đề tài sáng tạo khoa học kỹ thuật toàn quốc

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay với sự phát triển cơ sở hạ tầng, công trình xây dựng việc tìm ra chất phụ gia cho xây dựng với giá thành rẻ là một vấn đề cấp thiết ở nước ta, một trong những chất phụ gia quan trọng là thủy tinh lỏng được sản xuất ở một số nhà máy chế biến ở miền Trung, tại Thừa Thiên Huế, Công ty TNHH Nanosili triển khai dự án nhà máy sản xuất thủy tinh lỏng công suất 20.000 tấnnăm tại cụm công nghiệp chế biến cát Phong Điền. Bên cạnh đó thủy tinh lỏng là một hóa chất được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong ngành bột giấy, công nghiệp chất tẩy rửa, công nghiệp gốm sứ… nhưng một nguyên nhân làm hạn chế của thủy tinh lỏng là do chúng được tổng hợp từ các nguồn cát ( thạch anh) với nhiệt độ khoảng 1300 oC – 1400oC thực hiện cần máy móc hiện đại, từ đó sản phẩm có giá thành cao . Trong các giờ học Hoá trên lớp chúng em được giáo viên đề cấp tới một vấn đề đó là thuỷ tinh lỏng có thể được tổng hợp từ trấu với những điều kiện đơn giản, chỉ cần ở nhiệt độ phòng cùng nguồn tro, trấu gần như có rất nhiều trong tự nhiên ở nước ta là một nhiệm vụ thiết thực và có thể điều chế theo một hướng mới mang lại hiệu quả không kém. Xuất phát từ thực tế đó, chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu làm thủy tinh lỏng từ tro trấu” với mong muốn tìm được điều kiện để tổng hợp thủy tinh lỏng từ tro trấu, một phế phẩm nông nghiệp rẻ tiền, luôn có sẵn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu thủy tinh lỏng với nguyên liệu là tro, trấu trong điều kiện thích hợp Làm được vật liệu thuỷ tinh lỏng giá rẻ, phương pháp tổng hợp đơn giản có thể thay thế được vật liệu thuỷ tinh lỏng đang sử dụng có giá thành cao. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Từ tro trấu nguyên liệu rẻ tiền luôn có sẵn trong tự nhiên có thể tổng hợp được thuỷ tinh lỏng. Tạo được vật liệu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất như: keo dán, chất phụ gia, vật liệu chống thấm.... 4. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu Giới hạn: chỉ nghiên cứu với tro trấu thu thập tại xã Bảo Quang Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Hoá trường THCS Bảo Quang II. CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Thành phần chính của thủy tinh lỏng Thuỷ tinh lỏng (LIQUID SODIUM SILICATE ) là muối silicat hoặc hỗn hợp muối silicat của Na và K là chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho phép có màu trắng đục hoặc ngà vàng, trong đó bao gồm: 1. Hàm lượng Na2O 2. Hàm lượng SiO2 (%) 3. Module silicon 4.Cặn không tan trong nước (theo tài liệu 1) 1.3 Điều chế thủy tinh lỏng a) phương pháp truyền thống: sơ đồ sản xuất Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng (theo tài liệu 3)

PHÒNG GD&ĐT LONG KHÁNH

TRƯỜNG THCS BẢO QUANG

BÁO CÁO ĐỀ TÀI DỰ THI

Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh trung học

Năm học 2015 - 2016

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU LÀM THUỶ TINH LỎNG TỪ

TRO TRẤU

TÁC GIẢ (hoặc NHÓM TÁC GIẢ)

1 Nguyễn Thị Minh Anh - Lớp 9/2 Trường THCS Bảo Quang

2 Võ Thị Như Ý - Lớp 9/1 Trường THCS Bảo Quang

Tháng … /2015

MỤC LỤC

TÊN ĐỀ TÀI trang 3 TÓM TẮT ĐỀ TÀI trang 4 LỜI CÁM ƠN trang 5

I MỞ ĐẦU trang 6

1 Lý do chọn đề tài trang 6

2 Mục tiêu nghiên cứu trang 6

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trang 6

4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu trang 6

II CƠ SỞ LÝ LUẬN trang 7-8 III DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP CỨU trang 9

1 Dụng cụ thí nghiệm trang 9

2 Phương pháp nghiên cứu trang 9

3 Ứng dụng của thuỷ tinh lỏng trang 9-10

IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU trang 11-16 1.Xử lý trấu trang11 2.Nghiên cứu điều kiện tổng hợp thuỷ tinh lỏng trang12-13

3 Nghiên cứu điều kiện tổng hợp thuỷ tinh lỏng trang 13-14 4.Thu mẫu thuỷ tinh tổng hợp trang 14-15 5.Đánh giá so sánh mẫu tổng hợp trang 15-16

VI KẾT LUẬN trang 17 VII KIẾN NGHỊ trang 17

VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO trang 17

NGHIÊN CỨU LÀM THUỶ TINH LỎNG TỪ TRO TRẤU

 Giáo viên hướng dẫn:

 Đoàn Văn Dũng

 Nhóm trưởng: Nguyễn Thị Minh Anh

 Thành viên: Võ Thị Như Ý

 Học sinh trường: THCS Bảo Quang

 Thời gian thực hiện: từ 25 tháng 6/2015 – 30 tháng 7/2015

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin chân thành cám ơn:

- Ban tổ chức đã tạo cho chúng em một môi trường sáng tạo học tập bổ ích

- Ban giám hiệu trường THCS Bảo Quang đã tạo điều kiện cho chúng em dự thi, đặc biệt đã hỗ trợ kinh phí cho chúng em trong suốt quá trình hoàn thành sản phẩm

- Thầy Đoàn Văn Dũng hướng dẫn và giải đáp tận tình cho chúng em trong suốt thời gian thực hành thực nghiệm

- Các thầy cô của trường THCS Bảo Quang đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng

em về thời gian để chúng em nghiên cứu và hoàn thành sản phẩm

Học sinh

1) Võ Thị Như Ý

2) Nguyễn Thị Minh Anh

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển cơ sở hạ tầng, công trình xây dựng việc tìm ra chất phụ gia cho xây dựng với giá thành rẻ là một vấn đề cấp thiết ở nước ta, một trong những chất phụ gia quan trọng là thủy tinh lỏng được sản xuất ở một số nhà máy chế biến ở miền Trung, tại Thừa Thiên Huế, Công ty TNHH Nanosili triển khai dự án nhà máy sản xuất thủy tinh lỏng công suất 20.000 tấn/năm tại cụm công nghiệp chế biến cát Phong Điền Bên cạnh đó thủy tinh lỏng là một hóa chất được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong ngành bột giấy, công nghiệp chất tẩy rửa, công nghiệp gốm sứ… nhưng một nguyên nhân làm hạn chế của thủy tinh lỏng là do chúng được tổng hợp từ các nguồn cát ( thạch anh) với nhiệt độ khoảng 1300 oC – 1400oC thực hiện cần máy móc hiện đại, từ đó sản phẩm có giá thành cao Trong các giờ học Hoá trên lớp chúng em được giáo viên đề cấp tới một vấn đề đó là thuỷ tinh lỏng có thể được tổng hợp từ trấu với những điều kiện đơn giản, chỉ cần ở nhiệt độ phòng cùng nguồn tro, trấu gần như

có rất nhiều trong tự nhiên ở nước ta là một nhiệm vụ thiết thực và có thể điều chế theo một hướng mới mang lại hiệu quả không kém Xuất phát từ thực tế đó, chúng

em chọn đề tài: “ Nghiên cứu làm thủy tinh lỏng từ tro trấu” với mong muốn tìm

được điều kiện để tổng hợp thủy tinh lỏng từ tro - trấu, một phế phẩm nông nghiệp rẻ tiền, luôn có sẵn

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu thủy tinh lỏng với nguyên liệu là tro, trấu trong điều kiện thích hợp

- Làm được vật liệu thuỷ tinh lỏng giá rẻ, phương pháp tổng hợp đơn giản có thể thay thế được vật liệu thuỷ tinh lỏng đang sử dụng có giá thành cao

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Từ tro trấu nguyên liệu rẻ tiền luôn có sẵn trong tự nhiên có thể tổng hợp được thuỷ tinh lỏng

- Tạo được vật liệu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất như: keo dán, chất phụ gia, vật liệu chống thấm

4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

- Giới hạn: chỉ nghiên cứu với tro trấu thu thập tại xã Bảo Quang

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Hoá trường THCS Bảo Quang

II CƠ SỞ LÝ LUẬN

1 Thành phần chính của thủy tinh lỏng

Thuỷ tinh lỏng (LIQUID SODIUM SILICATE ) là muối silicat hoặc hỗn hợp muối silicat của Na và K là chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho phép có màu trắng đục hoặc ngà vàng, trong đó bao gồm:

1 Hàm lượng Na2O 2 Hàm lượng SiO2 (%)

3 Module silicon 4.Cặn không tan trong nước (theo tài liệu 1)

1.3 Điều chế thủy tinh lỏng

a) phương pháp truyền thống: sơ đồ sản xuất

Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng (theo tài liệu 3)

b) phương pháp nghiên cứu trong đề tài:

Soda

Na2CO3

Cát trắng SiO2

Lò nung

1200-1400oC

Thủy tinh vụn

Hòa tan

Lắng cặn

Thủy tinh lỏng

module thấp Thủy tinh lỏng

Quy trình làm thuỷ tinh lỏng trong đề tài

Cơ chế phản ứng: SiO2 ( tro, trấu) + NaOH  thủy tinh lỏng ( sản phẩm thu

được ngay tại nhiệt độ sôi )

III DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trấu đốt

nhỏ, rây)

Thủy tinh lỏng

Na 2 SiO 3

Hòa tan xút NaOH ở nhiệt độ sôi

1 Dụng cụ và hoá chất

Bảng1 Bảng dụng cụ và hoá chất

Hình 1 Dụng cụ thí nghiệm

2 Phương pháp nghiên cứu

- Các phương pháp nghiên cứu trong đề tài: đốt, nghiền rây nhỏ, khuấy, lọc và tách chất

3 Ứng dụng của thủy tinh lỏng.

a) Dính

Một ví dụ phổ biến của việc sử dụng nó như một giấy xi măng đã sản xuất hộp giấy cho súng lục

ổ quay bột đen được sản xuất bởi Công ty Sản xuất Colt trong khoảng thời gian từ năm 1851 cho đến năm 1873, đặc biệt là trong cuộc nội chiến

Mỹ Silicat natri được sử dụng để đóng dấu giấy nitro hóa dễ cháy với nhau để tạo thành một hình nón giấy mực để giữ bột màu đen, cũng như để củng cố bóng chì hoặc đạn hình nón vào kết thúc mở của hộp giấy Natri hộp giấy xi măng silicat như vậy được đưa vào các xi lanh của súng lục ổ quay, do đó tăng tốc tải lại của nắp và bóng đen súng lục ổ quay bột Sử dụng này phần lớn đã kết

Dụng cụ

- Bình thuỷ giữ nhiệt độ sôi, đũa thuỷ tinh khuấy, cốc đong 500mL, bình cầu 250mL,

cân điện tử 250g, cối sứ

Hoá chất - dd NaOH; giấy lọc khổ lớn, trấu

thúc với sự ra đời của súng lục ổ quay Colt sử dụng đồng - hoa chữ cái đầu hộp mực bắt đầu vào năm 1873 (theo tài liệu 2)

b) Nuôi trồng thủy sản

Natrisilicat gel cũng được sử dụng như một chất nền cho sự phát triển của tảo trong nuôi trồng thuỷ sản các trại giống (theo tài liệu 2)

c) Thực phẩm bảo quản

Silicat natri cũng được sử dụng như một chất bảo quản trứng thông qua đầu thế kỷ 20 với thành công lớn Khi trứng tươi được đắm mình trong đó, vi khuẩn gây ra những quả trứng để làm hỏng được lưu giữ ra và nước được giữ in trứng có thể được giữ tươi khi sử dụng phương pháp này (theo tài liệu 2)

d) Khoan nước

Silicat natri thường được sử dụng trong dung dịch khoan để ổn định giếng khoan và

để tránh sự sụp đổ của bức tường khoan (theo tài liệu 2)

e) Sử dụng vật liệu chịu lửa

Ly nước là một chất kết dính hữu ích của các chất rắn, chẳng hạn như cát và đá trân châu Khi pha trộn với các cốt liệu nhẹ đã nói ở trên, nước thủy tinh có thể được sử dụng để thực hiện, tấm cách nhiệt ở nhiệt độ cao khó sử dụng cho các vật liệu chịu lửa, chống cháy thụ động và cách nhiệt nhiệt độ cao.(theo tài liệu 2)

f) Thuốc phẩm nhuộm

Natri silicat được sử dụng như một định hình cho nhuộm tay với thuốc nhuộm hoạt đòi hỏi phải có độ pH cao để phản ứng với các sợi dệt Sau khi thuốc nhuộm được áp dụng cho một loại vải dựa trên cellulose, chẳng hạn như bông hoặc tơ nhân tạo, hoặc trên lụa, nó được để khô, sau đó natri silicat được sơn trên để nhuộm vải, phủ bằng nhựa để giữ độ ẩm, và để lại phản ứng trong một giờ ở nhiệt độ phòng (theo tài liệu 2

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Xử lý trấu

Trấu sau khi thu hồi (hình 2) được loại bỏ tạp chất, rửa sạch, đốt (hình 3) rồi sau đó mang đi nghiền nhỏ bằng cối giả mục đích tăng diện tích phản ứng giúp cho sản phẩm thu được chất lượng tốt nhất

Hình 2 Trấu thu hồi Hình 3 Đốt trấu thành tro

Để nghiên cứu làm thuỷ tinh lỏng được thành công, chúng em đã tìm hiểu theo tài liệu (4) khi tổng hợp thuy tinh lỏng bằng cát với sô đa thành công, thì tỉ lệ mol

2

SiO

NaOH

phải trong khoảng 0,6-1,2 Bên cạnh đó theo tài liệu (3) hiệu suất tách SiO2

trong vỏ trấu khoảng 90% Do đó một lần làm thí nghiệm chúng em cân 50 gam tro trấu đã nghiền nhỏ hoà khuấy trong 500mL dung dịch NaOH 1M

Hình 4 Cân tro trấu Hình 5 Nghiền nhỏ tro

Qua tham khảo các tài liệu liên quan (3), chúng em nhận thấy hai yếu tố ảnh hưởng nhiều đến quá trình tách tổng hợp thủy tinh lỏng (cụ thể từ cát và sođa) là: thời gian phản ứng giữa tro trấu với dung dịch NaOH và nồng độ dung dịch NaOH Vì thế

ở đây, chúng em đã khảo sát ảnh hưởng của hai yếu tố này

Hình 6 Khuấy tro trấu với dung dịch NaOH

Hình 7 Khuấy dung dịch ở nhiệt độ sôi

2 Nghiên cứu điều kiện tổng hợp thủy tinh lỏng tro trấu theo nồng độ NaOH khác nhau

Chúng em khuấy cố định trong 1h với các nồng độ NaOH: 0,5M, 0,75M và 1M với thể tích 500mL thì kết quả thu được như hình 6

Hình 8 Mẫu tổng hợp với nồng độ 0,5M, 0,75M, 1M

Theo hình 8, chúng em nhận thấy với cùng thời gian 1h, với các nồng độ NaOH khác nhau, kết quả ở nồng độ NaOH 1M là tốt hơn màu sắc thu được trong hơn, từ đó chúng em nhận thấy hiệu suất phản ứng tổng hợp vật liệu thuỷ tinh lỏng tăng lên

Do đó chúng em chọn nồng độ NaOH 1M là điều kiện tốt nhất, sau đó chúng em đi nghiên cứu khảo sát tổng hợp vật liệu với các thời gian khác nhau để được mẫu cho kết quả tốt ở thời gian khảo sát

3 Nghiên cứu điều kiện tổng hợp thủy tinh lỏng tro trấu theo thời gian khác nhau

Chúng em tiếp tục nghiên cứu mẫu với các thời gian khác nhau là: 60 phút, 90 phút và 120 phút Sau khi khuấy đều liên tục đúng thời gian khảo sát thì kết quả chúng em thu được trình bày ở hình9

a) b) c) Hình 9 Dung dịch Na 2 SiO 3 (thủy tinh lỏng) được tổng hợp ở

60 phút a), 90 phút b); 120 phút c)

Theo kết quả thu được ở hình 9, chúng em nhận thấy rằng kết quả thu được ở thời gian khuấy liên tục 120 phút cho được màu sắc đục, ngà vàng phù hợp với các tài liệu trước đó(4) từ đó chúng em nhận thấy rằng ở điều kiện thời gian 120 phút là điều kiện tốt nhất

4 Thu mẫu thuỷ tinh lỏng sau khi đã nghiên cứu điều kiện tốt nhất

Mẫu thuỷ tinh lỏng của chúng em sau khi tổng hợp ở điều kiện: 50 gam tro trấu khuấy đều trong 2h ở nhiệt độ sôi của nước với 500mL NaOH 1M, tiếp tục để nguội sau đó lọc nhiều lần bằng giấy lọc cho tạp chất, các hạt không tan trong tro trấu được giữ lại trên giấy lọc Cuối cùng để lắng đọng dung dịch trong 5 ngày, gạn phần ở trên thu được dung dịch đồng nhất cho kết quả tốt nhất đó chính là thuỷ tinh lỏng

Hình 10 Lọc nhiều lần mẫu thuỷ tinh bằng giấy lọc

Hình 11 Mẫu thuỷ tinh lỏng tổng hợp

5 Đánh gia mẫu tổng hợp thủy tinh lỏng từ tro trấu sau nghiên cứu

a) Mẫu thủy tinh lỏng của chúng em sau khi tổng hợp, tính toán với các điều kiện trên được chúng em so sánh với mẫu thuỷ tinh lỏng được trình bày bằng cát trắng

với sô đa ở bảng 2

Bảng 2 Bảng chỉ tiêu đánh giá chất lượng mẫu thuỷ tinh lỏng trong đề tài

b) Mẫu thủy tinh lỏng chuẩn khi được tổng hợp bằng cát thạch anh và sôđa được trình

bày ở bảng 3 ( theo tài liệu 4)

Tên chỉ tiêu Mức và yêu cầu

1.Trạng thái bên ngoài Chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho

phép có màu trắng ngà hơi đục

2 Tỷ trọng ở 20oC

5 Module silicon

6 Cặn không tan trong nước 0,2

Tên chỉ tiêu Mức và yêu cầu

1.Trạng thái bên ngoài Chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho

phép có màu trắng đục hoặc ngà vàng

6 Cặn không tan trong nước < 0,5

Bảng 3 Bảng chỉ tiêu đánh giá chất lượng mẫu thuỷ tinh lỏng tổng hợp

cát trắng và sôđa

Từ mẫu kết quả thủy tinh lỏng mà chúng em tổng hợp từ nguồn tro, trấu thu được kết quả rất đáng khả quan, các chỉ tiêu chất lượng của thủy tinh lỏng của chúng em thu được đều cho kết quả phù hợp (1,3,4,6), do thời gian nghiên nghiên cứu hạn hẹp

và không có máy móc hiện đại chỉ tiêu (2,5) của chúng em chưa đo được, từ những chỉ tiêu phù hợp trên chúng em có thể khẳng định, sản phẩm thủy tinh lỏng được tổng hợp từ 50 gam tro nghiền nhỏ ở nhiệt độ phòng khuấy đều ở nhiệt độ 1000C với 500mL dung dịch NaOH 1M trong khoảng thời gian 120 phút

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A KẾT LUẬN

Từ các kết quả nghiên cứu của đề tài, chúng em có thể rút ra một số kết luận như sau:

Đã nghiên cứu tìm điều kiện làm thủy tinh lỏng với điều kiện: 50 gam tro trấu đã nghiền nhỏ với 500 mL dd NaOH 1 M trong 2h khuấy liên tục tại nhiệt độ sôi, để lắng đọng dung dịch thu được trong 5 ngày

B KIẾN NGHỊ

• Nếu có thời gian chúng em sẽ tiếp tục đo mẫu thuỷ tinh lỏng trên bằng các máy móc hiện đại từ đó so sánh với mẫu thuỷ tinh lỏng tổng hợp từ cát và sôđa đang được sử dụng hiện nay

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

lỏng”

2 http://hoachattrangia.com/Tin-tuc-hoa-chat/ung-dung-thuy-tinh-long.html (2015)

“ứng dụng của thuỷ tinh lỏng”

3 Hồ Phước Điệp, Nguyễn Thị Lệ Giang và Trần Thị Liên đã đạt giải nhất Giải

thưởng (năm 2014) “Nghiên cứu điều chế thuỷ tinh lỏng từ tro trấu”

4 Đoàn Văn Dũng (2014) Giải 3 Sáng tạo kỹ thuật tỉnh Đồng Nai“Nghiên cứu sản

xuất thuỷ tinh lỏng từ tro trấu bằng phương pháp đơn giản”

5 Lê Tuấn Em (2012) Đại Học Cần Thơ“Nghiên cứu điều chế thuỷ tinh lỏng từ cát

với sôđa”