaìysts and membrances, Preparation and studv. React. Kinet. catai. Ler.60 (2),225-231.
25. J a e E an Lê, Y eon Gil Ju n g , (2002), Effect of'precursor p H and temperature 011 synthesizing and morpholog o f sol-geì procesing imillite ceramics International Journal 28, 935-940.
26. Ju n ich i T a k a h a sh i, M aya N atsuisaka, S him ada, (2002), " Fcibricutiun o f cordierite - mulỉiíe composites with differently sliaped mullite gi'ains ", Journul o f European Ceramic Society 22, pp. 478-485.
27. H.Katsuki, s.ru ru ta , A.Shirai et al.( 1996) Porous muỉlit honevcomb by
hydrothennaỉ treatmen o f /ìred kaolin bodies in NoOH, J.Porous Mater. 2 (4) 299-305.
28. Sen Mei, Juan Yang, J.M .F.Ferreire. (2000) Microstructiiral cvoluíion III
Sol-gel derived P : 0 5 doped cordierite powder.
Journal o f the Europear) Ceramics Society 20, p 2 191-219
29. N .T.Silva, C .A .B ertara n , (2002), Organic acids effecùotì crysta/lizution kinetics o f cordierite obtained by disphasic gel. Journal o f Non crystallization solid 304,31-35.
30. G .P .T him , C .A .B ertran , (2001), Experimental and M onte Carlo
siniulation: the role o f ure in muìlite svnthesis. Joumal o f European ceramic society 21, 759-763.
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
V IE T N A M E S E A C A D E M Y OF S C IE N C E A N D T E C H N O L O G Y
ISSN 0866-7144
SỐ ĐẶC BIỆT CHÀO MỪNG HỘI NGHỊ
HÓA VỒ CƠ-PHÂN BÓN TOÀN QUỐC LẦN THỨ BA
T. 46
2 A
2008
T ạp chí Hóa liọc, ĩ . 46 (2A), Tr. 302 - 306, 2008
ĐIỀU CHẾ GỐM XỐP MULLIT TỪ KHOÁNG SÉT TRÚC THÔN
Đến Tòa soạn 29-2-2008
NGHIÊM XUÂN THUNG, TRẦN THỊ THANH THẢO, BÙI THỊ VÂN
Khoa HỎCI liọc. Trường Dại liọc Khoa học Tự Iilũỡii. Dại học Quôc Ịiia IỈÒ Nội
SUMMARY
In llìc parl ycars, the xolid-liqnicl ctiffn.sion process lias bccn ÌIICI casiiiỊỉly cmpịnycd for tlie proccssinẹ o f Ịìonms ceranúcx fmni Iiatin al núiicral. In the prcscnt iitvci tiạatian pontus mnlỉiir ceramics were prcrpared from Trnc Tlion clav, AìịN0,)).9H-O and gliurcc. pnlvvinylalcool. polỵslyrcn. polyanylamidc. The prcparcil spcciiiìciưs \vcre llictimilly trcatccl (II ] I ĩOnC for 2li. The conteiil ọl' organics ( íimpnimils Itrrcã variccl ÌII Iiiílcr lo ohlíiin (liffcrcnt poroits mnllitc stnicliirc. The crislal slnit litrc (Iiưl pomsiiy <if mnllite ccramics ircrc dclcrniincd lìỴ llic incllinclx: DTA, TC, XRD. SEM , BlĩT and Ar< himelc.
I - MỞ ĐẨU
Trong công trình I ] ] chúng lôi dã dề cập dến Ig hợp gốm mullit tù' nguồn caoỉanh A lưới và Ìg phương pháp Sol-Gel. Theo dó, trong cóng ìh này. chúng lỏi điều chế gôm xốp mullit từ Jồn khoáng sél Trúc Thón VÌI kháo sál ảnh )ng cúa một số chất hữu cơ như: đường cozơ, polvvinylancol. polystyren,
yacrylamil dến quá trình lạo xốp và lính chát
lí của gốm mullil [1.4, 5]. II - THỰC NGHIỆM
'Iguycn liệu điìu và lliiế t l)ị
Các neiiyên liệu dầu dược sử dung: Khoáng
Tnic Thon. AI(NO,)1.0Íl,O. N IT .O II. MCI.
Ỉ 0 „ i l ư ừ n g g k i c 0 7 , ơ . p o l i v i n y l a l c o o l .
islyrcn. polyacrylíimil, các lioá chãi sù dụng linh khiêt cùa Trung Quốc.
Quá Hình phàn ứng. thành phấn pha và lính