ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA H
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2016
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS LÊ THỊ MAI HƯƠNG GS.TS NGUYỄN TRỌNG UYỂN
Hà Nội - 2016
Trang 3Lời cảm ơn
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS
Lê Thị Mai Hương và GS.TS Nguyễn Trọng Uyển đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn
Em xin chân thành cảm ơn khoa Hóa học – Trường Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Hoá học đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện luận văn
Em xin chân thành cảm ơn Viện trưởng cùng các đồng nghiệp trong Viện Hóa học Các hợp chất thiên nhiên – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các thành viên trong Trung tâm Phát triển công nghệ Sạch và Vật Liệu đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong thời gian qua
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình, các sinh viên khoá 6 và 7 trường Đại học Công nghiệp Hà Nội cùng những bạn bè đã luôn ở bên động viên, chia sẻ và giúp đỡ về mọi mặt trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua
Một lần nữa xin được trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2016 Tác giả luận văn
Nguyễn Thành Trung
Trang 4DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PAC polyalumiumclorua PFC polyferric clorua
FC Sắt III clorua
AS Nhôm III sunfua PAS polyaluminium sunfat PASS polyaluminium silicate sunfat SEM Scanning Electron Microscopy - SEM XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X
Al(OH)3 – 1 Nhôm hiđroxxit trước nghiền Al(OH)3 – 2 Nhôm hiđroxxit sau nghiền
Trang 5MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG 8
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3
1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÔM HIDROXIT 3
1.1.1 Nhôm tri hiđrôxit 3
1.1.2 Nhôm monohiđrôxit 8
1.1.3 Sự phân huỷ nhiệt của các nhôm hiđrôxit 13
1.2 GIỚI THIỆU VỀ CHẤT KEO TỤ 15
1.2.1 Chất keo tụ 15
1.2.2 Một số phương pháp điều chế chất keo tụ 19
1.3 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÒA TAN 21
1.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ NGHIỀN 24
1.4.1 Giới thiệu về phương pháp nghiền 24
1.4.2 Một số thiết bị nghiền[2,11,16] 25
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27
2.1 HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ 27
2.1.1 Hoá chất 27
2.1.2 Thiết bị 27
2.1.3 Dụng cụ 27
2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU 28 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 28
2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM 29
2.2.3 Phương pháp đo diện tích bề mặt 29
2.2.5 Xác định nồng độ nhôm (Al3+) bằng phương pháp chuẩn độ complexon 30
2.2.6 Xác định nồng độ H+ bằng phương pháp chuẩn độ axit - bazo 31
2.2.7 Xác định hàm lượng Cl bằng phương pháp chuẩn độ kết tủa 31
Trang 62.2.7 Xác định hàm lượng SO42- 32
2.2.9 Xác định tổng hàm lượng Fe3+ 33
2.2.10 Xác định tỉ trọng của sản phẩm 34
2.2.11 Công thức xác định chỉ số n trong PAC 34
2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÍ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẪU TRƯỚC VÀ SAU NGHIỀN 34
2.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN ĐẾN HIĐRÔXXIT NHÔM 35
2.5 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÒA TÁCH 35
2.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy 35
2.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 35
2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit 35
2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 36
2.6 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO PAC TỪ NHÔM HIĐROXXIT TÂN RAI 36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38
3.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 38
3.1.1 Kết quả X-ray 38
3.1.2 Kết quả SEM 39
3.1.3 Kết quả BET 39
3.1.4 Kết quả phổ tán xạ Laser 40
3.1.5 Kết quả phân tích thành phần hóa học 41
3.2 KẾT QUẢ KHẢ NĂNG HÒA TÁCH TRONG AXIT HCL VÀ SỰ THAY ĐỔI BỀ MẶT SAU HÒA TÁCH CỦA NHÔM HIĐROXIT TÂN RAI TRƯỚC VÀ SAU KHI NGHIỀN 41
3.2.1 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ đến hiệu suất quá trình hòa tách 42
3.2.2 Khảo sát sự thay đổi của bề mặt sau khi hoà tách 44
Trang 73.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HÒA TÁCH TRONG AXIT HCl CỦA MẪU NHÔM HIDROXIT TÂN RAI SAU
KHI NGHIỀN 47
3.3.1 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 47
3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian 48
3.4 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO PAC 49
3.4.1 Lựa chọn điều kiện tại giai đoạn 1 49
3.4.2 Lựa chọn điều kiện giai đoạn 2 51
KẾT LUẬN 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
PHỤ LỤC ……… ……… 57
Trang 8DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu tạo của Gibbsit 4
Hình 1.2 Mô hình cấu trúc của Gibbsit 5
Hình 1.3 Phân bố của nhóm OH trong Gibbsit và khoảng cách giữa chúng 5
Hình 1.4 Mô hình cấu trúc của Gibbsit 5
Hình 1.5 Cấu trúc của Bayerit 7
Hình 1.6 Cấu trúc lớp của Bayerit 7
Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể của Nordstrandit 8
Hình 1.8 Ô mạng cơ sở của Bemit 10
Hình 1.9 Cấu trúc của tinh thể Bemit 10
Hình 1.10 Cấu trúc dạng phân tử polyme của Bemit 10
Hình 1.11 a-Mạch AlO(OH), b-AlO(OH), 11
Hình 1.12 Mô hình tinh thể Bemit 11
Hình 1.13 Hình dáng tinh thể Diaspor 12
Hình 1.14 Cấu trúc của Diaspor 13
Hình 1.15 Cấu trúc của Diaspor 13
Hình 1.16 Máy nghiền bằng phương pháp va đập 25
Hình 1.17 Máy nghiền bi trụ ngắn 26
Hình 2.1 Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt vật liệu 28
Hình 2.2 Máy X- Ray 28
Hình 2.3 Máy chụp SEM 29
Hình 3.1 Kết quả X-ray của mẫu Al(OH)2-2 38
Hình 3.2 Kết quả X-ray của mẫu Al(OH)2-1 38
Hình 3.3 kết quả SEM của mẫu Al(OH)3-1 và Al(OH)3-2 39
Hình 3.4 Kết quả sự phân bố kích thước hạt của mẫu trước nghiền 40
Hình 3.5 Kết quả sự phân bố kích thước hạt của mẫu sau nghiền 40
Trang 9Hình 3.6 Hiệu suất hòa tách trong HCl 4M theo nhiệt độ 42
Hình 3.7 Hiệu suất hoà tách trong HCl ở 750C theo nồng độ 43
Hình 3.8 Kết quả SEM mẫu có hiệu suất 15% (3M – 750C) 44
Hình 3.9 Kết quả SEM mẫu có hiệu suất 32% (5M – 750C) 45
Hình 3.10 Kết quả SEM mẫu có hiệu suất 50% (5M – 850C) 45
Hình 3.11 Kết quả SEM của mẫu mẫu Al(OH)3-1 và Al(OH)3-2 sau hoà tách 46
Hình 3.12 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất 47
Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng 48
Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tách 50
Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hòa tách 50
Hình 3.16 Sản phẩm bã sau phản ứng 52
Hình 3.17 Hình ảnh một số PAC trên thị trường và sản phẩm của luận văn 52
Trang 10DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Một số dạng monome, polyme của muối nhôm và muối sắt 16
Bảng 1.2 Các sản phẩm keo tụ mới 18
Bảng 2.1 Các hóa chất và nguyên liệu đầu sử dụng trong luận văn 27
Bảng 2.2 Các dụng cụ sử dụng trong luận văn 27
Bảng 3.1 Kết quả khảo sát diện tích bề mặt bằng phương pháp BET 40
Bảng 3.2 Thành phần hóa học của mẫu trước và sau nghiền 41
Bảng 3.3 Tổng hợp kết quả hiệu suất hòa tách trong dung dịch axit HCl 43
Trang 11DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1 Sơ đồ phân huỷ nhiệt của Gibbsit 14
Sơ đồ 1.2 Sơ đồ phân huỷ nhiệt của tinh thể Bayerit 15
Sơ đồ 1.3 Sơ đồ phân huỷ nhiệt của gel Bemit 15
Sơ đồ 1.4 Quy trình điều chế PAC 20
Sơ đồ 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo PAC 37
Trang 121
MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề “môi trường” ngày càng nhận được sự quan tâm của người dân trong xã hội cũng như chính phủ và các nhà khoa học Trong đó, xử lí nước là một trong những những vấn đề ưu tiên hàng đầu Vấn đề xử lí nước hiện hữu khắp mọi nới từ thành thị tới nông thôn, từ miền xuôi đến miền ngược như làm sạch nước
ở bể bơi; xử lí nước sinh hoạt của gia đình hay đến những vấn đề to lớn hơn như xử
lí nước thải từ các nhà máy, khu công nghiệp trước khi đổ ra sông, biển Có nhiều biện pháp để xử lí nước, một trong những phương pháp hay được sử dụng là dùng chất keo tụ để làm sạch nước Phương pháp này thường được sử dụng nhiều do có nhiều ưu điểm như: phương pháp thực hiện đơn giản, quá trình làm sạch nước nhanh chóng, dễ dàng mua hóa chất, ko cần đầu tư thiết bị máy móc phức tạp… Trong đó, Polyaluminium clorua còn được viết tắt là PAC, là hóa chất keo được sử dụng nhiều trên thị trường Dòng hóa chất keo tụ mới này có nhiều ưu điểm hơn so với các loại hóa chất truyền thống như khoảng pH hoạt động rộng, ít làm giảm pH của nước, tốc độ keo tụ nhanh, ít ảnh hưởng đến môi trường…
Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại PAC, như PAC Trung Quốc, PAC - Ấn Độ hay PAC – Việt Nam Ở miền Bắc nước ta, chỉ có duy nhất một nhà máy Hóa chất Việt Trì – Phú Thọ sản xuất PAC Nhà máy sản xuất PAC đi
từ nhômhiđroxit, điều kiện phản ứng là 1550C và 5 atm Từ điều kiện phản ứng trên chứng tỏ phản ứng xảy ra khó khan, tốc độ phản ứng chậm Đo đó, cần nghiên cứu phương pháp “hoạt hóa nhôm hiđroxit” để cải thiện khả năng phản ứng, giúp giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm và tăng sức cạnh tranh sản phẩm so loại sản phẩm nhập ngoại Một trong số các cách là “hoạt hóa nhôm hiđroxit bằng phương pháp nghiền đập li tâm” Tuy nhiên, phương pháp này chưa được nghiên cứu nhiều
ở Việt Nam và cũng chưa được áp dụng trên đối tượng “Nhôm hiđroxit Tân Rai”
Do đó, tôi lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI
HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC”
Trang 132
Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu và khảo sát một số tính chất hóa lí và khả năng hòa tách trong axit HCl của mẫu nhôm hidroxit sau khi nghiền Dựa vào kết quả đó, đề xuất quy trình công nghệ chế tạo PAC
Những nội dung nghiên cứu:
Nghiên cứu và khảo sát một số tính chất hóa lí và khả năng hòa tách
trong axit HCl của mẫu nhôm hidroxit sau khi nghiền
o Nghiên cứu và so sánh một số tính chất hóa lí của mẫu trước và sau khi nghiền;
o Đánh giá hiệu quả hòa tách hòa tách nhôm hiđroxit sau nghiền trong dung dịch axit HCl;
o Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách trong axit HCl của mẫu sau nghiền;
Đề xuất ra quy trình công nghệ chế tạo PAC
Khảo sát một số yếu tố đến quy trình chế tạo PAC như nhiệt độ; thời gian, tốc độ khuấy…
Đề xuất quy trình công nghệ;
Đánh giá một số chỉ tiêu của sản phẩm như: hàm lượng Al2O3, khối lượng riêng, chỉ số “n”…
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng một số phương pháp hóa lí hiện đại như: SEM, BET, X-ray, Laser
Sử dụng một số phương pháp chuẩn độ thể tích để xác định hàm lượng Al3+
, Ca2+, Cl-…
Sử dụng phương pháp khối lượng để xác định hàm lượng bã rắn, khối lượng riêng sản phẩm…
Trang 143
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÔM HIDROXIT
Nhôm hiđrôxit là một sản phẩm công nghiệp, từ nhôm hiđrôxit có thể sản xuất ra kim loại ở dạng siêu tinh khiết, sản xuất gốm sứ cao cấp, các loại thuốc, các chất hấp phụ và xúc tác
Theo cấu trúc, nhôm hiđrôxit được phân ra thành hai loại: nhôm trihiđrôxit Al(OH)3 và nhôm mônô hiđrôxit AlO(OH)[19]
1.1.1 Nhôm tri hiđrôxit
Nhôm trihiđrôxit có ba dạng thù hình:
- Gibbsit
- Bayerit
- Nordstrandit
1.1.1.1 Nhôm hiđrôxit dạng Gibbsit
Gibbsit là một dạng nhôm hiđrôxit quan trọng nhất trong thành phần cơ bản của bôxit, đồng thời cũng là sản phẩm trung gian của quá trình sản xuất nhôm từ bôxit
a Điều chế
Có nhiều phương pháp điều chế Gibbsit khác nhau đi từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
- Sục CO2 vào dung dịch natri aluminat ở điều kiện nhiệt độ và pH thích hợp ( nguyên liệu ban đầu có thể là phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O và nhôm kim loại)
- Kiềm hoá muối nhôm nitrat Al(NO3)3
- Axit hoá dung dịch natri aluminat
b Thành phần hoá học
Gibbsit có công thức: Al2O3.3H2O = 2Al(OH)3
Khối lượng riêng : 2,3 - 2,43 g/cm3
c Cấu trúc của Gibbsit
Ô mạng cơ sở của Gibbsit gồm có 8 ion Al3+ và 24 ion OH-, tương ứng với 8 phân tử Al(OH)3[19]
Trang 154
Các hằng số mạng của Gibbsit ,
Å Å: a = 8,54 - 8,7 ; b = 5,06 - 6,09 ; c = 9,21 - 9,76 ;
= 85016„ - 85026„
Tinh thể Gibbsit có cấu trúc lớp, trong đó mỗi một lớp bao gồm 2 phiến từ các ion OH- nằm trên mặt phẳng song song (001), ở giữa chúng là các phiến của ion nhôm Do có sự bố trí trên cùng một mặt phẳng (001) nên hình thành mạng lưới lục giác, tạo thành bởi các nhóm OH- Ion nhôm nằm ở trung tâm hình lục giác (Hình 1.1a)
Hình 1.1 Cấu tạo của Gibbsit
Trong mạng tinh thể của Gibbsit các ion nhôm chỉ có trong 2/3 số thể tích lục giác Mỗi một sự lấp đầy hình lục giác trong không gian có một số sai lệch so với cấu trúc bát diện hoàn hảo [19] Các bát diện nối với nhau bằng các đỉnh chung vào một vòng gồm 6 mặt với thành phần [Al(OH) 6]3- Cấu trúc mạng tinh thể Gibbsit gồm 3 lớp từ tập hợp các vòng và các nhóm hiđrôxit Trong 3 lớp, ion OH -của lớp này nằm đối diện với lớp kia (Hình 1.1b) Giữa các lớp được nối với nhau bằng liên kết OH Trong mạng lưới tinh thể của Gibbsit xuất hiện các tinh thể bó chặt trong các vòng từ các bát diện [Al(OH) 6]3- (Hình 1.2 và 1.3) Vị trí của
