Luận văn:Nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu cám gạo trên xúc tác superaxit rắn.pdf (tổng hợp biodiesel)

1 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Cẩm Nam TRẦN NGỌC CƯỜNG Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Dũng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP KHOÁNG WOLLASTONITE TỪ TRO TRẤU VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Mã số: 60.52.75 Phản biện 2: PGS.TS. Võ Văn Tân Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 7 năm 2011. TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Đà Nẵng - Năm 2011 3 4 MỞ ĐẦU biệt tận dụng các nguồn nguyên liệu, phế liệu trong nước, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. 1. Lý do chọn ñề tài Hiện nay wollastonite là một nguyên liệu ñược ứng dụng rộng rãi, ñặc biệt trong lĩnh vực gốm sứ, là nguồn cung cấp calcium oxide (CaO) và silicon oxide (SiO2) cho men sứ hoặc frit, hay chất tạo 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite (CaO.SiO2 hay viết tắt là CS) từ nguồn nguyên liệu có chứa SiO2 và CaO. thành lớp trung gian giữa men và xương. Gần ñây, các nhà máy gốm 3.2. Phạm vi nghiên cứu sứ có xu hướng thay thế nguồn ñá vôi bằng wollastonite trong quá Nguồn tro trấu nung chứa hàm lượng SiO2 ở dạng vô ñịnh hình là trình sản xuất nhằm hạn chế dạng khuyết tật chân kim trên men. nguyên liệu lý tưởng ñể cung cấp SiO2. Trong phạm vi nghiên cứu Wollastonite còn ñược ứng dụng làm cốt liệu cho vữa cường ñộ của ñề tài này, chúng tôi tập trung vào việc tổng hợp khoáng cao, chất trợ dung dùng trong xi măng ñóng rắn nhanh, chất ñộn cho wollastonite từ nguyên liệu tro trấu của An Giang ñã ñược nung và các thành phần chống cháy, chất cách nhiệt, vật liệu chịu lửa, sơn các nguyên liệu chứa calcium oxide cụ thể là Ca(OH)2 hay CaO sử silicat... dụng phương pháp thủy nhiệt. Như vậy wollastonite là một nguyên liệu có tầm quan trọng trong ngành công nghiệp. Nhu cầu sử dụng chúng ngày càng tăng ở trên thế giới, trong khi ñó nguồn wollastonite tự nhiên ngày càng khan hiếm, do ñó chúng ta cần phải nghiên cứu sản xuất các sản phẩm 4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu XRD, XRF, FT-IR, SEM của nguyên liệu và sản phẩm. Các phân tích ñược thực hiện tại Trung tâm Phân tích phân loại wollastonite tổng hợp ñể thay thế nguồn tự nhiên. Trên nhu cầu ứng hàng hóa xuất nhập khẩu - Chi nhánh tại Đà Nẵng. dụng thực tiễn chúng tôi thực hiện ñề tài: “Nghiên cứu tổng hợp 5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của ñề tài khoáng wollastonite từ tro trấu Việt Nam bằng phương pháp thủy Ở nước ta, nguồn cát và các nguồn nguyên liệu chứa SiO2, CaO nhiệt”. rất nhiều nhưng chưa khai thác và ứng dụng có hiệu quả trong việc 2. Mục ñích nghiên cứu tổng hợp các sản phẩm có giá trị như wollastonite. Trong khi ñó Hướng nghiên cứu tổng hợp wollastonite ñược thực hiện thông chúng ta phải nhập ngoại wollastonite (CS) với giá thành cao. qua việc tổng hợp xonotlite-Ca6Si6O17(OH)2 và các khoáng calcium Wollastonite (CaSiO3) ñang ñược quan tâm, vì nó có các thuộc silicate hydrate, các khoáng hình thành trong hệ CaO−SiO2−H2O với tính như: chịu ñược nhiệt cao, trơ hóa học, ổn ñịnh nhiệt, ít dãn nở và tỷ lệ mol CaO/SiO2 hợp lý ở ñiều kiện áp suất cao ñã ñược chúng tôi ñộ dẫn nhiệt thấp, do ñó ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công ñặt ra với mục tiêu giảm nhiệt ñộ phản ứng, chi phí nhiên liệu và ñặc nghệ sản xuất. 6 5 Vỏ trấu ñược tách từ hạt lúa ñã trở thành một trong những vấn ñề Chương 1 − TỔNG QUAN TÀI LIỆU lớn của môi trường. Nhưng khi vỏ trấu của hạt lúa khi cháy tạo thành tro chứa hàm lượng SiO2 rất cao và có thể là một nguyên liệu hiệu 1.1. Tro trấu (RHA) quả kinh tế và thân thiện môi trường ñối với các ngành công nghiệp Tro trấu hiện nay là nguồn chứa nguyên tố silicon, là ñối tượng khác. Vì vậy, chúng tôi chọn tro trấu là nguồn cung cấp SiO2 cho ñể nhiều nhà khoa học ñã và ñang nghiên cứu các ứng dụng của về nguyên liệu tổng hợp wollastonite. tro trấu cho các lĩnh vực vật liệu cao cấp. Về mặt khoa học và thực tiễn, việc nghiên cứu phản ứng CaO với Trên thế giới việc tận dụng tro trấu ñã ñược nghiên cứu từ ñầu SiO2 trong hơi nước áp suất cao sẽ hình thành nên các khoáng trong những năm 1970. Tro trấu ñã ñược sử dụng có hiệu quả trong các hệ CaO−SiO2−H2O. Với tỉ lệ mol các oxide CaO/SiO2 = 0.55 sẽ tạo ngành công nghiệp như: công nghiệp thép ñể sản xuất các loại thép thành khoáng truscottite-Ca14Si24O58(OH)8.2H2O, và tỷ lệ mol tấm chất lượng cao, hay ngành công nghiệp sản xuất các vật liệu cách CaO/SiO2 = 1 tạo thành khoáng xonotlite-Ca6Si6O17(OH)2 và nhiệt. Ngoài ra tro trấu còn ñược dùng ñể sản xuất ra các loại xi măng tobermorite-Ca5Si6O16(OH)2.4H2O. Chúng tôi ñặc biệt quan tâm ñến hỗn hợp, chế tạo bê tông xi măng. Tro trấu ñược sản xuất nhiều ở Ấn sự tạo thành khoáng xonotlite. Một khoáng khi nung mất nước cấu Độ, Nhật Bản cho những lĩnh vực vật liệu cao cấp, ñặc biệt hiện nay trúc dễ hình thành khoáng wollastonite. Để tổng hợp xonotlite, chúng ñã bắt ñầu ñược quan tâm sản xuất ở Việt Nam. tôi tiến hành các phản ứng thủy nhiệt trong khoảng nhiệt ñộ từ 170 C 1.1.1. Thành phần của trấu ñến 210 C trong thời gian 12 giờ. Sản phẩm của phản ứng trên ñược Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và ñược tách ra trong quá nung ở nhiệt ñộ 900 C ñến 1000 C ñể tạo ra khoáng wollastonite. Đề trình xay xát. Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10mm, rộng 2- tài có ý nghĩa thực tiễn cao tại Việt Nam khi triển khai áp dụng thực 3mm và dày 0.2mm. Hầu hết các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ tế tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ nơi có nguồn tro trấu dồi dào. chiếm trên 90% theo khối lượng. Các hợp chất chính có cấu trúc xốp 6. Cấu trúc của luận văn dạng cellulose và lignin. Hàm lượng lignin chiếm khoảng 25-30% và 0 0 0 0 Nội dung của luận văn ñược trình bày theo các phần sau: cellulose chiếm khoảng 35-40%. Trong ñó, chứa khoảng 75% chất Mở ñầu hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình ñốt và khoảng 25% còn lại Chương 1: Tổng quan tài liệu chuyển thành tro. Sau khi ñốt, tro trấu có chứa trên 80% là silicon Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu oxide, ñây là thành phần ñược sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chương 3: Kết quả và thảo luận Do chưa có giải pháp xử lý hiệu quả nên vỏ trấu sau khi bị thải ra Kết luận và kiến nghị ñã gây hậu quả nghiệm trọng về ô nhiễm môi trường, nhất là nguồn Tài liệu tham khảo nước và các nguồn lợi gắn liền với nguồn nước. Phụ lục 7 8 1.1.2. Ứng dụng của vỏ trấu 1.2.2. Xonotlite a) Sử dụng làm chất ñốt Xonotlite-Ca6Si6O17(OH)2 ñược ñặt tên theo ñịa danh Tetela de Chất ñốt từ vỏ trấu ñược sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) b) Các ứng dụng khác của vỏ trấu Xonotla, Mexico. Xonotlite là một khoáng calcium silicate hydrate, khi nung dễ chuyển thành khoáng wollastonite. Trong thành phần xonotlite có 50.42% SiO2, 47.06% CaO và 2.52 % H2O. - Sử dụng nhiệt lượng của trấu sản xuất ñiện năng 1.2.3. Tobermorite - Sử dụng làm vật liệu xây dựng Tobermorite-Ca5Si6O16(OH)2.4(H2O) ñược ñặt tên theo ñịa danh Tobermory trên ñảo Mull ở Scotland. Trong thành phần tobermorite - Một số ứng dụng khác SiO2 chiếm 47.05 %, CaO 34.33 %, 12.82 % H2O và 3.63 % Al2O3. 1.2. Calcium silicate Các silicate hiện ñang ñược quan tâm nhất và là những loại khoáng phức tạp nhất cho ñến nay. Các ñơn vị hóa học cơ bản của 4- 1.2.4. Wollastonite Wollastonite là một khoáng hình thành trong tự nhiên ñược ñặt silicate là hình tứ diện [SiO4] . Theo cấu trúc, các silicate chia ra tên theo nhà khoáng vật học và hóa học nổi tiếng người Anh là thành các lớp sau: tứ diện ñơn (nesosilicates), tứ diện ñôi William Hyde Wollaston (1766-1828). Thành phần của wollastonite (sorosilicates), chuỗi ñơn và ñôi (insosilicates), mảng (phyllosilicate), chứa các nguyên tố calcium, silicon, oxygen có công thức hóa học là vòng (cyclosilicates) và cấu trúc dạng khung (tectosilicate). Trong CaSiO3, (CS) với 48.3% CaO và 51.7% SiO2. Trong thành phần của các khoáng thuộc hệ CaO−SiO2−H2O thành phần hóa học gồm CaO, khoáng wollastonite còn có chứa một lượng nhỏ Fe, Mg, Mn, Al, K, SiO2 và H2O và số lượng lớn của hợp chất thuộc hệ này ñược biết Na thay thế cho calcium trong cấu trúc khoáng. Nhu cầu tiêu thụ trong ngành xi măng (Taylor, 1997). Ở ñây, chúng tôi giới thiệu một wollastonite gần ñây tăng mạnh, ñược sử dụng chủ yếu trong các sản vài khoáng calcium silicate hydrate, bao gồm truscottite, xonotlite, và phẩm công nghiệp khác, như vật liệu gốm sứ, vật liệu phủ bên ngoài, tobermorite cũng như wollastonite là ñối tượng nghiên cứu trong ñề sản phẩm chịu ma sát, vật liệu chịu lửa, vật liệu xây dựng, vật liệu tài này. ñàn hồi, sản phẩm luyện kim, sơn, vật liệu sinh học. Bởi vì 1.2.1. Truscottite wollastonite có những ñặc tính tốt như: ñộ co ngót thấp, lượng mất Truscottite-Ca14Si24O58(OH)8.2H2O ñược ñặt tên theo nhà ñịa khi nung thấp, ñộ bền cao, thành phần dễ bay hơi ít, thẩm thấu thấp, chất học Anh, Samuel John Truscott (1870-1950). Truscottite ñược hình thành trong môi trường trầm tích thủy nhiệt. Trong thành phần truscottite, SiO2 chiếm 60.98 %, CaO 28.45 % và 4.57 % H2O. ñộ trắng, hệ số dãn nở nhiệt thấp… 1.2.4.1. Hệ thống tinh thể wollastonite Wollastonite tồn tại trong một thay ñổi với công thức hóa học giống nhau nhưng cấu trúc tinh thể khác nhau, nó xuất hiện trong tự nhiên chỉ hai hình thức wollastonite chung ñược khoa học biết ñến 9 10 như: wollastonite 1T, nó là một trong tinh thể wollastonite trong hệ ii) Phương pháp phản ứng pha rắn tam tà (T), cũng có thể ñược gọi là wollastonite 1A hoặc β-CaSiO3. Có nhiều phương pháp ñể tổng hợp wollastonite như sử dụng: Hình thức thứ hai trong tự nhiên là wollastonite 2M, xuất hiện hiếm diatomite, SiO2 từ tro bay, … và nung với ñá hoa cương, calcium hơn wollastonite 1T. Từ ñồng nghĩa của wollastonite 2M là oxide… bằng phản ứng pha rắn ở nhiệt ñộ 1000÷12000C, trên cơ sở parawollastonite hoặc cũng có thể là β-CaSiO3. Tên β-CaSiO3 ñược lý thuyết là giản ñồ pha hệ CaO−SiO2. Dựa vào giản ñồ ta thấy với tỷ sử dụng cho cả wollastonite 1T và wollastonite 2M vì cả hai ñều thay lệ CaO/SiO2 khác nhau thì sẽ tạo thành các khoáng khác nhau ở các ñổi ở nhiệt ñộ thấp. Tuy nhiên, wollastonite 2M thường không xuất nhiệt ñộ nung khác nhau. Khoáng wollastonite CaO.SiO2 là hợp chất hiện cùng với wollastonite 1T. Thay ñổi ở nhiệt ñộ cao gọi là nóng chảy ở nhiệt ñộ 1544oC, ñiều chế bằng cách nấu chảy hỗn hợp wollastonite giả ổn ñịnh (pseuowollastonite hay wollastonite 4A) CaO và SiO2 với tỷ lệ mol CaO/SiO2 = 1. Để giảm nhiệt ñộ nung hoặc α-CaSiO3 và chỉ ổn ñịnh với nhiệt ñộ 1125 C. Wollastinite giả người ta có thể cho vào các chất khoáng hóa B2O3 và K2CO3. o ổn ñịnh cũng là tinh thể ñơn tà. Cả wollastonite 1T và wollastonite 2M thuộc loại chuỗi silicate ñơn (inosilicate), dạng silicate pseuowollastonite có cấu trúc hình vành khăn. 1.2.4.2. Tổng hợp các wollastonite Wollastonite có thể ñược hình thành trong tự nhiên với nhiều cách khác nhau, tuy nhiên nói chung thì có hai phương pháp hình thành. Cả hai liên quan ñến sự biến ñổi chất của ñá vôi (CaO) dưới yếu tố nhiệt ñộ và áp suất. Con ñường thứ nhất xảy ra khi silica Hình 1.7. Biểu ñồ pha hệ CaO-SiO2 (SiO2) và ñá vôi (CaO) phản ứng với nhau ở nhiệt ñộ cao ñể tạo Bên cạnh những phương pháp nói trên, phương pháp hóa học gần thành wollastonite. Con ñường thứ hai, wollastonite hình thành từ ñây ñược sử dụng ñể tổng hợp wollastonite là phương pháp thủy silica và ñá vôi bằng phương pháp thủy nhiệt. nhiệt. Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi chọn tổng hợp các calcium Silica + limestone wollastonite + carbon dioxide silicate bằng phương pháp thủy nhiệt. Bởi vì phương pháp thủy nhiệt có thể giảm nhiệt ñộ phản ứng, tạo ra sản phẩm với ñộ tinh khiết cao SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 Theo cách truyền thống, wollastonite ñược ñiều chế bằng phản ứng kết tủa hoặc phản ứng pha rắn. có nguồn gốc từ vỏ trấu nhưng chưa ñược khai thác. Trong khi ñó tài i) Phương pháp kết tủa Đưa NaOH và NH4OH hơn. Điều quan trọng nhất là chúng ta có nguồn nguyên liệu dồi dào nguyên những khoáng wollastonite ngày càng khan hiếm, vì vậy vào dung dịch ethanol Ca(NO3)2.4H2O và Si(OC2H5)4 ñể kết tủa tạo thành CaSiO3. của chúng ta cần phải phát triển các phương pháp tổng hợp nó. 11 1.3. Phương pháp thủy nhiệt 12 Chương 2 − ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thuật ngữ “thủy nhiệt” ñã ñược sử dụng vào ñầu năm 1849 bởi một nhà ñịa chất người Anh, Sir Roderick Murchison (1792-1871), sau ñó ñược dùng phổ biến trong tài liệu ñịa chất. Việc thúc ñẩy nhanh phản ứng giữa các pha rắn ñược thực hiện bằng phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt ñộ cao hơn ñiểm sôi bình thường. Phương pháp 2.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite CaO.SiO2 từ nguồn nguyên liệu chứa SiO2 (tro trấu nung) và Ca(OH)2. 2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất 2.1.1.1. Tro trấu (RHA) thủy nhiệt cũng ñược sử dụng ñể nuôi tinh thể. Thiết bị sử dụng trong RHA ñược cung cấp bởi Công ty TNHH Điện hơi Công nghiệp phương pháp này thường là nồi hấp (autoclave). Vì rằng các quá trình Tín Thành, là nguồn phế liệu của các phân xưởng lò hơi tại các tỉnh thủy nhiệt ñược thực hiện trong bình kín nên thông tin quan trọng An Giang, sau khi ñược xử lý ñể loại bỏ tạp chất ñem nung lại ở nhiệt nhất là giản ñồ sự phụ thuộc áp suất hơi nước trong ñiều kiện ñẳng ñộ 8000C trong 3 giờ. tích. 1.4. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về tổng hợp wollastonite 2.1.1.2. Ca(OH)2 Ca(OH)2 từ Trung Quốc, do nhà máy hóa chất Guangdong Guanghua sản xuất, có hàm lượng CaO 98.93% khối lượng. 1.4.1. Những nghiên cứu trên thế giới 2.1.2. Dụng cụ nghiên cứu Hiện nay trên thế giới ñã có nhiều nghiên cứu tổng hợp Thiết bị phản ứng (thiết bị autoclave), tủ sấy, lò nung, máy wollastonite bằng cách sử dụng các nguồn nguyên liệu chứa silicon nghiền, cân kỹ thuật, cốc sứ, bát, ñũa thủy tinh. và calcium oxide khác nhau. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 1.4.2. Tình hình nghiên cứu tổng hợp wollastonite tại Việt Nam 2.2.1. Cơ sở lý thuyết Theo hiểu biết của chúng tôi, hiện nay ở nước ta chưa có công Trên cơ sở các giản ñồ pha, bằng lý thuyết chúng ta có thể cơ bản trình nghiên cứu nào về tổng hợp khoáng wollastonite ñược công bố. ñịnh hướng cho việc xác ñịnh các thông số công nghệ ban ñầu. Hình 2.2. Quan hệ pha của các khoáng trong hệ C-S-H 14 13 Trên cơ sở quan hệ pha của các khoáng trong hệ C−S−H theo nhiệt ñộ và áp suất, chúng ta có thể nhận thấy ở những khoảng nhiệt ñộ khác nhau và tỷ lệ mol CaO/SiO2 khác nhau thì sẽ hình thành những khoáng khác nhau. Trên cơ sở ñó chúng tôi tiến hành khảo sát 2.2.2.4. Phân tích kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) Phân tích hình thái học các khoáng bằng kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) bằng máy Zeiss, Đức. Các phân tích ñược thực hiện tại Trung tâm Phân tích phân loại sự hình thành xonotlite trong khoảng nhiệt ñộ 170-210 C, với tỷ lệ hàng hóa xuất nhập khẩu - Chi nhánh tại Đà Nẵng. mol CaO/SiO2 = 1. 2.3. Các bước tiến hành 0 Calcium silicate là kết quả của phản ứng thủy nhiệt giữa SiO2 và 2.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu Ca(OH)2 ở dạng bùn ñặc. Kết quả của những phản ứng này hình Đầu tiên, chúng tôi nung tro trấu ở nhiệt ñộ 8000C trong 3 giờ sau thành tinh thể tobermorite ở nhiệt ñộ khoảng 1800C. Cơ chế của phản ñó ñem nghiền trong 2 giờ bằng máy nghiền bi. Nguyên liệu ban ñầu ứng này liên quan ñến sự hình thành của gel calcium silicate trên bề ñể tổng hợp xonotlite là Ca(OH)2 và RHA. Dựa vào công thức mặt của các hạt SiO2, sự phát tán các gel trong bùn hấp thụ các tinh xonotlite-Ca6Si6O17(OH)2, chúng tôi tính các bài phối liệu với khối thể Ca(OH)2 trên bề mặt của các hạt SiO2. Quá trình phát tán ñược lượng RHA: 45.79 g và Ca(OH)2: 54.21 g. tiếp tục lặp ñi lặp lại ở trong bùn, cho ñến khi phản ứng giữa SiO2 và 2.3.2. Cách tiến hành Ca(OH)2 ñược hoàn thành. Khi ñược nung nóng lên khoảng 200 C thì Tổng hợp xonotlite bằng phương pháp thủy nhiệt trong thiết bị 0 tinh thể tobermorite chuyển thành xonotlite. Trên cơ sở tạo ra xonotlie tiến hành khảo sát sự hình thành wollastonite theo nhiệt ñộ nung. autoclave trong 12 giờ tại 5 nhiệt ñộ phản ứng thay ñổi từ 170 ñến 2100C với mức biến thiên 100C. Nguyên liệu sau khi nghiền ñược trộn ñều cho vào thiết bị autoclave và sau ñó thêm nước khuấy ñều ñể 2.2.2. Các phương pháp phân tích thực nghiệm ñược hỗn hợp ở dạng bùn. Các loại bột tổng hợp ñược sấy khô sau ñó 2.2.2.1. Phân tích phổ huỳnh quang tia X (XRF) ñược phân tích các ñặc tính bởi XRD, SEM, FT-IR. Phân tích phổ huỳnh quang tia X (XRF) bằng thiết bị XRF-1800 Cuối cùng nung các mẫu vừa tổng hợp ñược ở nhiệt ñộ 9500C của hãng Shimadzu-Nhật Bản dùng ñể xác ñịnh thành phần hóa trong 3 giờ ñể tổng hợp wollastonite. Chúng tôi lấy mẫu bột nung lại nguyên liệu, sản phẩm. và phân tích XRD, XRF, SEM và FT-IR tương ứng. 2.2.2.2. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) Sử dụng thiết bị X’Pert Pro của hãng Panalytical, Hà Lan ñể phân tích thành phần pha cho nguyên liệu và sản phẩm. 2.2.2.3. Phân tích hồng ngoại biến ñổi Fourier (FT-IR) Để ñánh giá các ñặc trưng hóa lý của sản phẩm và nguyên liệu bằng máy FT-IR Nicolet 6700 của hãng Thermo, USA. Mẫu wollastonite tổng hợp ñược ñem ñánh giá thực tế tại Nhà máy gạch men Hucera thuộc công ty cổ phần khoáng sản – gạch men Thừa Thiên nhằm xác ñịnh sơ bộ khả năng triển khai trong sản xuất cũng như những hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu ñể khắc phục. 15 16 Chương 3 − KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN rất thấp, ña phần SiO2 ở dạng vô ñịnh hình. Mặc khác trên giản ñồ có xuất hiện các peak ñặc trưng của SiO2 với cường ñộ tương ñối cao dạng cristobalite, tại góc 2θ là 21.850, 28.50, 31.30, 36.10. Bên cạnh 3.1. Tro trấu (RHA) ñó peak tại góc nhiễu xạ 26.620 tương ứng với khoáng quartz. 3.1.1. Phân tích XRF Kết quả phân tích XRF cho thấy, tro trấu trước khi nung lại chứa 76.24% SiO2 và hàm lượng mất khi nung (MKN) là 17.75% ñiều này có nghĩa tro trấu ñược tận dụng từ lò ñốt công nghiệp vẫn còn lượng 3.1.4. Phân tích hình thái học SEM Kết quả chụp SEM cho thấy tro trấu sau khi nung ở nhiệt ñộ 800 C lưu 3 giờ có cấu trúc SiO2 ở dạng vô ñịnh hình. 0 tạp chất hữu cơ và carbon. Do ñó sau khi nung 3 giờ tại nhiệt ñộ 3.1.5. Nhận xét 800 C hàm lượng MKN của mẫu chỉ còn dưới 0.5%, do ñó hàm Khi xử lý nhiệt tro trấu của lò ñốt ở nhiệt ñộ 8000C hay thấp hơn lượng SiO2 tăng lên ñến 94.23% khối lượng, ñây sẽ là nguồn nguyên sẽ thu ñược nguồn chứa SiO2 ở dạng vô ñịnh hình, tạo thuận lợi cho liệu tốt ñể cung cấp SiO2 cho quá trình tổng hợp wollastonite. phản ứng với CaO trong các phản ứng thủy nhiệt. 0 Do ñó ñể có thể nhận ñược nguồn cung cấp SiO2 có hàm lượng 3.1.2. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR 0 Hình 3.1 thể hiện phổ FT-IR của tro trấu sau khi nung 800 C lưu cao trên 94% cần phải xử lý nung lại tro trấu thu trực tiếp tại các lò 3 giờ, RHA chứa SiO2 chủ yếu là dạng vô ñịnh hình và một phần là ñốt. Nhiệt ñộ nung lần 2 cần duy trì thấp hơn 8000C ñể duy trì dạng pha cristobalite phù hợp với phổ của SiO2 trong thư viện máy với ñộ vô ñịnh hình của SiO2 ñồng thời giảm tiêu tốn năng lượng khi nung. tương thích 83.8%. Các peak ñặc trưng tại tần số 1097.4 cm và 3.2. Tổng hợp wollastonite -1 792.4 cm tương ứng với dao ñộng hóa trị của nhóm siloxan Si-O-Si. 3.2.1. Phản ứng tại 1700C trong 12 giờ Trong khi ñó peak 623.2 cm-1 và 480.8 cm-1 ñược gán cho các dao Phổ FT-IR của mẫu R1 ở Hình 3.4 (a) cho các peak 3641.1, -1 ñộng kéo dãn ñặc trưng của liên kết Si-O. 3450.1, 1636.2, 1462.8, 978.2, 473.7 cm-1 tương ứng với các dao ñộng của liên kết trong các khoáng calcium silicate hydrate. Sau khi phản ứng thủy nhiệt ñã có sự hình thành các khoáng tobermoriteCa5Si6O16(OH)2 và dicalcium silicate hydrate-Ca2SiO4.H2O. (a) Hình 3.1. Phổ FT-IR của RHA (b) Hình 3.2. Phổ XRD của RHA 3.1.3. Phân tích XRD Kết quả phân tích XRD của tro trấu nung ở 8000C lưu 3 giờ trên Hình 3.2 cho thấy các peak ñặc trưng cho silicon oxide có cường ñộ Hình 3.4. Phổ FT-IR của mẫu R1 (a) trước nung, (b) sau nung 17 18 Sản phẩm trung gian ñược nung ở 9500C lưu 3 giờ, phổ FT-IR 3.2.2. Phản ứng tại 1800C trong 12 giờ ñược thể hiện trong Hình 3.4 (b), có peak 3421.6 cm-1 và 3641.1 cm-1 Kết quả phân tích hồng ngoại FT-IR mẫu R2 vẫn tương tự mẫu là dao ñộng của liên kết O-H trong nhóm OH của Ca(OH)2 còn dư R1. Các peak 3465.5, 1646.4, 1441.1, 970.6, 667.3, 452.3 cm-1 tương hoặc của OH trong nước. Các peak 645.2, 682.6, 897.1 cm-1 là ứng với các dao ñộng của liên kết trong các khoáng calcium silicate wollastonite tạo thành. hydrate. Để khẳng ñịnh lại sản phẩm tạo thành sau khi phản ứng thủy Sản phẩm trung gian, ñược nung ở nhiệt ñộ 9500C lưu 3 giờ, kết quả phân tích hồng ngoài cũng tương tự như trường hợp ở 1700C. nhiệt và sau nung chúng tôi tiến hành phân tích XRD mẫu R1. Chúng tôi tiếp tục phân tích XRD, kết quả thu ñược cho thấy có (b) (a) peak ñặc trưng của dicalcium silicate hydrate là peak 44.60. Ngoài ra còn có một lượng tobermorite hình thành nhiều hơn ñặc trưng bởi peak 29.40, và một lượng nhỏ quartz còn dư gán cho peak ở 49.60. Sản phẩm trung gian ñược nung ở nhiệt ñộ 9500C lưu 3 giờ, kết quả phân tích XRD cho thấy các peak ñặc trưng của wollastonite Hình 3.5. Phổ XRD của mẫu R1 (a) trước nung, (b) sau nung ñược hình thành nhưng với cường ñộ thấp. Và cũng tương tự như Kết quả phân tích XRD của mẫu R1, Hình 3.5 (a) cho thấy có sự trên, lượng tobermorite hình thành sau phản ứng thủy nhiệt ñã bị mất hình thành của khoáng dicalcium silicate hydrate (C2SH), ñược ñặc nước sau nung ñể hình thành wollastonite. trưng bởi peak có góc nhiễu xạ 2θ = 18.10, 44.60. Một lượng 3.2.3. Phản ứng tại 1900C trong 12 giờ tobermorite cũng ñược phát hiện ñặc trưng bởi peak 29.4 , 49.6 . Chúng tôi tiếp tục tăng nhiệt ñộ phản ứng lên thêm 100C tương 0 0 Khoáng jaffeite cũng ñược phát hiện ñặc trưng bởi peak có góc 2θ = 47.20. Một lượng nhỏ quartz dư tương ứng với peak có góc nhiễu 2θ = 21.80. Ca(OH)2 còn lại chưa phản ứng cũng ñược thể hiện trên ứng với mẫu R3, kết quả phân tích FT-IR ñược thể hiện dưới ñây. (a) (b) Hình 3.5 (a) tương ứng với peak có góc nhiễu xạ 2θ = 34.10, 50.80. Sản phẩm trung gian ñược ñem nung ở nhiệt ñộ 9500C lưu 3 giờ, kết quả phân tích XRD ñược ở Hình 3.5 (b), cho thấy các peak ñặc trưng của wollastonite ñược hình thành nhưng với cường ñộ thấp. Do Hình 3.8. Phổ FT-IR của mẫu R3 (a) trước nung, (b) sau nung lượng tobermorite hình thành sau phản ứng thủy nhiệt ñã bị mất nước Kết quả ở Hình 3.8 (a) cho các peak 3436.7, 1635.9, 1465.6, sau nung ñể hình thành wollastonite theo phản ứng: Ca5(Si6O16)(OH)2 → 5CaSiO3 + SiO2 + H2O 972.9, 668.5, 417.2 cm-1. Ở ñây peak 3436.7 cm-1 ñược gán cho các dao ñộng kéo dãn của liên kết O-H trong các sản phẩm trung gian. 19 20 Sản phẩm trung gian ñược nung ở 9500C lưu 3 giờ, phổ FT-IR ở So sánh phổ FT-IR ở Hình 3.10 (a) với Hình 3.4, 3.6 và 3.8, -1 Hình 3.8 (b), có peak 3455.4 cm ñược gán cho các dao ñộng kéo chúng ta nhận thấy rằng xuất hiện peak tại 1205.5, 672, 610 cm-1 và dãn của liên kết O-H trong sản phẩm tạo thành sau nung. Các peak 537 cm-1. Để giải thích ñiều này theo Tomita thì khi nhiệt ñộ phản 902.1, 684.5, 646.5, 568.9, 465 cm-1 là wollastonite tạo thành. ứng cao sẽ hình thành thêm khoáng xonotlite - Ca6Si6O17(OH)2. Sản phẩm trung gian ñược nung ở 9500C lưu 3 giờ, phổ FT-IR ở (a) (b) Hình 3.10 (b), có peak 3448.4 cm-1 ñược gán cho các dao ñộng kéo dãn của liên kết O-H. Các peak 456.7, 568.8, 646.8, 684.3, 901.3, 934.6, 1022.0, 1090.6 cm-1 là wollastonite tạo thành. Để có cơ sở khẳng ñịnh sự hình thành khoáng wollastonite chúng tôi ñem mẫu mẫu R4 ñể phân tích XRD, kết quả cho trên Hình 3.11. Hình 3.9. Phổ XRD của mẫu R3 (a) trước nung, (b) sau nung Kết quả phân tích XRD của mẫu của mẫu R3, Hình 3.9 (a), tương (a) (b) tự kết quả phân tích của mẫu R2, Hình 3.7 (a). Chúng tôi cũng nhận thấy ở nhiệt ñộ 1900C, sản phẩm sau phản ứng thủy nhiệt vẫn là dicalcium silicate hydrate, tobermorite. Sản phẩm trung gian ñược ñem nung ở nhiệt ñộ 9500C lưu 3 giờ, kết quả phân tích XRD ñược thể hiện qua Hình 3.9 (b), cho thấy các peak ñặc trưng của Hình 3.11. Phổ XRD của mẫu R4 (a) trước nung, (b) sau nung wollastonite ñược hình thành nhưng với cường ñộ thấp. Dựa vào kết quả trên Hình 3.11 (a), chúng tôi nhận thấy rằng ở 3.2.4. Phản ứng tại 200 C trong 12 giờ nhiệt ñộ 2000C, sản phẩm tạo thành sau phản ứng thủy nhiệt chủ yếu Chúng tôi tiếp tục nâng nhiệt ñộ phản ứng lên 100C tương ứng là xonotlite ñặc trưng bởi các peak 12.50C, 20.80C, 24.40C, 27.50… mẫu R4 thực hiện phản ứng thủy nhiệt ở nhiệt ñộ 2000C trong 12 giờ, Hình 3.11 (b), các peak ñặc trưng của wollastonite hình thành với kết quả phân tích FT-IR ñược ghi trên Hình 3.10. cường ñộ cao. Phản ứng tạo thành wollastonite từ xonotlite như sau: 0 (a) (b) Ca6Si6O17(OH)2 → 6CaSiO3 + H2O 3.2.5. Phản ứng tại 2100C trong 12 giờ Từ các kết quả phân tích FT-IR và XRD ở trường hợp phản ứng thủy nhiệt tại 2000C trong 12 giờ, chúng tôi tăng nhiệt ñộ lên 100C tương ứng với mẫu R5. Kết quả phân tích hồng ngoại mẫu R5 tương Hình 3.10. Phổ FT-IR của mẫu R4 (a) trước nung, (b) sau nung tự mẫu R4 phản ứng ở nhiệt ñộ 2000C trong 12 giờ.