Tiểu luận đề tài Đất sét

Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyllosilicat giàu các ôxít và hiđrôxít của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng lo

B CÔNG TH Ộ ƯƠ NG

TR ƯỜ NG ĐẠ I H C CÔNG NGHI P TH C PH M Ọ Ệ Ư Ẩ

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: ĐẤ T SÉT

GVHD: Thạc Sĩ HỒ THỊ NGỌC SƯƠNG

Tp.HCM

M C L C Ụ Ụ

B CÔNG TH Ộ ƯƠ NG 1

TR ƯỜ NG ĐẠ I H C CÔNG NGHI P TH C PH M Ọ Ệ Ư Ẩ 1

M C L C Ụ Ụ 2

T SÉT ĐẤ 4

1.Gi i thi u chung v ớ ệ ề đấ t sét: 4

1.1.Khái niệm: 4

1.2.Nguồn gốc và sự tồn tại của đất sét: 4

2.Thành ph n hóa và khoáng v t: ầ ậ 4

2.1 Nhóm kaolinite : 5

2.2.Nhóm môntmôrilônite (Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O) : 6

2.3.Nhóm khoáng chứa alkali (còn gọi là illite hay mica): 7

3.Các tính ch t c a ấ ủ đấ t sét: 8

3.1 Thành phần hạt: 8

3.2.Khả năng trương nở thể tích và hấp phụ trao đổi ion : 9

3.3.Tính dẻo: 9

3.4 Tính co ngót: 9

3.5.Sự biến đổi của đất sét khi nung : 10

3.6 Sự tương tác giữa các hạt sét: 11

4.M t vài ng d ng c a ộ ứ ụ ủ đấ t sét: 12

4.1.Ứng dụng trong gốm sứ: 12

Một vài sản phẩm từ đất sét 13

4.2.Xử lý nước thải bằng đất sét: 13

4.3.Xử lý đất sét để sản xuất vật liệu nanocomposite: 14

4.4 Tạo nguyên liệu quý từ đất sét: 15

MỞ ĐẦU

Từ xưa đến nay, đất sét luôn gắn bó mật thiết với đời sống con người Từ những sản phẩm thông dụng như gốm, sứ,… cho đến những sản phẩm ứng dụng nhiều trong công nghiệp như: nguyên liệu xi măng, chất đệm trong công nghiệp giấy, pha chế màu, mực, tẩy dầu thô,…

Do có hàng loạt các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đa dạng trong đời sống mà đất sét đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm, nghiên cứu nhiều hơn Với mong muốn được học tập, nghiên cứu sâu thêm về lĩnh vực này, đồng thời được tiếp tục đóng góp bổ sung thêm tài liệu cơ bản nghiên cứu khoáng sét, đất sét chúng em tiến hành đề tài nghiên cứu: “Đất sét”

Tuy nhiên với số lượng khổng lồ các kiến thức đã biết, việc lựa chọn những kiến thức nào phù hợp vào một bài tiểu luận, phù hợp với nhiều đối tượng là rất khó khăn, nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của tất cả các thầy cô và các bạn sinh viên ở trong trường cũng như ngoài trường, để lần sau nhóm 1 viết tiểu luận đạt kết quả cao hơn

T SÉT ĐẤ

1.Gi i thi u chung v đ t sét: ớ ệ ề ấ

1.1.Khái niệm:

Đất sét hay sét là một thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khoáng vật phyllosilicat nhôm ngậm nước, thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 μm Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyllosilicat giàu các ôxít và hiđrôxít của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét

1.2.Nguồn gốc và sự tồn tại của đất sét:

Đất sét nói chung được tạo ra do sự phong hóa hóa học của các loại đá chứa silicate dưới tác động của axit cacbonic nhưng một số loại đất sét lại được hình thành

do các hoạt động thủy nhiệt

Như vậy sự hình thành các mỏ cao lanh và đất sét là do chịu sự tác dụng tương

hổ của các quá trình hoá học, cơ học, sinh vật học bao gồm các hiện tượng phong hoá, rửa trôi và lắng đọng trong thời gian dài

Đất sét trong tự nhiên tồn tại ở một số dạng chính như:

 Loại sét vàng, đỏ, có khi xám đen, pha đất thịt và cát mịn ở các cồn

 Loại sét xám xanh nằm ở khu vực nước lợ, có độ nhớt cao

 Loại sét gốm sứ nằm thành vỉa màu trắng dẻo, xuất hiện ở những vùng trũng giữa hai giồng cát, do đồng thủy triều tạo nên

Các dạng trên chủ yếu ở dạng các hợp chất khoáng như: khoáng vật phyllosilicate nhôm ngậm nước, kaolinit, montmorillonit- smectit, illit và chlorit

2.Thành ph n hóa và khoáng v t: ầ ậ

Đất sét xét theo thành phần hoá, thành phần khoáng cũng như cấu trúc bao gồm

28 loại đơn khoáng khác nhau, chia thành các nhóm khoáng

Mỗi nhóm khoáng bao gồm các đơn khoáng có cấu trúc hoặc tính chất gần giống nhau Ba nhóm khoáng quan trọng nhất đối với ngành công nghiệp gốm sứ là:

kaolinite, montmoriolite và illite.

2.1 Nhóm kaolinite :

Đặc trưng của nhóm kaolinite là khoáng kaolinite (tên khoáng này được lấy làm tên cho cả nhóm), là khoáng chủ yếu trong các mỏ cao lanh và đất sét, có công thức hoá học là Al2O3.2SiO2.2H2O (hoặc có thể viết: Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4) Thành phần hóa học của khoáng này là SiO2: 46.54%; Al2O3 : 39.5%; H2O: 13.96%

Thông thường thành phần khoáng của đất sét ngoài các khoáng sét còn chứa một lượng tràng thạch (do đá gốc chưa phong hóa hoàn toàn) và SiO2 tự do (hình thành trong quá trình phân hóa) Để thuận tiện cho việc tính toán phối liệu gốm sứ, người ta quy thành phần khoáng vật của một mỏ đất sét theo thành phần khoáng hợp lý bao gồm:

- Khoáng vật sét (tính theo kaolinite) được ký hiệu là T, quy ra %

- Thạch anh kí hiệu là Q, quy ra %

- Tràng thạch kali kí hiệu là F, quy ra %

T + Q + F = 100%

Nếu trong thành phần hóa của một loại cao lanh nào đó có chứa CaO hay MgO

≥ 1% thì lượng CaO hay MgO đó được coi là của cacbonat, tức là tồn tại ở dạng CaCO3 hay là MgCO3 Nếu hàm lượng các oxit ấy < 1% thì coi sự có mặt của chúng

là sự thay thế đồng hình của các ion Ca2+ và Mg2+ vào trong mạng lưới tinh thể khoáng sét Tương tự nếu hàm lượng FeO, Fe2O3 ≥ 1% thì ta coi chúng là hợp chất chứa sắt (ví dụ Fe(OH)3)

Cấu trúc tinh thể kaolinite gồm 2 lớp: lớp tứ diện chứa cation Si4+ ở tâm ([SiO4]4-), lớp bát diện chứa Al3+ ở tâm ([AlO6]9-) Hai lớp này tạo thành gói hở có chiều dày từ 7.21-7.25 A0 trong đó có các nhóm OH phân bố về một phía

Cấu trúc tinh thể kaolinite

Các lớp kế tiếp liên kết với lớp cơ bản bằng mối liên kết hydro giữa các hydroxyn (-OH) của các khối bát diện và các oxi (-O-) của các khối tứ diện Do mối liên kết hydro rất chặt chẽ, nó làm giảm quá trình hydrat hóa và cho các lớp này gắn kết nhau để tạo thành tinh thể lớn hơn Một tinh thể kaonilit thông thường gồm 70-100 lớp cơ bản tạo thành

Tính chất: kaolinite hầu như không trương nở trong nước, độ dẻo kém, khả

năng hấp phụ trao đổi ion yếu (thường từ 5-10 mili đương lượng gam đối với 100g cao lanh khô), khối lượng riêng của khoáng kaolinit khoảng 2.41-2.60g/cm3

Trong nhóm này còn có khoáng halloysite Al2O3.2SiO2.4H2O thường đi kèm với kaolinite

2.2.Nhóm môntmôrilônite (Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O) :

Monmorilonite, đôi khi còn gọi là smectit là một khoáng vật quan trọng được tạo bởi 2 lớp tứ diện [SiO4]4- và 1 lớp bát diện [AlO6]9- Do đó, monmorilonit được gọi là khoáng vật có tỷ lệ 2:1 Khối bát diện nằm giữa hai lớp silic (khối tứ diện) bởi các đỉnh tứ diện liên kết với các nguyên tử hydroxyl nằm ở đỉnh khối bát diện tạo thành một lớp hoàn chỉnh Bề dày của lớp có tỷ lệ 2:1 này khoảng 0.96nm

Do có sự thay đổi đồng hình, nên monotmorilonite thường chứa các cation Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+ với hàm lượng khá lớn.

Cấu trúc tinh thể

monmorilonite

Tính chất: Vì lực hút dính Van der Waal giữa các lớp silicat nằm phía trên yếu và có độ hụt điện tích âm thực trong lớp bát diện, nước và các ion trao đổi có thể xâm nhập vào phần và chia tách các lớp mạng Do đó, tinh thể monmorilonit có thể rất nhỏ nhưng chúng hấp thụ nước rất mạnh Đất có chứa khoáng vật monmorilonit rất dễ bị trương nở khi gặp nước, áp lực trương nở phát triển sẽ làm phá hủy các công trình có tải trọng nhẹ và kết cấu mặt đường.

- Độ phân tán cao, hạt mịn, kích thước cỡ 300-500nm có thể chiếm đến 40% (trong đất sét thường cỡ hạt trên chỉ chiếm 5-20%, trong đó cao lanh từ 0.5-1.5%) nên khoáng này có độ dẻo rất lớn.

- Khối lượng riêng từ 1.7- 2.7g/cm3

- Trong nhóm này còn có khoáng baydelite Al2O3.3SiO2.H2O, có cấu trúc và tính chất tương tự như montmorilonit nhưng chứa nhiều oxit sắt nên ít công dụng

2.3.Nhóm khoáng chứa alkali (còn gọi là illite hay mica):

Illite (hydromica) – một khoáng vật sét quan trọng khác, được phát hiện bởi giáo sư R.E.Grim – ĐH Illinois, Mỹ Nó cũng có cấu tạo tỷ lệ 2:1 tương tự như monmorilonite nhưng giữa các lớp tinh thể được gắn kết với nhau bởi nguyên tử kali

*Lưu ý rằng, vòng lục giác trong lớp silicat có đường kính xác định và nguyên

tử kali sẽ lấp đầy vào giữa và liên kết các lớp lại chặt chẽ với nhau Ngoài ra, có một vài thay thế đồng hình của nhôm cho silic trong lớp oxit silic

Cấu trúc tinh thể của Illite/mica

Các dạng mica ngậm nước thường gặp là:

 Muscovit: K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O

 Biotit: K2O.4MgO.2Al2O3.6SiO2.2H2O

Trong nhóm này còn có một số khoáng khác có cấu trúc và tính chất tương tự illite như là khoáng hydrophylit, vermiculite, và các dạng thủy tinh mica khác

Tính chất: Illite có cấu trúc mạng tinh thể tương tự như khoáng vật mica nhưng

chứa ít kali và có ít sự thay thế đồng hình hơn Do đó, về mặt hóa học, chúng hoạt động mạnh hơn các khoáng vật mica

Các khoáng này có mạng lưới tinh thể tương tự như monmorilonite nên tính chất của chúng rất giống nhau

3.Các tính ch t c a đ t sét: ấ ủ ấ

3.1 Thành phần hạt:

Nhìn chung kích thước các hạt đất sét nằm trong giới hạn phân tán keo (<60 μm) Kích thước các loại tạp chất bao gồm thạch anh, tràng thạch, mica thường khá lớn

Thành phần và kích thước hạt có tác dụng rất lớn đến khả năng hấp phụ trao đổi ion, tính dẻo, độ co khi sấy, cường độ mộc cũng như diễn biến tính chất của khoáng đó theo nhiệt độ nung

3.2.Khả năng trương nở thể tích và hấp phụ trao đổi ion :

Tính chất này của đất sét chủ yếu là do cấu trúc tinh thể của các đơn khoáng của

nó quyết định

Các silicat 2 lớp (caolinit): sự hấp phụ trao đổi cation trước hết và chủ yếu xảy

ra ở các mặt cơ sở chứa SiO2 bên ngoài của các cạnh tinh thể, đặc biệt là khi có sự thay thế đồng hình của Si4+ bằng Al3+ hay Fe3+

Các silicat 3 lớp (mônmôrilônit): đại lượng hấp phụ trao đổi ion lớn do sự thay thế đồng hình xảy ra đồng thời cả trong lớp tứ diện và bát diện Khả năng trương nở thể tích lớn do có kiểu cấu trúc dạng vi vảy chồng khít lên nhau, tạo điều kiện cho các phân tử nước dễ bám chắc vào khoảng không gian giữa các gói làm trương nở thể tích cúa nó lên đến 16 lần so với thể tích lúc đầu khan nước

3.3.Tính dẻo:

Khi nhào trộn với nước, đất sét sẽ tạo hỗn hợp dẻo có khả năng tạo hình Tính dẻo là do đất sét có cấu tạo dạng lớp, có khả năng trao đổi ion và hấp thụ nước Do có khả năng trao đổi ion nên khi gặp nước, đất sét sẽ bị hydrat hóa và hình thành những lớp nước bao quanh các hạt đất sét

Các lớp nước càng xa đất sét thì lực liên kết càng yếu, nhất là lớp nước tự do ngoài cùng Màng nước này làm các lớp đất sét trượt tương đối lên nhau dưới tác dụng của ngoại lực làm đất sét có tính dẻo

Để tăng độ dẻo cho đất sét, người ta có thể:

─ Thêm đất sét dẻo monmorilonite

─ Tăng các quá trình cơ học như đập, nghiền, trộn, ngâm, ủ, lọc,…

─ Dùng phụ gia tăng tính dẻo như: rỉ đường, chất thải trong công nghiệp giấy…

Muốn giảm độ dẻo của đất sét thường cho thêm các chất trơ như: bột đá, cát, mùn cưa, bột than,…

3.4 Tính co ngót:

Độ co là độ giảm kích thước và thể tích của đất sét khi sấy khô và nung Độ co rút được tính bằng phần trăm so với kích thước ban đầu Tùy theo loại đất sét, ta có:

─ Độ co ngót khi sấy thường trong khoảng 2-3% đến 10-12%.

─ Độ co ngót khi sấy thường trong khoảng 2-3%

Vậy độ co ngót tổng cộng là 5-18%

Hiện tượng co ngót thường đi đôi với các hiện tượng nứt, tách, cong vênh

3.5.Sự biến đổi của đất sét khi nung :

Đất sét là hệ đa khoáng nên khi gia nhiệt sẽ xảy ra nhiều quá trình hóa lý phức tạp Khi nung nóng xảy ra các hiên tượng chính sau đây:

- Biến đổi thể tích kèm theo mất nước lý học

- Biến đổi thành phần khoáng bao gồm mất nước hoá học, biến đổi cấu trúc tinh thể khoáng cũ (kể cả biến đổi thù hình)

- Các cấu tử phản ứng với nhau để tạo ra pha mới

- Hiện tượng kết khối

Để khảo sát diễn biến lúc nung của các khoáng sét, chúng ta có thể sử dụng nhiều phương pháp riêng biệt hay kết hợp các phương pháp để thu được kết quả với độ tin cậy cao hơn Các phương pháp thường dùng là:

- Phương pháp nhiệt vi sai

- Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

- Phương pháp xác định đường cong co và dãn nở liên tục qua lính hiển vi nhiệt

độ cao hoặc bằng đilatômet

- Phương pháp thạch học dùng các loại kính hiển vi để quan sát sự thay đổi cấu trúc của mẫu nung

* Cụ thể diễn biến hiện tượng xảy ra khi nung đất sét:

• Nhiệt độ thường đến 1300C: nước bay hơi và đất sét co lại

• 2004500C: nước hấp phụ bay hơi, chất hữu cơ bị cháy, đất sét bị co nhiều và có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm: Fe2O3  FeO tạo môi trường khử

• 5005500C: nước hóa hợp chất, kaolinit chuyển thành metakaolinit (Al2O3.2SiO2) làm đất sét mất tính dẻo

• 5508800C : metakaolinit bị phân hủy thành Al2O3 và SiO2, mạng lưới tinh thể của khoáng sét bị phá hủy làm giảm cường độ

• 9209800C: Al2O3 chuyển thành Al2O3 Khoáng silimanit hình thành và có tỏa nhiệt

Al2O3 +SiO2  Al2O3.SiO2

CaCO3  CaO + CO2

• 1000 12000C: Chuyển khoáng silimanit thành khoáng mulit:

Al2O3.SiO2  3Al2O3.2SiO2

Một điểm đặc biệt của đất sét khi nung ở nhiệt độ cao là hiện tượng kết khối.

Đó là quá trình sít đặc và rắn chắc lại của các phần tử khoáng vật (sản phẩm) dạng bột tơi dưới tác dụng của nhiệt độ hay áp suất, hoặc tác dụng đồng thời của cả hai yếu tố đó

Vật thể đã kết khối có cường độ cơ học cao, độ xốp và khả năng hút nước nhỏ, mật độ hay khối lượng thể tích sẽ lớn nhất

Hiện tượng kết khối có mặt pha lỏng bao giờ cũng xảy ra mãnh liệt hơn

Sản phẩm muốn kết khối tốt trong điều kiện thông thường phải nung đến nhiệt

độ ≥ 0,8 T (T là độ chịu lửa hay nhiệt độ nóng chảy)

3.6 Sự tương tác giữa các hạt sét:

Sự kết hợp các khoáng vật sét và các lớp nước hấp phụ trên bề mặt hạt tạo nên các đặc trưng vật lý cơ bản của cấu trúc đất Các hạt sét riêng lẻ tương tác với nhau thông qua màng nước hấp phụ bao quanh và sự có mặt của các ion khác nhau, các vật chất hữu cơ, nồng độ khác nhau… đã tác động đến hoặc góp phần tạo ra sự đa dạng trong cấu trúc của đất trong tự nhiên Hạt sét có thể đẩy nhau, quá trình này phụ thuộc vào nồng độ ion, khoảng cách giữa các hạt và một số nhân tố khác Tương tự, có sự tương tác nhất định giữa các hạt riêng lẻ do tác dụng của liên kết hydro, lực Van der Waal và một số kiểu liên kết hóa học hoặc hữu cơ khác Lực tương tác giữa các hạt hay điện thế giảm dần từ bề mặt khoáng vật ra ngoài, như thấy trên hình Hình dáng thực tế của đường cong điện thế phụ thuộc vào hóa trị, nồng độ ion hòa tan và bản chất các lực liên kết

Các hạt có thể bị keo tụ hoặc

tách rời (phân tán hoặc tách biệt)

Chúng có thể keo tụ theo một vài cách

có thể: cạnh - mặt là thông dụng nhất,

ngoài ra có thể gặp các dạng kết hợp khác như cạnh – cạnh hoặc mặt – mặt Xu hướng keo tụ phụ thuộc vào sự gia tăng của một hoặc một số nhân tố sau: nồng độ các chất điện phân, hóa trị của các ion, nhiệt độ

Hoặc giảm một hoặc một số các nhân tố sau: hằng số điện môi của chất lỏng trong lỗ rỗng của đất, kích thước của các ion hydrat, pH, hấp phụ anion

Tất cả các loại đất sét tự nhiên đều kết tủa (keo tụ) với mức độ nào đó Chỉ trong các dung dịch rất loãng (có chứa rất nhiều nước) các hạt sét có thể dưới dạng phân tán

và điều này có thể xảy ra trong suốt quá trình trầm tích

4.M t vài ng d ng c a đ t sét: ộ ứ ụ ủ ấ

4.1.Ứng dụng trong gốm sứ:

trở nên rắn chắc hơn và khi bị "nung" hay làm

cứng bằng nhiệt độ cao, đất sét trở thành rắn vĩnh

cửu Thuộc tính này làm cho đất sét trở thành

một chất lý tưởng để làm các đồ gốm sứ có độ

bền cao, được sử dụng cả trong những mục đích

thực tế cũng như dùng để làm đồ trang trí Với

các dạng đất sét khác nhau và các điều kiện nung khác nhau, người ta thu được đất nung, gốm và sứ Phụ thuộc vào các hợp chất có trong đất, đất sét có thể có nhiều màu khác nhau, từ màu trắng, xám xịt tới màu đỏ-da cam sẫm

Đất sét được nung kết trong lửa đã tạo ra những đồ gốm sứ đầu tiên và hiện nay

nó vẫn là một trong những vật liệu rẻ tiền nhất để sản xuất và sử dụng rộng rãi nhất G ch ạ , ngói, các xoong nồi từ đất, các đồ tạo tác nghệ thuật từ đất, bát đĩa, thân bugi

và thậm chí cả các nhạc cụ như đàn ocarina đều được làm từ đất sét Đất sét cũng được

sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn trong sản xuất giấy, xi măng, gốm

sứ và các bộ lọc hóa học