+ Trong y tế: bó bột, khâu chế tạo chân tay giả, nha khoa
+ Trong ngành điêu khắc: công đoạn tạo hình, đổ khuôn, đúc tượng. + Trong xây dựng: vách ngăn, trần, phun tạo bề mặt tường, chi tiết trang trí công trình kiến trúc (trần, phào, chỉ, hoa văn, phù điêu..)
+ Các ứng dụng khác: phấn viết, phấn trang điểm, điều chế thiết bị lọc nước, chất lỏng trong gia dụng, công nghiệp.
23
CHƯƠNG 2
THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu và hóa chất
- Bã thải Photpho của nhà máy DAP Hải Phòng (Việt Nam).
- Dung dịch NaOH 30% - Dung dịch KOH 20% - Dung dịch KCN 2%. - Dung dịch BaCl2 10 % - Axít HCl dung dịch có d= 1,19 - NH4Cl tinh thể
- Nước rửa : Axít HCl dung dịch 5% - Axít HF 40%
- Axít H2SO4 đậm đặc d= 1,84. - KHSO4 tinh thể.
- Amonihyđrôxýt NH4OH 10%, NH4OH 25%
- HCl đậm đặc d=1,19 và HCl0,04N và 2N, Nước rửa : axít HCl dung dịch 2% ( d = 1,008).
- Axit HNO3 đậm đặc và HNO3 10%. - Axít sunfosalixilic 15%
- Dung dịch đệm pH = 4,5 – 4,7 và 77gam CH3 COONH4 + 51,9 ml CH3COOH 98% pha thành 1000 ml..
- Dung dịch CuSO4 0,01M. - EDTA dung dịch 0,01M.
- Các chất chỉ thị: phenolphtalein, fluoresol 1%, Molitdat, pyridyl-azo-resorsirmol (PAR) dung dịch 0,1% loại tinh khiết của hãng Merk (Đức).
- Vải thủy tinhloại E (Trung Quốc); qui cách:100g/m2. - Vôi sống CaO dạng bột, màu trắng (Việt Nam). - Và các hóa chất phân tích khác.
2.2. Thiết bị sử dụng
- Máy khuấy IKAR RW 20 digital (Đức), tốc độ khuấy 120-2400vòng/phút. - Máy đo độ bền cơ học INSTRON 5582-100kN(Mỹ).
24
- Dụng cụ vika xác định thời gian đông kết Model: TT E01582 của hãng Ttech (Việt Nam).
- Sàng rây kích thước lỗ từ 0,063 - 5mm (Việt Nam). - Tủ sấy Heraeus (Đức).
- Lò nung Nabertherm –Liliental (Đức).
- Cân phân tích Kern 770 (Đức), chính xác đến 0,0001gam.
2.3. Phương pháp xử lý, tái chế bã thải photpho để chế tạo thạch cao và tấm ngăn thạch cao - vải thủy tinh. thạch cao - vải thủy tinh.
a, Phương pháp xử lý, tái chế bã thải photpho:
400g bã thải photpho (Gyps) được sàng để loại bỏ các hạt sạn và cục to, được cho vào cốc thủy tinh loại 2 lít. Sau đó cho 1 lít dung dịch nước vôi Ca(OH)2 (pH=13÷14), tiến hành khuấy đều với tốc độ 400 vòng/phút trong 1 giờ để trung hòa hết các loại axit (H2SO4, H3PO4, HF..) tồn tại trong bã thải. Trong quá trình khuấy các tạp chất đen, bọt lẫn chất bẩn nổi lên trên được vớt ra. Dùng giấy quì tím để kiểm tra và điều chỉnh độ pH của dung dịch, nếu giấy quì chuyển sang màu hồng thì bổ sung thêm dung dịch nước vôi cho tới khi dung dịch không làm thay đổi giấy quỳ (dung dịch trung hòa). Bổ sung chất tập hợp và chất tạo bọt vào khuấy kỹ. Sau khi khuấy hỗn hợp dung dịch được để lắng trong khoảng 15 phút, dung dịch thu được là 1 hỗn hợp lơ lửng được đổ sang cốc khác, cặn ở đấy cốc được bỏ đi. Dung dịch sau khi loại bỏ cặn ở đấy cốc được lọc, sàng qua rây kích thước 0.14- 0.5mm để loại bỏ các hạt to (chủ yếu là SiO2). Cuối cùng tiến hành lọc và rửa lại nhiều lần bằng nước để thu thạch cao. Công đoạn cuối sản phẩm sau lọc rửa được sấy ở khoảng 120-300oC, sau đó được nghiền mịn và sàng để thu được sản phẩm thạch cao CaSO4.1/2H2O.
b, Chế tạo tấm thạch cao và tấm thạch cao gia cường bằng vải thủy tinh
Vải thủy tinh được cắt theo kích thước xác định, cân lượng thạch cao và thủy tinh theo tỷ lệ thạch cao: vải thủy tinh=100:15 (% khối lượng). Lượng nước/thạch cao = 0,5 -0,7. Đầu tiên trộn nước với thạch cao trước để tạo hồ thạch cao, sau đó đổ vào khuôn 1/5 hồ thạch cao, láng một lớp rồi xếp vải thủy tinh một lượt. Mỗi lớp vải thủy tinh lại được phủ một lớp thạch cao cứ như vậy cho đến hết lượng hồ thạch cao. Để thạch cao kết thúc đông kết tháo khuôn thu sản phẩm tấm thạch cao cốt vải thủy tinh.
25
2.4. PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN BÃ THẢI GYPS [35, 36] [35, 36]
2.4.1. Xác định độẩm
Cân xác định khối lượng chén sứ có chứa mẫu. Sau đó cho chén sứ đã chứa mẫu vào tủ sấy, tại nhiệt độ 105-110oC trong khoảng 2-3 giờ, lấy ra cho vào bình hút ẩm, để nguội đến nhiệt độ phòng sau đó đem cân xác định lại khối lượng. Làm lại với điều kiện trên trong 30 phút và cân như vậy cho đến khi đạt khối lượng không đổi. Độ ẩm của bã thải được tính bằng công thức:
Trong đó: G: khối lượng mẫu và chén sứ trước khi sấy (g). G’: khối lượng mẫu và chén sứ sau khi sấy (g) g: khối lượng mẫu (g)
2.4.2. Xác định hàm lượng P2O5
Nguyên tắc: Phá mẫu bằng dung dịch HNO3 đặc để chuyển lượng P2O5 trong mẫu về dạng PO43- .
Ca5F(PO4)3 + 10 HNO3 = 5Ca(NO3)2 + 3H3PO4 + HF
Sau đó làm kết tủa PO43- dưới dạng kết tủa vàng Amoniphospho Molibdat bằng thuốc thử (NH4)2MoO4 trong môi trường NH4NO3 30%.
H3PO4 + 12(NH4)2MoO4+ NH4NO3= (NH4)3H4(P(Mo2O7)6)+ H2O Hòa tan kết tủa bằng một lượng dư NaOH tiêu chuẩn
2(NH4)3H4(P(Mo2O7)6) + 46NaOH = 23Na2MoO4 + (NH4)2MoO4 + 2(NH4)2HPO4 + 26H2O Cuối cùng chuẩn lượng NaOH dư bằng dung dịch HCl tiêu chuẩn theo chỉ thị phenolphthalein
NaOH + HCl = NaCl + H2O
Chuẩn bị mẫu:
Cân 1g mẫu đã được nghiền mịn, sấy ở nhiệt độ 105-110°C vào cốc 250ml + 40ml HNO3 50%, đun sôi nhẹ 30 phút, để nguội định mức 250ml lắc đều, lọc khô (dung dịch A)
Cách tiến hành: Hút 25ml dung dịch A vào bình tam giác cho 20ml NH4NO3 30% thêm 30ml (NH4)6Mo7O4 7,5%, lắc nhẹ 5 phút, để lắng rồi lọc qua giấy lọc đã dầm nát.
26
Rửa kết tủa bằng nước cất đến hết axit (thử bằng giấy pH). Chuyển toàn bộ kết tủa vào một bình tam giác sạch, thêm vài giọt chỉ thị phenolphtalein, hòa tan kết tủa bằng dung dịch NaOH 0,3N đến dư (≈2ml) ghi thể tích V1(ml). Chuẩn độ lượng NaOH dư bằng dung dịch HCl 0,3N đến khi dung dịch mất màu hồng, ghi thể tích V2(ml).
• Tính kết quả % P2O5 = m V K V K1 1 − 2 2 Trong đó: + K1, K2 là các hệ số hiệu chỉnh nồng độ + K1 = NNaOH/0,324 + K2 = NHCl/0,324
+ m là khối lượng mẫu lấy phân tích (g).
2.4.3. Xác định hàm lượng CaO
+ Nguyên tắc: Chuẩn độ nồng độ Ca2+ bằng dung dịch EDTA theo chỉ thị fluorexol. Ở pH=12, ion Ca2+ tạo với chỉ thị fluoresol một phức màu xanh huỳnh quang kém bền hơn phức của nó với EDTA. Chuẩn độ trực tiếp ion Ca2+ bằng EDTA với chỉ thị fluorexol giải phóng chỉ thị ở dạng tự do có màu hồng nhạt.
+ Cách tiến hành:
Hút 50ml dung dịch lọc A vào cốc 250ml, trung hòa bằng NaOH 30% đến xuất hiện kết tủa, hòa tan kết tủa bằng HCl (pha loãng HCl đậm đặc với nước cất tỷ lệ 1:1) + 10ml dung dịch 50 mg Fe3+/ml, thêm từ từ 20ml dung dịch Urotropin 20% (thử pH= 6). Đun nóng nhẹ dung dịch ở khoảng 60-70°C trong 15 phút (tránh sôi), để nguội, định mức 250ml, lọc khô (dung dịch B). Dung dịch B để xác định CaO.
Hút 50 ml dung dịch B vào cốc 250ml thêm 50ml nước cất + 2ml dung dịch KCN 2% + 2ml dung dịch triethanolamin 20% + 20 ml dung dịch KOH 20% + chỉ thị fluorexol và chuẩn độ bằng dung dịch EDTA 0,01M đến khi dung dịch mất màu huỳnh quang trên nền đen và chuyển sang màu hồng được V1(ml).
Tiến hành tương tự với một mẫu trắng được V2(ml). Công thức tính: % CaO = m V V ) 0,00056 100 ( 1− 2 × ×
27
Trong đó:
V1: Thể tích EDTA tiêu tốn khi chuẩn mẫu (ml) V2: Thể tích EDTA chuẩn mẫu trắng (ml) m: là lượng mẫu đem chuẩn độ (g)
0,00056 là lượng gam CaO tương ứng với 1ml EDTA 0,01M
2.4.4. Xác định hàm lượng SiO2 và cặn không tan
+ Nguyên tắc:
Hòa tan mẫu trong HCl đặc có thêm NH4Cl để phá mẫu, lọc, nung và cân xác định được hàm lượng oxít silic và cặn không tan. Sau đó, phá mẫu SiO2 và cặn không tan bằng HF và H2SO4, lọc, nung cân để xác định lượng cặn không tan, từ đó tính được lượng SiO2.
+ Cách tiến hành :
Cân 1gam mẫu phân tích và cho vào cốc có dung tích 100ml. Tẩm ướt bằng nước cất và hòa tan hết cục. Đậy cốc bằng mặt kính đồng hồ, cho từ từ 5ml HCl đặc (d= 1,19) qua miệng cốc , dùng đũa thủy tinh khuấy cho tan hết những hạt đen. Cho vào 0,5 gam NH4Cl tiếp tục khuấy cho đều . Để trên bếp cách thủy đun trong khoảng 30 phút. Trong thời gian đó khuấy nhiều lần để dầm tan những cục bị vón. Nếu dùng bếp cát thì phải giữ nhiệt độ không quá 100oC. Sau đó lấy ra cho 50ml nước sôi, trộn đều, để lắng, lọc qua giấy lọc. Dùng HCl 5% đun sôi rửa hết kết tủa và lọc gạn 3 lần .Sau đó tiếp tục rửa kết tủa bằng nước đun sôi đến hết ion Cl (thử bằng dung dịch AgNO3 1%) nước lọc và nước rửa gộp vào cốc 500ml và giữ lại để xác định các thành phần khác.
Kết tủa và giấy lọc sấy khô cho vào chén sứ đã nung và cân đến khối lượng không đổi . Đốt từ từ cho cháy hết giấy lọc rồi nung đến nhiệt độ 1000 - 1100oC trong khoảng 1h. Lấy ra để nguội đến nhiệt độ phòng trong bình hút ẩm, cân. Nung lại ở nhiệt độ đó trong 15 phút và cân đến khối lượng không đổi.
Công thức tính :
Với G : khối lượng kết tủa và chén(g). G’ : khối lượng chén không (g). g : Khối lượng mẫu (g).
28
W : Độ ẩm của thạch cao (%).
Trong trường hợp muốn xác định chính xác SiO2 phải định lượng cặn không tan. Chuyển kết tủa đã nung sang chén bạch kim đã nung và cân đến khối lượng không đổi. Tẩm ướt bằng nước cất cho vào 15ml HF 40%, 2 giọt H2SO4 d= 1,84. Đun cho bốc hơi trên bếp có lót amiăng đến khô. Nung chén ở nhiệt độ 900 – 1000 oC trong khoảng nửa giờ. Để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng , cân đến khi khối lượng không đổi. Phần bã nung chảy bằng KHSO4 d = 1,84 đến khi tan trong. Gộp vào phần nước lọc ở trên, cho vào bình định mức 500ml, thêm nước đến vạch.
Công thức tính :
Với a : khối lượng kết tủa (gồm SiO2 và cặn không tan) (g) a’ : khối lượng cặn không tan (hay còn gọi là bã) (g). a’ = G – G’ với G : khối lượng chén bạch kim và bã (g) G’ : khối lượng chén bạch kim (g)
2.4.5. Xác định hàm lượng SO3
+ Nguyên tắc: Kết tủa sunfat dưới dạng BaSO4 . Từ lượng BaSO4 thu được ta sẽ tính được lượng SO3.
+ Cách tiến hành:
Lấy dung dịch lọc được khi phá mẫu để xác định hàm lượng chất không tan ở trên. Đun sôi dung dịch này đồng thời cũng đun sôi dung dịch BaCl2 cho vào 10 ml dung dịch BaCl2 khuấy đều , tiếp tục đun sôi nhẹ trong 5 phút ,sau đó để yên dung dịch trong 3h cho kết tủa lắng xuống. Lọc qua giấy lọc không tàn chảy chậm, rửa kết tủa và giấy lọc bằng nước cất đun nóng cho đến khi hết ion Cl (thử bằng AgNO3 1% ). Sau đó cho giấy lọc và kết tủa vào một chén sứ đã nung , cân đến khối lượng không đổi. Sấy khô, đốt cho cháy hết giấy lọc. Nung ở nhiệt độ 1000 – 1100oC. Lấy ra để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng. Cân, nung lại 15 phút ở nhiệt độ trên , sau đó cân lại đến khi khối lượng không đổi. Hàm lượng SO3(% ) được tính theo công thức:
29
G’- khối lượng chén không ( gam). 0,343 – hệ số chuyển từ BaSO4 thành SO3. g- khối lượng mẫu (gam).
W – độ ẩm (%).
2.4.6. Xác định hàm lượng Al2O3 (xem phần phụ lục 1)
2.4.7. Xác định hàm lượng Fe2O3 (xem phần phụ lục 2)
2.4.8. Xác định hàm lượng MgO (xem phần phụ lục 3)
2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ, LÝ CỦA VẬT LIỆU 2.5.1. Xác định độ mịn 2.5.1. Xác định độ mịn
Thạch cao nung xong được nghiền thành bột mịn, thạch cao càng mịn thì quá trình thủy hóa càng nhanh, cứng rắn càng sớm và cường độ chịu lực càng tốt. Ðộ mịn thạch cao được tính bằng phần trăm (%) theo tỷ số giữa khối lượng phần còn lại trên sàng và khối lượng mẫu ban đầu, với độ chính xác tới 0,1%.
Độ mịn của thạch cao được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 4030:2003.
2.5.2. Xác định lượng nước tiêu chuẩn
Khi nhào trộn thạch cao với nước để tạo ra vữa, nếu trộn ít nước quá thì vữa sẽ khô khó thi công, nếu lượng nước trộn nhiều quá thì vữa sẽ nhão dễ thi công nhưng nước thừa nhiều khi bay hơi đi để lại nhiều lỗ rỗng làm cho cường độ chịu lực của vữa giảm. Vì vậy phải nhào trộn với một lượng nước thích hợp nhằm đảm bảo hai yêu cầu: vừa dễ thi công, vừa đạt được cường độ chịu lực cao. Lượng nước đảm bảo cho vữa thạch cao đạt được hai yêu cầu trên gọi là lượng nước tiêu chuẩn. Lượng nước đó đảm bảo cho hồ thạch cao có độ đặc tiêu chuẩn và được biểu thị bằng tỷ lệ % nước so với khối lượng của thạch cao. Lượng nước tiêu chuẩn được xác định theo TCVN 6017:1995.
2.5.3. Xác định thời gian đông kết
Sau khi trộn thạch cao với nước hồ thạch cao dần dần đông đặc lại. Thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn thạch cao với nước cho tới khi hồ thạch cao mất dẻo và bắt đầu cứng lại và có độ chịu lực gọi là thời gian đông kết. Thời gian đông kết của thạch cao bao gồm hai giai đoạn:
+ Thời gian bắt đầu đông kết: Là khoảng thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn thạch cao với nước đến khi hồ mất tính dẻo. Ứng với lúc kim vika có đường kính 1,1mm lần đầu tiên cắm sâu cách tấm kính ≤0,5 mm.
30
+ Thời gian kết thúc đông kết: Là khoảng thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn thạch cao với nước đến khi hồ có cường độ nhất định, ứng với lúc kim vika có đường kính 1,1 mm lần đầu tiên cắm sâu vào hồ ≤0,5 mm.
Các loại thạch cao có thời gian đông kết khác nhau. Nếu đông kết sớm quá thì việc thi công phải hết sức khẩn trương, có khi thi công không kịp nhưng cường độ lúc đầu cao và ngược lại. Để có chế độ thi công hợp lý và đảm bảo chất lượng công trình thời gian đông kết của thạch cao cần phải được xác định cụ thể bằng cách sau:
1. Thanh chạy 2. Lỗ trượt 3. Vít điều chỉnh 4. Kim chỉ vạch 5. Thước chia độ 6. Kim vika 7. Khâu vika 8. Bàn để dụng cụ vika
Đổ một lượng nước tương ứng với độ đặc tiêu chuẩn của hồ thạch cao vào một chậu bằng kim loại hoặc bằng sứ; Sau đó đổ vào chậu 200g thạch cao, bắt đầu tính thời gian rồi trộn đều bằng tay. Phải đổ từ từ trong 30 giây cho hồ thạch cao vào khâu của máy đặt trên tấm kính, cắt hồ thừa bằng dao và miết bằng mặt. Sau đó đặt khâu dưới kim của máy cho đầu kim xuống sát mặt hồ, mở ốc hãm thanh chạy và kim tự do rơi xuống cắm vào hồ thạch cao. Cứ 30 giây cho kim rơi một lần, cắm ở các vị trí khác nhau, trước khi cho kim rơi phải lau sạch kim. Dùng đồng hồ theo dõi thời gian trong suốt quá trình trộn và thả kim rơi.
2.5.4. Cường độ chịu nén:
Cường độ chịu nén đặc trưng cho cường độ của thạch cao, cường độ nén là một chỉ tiêu để đánh giá phẩm chất của thạch cao.
Để đánh giá cường độ nén của thạch cao người ta đúc 3 mẫu hình lập phương cạnh 7,07 cm và đem nén sau 1,5 giờ. Cách tiến hành như sau : Trộn thạch cao với một lượng nước tương ứng với độ đặc tiêu chuẩn của hồ thạch cao
31
cho tới khi đồng nhất sau đó đổ ngay vào các khuôn. Sau khi đổ đầy khuôn miết phẳng mặt, sau 1 giờ tính từ lúc bắt đầu trộn thạch cao với nước thì tháo mẫu ra khỏi khuôn, sau 1,5 giờ đem thí nghiệm nén các mẫu. Giới hạn cường độ chịu nén của thạch cao