Luận văn nghiên cứu Động học quá trình hoà tan cao lanh hoạt tính trong axit sunfuaric

'Tốc dộ hòa tan AlzC› dược tính bằng lượng chất chuyển vào dung dịch sau một đơn vị thời gian an ut Sdt trong đó s là điện tích tiếp xúc phá đNai” là biến thiên về lượng cöa AlzO;

Trang 1

LUAN VAN 'THAC SY KHOA HOC

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HOC QUA TRINH HOA TAN CAO LANH HOAT TINH TRONG AXIT SUNFURIC

NGÀNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHAM MAI HUONG

11à Nội 2007

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO

TRƯỜNG DẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SY KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HÒA TAN CAO LANH HOẠT TÍNH TRƠNG AXIT SUNFURIC

NGANH CONG NGHỆ HÓA HỌC

PHAM MAI HUONG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ THỊ MAI HƯƠNG

Hà Nội 2007

Trang 3

ếp của TS Lê Thị Mai Hương

của tôi dưới sự hướng dẫn trực

(trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là trung thực Các tài liệu, số liệu

sử dụng trong luận văn này đã được sự đồng ý của các tác giả

Người thực hiện luận văn

Phạm Mai Huong

Trang 4

+uuận văn thực sỹ khoa học 1 Phạm Mai Hương

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kink trong va biéi ơn sân sắc em xin châu thành cẩm on

TS.Lê Thị Mai Hương đã giao đề tài và lận tình hướng dẫn, tạo mọi điều

Kiện thuận lọi giúp đỡ em trong quá trình làm luận vấn

Em xiu chân thành cẩm ơn khoa Húa — Trưởng Đại bọc Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là các thấy cô trong bộ môn Công nghệ các hợp chất

vỏ cơ đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện luận tấn

Tái xin chân thành cảm ơn Ban giảm hiệu trường Trung hoc cong nghiệp hia chất-Phú thọ cùng các đồng nghiệp trong khoa Háa công nghệ

đã tạo điêu kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thôi gian qua

Tói xin được bày tả lòng biết on sâu sắc đến những người thân trong

gia dink, các bạn trong phòng thí nghiệm của bộ mâu vô cơ cùng những

ban bè đã luôn ở bên động viên, chía xẻ và giúp đỡ tôi về mại mặt trong suốt

thời gian học lập và aghién citu vita qua

đột lần rrữa xin được trần trọng cẩm on!

Hà Nội tháng T1 năm 2007

Tác giả luận văn

Pham Mai Huong

Đáng hạc quá trình hòa tan cao lanh hoạt tinh trong axit sunfuric

Trang 5

MỤC LỤC

12.1.Điều chế sunfat nhôm từ hiđroxit nhôm 8

1.2.2.2.Phan hiy cao lanh bằng cách thiêu kết 10

1.2.2.3.Phân hũy cao lanh bằng phương pháp sunlat hổa bậc 2 10

L3.1 Phương pháp nghiên cứu động học quá trình hòa tan 13

I.3.1.1.Phân ứng nằm ở miễn khuếch tần ngoài 15

1.3.1.2 Phản ứng nằm ở miễn khuếch tần trong 16

Trang 6

+uuận văn thực sỹ khoa học 3 Pham Mai Huong

IH.1 nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố tới

TI.1.1 Xác định hiệu suất chuyển hóa oxit nhôm 31

HL2,Lựa chọn mô hình động học và xác định năng lượng hoại hóa

HI.4.2 phương pháp tính các thông số cơ bản về thiết kế 45

HI.4.2.1.Tĩnh các thông số hóa lý của dung dịch 46

THÂN IV PIỤ LỤC(KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TỪ TIIỰC NGHIỆM) 54

Trang 7

MỞ ĐẦU

Nhôm sunfat có công dụng chủ yếu trong công nghiệp giấy, nhuộm, thuộc da và lầm chất keo tụ để làm trong nước Những công dụng này dẻu xuất phát từ chỗ muối nhôm thuỷ phân khá mạnh ở trong nước tạo thành nhôm

hydroxiL Khi nhuộm vải, hyđroxit đó được sợi vải hấp phụ về giữ chặt trên sợi

sẽ kết hợp với phẩm nhuộm iạo thành màu bến, cho nên có tác dựng là chất cắn màu Tác dụng kcơ tụ làm trong nước là đo hyđroxil đó, với bể mật rất

phat triển, hấp phụ các chất lơ lửng ð trong nước kéo chúng cùng lắng xuống dưới Trong công nghiệp giấy nhôm sunfat được cho vào bột giấy cùng với

nuối ăn Nhôm clorua được tạo nên do phan img trao đổi, bị thuỷ phân mạnh hơn tạo nên hyđroxit Hydroxit này sẽ kết dính những sợi xenlulo với nhau

lầm cho giấy không bị nhoè mực khi viết Các muối của nhôm nói chung và

sunfat nhôm nói riêng được sử dụng khá rộng rãi dặc biệt là trong các việc sử

lý nước

Trong Thực tế có nhiều công trình nghiên cứu về các hợp chất của nhôm

và các loại khoáng chất thiên nhiên của nhôm Chúng ta có thể thấy các hợp chất của nhôm có ở khắp ruọi nơi, phần lớn nó tổn tại trong tự nhiên dưới dang

ôÔxit Có ý nghĩa nhất trong công nghệ sản xuất các hợp chất của nhôm là ôxit nhôm tổn tại dưới dạng khoáng boxit và các khoáng của nhôm như cao lanh,

đất sét có thể nói dây là quặng quan trọng nhất do là sản phẩm của quá

trình phân huỷ đặc biệt phổ biến của các nham thạch đo ahnninosilicat lạo nên Bên cạnh đồ trữ lượng quặng boxit và cao lạnh ở nước ta tuy không nhiều nhưng đủ để sản xuất đùng trong nước với thời gian đài.( Theo báo cáo khoa học của viện hoá học — Tổng công ty Hoá chất Việt Nam năm 2000)

Trữ lượng quặng bôaiL đã được thảm đồ là 2,7 tỷ tấn Dự báo quặng

boxit nguyên khai khoảng 6,7 tỷ tấn Quậng boxit ở tụ khoáng Bảo Lộc - Lâm

Trang 8

dang được khai thác để sản xuất T000 tấn/năm, nhôm hydraxiL vào khoảng

30.000 tấn/năm phèn nhôm Cờn các mỏ khác hầu như chưa được khai thầc

Trong khi đồ chúng ta phải chở nhôm hydroxit từ miền Nam ra Bắc để sản xuất phèn nhôm Mặt khác, nguồn hydroxit nhôm của nhà máy hoá chất Tân

Bình khó đám bảo cá về sản lượng và giá cả Đứng trước tình hình đó chúng

tôi để xuất phương án nghiên cứu chế tạo sunfat nhôm đi từ nguồn nguyên liệu là các quặng thiên nhiên có sẵn tại địa phương với mục tiêu giảm giá thành sản phẩm và tăng sức cạnh tranh Tuy nhiên, sau khi khảo sát chúng tôi

nhận thấy rằng: quặng boxit ở các tỉnh phía Bắc do tổn tại ở dạng diaxpo rất khó hoà tan, vì vậy vẫn chưa có công nghệ phù hợp để đi từ trong nguyên liễu này Vì vậy, chúng tôi tập trung nghiên cứu quặng cao lanh

Xuất phát từ tình hình đố chúng tôi xác định nhiệm vụ của bản luận văn

là:

- Khảo sát một cách chỉ tiết bằng thực nghiệm quá trình hoà tan quặng

cao lanh (mô cao lanh Ihanh Sơn — Phú Thọ) trong axit sufuric để chế tạo nhém suntat

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ, kích thước hạt đối với quá trình hoà tan Xác định sự phụ thuộc của tốc độ hoà tan cao lanh trong

axit sunfuric vào các điều kiện để thiết lập được mô hình toán của quá trình

Mong rằng các kết quả nghiên cứu sẽ cố ý nghĩa đối với quá trình sản xuất sunfat nhôm trong thực tế

Trang 9

PHẨN I TONG QUAN

1.1 Tính chất hoá - lý của sunfat nhôm

Sunfat nhôm khô là chất bột màu trắng với tỷ trọng 2710kg/mỞ, vasilev,

Giuis và seitlin đã do tý trọng và độ nhớt của dung dịch (dung dịch là nước)

sunfat nhêm trong khoảng nhiệt độ I0'C < t < 95%C và khoảng nồng độ 0,049

<€Œ<0/305kg/kg Tỷ trọng của dung địch thay đổi tương đối theo hàm số

p= 10017 + 1271,6% — 0,663t

Sai số trung bình bình phương bất kỳ: Sop= +1,5 kgúnÈ,

'Irong dung dịch, trong khoảng nhiệt độ từ -12 đến 112/22 kết tính ở

dạng Als(S)á)¿.16HO Với nhiệt độ -125C trong thành phẩn sunfat nhôm

27,2% hình thành điểm ơtecti

Trong môi trường oxy hóa, môi trường khử và môi trường trung hồa khi

đối nồng, Ab(S)u)a.16II2O phân huỷ theo cấp độ Trong khoảng 50-60°C quan sát thấy 16 hydral sunlat nhôm, trung khoảng 80-90°%C phần đó chuyển hoá thành 12 hydrat Sự chuyển hoá thành IlecxanhydraL kết thúc tại nhiệt độ

130°C

Khi dét néng nhanh t6i 150°C Alo(SO4)316H20 tan thành nước tính thể

Sự nóng chảy của tỉnh thể hydrat trong bình kín xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn 86°C ‘Tinh thé hydrat vai 12 mol nước khi đết nóng trong không khí không bị nóng chảy Cao hơn 150% hecxanhydrat sunfat nhôm bị phân huỷ vì hình

thành pha rơnghen vô dịnh hình Trong khoảng 200-300°C quá trình loại nước xây ra mạnh với sự Hình thành tỉnh thể hydrat tướng cùng loại

Sự phân huỷ của sunfat nhôm khô với sự loại bỗ oxit lưu huỳnh bắt đầu

tit 650°C và điễn ra mạnh trong khoảng nhiệt độ 700-800°C Khi đồ trong pha

cứng hình thành z AlạO› Tăng nhiệt độ tới 100%, SO; bị loại bỏ hoàn toàn

'Irong môi trường khử, quá trình loại nước của Als(SOa):16H:O cũng hoàn thành với nhiệt do 450°C

Động học quá trình hòa fan cao lanh hoạt tink trong axit sunfurte

Trang 10

Trong hệ thống Alz(SO); - H;SO,- H;O với nhiệt độ 25-80% hình

thành 4 loại hydrat sunfat nhôm với thành phần 18, 16, 14, 12 mol nước và ba

loại muối chua:

2AI(SO23.TISO¿.24H2O;Alz(SƠ)ạ1I25Ợ L2112OvàAb(SO2)3.3112SO¿ L2T12Ọ

Trong dung dịch 0-65% II;§O¿ với nhiệt độ 85°C hình thành 16,14,9

hydrat suntat nhém, hinh thanh Als(SO4)s, HeSOs.8H2O và pha bén gia

2Ab(SO¿)›, HzSCx.24H2Ọ Trong khoang nhiét do 40-100"C nhan thay sur két

tỉnh của các muối sau; Alz(SOA) 18H2O; AlăSO¿)I6H2O, AlăSO¿).HaSOx,

24H:©, Ale(SOq4)3 H28O4 12H 209, Ab(SOajkva pha bên giả

Ală8Oa)s,HaSO4.24HzO Độ tan của sunfat nhôm phụ thuộc khá lớn vào nồng

độ axit sunfariẹ Trong dụng dịch axit loãng, độ tan của AlăSOA); lớn hơn so

với trong nước cất nhưng khi tảng nồng độ H;SOx độ tan giảm đội ngột tới 1% trong dung dịch H;§O; 60% Khi táng nồng độ axit lên cao hơn nữa thì độ tan

cúa sunfat nhêm tăng trớ lạị

"Trong dung dịch với dung môi là nước sunfat nhôm bị thuỷ phân với sự hình thành ion hydroxit nhôm và ion hydrọ Qué trình thuỷ phân của sunfat

nhôm phụ thuộc vào nồng độ muối trong dung dịch, độ pH của môi trường

nihiệt độ và những yếu tố khác '1rong dung dịch sunfat quá trình thuỷ phân với

sự hiện dién ca ion SQ} điển ra sự hình thành thể phức của hydroxit nhôm

'Tất cả các muối sunfat nhôm cơ bản tan nhiều trong kiểm đặc biệt là

dan néng tới nhiệt dộ sôịVới axit sunfiric, axit clohydric vã axit nitric cố nông độ thấp và trung bình, cắc muối này không tương tác.Tại nhiệt độ sôi

của các axit này có thể quan sát thấy sự tương tác đáng kế [rong axit dặc tất

cả các muối trên nhìn chung lan hoàn loan

1.2 Các phương pháp chế tạo sunfat nhôm

Sunfat nhôm có thể được sản xuất dưới dạng miếng không xác dịnh

kích thước với khối lượng tới 1Ökg hoặc dưới dạng vẩy với thãnh phần 14 :

16,3% AlzOạ Sunfat nhôm có thể được sản xuất dưới đạng dung dich theo yêu

Trang 11

cẩu của người mua trong khối lượng nhỏ với thành phần 6,7 : 7,7% AlO;

hoặc có thể dưới dạng sản phẩm không bão hoà - là hợp chất của sunfat nhôm

và phần bã không tan, điển hình là dioxitsilic

1.2.1 Điều chế sunfit nhóm tit hydroxit nhém

Phương pháp cơ bản trong công nghiệp sản xuất sunfat nhôm sạch hiện

nay là điểu chế sunfat nhôm từ hydroxit nhôm Phương pháp này được sử

dụng rộng rãi nhờ có những ưu điểm như:đơn giản, có thể cho sản phẩm có chất lượng cao với hàm lượng oxit sắt nhỏ, chỉ phí vận chuyển thấp

1lydrosit nhôm là bán sản phẩm trong sản xuất đất nhôm oxiL Điều chế

hydroxit nhôm từ quặng bauxit bằng kiểm theo phương phấp baier được sử dụng rộng rãi Trong phạm vi nhỏ hơn, đất nhôm oxii được sản xuất bằng

phương pháp dung kết nephelin với vôi hoặc sản xuất từ alunit bằng phương pháp kiểm khử

Hàm lượng nước trong sản phẩm không được vượt quá 12% độ hao khi nung

không tính nước là 34-38% Trong sản xuất sunfat nhôm, hàm lượng Na;O và R2O cần ở mức thấp vì nếu hầm lượng này cao, mức tiêu thụ axit sunliiric và

hydroxit nhém sé tang do sự hình thành muổi khó tan

Nas[A la(SOa)2(O11)]-4II>O làm tăng lượng bã khó tan trong đụng dịch

13.2 Điều chế sunfat nhỏm từ cao lạnh

Cao lanh được phân bố rộng rãi trên nhiều miền khác nhau Thành phần

của cao lanh gồm oxit nhôm, oxitsilic và một số các tạp chất khác Oxitsilic SiO; không phản ứng với axit H;SQu vì vậy bước công nghệ đầu tiên là sunfat

hoá Hoà tan chọn lọc Ab©» ra khỏi SiO›, chế biến Ala(SO4)› vào các sản phẩm khác

Cao lanh được xếp vàn nhóm đất số đơn khoáng Đất sét được gọi là

cao lanh nếu trong nồ chứa lớn hơn SO% khoáng caolimnhit (AlzSiO;(OIT+)

Đất sét được phân biệt với cao lanh bởi độ mịn hạt cao lanh, tính đẻo và khả

năng thiêu kết tai nhiệt độ cao Trong đất sét hạt < 24m, hạt cao lanh < 5m Thành phần cao lanh có các khoáng sct khdc: dikit, galuazil, nakerit và

Trang 12

Sitroluda trong thành phần gọi là tạp chất có cả silic dạng cát ,opan, hiếm

hơn là hanxcdon.Tạp chất có chứa Fe: hemalit, xiderit ruột vài cao lạnh có chữa khoáng gihbziL Al(OH}, AIOOII mà nhờ đó hàm lượng Al:Os rất cao.Thành phần hoá học của cao lanh thay đổi trong diện rộng nên trước khi đưa vào sản xuất thường sử dụng cao lanh đã qua tuyển

1.2.2.1 Phân huỷ cao lank bang axit sunfuric

Cao lanh khố tan trong HeSOu, cổ rất nhiều công trình đã nghiên cứu

quá trình nhiệt hoá cao lanh nhưng chưa có sự thống nhất về cơ chế của quá

trình này Bằng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, hoá lý, rdnghen, quang phổ

trồng ngoại có thể biểu diễn quá trình nhiệt hoá theo sơ đồ sau:

AbSiOs(OID¿ —°®%°, Al;O;.2SiO+2IBOŸ () AlOs.25iO¿ ©-®° »y, AlLOs + 28102 (2)

3.( YALOs) + 2 SIO, 22 AlbOs 2810, (3)

Nàng lượng phá huỷ mang tinh thé của cao lanh theo phan tng (1) là 2B0k1/mol Đến 450°C cao lạnh không có sự chuyển hoá hoá học nào nên khó

phân huỷ bằng axiL HạSO¡ nồng độ loãng trung bình Khi tang nhiệt độ nung tạo ra dang meta dé ding phin ting véi HySO, Mức độ tách AlzO; có thể đạt

90% Nếu nhiệt độ tăng 850 + 900°C Ihì có khả năng hoà lách vào dung dịch

giảm là do tạo thành đạng ÿ.AlzC› và mulitta (phản ứng 3) khó tan trong axit TIaSG

Trong dung dich I1,8O4 oxit SiO» hoa tan không đáng kế Nồng độ silic trong dung dich Alp(SOu)s không lớn từ (0,1 + 0,2g/)

Nếu tăng thời gian nung 0,5 giờ tại 600%C dẫn đến độ hoà tách của AlsO; trong cao lanh đến 84,7% bằng H,§Ou 20% trong thời gian 0,5 giờ tại

104°C

Nếu nhiệt độ hoà tách AlzOs trong cao lanh khoảng 60 + 104°C thi mite

độ tách Al2O› vào dung dịch sẽ tăng từ 14,8 : 92%

Trang 13

Nếu lăng nhiệt độ lớn hơn 104°C thì không hợp lý vì thiết bị hoà tách phái làm thiết bị chịu áp lực

1.2.2.2 Phân huỷ cao lanh bằng cách thiêu kết cũng với H:SO, ở 200C

"Trong trường hợp này không đời hỏi phải nung phân huỷ cao lanh trước

làm đơn giản quá trình sunfat hoá các bước chuyển hoá hoá học biểu diễn theo

sơ dé:

AlzSiOs(OHk+HzO °C , Alo(SOu)snH2O+28i02 ™S , Alo(SO4)3+28i02+

nHOT

Khi cố lượng axit II:SO¿ dư tạo ra muối nhôm sunfat chua

Như vậy, cả hai phương pháp sunfat ho cao lanh có một loạt các nhược điểm sau:

- Cần phải có một sự chuẩn bị kỹ đối với cao lanh trước khi nung

- Một lượng bụi lớn trong quá trình nghiền cao lanh đã nung cũng như khó khăn xuất hiện khi phân huỷ trong axit H›SO% và việc tách sunfat nhôm ra

khỏi ba SiOz,

- Nếu thiêu kết sẽ tổn thất một lượng H;SO; theo ống khói gây ra ô

nhiễm

1.2.2.3 phương pháp sunj[it hoã hai bậc cao lanh (CCCP - 223804)

Phương pháp này cho phép nhận được sản phẩm sau thiêu kết có độ xốp lớn,

cố độ bền cơ cao, cho phép đế dàng tách dung dịch sunfat ra khỏi bã SiO›,

giảm được tén that 1504,

Bude 1: Từ cao lanh và dung dịch H:SOx nồng độ I0 +15% theo hệ số

tỷ lượng, hoặc dung dich Al,(SQ,)s lam ra bùn.Với hàm ẩn 50 +55% thiêu kết tạo hạt ở trên đĩa tạo hạt 200 + 300C, sau đồ hạt này được nung ở 560 +

5sứcC,

Hước 2: Hạt sau khi thiêu kết được nung ở 560 : 580°C và được phản

huỷ tiếp 80 + 90% bảng axit theo tỷ lượng Nông độ axit được tính toán từ

điểu kiện để thu được đụng dịch sunfat nhôm với hàm lượng 12 : 13.5% Alb(SO¿): Từ phương trình (3) ta thấy mức độ hoà tách AlzO› tại nhiệt độ

Trang 14

nung 300 : 400% là không đáng kế Khi tăng nhiệt dộ lên làm tảng rất nhanh

mức độ chuyển hoá AlzO

Phương pháp chế tạo cụ thé như sau: Cao lanh sau khi khai thác từ mổ được cắt thành khối, phơi khô và đưa vào lò nung ở nhiệt độ 600 + 650C

trong 0.3 dến 1 giờ Sau đồ để nguội, đập vỡ bằng máy nghiên thô, sau dé

nghiên linh đến kích thước I+ 2mun Cao lanh sau khi được hoạt hoá sẽ

chuyển vào thùng phản ứng với axit sunfuric nồng độ 40 : 45% tại nhiệt độ

110 + 115°C (thiét bị phản ứng được bảo ôn và có hệ thống gia nhiệt bằng hơi nống khi cẩn thiếp Thời gian phản ứng khoảng 1-2 giờ, sau đó dược pha loãng bằng nước rửa đến nông dO 60 + 65 gflit theo ALOs, hoà trộn với chất

trợ lắng, lọc và rửa qua thiết bị lọc chân không, sau đó đưa vào máy vất ly tâm Dã thải Si» được đưa đi xử lý Dung dịch sunfat nhôm được đưa sang

công đoạn chế tao tiếp theo

1.3 Động học của quá trình hoà tan

Quá trình với sự tham gia của chất hoà tan hoàn toàn trong một dung

môi nào đố gợi là quá trình hoà tan, khác với quá trình chiết có thành phần

chính chứa trong chất hoà tan không hoà tan hết Quá trình hoà tan chất rắn

trong dung môi lồng diễn ra trong những trường hợp nỗng độ chất hoà tan nhỗ

hon nồng độ bão hoà

Quá trình hoà tan chất rắn là một trong những quá trình quan trọng của công nghệ hoá học Kết quá trực tiếp của quá trình hoà tan chính là việc thu

héi được dung dịch tương đối đồng nhất của hai hay nhiều chất Thông thường

sự kết hợp của dung môi với pha rắn diễn ra trên bề mật của hạt, trong một số trường hợp sự tương tác này có thé lai can trở bởi cấu trúc xốp trong lòng hạt

rin,

Có thể chia ra hai dạng cơ bản của phản ứng hoà tan, Một là hoà tan

thuận nghịch, hai là hoà tan không thuận nghịch Quá trình hoà fan thuận nghịch dẫn tới sự tạo thành các muối, nước trên bể mặt của pha rắn và sau đố

Trang 15

di chuyển chúng vào trong lòng lỏng Tính thuận nghịch của quá trình này nằm ở chỗ dung dịch nhận được cổ thể kết tỉnh và chia ra thành những chất phan ứng ban đầu Ví dụ của quá trình này là quá trình hoà tan các cấu trúc

tỉnh thể dạng ion trong nước với su tao thành dung dịch quá bão hoà và kết

tinh chúng

Hoa tan thuận nghịch có thể chia ra thành ba loại phản ứng:

a Phần ứng dưới sự tạo thành solyat trên bẻ mặt và sự di chuyển chứng tiếp theo vào trong lòng chất lỏng, Theo tính chất của nó thì những phẩn ứng

này có thể dẫn tới việc một số loại trong dé có thể hoà tan thuận nghịch Tuy nhiên dung địch thu dược không thể kết tỉnh lại thành các hợp chất ban đấu

Vĩ dụ cho quả trình này có thể là quá trình hoà tan một số loại hỗn hợp các tỉnh thể hình thành từ các phân tữ có cấu trúc ion hoặc là thuỷ tỉnh trong các chất lỏng phân cực và không phân cực

b Phản ứng ôxy hoá khứ dấn đến sự tạo thành những ion solvat và những sản phẩm của việc khử các chất oxi hoá Những loại phản ứng này cố thể là dạng tương tác của các ion kim loại và hợp kim của chúng với chất oxy

hoá hoặc chất oxy hoá khử trong dung dịch nước

c Phản ứng loại thêm vào, thay thế hoặc trung hoà Irong loại này phải

kế đến phân ứng tương tác của các phân tử có cấu trúc tỉnh thể hoặc ion với dung dịch phân cực và không phân cực, dẫn đến sự tạo thành ion phân tử

solvat

Trong một số trường lựp quá trình hoà tan cố thể dân tới Lạo thành một

số chất rắn Nếu như nó được phân rã trong quá trình hoà tan liếp theo thì nó cũng sẽ thể hiện xnột lực khuyếch tần thêm vào cho quá trình hoà lan Giá trị

của trở lực này sẽ tăng và tỷ lệ với căn bậc hai của thời gian hoà tan

Như vậy quá trình hoà tan là quá trình đị thể trong phản ứng hệ không

đồng nhất rắn lỗng Khái quát nhất coi thể rắn có cấu trúc xốp Thể rắn dưới

dang tinh thể được nén định hình thành các dang manh, dang tru, đạng cầu

nhằm khống chế trở lực dòng chảy trong miền cho phép Giữa hat tinh thé rin

Trang 16

cố khoảng không gian tự do, cơi như khoảng không gian này được hình thành

dưới dạng các mao quản Như vậy, tổng bể mật rao quản thực chất là bể ruật

tiếp xúc giữa thể rán với dạng lỏng Nói chung bễ mật liếp xúc mao quản lớn

hơn rất nhiều bẻ mặt ngoài của hạt, thậm chí có thể bỏ qua không tính đến bể

mặt ngoài của hạt Điều này cũng có nghĩa phản ứng hoà tan tiến hành trên

toàn bộ diện tích tiếp xúc pha

Trong quá trình hoà tan thể rấn trực tiếp tham gia phản ứng hoá học, khối lượng thé ran sẽ thay đổi trong quá trình phản ứng Quá trình này cũng bao gồm những bước nối tiếp như sau

1 lỏng khuyếch tán đến bể mặt ngoài thể rắn

2 Lang khuyếch tần từ bể mặt ngoài vào bể mát bên trong của mao

quản thé rin

3 Phan ting trén bé mat thé rin

4 Khuyéh tén sản phẩm từ trong mao quản ra bể mặt ngoài hạt rắn

5 Khuyếch tán từ bể mặt ngoài hạt rắn vào trong pha lỏng

"Tốc đệ quá trình được quyết định bởi tốc độ của bước chậm nhất Dựa vào đó

có thể khẳng định phản ứng nằm ở miền khuyếch tán ngoài, miển khuyếch tán

trong hay miễn động học,và tốc độ phản ứng được tính bằng tốc độ của bước

khống chế đó

13.1 Phương pháp nghiên cứu động học quá trình boà lan

Động học quá trình hoà tan phản ánh những thông tin về vận tốc quá

trình,

các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc quá trình, cơ chế, các bước tiến hành của

phần ứng hoá học Như vậy, nghiên cứu động học quá trình là nghiên cứu khả

năng chuyển hóa của từng cấu tử trong hỗn hợp phân ứng , để xác định lượng

vật chất đã được chuyển hớa theo đơn vị thời gian, tức là tính vận tốc phản ng của các cấu tử trong hỗn hợp phản ứng Đó chính là việc mô tả công nghệ của

quả trình hoà tan Mô tả này được thể hiện qua những quan hệ hàm số thể

hiện được chất lượng và hiệu quả của quá trình

Trang 17

Phản ứng hồa lan là phản ứng trong đó chất lỏng tiếp xúc trực tiếp và phân ứng với chất rần để iạo thành sản phẩm Cơ chế của phân ứng lỏng-rắn

có dụng:

Agios, + Boas > sản phẩm (rắn hoặc lóng)

"Thông thường phản ứng hòa tan xảy ra theo mô hinh Shrinking Core Model,

tức là mô hình chuyển hóa từ ngoài vào làm cho nhân hạt thu hẹp dân.Theo

mô hình này, lúc đầu phản ứng xây ra ở bẻ mặt ngoài của hạt để tạo thành một lớp sản phẩm bao quanh nhãn hạt chưa phản ứng Nhân tiếp tục được phản

ứng, lớp sản phẩm dày dần, đến một lúc nào đố toần bộ hạt được phần ứng

hoàn toàn và không còn nhân nữa

Cơ chế của mô hình chuyến hóa cũng pổm năm bước nối tiếp nhau và cố trở lực khác nhau, bước nào chậm nhất sẽ quyết định vận tốc quá

tình Như vậy, phản ứng hoà tan c6 thể xảy ra trong bất cứ miền nào trung

những miễn nêu trên Vì thế, khi nghiên cứu động học của quá trình hoà tan

phải xem xét từng quá trình cụ thể Cũng có nghĩa là khi tiến hành nghiên cứu

phải quan tâm đến điều kiện lý tưởng của thí nghiệm để đánh giá đúng được

cơ chế phản ứng

Phản ứng hoà tan có dạng phương trình tổng quất như sau:

vụ Ang + Vy Bán = vụ Rbng ám + Vp Siang

"Trang trường hợp này thể rắn có khối lượng thay déi trong quá trình phản ứng

— Mô hình lý tưởng được mô tả như sau

Trang 18

+uuận văn thực sỹ khoa học 1s Pham Mai Huong

Cơ chế phản ứng

Giả thiết ban đầu bại rấn có bản kính R, sau khi phản ứng cồn lại nhân

trơ chưa phản ứng có bán kính r„ lạt ban đầu có thể tích là V Thể tích hạt

1.3.1.1 Nếu phân ứng nằm ở miền khuyếch tán ngoài,

ở đây chủ yếu là khuyếch tân phân tử, quá trình khuyếch tán của phân

tử lồng đến bể mật chất rắn chậm, nên khống chế toàn bộ tốc độ quá trình phan ứng Sự biến thiên nồng độ cấu tử A theo phương hướng kính do quá

trình khuếch tần ngoài chậm qua lớp biên nồng độ giảm từ Ca; xuống nồng

độ bể mặt hại Cas Nếu phản ứng là một chiểu do tốc độ phản ứng hoá học

nhanh hơn so với quá trình khuếch tần nên Cas = 0 Nếu phần ứng là hai chiều,

phần ứng kết thúc ở trạng thái cân bằng Cas = C¿ (nồng độ cân bằng)

S: là điện tích bể mat hat sin ban đầu

?;: là khối lượng riêng của hạt rắn (cơi như không đổi)

Trang 19

Mặt khác, lượng lỏng A di chuyển do khuếch tán đối lưu qua một đơn vị diện

tích dòng khuếch lần, tý lệ với động lực quá trình chuyển khối

Trong đó:

Kag: la

Cag! 1a néng độ cấu tử A trong dang

Cas: là nồng độ cấu tử A trên bể mật pha ran

ệ số cấp khối

a,: Khối lượng riêng của A

'Iừ các phương trình( 1-2),(1-3),(I-4),tính được lhời gian cần thiết để phản

ứng làm thay đổi kích thước hạt từ R - ra là:

1.3.1.2 Phản ứng nằm trong miễn khuếch tán trong

Nếu bước khuyếch tần của A trong mao quản chậm phản ứng sẽ nằm ở

miểnkhuếch tần trong

Trang 20

Ở đây do quá trình khuếch tán ngoài nhanh nên về cơ bản nồng độ cấu tử A

trong pha lỗng bằng nồng độ bề mật Ca‹

Trong trường hợp tốc độ ổn định, tốc độ phản ứng hoá học bên trong hạt

bằng lượng cấu tử A đi qua phần diện tích bọc của hạt này, quá trình khuyếch tán trong là khuyếch tấn phân tử tuần theo định luật Iick 1

'Tốc độ phản ứng tính theo cấu tử A la:

Thời gian phản ứng để giảm kích thước hat tir Ro > mld:

'Từ dây cũng tính dược thời gian phản ứng với từng loại hình dang hình học

của hạt với S và dv tương ứng,

Trang 21

Xhi phân ứng nằm trong miễn động học, nồng độ trên toàn hạt là Cạy

Phân ứng điễn ra lrên toàn bộ bề mặt phân chia hạt rắn

Ti phuong trinh (I — 13) ta tính được thời gian phân ứng với từng loại hình

dạng hình học của hạt rắn có § và dự tương ting ( theo bang 1)

Đã có nhiễu công Iảnh nghiên cứu về quan hệ ”“ và x; cho nhiều loại

t

thể rắn với hình đạng khác nhau Oetave Levelspiel tập hợp kết quả tính toán

ấy qua bảng dựa vào đó có thể tính được thời gian phản ứng cần thiết để đạt được một hiệu suất chuyển hóa nhất định

Bảng 1

Điện tích bê mặt và thể tích của một số hình dạng hạt rấn

1ũnh dạng I rắn | Diện tích xung quanh S The tich V

Trang 22

Thôi gian phân ứng cân thiết phụ thuộc vào độ chuyển húa

tink cho một mô tả động bọc thường gặp

Tố Wa Dag Cag Vek ug Cag

Tinh trụ Thư Fa _ ys (i xs)ind x.)

1.3.2 Động học của qué trink hod tan ALO; va AKOH)s

Quá trình hòa tan sunfat nhôm trong axit sunfuric cfing IR qué tinh di thể và trong hệ có bề mật phân chia pha Phân ứng hóa học thường chỉ là một trong những giai đoạn của quá trình chuyển pha,và được diễn ra trong thể tích một pha cồn chất kia ở pha khác khuếch tần tới

Khả năng phân ứng của Al:C» và AI(OIT); với HzSOa có liên quan tới cấu trúc

và trạng thái năng lượng của các hat trong mang tinh thể Các chất cố nhiều

Trang 23

dạng thũ hình khác nhau thì khả năng phân ứng cũng khác nhau.Trong trạng thái kết tỉnh của hạt rắn có các chỗ khu yết tật, ở vị trí khuyết tật thì khả năng phản ứng cao bơn so với những vị trí khác, nếu nồng độ khuyết tật tăng thì khả

năng phản ứng tăng Mật độ khuyết tật có thể tăng bằng cách tăng nhiệt độ

Mặt khác khi số hạt ở các cạnh và đỉnh tinh thé tang thi khả năng phản ứng

cũng tăng vì vậy cần phải tăng độ mịn của tính thể Từ các công trình nghiên cứu động học quá trình hòa tan đã đưa ra một số mô hïnh động học cho phản ứng Đối với quá trình hoà tan AlzO› hoàn toàn có thể dựa vào cấc mô hình đó

để giải quyết các vấn đẻ về dộng học

'Tốc dộ hòa tan AlzC› dược tính bằng lượng chất chuyển vào dung dịch sau

một đơn vị thời gian

an ut Sdt

trong đó

s là điện tích tiếp xúc phá

đNai” là biến thiên về lượng cöa AlzO;

Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình là; độ mịn và bản chất hạt rắn,

tốc độ khuấy trộn, nhiệt độ phản ứng , tiêu chấn và nồng độ axit Hỗổi vì quá

trình mang tính chất nhiều giai doạn đó là những quá trình nối tiếp nhau:

-_ Chuyển chất từ vùng khác tới vùng phản ứng

-_ Biến đổi hóa học lại vùng phản ứng

-_ Chuyển sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng

Nên các yếu tố trên ánh hướng rất nhiều tới quá trình phân hủy

Động học quá trình (phản ứng hòa tan oxit nhôm và hidroxit nhôm là

Trang 24

Hàng số tốc độ phần ứng

k-kOg

‘Trang dé:

n là bậc của phần ứng theo axit

Củ là nống độ axit hòa lam

Nang lượng hoạt hoá của phản ứng hoà tan phụ thuộc vào nồng độ và bản chất của chất hoà tan Kết quả một số công trình nghiên cứu cho biết năng lượng hoạt hóa của phản ứng hòa tan hiđroxit nhôm trong TINO: và NaOII

Trang 25

So sánh năng lượng hoạt hoá của quá trình hoà tan AI(OH3; bằng axit

HNOs va NaOH, Nhận thấy „„„ > E,„o,chứng tổ liên kết AI-OH dễ bị phá

vỡ hơn liên kết AIO-TI Như vậy, theo mô hình lý tướng này thì việc hoà tan

hydroxit nhóm trong axit sẽ thuận lợi hơn khi dùng NaOH Tuy nhiên, để đánh giá một cách cụ thể phải nghiên cứu trong hệ thực

Động học trong hệ thực phản ánh đây di các dặc diểm thực tế của hệ phản

ứng hoà tan hydroxit nhôm như: các loại kích thước hạt trong hydroxIt nhôm nguyên liệu, hình đạng hạt pha rắn và phương, chiều của phản ứng hoá học

trong thể rắn khảo sát Quá trình hoà tan hydroxit nhôm trong axit là quá trình

dị pha nên vận tốc sẽ phụ thuộc vào bể mặt tham gia phẫn ứng Để tăng tốc độ

phản ứng thì cần tảng hể mật tiếp xúc pha rắn nên phải nghiên AIH), Anh hưởng của quá trình nghiền đến quá trình hoà tan được đánh giá qua số liệu thực tế

Ví đụ: Không nghiên —> mức độ chuyển hoá: 25,7%

cũng tác động rất lớn, so sánh giữa nghiền bị và nghiển đập thì nghiên bị cho

kết quả độ chuyển hoá tốt hơn Điều nãy có thể được lý giải lý do khi nghiên

bi, do qua trình chà sát nén tăng được diện tích bể mật theo mọi phương của

hạt rắn, trong khi đó nghiền đập thì chỉ tăng diện tích bể mặt theo một số lượng nhất định

Trang 26

PHAN I: THUC NGHIEM

1I.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm

H.L.1 Hóa chất

HaSO 93%

HCI 99%

CH;COOH NaQH tinh thé

MgSQu tinh thé

MNazCioHuN¿O; tỉnh thé (EDTA)

Xylen da cam Phénolphitalein

KIIC:ILO¿ (KIIP)

Nước cất H.1.2 Dụng cụ và thiết bị

Trang 27

Chén nung bảng sứ

Quc khuấy

Binh tam giác

Bình cầu IO0mi, 250m], I000mlL

Đữa thủy tinh

Binh tia nước cất Giấy lọc

sau đồ chuyển dung địch vào bình điịnh mức 250ml Pha nước cất đến vạch

mức Căn cứ vào lượng cân tính nồng đệ dung dịch

Lấy 20ml dung dịch NaOH cho vào bình nón, cho thêm vãi giọt

phcnolphtalcin vào bình rồi chuẩn độ dung địch NaOH bằng dung dich KHP cho đến hết mầu hồng Căn cứ vào thế tích đã lấy và nổng độ dung địch KHP

tính được nồng độ dung dịch NaO11

NV

Nou = (NV

Punn

TỊ.1.3.2 Pha ché dung dich Complexon HI

Can 9,3g complexon III cho vac binh nvtc | Ift, cho nude vAo bình, lắc

đến tan hết chất rắn, pha nước đến vạch mức

CAn chinh x4c 0,62 mudi MpgSOx cho vào bình định mức 200ml Cho

nước vào bình, lắc dến tan hết chất rấn Pha nước clến vạch mức dược dung

dịch cổ nồng độ xác định

Dũng dung dịch Mg§Ox để chuẩn độ dung địch complexon IH để cá

được dụng địch complexon III cổ nồng độ chính xắc

Trang 28

11.2 Phương pháp phân tích

1.2.1 Xác dịnh nồng dé nhơm (AE') bằng phương pháp phán tích thể tich

TỊ.2.1.1 Cơ sử phương pháp

"Trong mơi trường axit yếu việc định phân xác định nhơm bằng EDTA

gặp khĩ khăn do phức hiổroxo của nhõm tác dụng với EDTA rất chậm Nén

chuẩn độ nhơm bằng EDTA dùng phép chuẩn độ dư ( phương pháp chuẩn độ

ngược),

Cho một lượng dư HUTA cĩ nồng độ xác dịnh vào dung dịch muối nhơm rồi dem dun néng để phản ứng xảy ra hồn tộn.Sau đồ lượng EDTA dư được chuẩn bằng dung dịch muối ZnCl, 06 néng độ xác định ở PII = 5,2 — 5,5 với

chất chỉ thị màu là xylen da cam Màu của dung dịch chuyển từ vàng sang đỏ

Các phản ứng chính xảy ra :

AB + H2¥* = ALY + 2Ht H;Y? + Zn?*' = ZnY? + 2H*

Zn? a, + xylen da cam › phức màu đỏ

IỊ.2.1.2.Các hĩa chất và đựng cụ cần dùng

Dung dịch ZnCh : 0,005M

Dung dich EDTA : 0.005M

Dung dich dém axctatnatri CH=3 pH = 5,2— 5,5 Axit Clohidric dam dac

Dung dich chỉ thị xvlen da cam

Pipet 2ml, 5ml và L0ml Duret 25m1

Trang 29

Lấy 2mi dung dich héa tan cho vào bình định mức 10ÖmÌ, tiêm một giọt dung dịch axìL HCI để chống thủy phân mẫu, sau đó định mức bằng nước cất và lắc đều.Lấy 5ml sau định mức cho vào bình tam giác, thêm 1Ôml dung

dich EDTA 0,005M vào, đem đưn nống đến gần sôi sau đó để nguội ;cho

thém dung địch đệm axetatnatri cổ pH = 5,2 — 5,5 ( tạo môi trường axit yếu), thêm 1 dén 2 giọt xylen đa cam, lắc đến, sau đó chuẩn độ lượng RDTA

0,005M dư bàng dung dịch ZnC]; 0,005M tiêu hao

Xác định hàm lượng A bÓ:¬ trong cao lank

Lấy tất cả dung dịch của 2 lần lọc rửa ( sau khi axit hóa) cho vào bình

định mức 1000m1, sau đó dịnh mức bảng nước cất và lắc dều

1ấy 5ml đung dịch sau dịnh mức cho vào bình tam giác, cho thêm 20m] dung dich EDTA 0,05M vao, đun nóng đến gần sôi, để nguội, tiếp tục chơ thêm 2Øm] dung dịch đệm axetatnatri pH = 3,2 — 5,5 , thêm I- 2 giọt xylen da

cam lắc đều, sau đó chuẩn độ lượng FIYIFA 0,05M Khi dung dịch chuyến tir

mnầu vàng sang mau đỏ thì đừng chuẩn dộ, ghỉ thể tích ZnCl; 0,05M tiêu hao Công thức tính toán

Trang 30

Vam: Thể tích bình định mức (nỶ)

Vas:Thé lich dung dich lấy để phán tích (ml)

Veda! The tich mau 1y(ml)

Crora: Néng dé dung dich EDTA (M)

Cyorn,: N6ng dé dung dich ZnCly (M)

Ca: Nông độ AM)

Buret 25ml Pipet 5,l0ml

đồ nếu xác định nồng độ II:SOx dư trong dung dịch Alz(SO+)› ding chi thi

metyl đa cam)

Chuẩn độ axit bằng dung dịch NaOlI 0.1M Khi dung địch chuyển từ màu đỗ sang màu vàng thì dừng chuẩn độ và ghi lại thể tích dung dịch NaOH 0.IN

tiêu tốn

IỊ.2.2.3 Công thức tính toán

Cyn'y= Pen Nimo % ; , y ist 1000 (mol/l)

Trang 31

Viaon là thể tích dụng dịch NaoH tiêu lốn (ml)

Nh;ền là nồng độ dụng địch NaOH (N)

Viet thd lich chất keo Lụ đem định mức (ml)

Vu, Thể tích chất keo tụ sau định mức

TI.3 Xây dựng thí nghiệm dộng hoc

TỊ.3.1 Mô tả thực nghiệm

Nghiên cứu động học của quá trình hồa tan cao lanh trong axit sunfuric được thực hiện như sau :

"Thiết bị thí nghiệm gồm có : Máy điều nhiệt với tác nhân gia nhiệt là nước

(thể tích 15 lít) Mục đích là để giữ cho nhiệt ổn định Quặng cao lanh và axit

dược cho vào bình ba cổ Để tăng tốc dộ phần tứng ( tăng tốc dộ chuyển khối giữm hai pha) trong bình phản ứng ba cổ cổ lắp thêm cánh khuấy Trạc khuấy được lắp với động cơ có thể điều chỉnh để thay đổi được tốc độ khuấy.Để đảm

bão nhiệt độ môi trường ổn định, trong máy điều nhiệt có lắp nhiệt kế tiếp xúc

và ro le Khi nhiệt độ của nước trong máy điều nhiệt lên cao hoặc xuống thấp

hơn nhiệt độ yêu cầu thì nhờ cố rơ le và nhiệt kế tiếp xúc mà nó tự ngắt hoặc

đóng mạch để dòng điện đi vào điện trở Dé kiểm tra nhiệt độ phản ứng, cố đặt

thêm nhiệt kế thường vào bình phản ứng ba cổ với độ chính xác 11 0,1°C May điều nhiệt này chỉ dùng tiến hành thí nghiém 6 nhiét d6 nhd hon 100°C,

H.3.2 Tiến hành thí nghiệm :

Sau khi nhiệt độ của nước trong máy diễu nhiệt đã đạt yêu cần thì lấp bình

phầm ứng ba cổ vào Quậng cao lanh sau khi đem nung ở nhiệt độ 7OŒC trong hai gid, Bem sing để phân loại chọn lấy hạt có kích thước 0,12inm- 0,16m

va 0,25mm — 0.315mm và đem cân Sau đó lắp cánh khuấy vào cho chạy thử,

khi đã khuấy tốt thì bắt dầu cho axit HạSOx vào bình, Cho cánh khuấy chạy với tốc độ không đổi Nhân nhiệt độ ở nhiệt kế đặt trong bình nhân ứng đã đạt

nhiệt độ yêu cầu thì cho cao lanh vào và bát đầu ghi thời gian nhản tng Trang quá trình tiến hành thí nghiệm ba cổ của bình phản ứng phải đùng nút cao su

Trang 32

đậy kín tránh biện Lượng bay bơi làm giảm thể tích dung dịch trong bình Sau thời gian phản ứng đã qui định dung dịch trong bình phản ứng được đem lọc Phân bã trên phu lọc dưới cũng được rửa kĩ bằng nước cái Tuần bộ dung dịch sau lọc rửa được chuyển vào bình định mức đem phân tích để xác định hầm

lượng A*.Trong mỗi thí nghiệm lấy 10g cao lanh đem hòa tan trong IÔ00m] axit Hz8O¿ [hỡi gian thực hiện một thí nghiệm là 4 giờ liến hành thí nghiệm với axit HzSOa nồng độ 5%, 20% và 30% Với mỗi nổng độ axit thực hiện thí nghiệm ở các nhiệt độ 65°C, 750C, 85%C và 955C, Để thiết lập được mô hình

toán của quá trình ngoài việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt dộ, nồng độ, thời gian cồn phải khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ khuấy và kích thước hạt quặng tới hiệu suất phân hủy Vì vậy qui trình thí nghiệm trên được thực hiện

với các cỡ hạt quặng 0,2 — 0,I6mm và 0,25 — 0,315mm ở các tốc độ khuấy là 600v/phút và 8O0x/phút

Trang 33

PHAN I

TINH TOAN KET QUA VA THAO LUAN

Bằng phương pháp chuẩn độ hoá học xác dinh duge ham luong AbOs trong

cao lanh (Thanh Sơn — Phú Thọ) sau khi nung trong 2 giờ ở nhiệt độ 700C là

464%

Với mẫu cao lanh này chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm để nghiên cứu động học của: quá trình hoà tan cao lanh trong axil sunftric

Về nguyên tắc có thể sử dụng các kiểu thiết bị khác nhau và nhiều phương

pháp khác nhau để nghiên cứu động học, tuy nhiên phải đảm bảo được sự ổn

định của điều kiện thí nghiệm Kết quả đo được phải diễn biến theo một qui

luật đã chọn, dễ dàng sử lý và thiết lập phương trình động học Để thỏa mãn

các yêu cầu đó chúng tôi đã chọn điều kiện thí nghiệm như sau:

"Thiết bị kiểu khuấy lý tưởng, làm việc gián đoạn Loại này lầm đồng nhất các thông số trạng thái do đồ vận tốc phản ứng cũng không nhụ thuộc vào không gian và có thể xác định từ giá trị nồng độ do được

Kich thước hại nguyên liệu nhỏ đồng đều( trong khoảng từ 0.12 - 0.16 mm và từ 0.25 — 0.315 mm) để không tác động nhiễu đến cơ

chế nhản ứng Tốc độ khuấy lớn (600 vòng/phúU dủ để loại bổ khả năng phần ứng nằm trong miễn khuốch tần

Trang 34

Luận văn thạc sỹ khoa học 31 Phạm Mai Hương

THỊ.1.1 Xác định hiệu suất chuyển hóa Al:O+

Từ thực nghiệm xác định được hiệu suất chuyển hóa của AlzO; ở các nhiệt độ

phản ứng và nồng độ axit khác nhau (Bảng4-kết quả tính toán)

IL.1.2 Ảnh hưởng của nông độ axit sunfurie

Quá trình hoà tan cao lanh trong axit sunfuric không những muốn đạt

được hiệu quả chuyển hoá cao mà chúng tôi còn phải nghĩ đến quá trình chế

biến dung dịch này sau này và nồng độ axit có thể dễ dàng trong công nghiệp

Từ đồ thị thực nghiệm thấy rằng khi tăng nồng độ axit cũng dẫn tới su tang

cuả mức độ hoà tan cao lanh Sở dĩ như vậy vì khi tăng nồng độ axit lên thì

dẫn đến tăng hoạt động của các ion hydro, và tăng sự tăng hoạt động ở mức lớn hơn so với tăng độ nhớt của dung dịch nên tốc độ chuyển hoá tang

Trang 35

Nhưng nếu cứ tiếp tục tăng nồng độ của axit cao nữa thì tốc độ chuyển hoá sẽ giảm do việc kìm hãm quá trình bởi sự tăng độ nhớt của dung dịch vượt quá sự tăng nhanh quá trình do ảnh hưởng của quá trình tăng hoạt độ ion H* Việc

tăng độ nhớt của dung dịch làm cho việc khuếch tán chất hòa tan vào thể tích

dung môi và dịch chuyển ion H* đến bé mat ran khố khăn hơn Điều này

chứng tỏ, khi nồng độ axit thấp tốc độ phản ứng hóa học trong toàn khối dung dịch sẽ thấp và kiểm soát toàn bộ quá trình Khi tăng nồng độ chất phản ứng

tốc độ của phản ứng hóa học sẽ tăng và bước chậm nhất là bước khuếch tán

của các ion hidrat hóa từ mặt phân cách tới toàn bộ khối dung dịch qua lớp

biên Có nghĩa là khi nồng độ axit thấp quá trình có thể nằm ở miễn động học,

khi nồng độ axit cao phản ứng nằm ở miễn khuếch tán.Vì thế trên đồ thị tốc

độ phản ứng không tỷ lệ tuyến tính với nồng độ chất phản ứng

HỊ.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

thời gian phản ứng | gid

Hình 2: Sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển hóa Al:O: vào nhiệt độ ứng

với axit H;SO, 1.68 M, 2.325M, 3.73M tại thời gian phản ứng là I giờ

Chúng tôi đã xem xét ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ thực hiện phản ứng đến

hiệu suất chuyển hoá cao lanh, kết quả được trình bày ở đồ thị đã chỉ ra rằng

Động học quá trình hòa fan cao lanh hoạ tinh trong axit sunfurie

Trang 36

khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất chuyển hoá tăng Như đã biết quá trình hoà tan cao lanh trong axit sunfuric thường tiến hành ở nhiệt độ không cao lám, vì ở nhiệt độ cao axiL bị bay hơi mạnh, song Ở nhiệt độ cao thì độ nhớt của dung địch giảm, tốc độ phản ứng lớn Nhưng bên cạnh đố thì sự tiêu hao năng lượng lớn, axit bay hơi nhiều, ăn mòn thiết bị nhanh Do vậy, trong thực tế sản xuất

riếu phần ứng thực hiện ở nhiệt độ quá cao sẽ kéo theo sự đời hỏi nghiêm ngặt

về thiết bị phần ứng, có nghĩa là sự đầu tư về thiết bị phan ứng sẽ tốn kếm hơn

Vì vậy, khi nghiên cứu phản ứng trong môi trường axit cố gắng tiến hành ở

nhiệt độ thích hợp nhất Cũng từ kết quả thực nghiệm, thấy rằng ở mức nhiệt

độ thấp (65 —> 75C) khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất chuyển hoá tăng nhưng

chậm Khi tang nhiệt độ lên đến khoảng 85 —> 959C thì hiệu suất phân huỷ

tang nhanh hơn Điểu này được giải thích khi nắng nhiệt độ đẫn đến giảm

nhanh chống nồng độ H* do hạ thấp sự phân ly của axit, khi ấy tốc độ phản ứng giữa các ion hydru với quặng sẽ tảng lên ở mức độ nhỏ hơn so vúi việc giảm nồng độ H* ưong dung địch vì vậy hiệu suất chuyển hoá tăng lên Vì vậy,

e6 thể nói quá trình hoà tan cao lanh trong axit không phải chỉ có yếu tố khuyếch tán ảnh hưởng mà cá yếu tố động học cũng ảnh hưởng nhưng ở mức

độ nhồ hơn

1H.1.3 Nghiên cứu ảnh lưởng của tốc độ khuáy

Tiến hành thí nghiệm ở hai tốc độ khuấy khác nhan (600 v/phút) và 800 vồng/phút Thấy rằng khi tăng tốc khuấy thì hiện suất phân huỷ tăng lên, Điển

này được giải thích như sau: Do phan dmg hoa tan cao lank (rong axil 1a phan ứng dị thể, sản phẩm tạo thành tạo nên lớp dung địch bão hoà trên bê mật hạt quảng Vĩ vậy, do lác dụng của khuấy trộn mà phá vỡ màng đó trên bề mật hạt

cao lanh, làm giâm chiều dày khuyếch tấn vào bề mặt cao lanh làm cho hiệu suất phân huỷ tăng lên

"Tuy nhiên, tốc độ khuấy tăng làm cho hiệu suất phân huỷ tăng lên nhưng tăng

không đáng kể, khi tốc độ khuấyđã đỗ để phá vỡ màng tạo thành khi hoà tan

thì lúc đỗ ảnh hưởng của tốc độ khuấy không rõ rệt tức là Vì vậy, ở đây tốc

Trang 37

độ khuấy là 600 vòng/ phút là đảm bảo cho khả năng khuyếch tán tốt khi phân huỷ và phản ứng được khống chế trong miền động học

THI.1.4 ảnh hưởng của thời gian thực hiện phản ứng

Quá trình hoà tan cao lanh trong axit là quá trình dị thể, nên tốc độ

phản ứng hoà tan phụ thuộc rất nhiều vào thời gian tiếp xúc giữa hai pha

Thời gian tiếp xúc tốt càng dễ đạt được giá trị cân bằng nghĩa là phân bố nồng

độ các chất ở hai pha đạt giá trị cân bằng Các phản ứng hoá học càng gần trạng thái cân bằng tốc độ phản ứng càng chậm, do đó các quá trình hoá học trong công nghiệp chỉ có thể tới giá trị gần cân bằng Vì vậy, chọn thời gian phân huỷ không dài lắm mà hiệu suất phân huỷ cũng tương đối cao, đó là thời

gian tối ưu

Thời gian (giờ)

Hình 3 — Sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển hóa vào thời gian phản ứng

Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất phân huỷ tăng theo thời gian nhưng

không tăng tỷ lệ thuận với thời gian Ở giai đoạn đầu hiệu suất tăng theo thời

Động học quá trình hòa fan cao lanh hoạ tinh trong axit sunfurie

Trang 38

Luận văn thạc sÿ khoa học 35 Phạm Mai Hương

—————————

gian nhanh vì khi đó phản ứng cồn xa trạng thái cân bảng Về sau, khi gần

trạng thái cân bằng thì tuỳ theo mức độ tích tụ các muối trong dung dịch, và

mức độ tiêu hao axit sunfurie khí hoà tan mà hoạt động và tốc độ của quá

trình phân huỷ giảm, nên hiệu suất chuyển hoá tăng không đáng kể Như vậy,

phản ứng càng về sau càng chậm chưa thể đạt tới giá trị cân bằng cho nên nếu

chỉ tâng thời gian không đạt được mục đích tăng hiệu suất phân huý

“Trên đồ thị hình 3 cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển hóa vào thời gian của axit H;SO; I.68M và H;SO¿ 2.325M là gần như nhau, chứng tỏ

cơ chế của phản ứng không bị ảnh hưởng bởi thời gian phản ứng

1IL.2.5 Ảnh hưởng hình dạng và kích thước hạt rắn

Phần này chúng tôi tập trung nghiên cứu vào các đặc điểm thực tế như các loại

kích thước, hình đạng của hạt cao lanh nguyên liệu trong hệ thực nghiệm

Trang 39

Nguyên liệu cao lanh trong hệ khảo sát gồm các hạt cố kích thước

d=0.12- 0.16 mm và d = 0.25 - 0.315 mm, kết quả thu được như sau

bang?

Kết qua khda sét nang luong hoat hóa của phần ứng hôu tan cao

lạnh trong axit H.SO 30% (3.73M) ở các nhiệt độ khác nhan

Khi thay đổi kích thước hạt rắn thì hằng số tốc độ phản ứng cũng thay

đổi Khi đường kính hạt giảm hằng số tốc độ tăng nhưng không đáng kể, nang

lượng hoạt hóa của phẩn ứng hòa tan đối với hai cỡ hạt khác nhau trong cùng

một nồng độ axit 3/73 M là gần bằng nhau Điều này chứng tổ cơ chế phản ứng không bị ảnh hưởng Mặc dù để tăng tốc độ phẫn ứng cần tăng bể mặt tiếp xúc pha rắn tuy nhiên với những hạt có kích thước quá nhỏ thì tác động này

Trang 40

Mô tình động học của phản ứng là phương Irình xác định mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng với nống độ các chất (ham gia phản ứng trong điều kiện các thông số khác (không phải nồng độ) không thay đổi tại thời điểm xác định tốc độ phản ứng,Các thông số trong phương trình động hạc là mỡ tả một đối tương cụ thể, do đố chúng tôi đã xác định và chọn phương án nghiên cứu phù

hợp để có thể lựa chọn được mô hình chính xác

'Từ kết quả thực nghiệm thấy rằng

tốc độ phản ứng hòa tan (lổng-rắn) chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố

Ngoài yếu tổ nồng dộ tốc độ phản ứng cồn phụ thuộc vào cơ chế phan ứng, diễn kiện nhiệt độ thực hiện quá tình

Sự ảnh hưởng của các yếu tố ngoài nông độ đến tốc độ phản ứng được thể hiện

qua hằng số tốc độ K nên

Ở phương trình (III-2) tốc độ phần ứng là hàm của nhiều biến số nồng độ của

các cấu tử (lỏổng- rắn) có mặt trong phương trình động học tại thời điểm xác

a,b là bậc của phản ứng theo từng cấu tứ A và B

và bậc của phan ing n= 5”a,/

tuy nhiên khi tĩnh toán thường chuyển quan hệ theo phương trình (II-3) ở dạng hầm của một biến số hiệu suất chuyển hóa theo một cấu Lữ

Với x là hiệu suất chuyển hóa tính theo một cấu tử trong phản ứng

Tiêu đề	Động Học Quá Trình Hòa Tan Cao Lanh Hoạt Tính Trong Axit Sunfuric
Tác giả	Phạm Mai Hương
Người hướng dẫn	TS. Lê Thị Mai Hương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Hóa Học
Thể loại	Luận văn
Năm xuất bản	2007
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	1,23 MB