Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite từ tro trấu việt nam bằng phương pháp thủy nhiệt

Nhu cầu sử dụng chúng ngày càng tăng ở trên thế giới, trong khi đó nguồn wollastonite tự nhiên ngày càng khan hiếm, do đó chúng ta cần phải nghiên cứu sản xuất các sản phẩm wollastonite

DAI HOC DA NANG

TRAN NGOC CUONG

NGHIEN CUU TONG HOP KHOANG WOLLASTONITE

TU TRO TRAU VIET NAM BANG PHUONG PHAP

THUY NHIET

Chuyén nganh: CONG NGHE HOA HOC

Ma so: 60.52.75

TOM TAT LUAN VAN THAC Si KY THUAT

Da Nang - Nam 2011

DAI HOC DA NANG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Cẩm Nam

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Dũng

Phản biện 2: PGS.TS Võ Văn Tân

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng cham Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Năng vào ngày

29 tháng 7 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tam Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Năng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Năng

MO DAU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay wollastomte là một nguyên liệu được ứng dụng rộng

rãi, đặc biệt trong lĩnh vực gốm sứ, là nguồn cung cấp calcium oxide

(CaO) và silicon oxide (S1O;) cho men sứ hoặc frit, hay chất tạo

thành lớp trung gian giữa men và xương Gần đây, các nhà máy gốm

sứ có xu hướng thay thế nguồn đá vôi bằng wollastonite trong quá

trình sản xuất nhằm hạn chế dạng khuyết tật chân kim trên men

Wollastomte còn được ứng dụng làm cốt liệu cho vữa cường độ

cao, chất trợ dung dùng trong xi măng đóng răn nhanh, chất độn cho

các thành phần chống cháy, chất cách nhiệt, vật liệu chịu lửa, sơn

sIlicat

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 đó nguồn wollastonite tự nhiên ngày càng khan hiếm,

do đó chúng ta cần phải nghiên cứu sản xuất các sản phẩm

wollastonite tổng hợp đề thay thế nguồn tự nhiên Trên nhu cầu ứng

dụng thực tiễn chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp

khoáng wollastonite từ tro trấu Việt Nam bằng phương pháp thủy

nhiệt”

2 Mục đích nghiên cứu

Hướng nghiên cứu tổng hợp wollastonite được thực hiện thông

qua việc tổng hợp xonotlite-CasS1¿O¡;(OH); và các khoáng calcium

silicate hydrate, các khoáng hình thành trong hệ CaO—S1O›—H;O với

tỷ lệ mol CaO/S¡O; hợp lý ở điều kiện áp suất cao đã được chúng tôi

đặt ra với mục tiêu giảm nhiệt độ phản ứng, chi phí nhiên liệu và đặc

4

biệt tận dụng các nguồn nguyên liệu, phế liệu trong nước, góp phần

làm giảm ô nhiễm môi trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite (CaO.SiO; hay viết tắt

là CS) từ nguồn nguyên liệu có chứa SiO; và CaO

3.2 Phạm vi nghiên cứu Nguồn tro trâu nung chứa hàm lượng S¡iO; ở dạng vô định hình là nguyên liệu lý tưởng để cung cấp SiO; Trong phạm vi nghiên cứu của để tài này, chúng tôi tập trung vào việc tổng hợp khoáng wollastonite từ nguyên liệu tro trâu của An Giang đã được nung và các nguyên liệu chứa calcium oxide cụ thể là Ca(OH); hay CaO sử dụng phương pháp thủy nhiỆt

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu XRD, XRE, FT-IR, SEM của nguyên liệu và sản phẩm

Các phân tích được thực hiện tại Trung tâm Phân tích phân loại hàng hóa xuất nhập khẩu - Chi nhánh tại Đà Nẵng

5, Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Ở nước ta, nguồn cát và các nguồn nguyên liệu chứa SiO;, CaO rất nhiều nhưng chưa khai thác và ứng dụng có hiệu quả trong việc tống hợp các sản phẩm có giá trị như wollastonite Trong khi đó chúng ta phải nhập ngoại wollastomite (CS) với giá thành cao

Wollastomte (CaS1O;) đang được quan tâm, vì nó có các thuộc tính như: chịu được nhiệt cao, trơ hóa học, ổn định nhiệt, ít dấn nở và

độ dẫn nhiệt thấp, do đó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ sản xuât

V6 trau duoc tach tir hat Ita da tré thanh một trong những van dé

lớn của môi trường Nhưng khi vỏ trấu của hạt lúa khi cháy tạo thành

tro chứa hàm lượng SiO; rất cao và có thể là một nguyên liệu hiệu

quả kinh tế và thân thiện môi trường đối với các ngành công nghiệp

khác Vì vậy, chúng tôi chọn tro trâu là nguồn cung cấp SiO; cho

nguyên liệu tổng hợp wollastonite

Vẻ mặt khoa học và thực tiễn, việc nghiên cứu phản ứng CaO với

SiO; trong hơi nước áp suất cao sẽ hình thành nên các khoáng trong

hệ CaO-—S1O;—H;O Với tỉ lệ mol các oxide CaO/S1O; = 0.55 sé tạo

tobermorIte-CasS1zO;s(OH);.4HO Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến

sự tạo thành khoáng xonotlite Một khoáng khi nung mất nước cấu

trúc dễ hình thành khoáng wollastonite Đề tổng hợp xonotlite, chúng

tôi tiến hành các phản ứng thủy nhiệt trong khoảng nhiệt độ từ 170°C

đến 210C trong thời gian 12 giờ Sản phẩm của phản ứng trên được

nung ở nhiệt độ 900°C đến 1000°C để tạo ra khoáng wollastonite Đề

tài có ý nghĩa thực tiễn cao tại Việt Nam khi triển khai áp dụng thực

tế tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ noi c6 nguén tro trau déi dào

6 Cau tric của luận văn

Nội dung của luận văn được trình bày theo các phần sau:

Mở đầu

Chương 1: Téng quan tài liệu

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1 - TỎNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tro trau (RHA) Tro trau hién nay la nguén chira nguyén té silicon, 1a déi tuong

để nhiều nhà khoa học đã và đang nghiên cứu các ứng dụng của về tro trâu cho các lĩnh vực vật liệu cao cấp

Trên thế giới việc tận dụng tro trâu đã được nghiên cứu từ đầu những năm 1970 Tro trấu đã được sử dụng có hiệu quả trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp thép để sản xuất các loại thép tắm chất lượng cao, hay ngành công nghiệp sản xuất các vật liệu cách nhiệt Ngoài ra tro trâu còn được dùng để sản xuất ra các loại xi măng hỗn hợp, chế tạo bê tông xi măng Tro trấu được sản xuất nhiều ở Ân

Độ, Nhật Bản cho những lĩnh vực vật liệu cao cấp, đặc biệt hiện nay

đã bắt đầu được quan tâm sản xuất ở Việt Nam

1.1.1 Thành phân của trấu Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát Vỏ trấu có kích thước trung bình dài §-10mm, rộng 2- 3mm và dày 0.2mm Hầu hết các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% theo khối lượng Các hợp chất chính có cấu trúc xốp dạng cellulose và lignin Hàm lượng lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40% Trong đó, chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Sau khi đốt, tro trâu có chứa trên 80% là silicon oxide, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực

Do chưa có giải pháp xử lý hiệu quả nên vỏ trấu sau khi bị thải ra

đã gây hậu quả nghiệm trọng về ô nhiễm môi trường, nhất là nguồn nước và các nguôn lợi găn liên với nguôn nước

1.1.2 Ung dụng của vỏ trấu

a) Sử dụng làm chất đốt

Chất đốt từ vỏ trâu được 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

- Sử dụng nhiệt lượng của trâu sản xuất điện năng

- Sử dụng làm vật liệu xây dựng

- Một số ứng dụng khác

1.2 Calcium silicate

Các silicate hiện đang được quan tâm nhất va là những loại

khoáng phức tạp nhất cho đến nay Các đơn vị hóa học cơ bản của

silicate 1A hinh tir dién [SiO,]* Theo cấu trúc, các silicate chia ra

thành các lớp sau: tứ diện đơn (nesosilicates), tứ diện đôi

(sorosilicates), chuỗi đơn và đôi (ïnsosilicates), mảng (phyllosilicate),

vòng (cyclosilicates) và cấu trúc dạng khung (tectosilicate) Trong

các khoáng thuộc hệ CaO-SiO;—H;O thành phan hóa học gồm CaO,

SiO; và HạO và số lượng lớn của hợp chất thuộc hệ này được biết

trong ngành xi măng (Taylor, 1997) Ở đây, chúng tôi giới thiệu một

vài khoáng calcIum silicate hydrate, bao gồm truscottite, xonotlite, va

tobermorite ciing nhu wollastonite 1A déi tuong nghién ctu trong dé

tai nay

1.2.1 Truscoftte

TruscottIte-Ca¡zS1;xOs¿(OH);.2H;O được đặt tên theo nhà địa

chất học Anh, Samuel John Truscott (1870-1950) Truscottite được

hình thành trong môi trường trầm tích thủy nhiệt

Trong thành phan truscottite, SiO, chiém 60.98 %, CaO 28.45 %

và 4.57 % H;O

1.2.2 Xonotlite Xonotlite-CazS1¿O;;(OH); duoc dat tén theo dia danh Tetela de Xonotla, Mexico Xonotlite 14 mét khoang calcium silicate hydrate, khi nung dễ chuyển thành khoáng wollastonite Trong thành phan xonotlite có 50.42% S1O;, 47.06% CaO va 2.52 % HO

1.2.3 Tobermorite Tobermorite-Cas;Sig0;6(OH)2.4(H,O) duoc dat tén theo dia danh Tobermory trén dao Mull & Scotland Trong thanh phan tobermorite SiO, chiém 47.05 %, CaO 34.33 %, 12.82 % H;O và 3.63 % Al,O3 1.2.4 Wollastonite

Wollastonite 1a mot khodng hình thành trong tự nhiên được đặt tên theo nhà khoáng vật học và hóa học nổi tiếng người Anh là William Hyde Wollaston (1766-1828) Thanh phần của wollastonite chira cdc nguyén t6 calcium, silicon, oxygen có công thức hóa học là CaSiO:, (CS) với 48.3% CaO và 51.7% SiO¿ Trong thành phần của khoáng wollastomite còn có chứa một lượng nhỏ Fe, Mg, Mn, AI, K,

Na thay thé cho calcium trong cấu trúc khoáng Nhu cầu tiêu thụ wollastonite gần đây tăng mạnh, được sử dụng chủ yếu trong các sản phẩm công nghiệp khác, như vật liệu gốm sứ, vật liệu phủ bên ngoài, sản phẩm chịu ma sát, vật liệu chịu lửa, vật liệu xây dựng, vật liệu

wollastonite có những đặc tính tốt như: độ co ngót thấp, lượng mắt khi nung thấp, độ bền cao, thành phần dễ bay hơi ít, thấm thấu thấp,

độ trắng, hệ số dãn nở nhiệt thấp ` 1.2.4.1 Hệ thống tỉnh thể wollastonite Wollastonite tồn tại trong một thay đổi 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 được khoa học biết đến

như: wollastonite IT, nĩ là một trong tỉnh thể wollastonite trong hệ

tam tà (T), cũng cĩ thể được gọi là wollastonite IA hoặc B-CaSiOa

Hình thức thứ hai trong tự nhiên là wollastomte 2M, xuất hiện hiểm

hơn wollastonie IT Từ đồng nghĩa của wollastonite 2M là

parawollastonite hoặc cũng cĩ thể là B-CaSiOs Tên B-CaSiO: được

sử dụng cho cả wollastonite IT và wollastonite 2M vì cả hai đều thay

đổi ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, wollastonite 2M thường khơng xuất

hiện cùng với wollastomte IF Thay đổi ở nhiệt độ cao gọi là

wollastonite giả ổn định (pseuowollastonite hay wollastonite 4A)

hoặc ơ-CaSiO; và chỉ ốn định với nhiệt độ 1125°C Wollastinite giả

ốn định cũng là tinh thể đơn tà Cả wollastonite 1T va wollastonite

2M thuộc loại chuỗi silicate don (inosilicate), dang silicate

pseuowollastonite cĩ cầu trúc hình vành khăn

1.2.4.2 Tổng hợp các wollastonite

Wollastonite cĩ thể được hình thành trong tự nhiên với nhiều

cách khác nhau, tuy nhiên nĩi chung thì cĩ hai phương pháp hình

thành Cả hai liên quan đến sự biến đổi chất của đá vơi (CaO) dưới

yếu tố nhiệt độ và áp suất Con đường thứ nhất xảy ra khi silica

(SiO¿) và đá vơi (CaO) phản ứng với nhau ở nhiệt độ cao để tạo

thành wollastomte Con đường thứ hai, wollastonite hình thành từ

silica và đá vơi băng phương pháp thủy nhiệt

Silica + limestone S wollastonite + carbon dioxide

SiO, + CaCO; S CaSiO; + CO,

Theo cách truyền thống, wollastonite được điều chế bằng phan

ứng kết tủa hoặc phản ứng pha rắn

¡) Phương pháp kết tủa

Ca(NO;);.4H;O và Si(OC;H:;)¿ để kết tủa tạo thành CaSiO¿

ii) Phương pháp phản ứng pha rắn

Cĩ nhiều phương pháp để tổng hợp wollastonite như sử dụng: diatomite, SiO, tir tro bay, va nung voi da hoa cuong, calcium oxide bang phan tmg pha ran & nhiét d6 1000+1200°C, trén co sé

lý thuyết là giản đồ pha hệ CaO—SiO; Dựa vào giản đồ ta thấy với tỷ

lệ CaO/S1O; khác nhau thì sẽ tạo thành các khống khác nhau ở các nhiệt độ nung khác nhau Khống wollastonite CaO.SiO; là hợp chất nĩng chảy ở nhiệt độ 1544°C, điều chế bằng cách nấu chảy hỗn hợp CaO và SiO; với tý lệ mol CaO/SiO; = 1 Để giảm nhiệt độ nung nguoi ta cĩ thể cho vào các chất khống hĩa BạO; và K;CÕ:

+

2572

10

2070

80 90 100

Cao

Hình 1.7 Biéu đồ pha hệ CaO-SiO;

Bên cạnh những phương pháp nĩi trên, phương pháp hĩa học gần đây được sử dụng để tổng hợp wollastonite là phương pháp thủy nhiệt Trong phịng thí nghiệm, chúng tơi chọn tổng hợp các calcium silicate bằng phương pháp thủy nhiệt Bởi vì phương pháp thủy nhiệt

cĩ thể giảm nhiệt độ phản ứng, tạo ra sản phẩm với độ tinh khiết cao hơn Điều quan trọng nhất là chúng ta cĩ nguồn nguyên liệu dồi dào

cĩ nguồn gốc từ vỏ trấầu nhưng chưa được khai thác Trong khi đĩ tài nguyên những khống wollastonite ngày càng khan hiếm, vì vậy chúng ta cần phải phát triển các phương pháp tổng hợp nĩ

11 1.3 Phương pháp thủy nhiệt

Thuật ngữ “thủy nhiệt” đã được sử dụng vào đầu năm 1849 bởi

một nhà địa chất người Anh, Sir Roderick Murchison (1792-1871),

sau đó được dùng phổ biến trong tài liệu địa chất

Việc thúc đây nhanh phản ứng giữa các pha rắn được thực hiện

bang phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp

suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thường Phương pháp

thủy nhiệt cũng được sử dụng để nuôi tinh thể Thiết bị sử dụng trong

phương pháp này thường là nồi hấp (autoclave) Vì rằng các quá trình

thủy nhiệt được thực hiện trong bình kín nên thông tin quan trọng

nhất là giản đồ sự phụ thuộc áp suất hơi nước trong điều kiện đẳng

tích

1.4 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về tổng hợp

wollastonite

1.4.1 Những nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu tổng hợp

wollastonite bằng cách sử dụng các nguồn nguyên liệu chứa silicon

và calcium oxide khác nhau

1.4.2 Tình hình nghiên cứu tổng hợp wollastomite tại Việt Nam

Theo hiểu biết của chúng tôi, hiện nay ở nước ta chưa có công

trình nghiên cứu nào về tổng hợp khoáng wollastonite được công bố

12

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite CaO.SiO› từ nguồn nguyên liệu chứa S1O; (tro trau nung) và Ca(OH)›

2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất 2.1.1.1 Tro trấu (RHA) RHA được cung cấp bởi Công ty TNHH Điện hơi Công nghiệp Tín Thành, là nguồn phế liệu của các phân xưởng lò hơi tại các tỉnh

An Giang, sau khi dugc xu ly để loại bỏ tạp chất đem nung lại ở nhiệt

dd 800°C trong 3 giờ

2.1.1.2 Ca(OH)»

Ca(OH), từ Trung Quốc, do nhà máy hóa chất Guangdong Guanghua sản xuất, có hàm lượng CaO 98.93% khối lượng

2.1.2 Dụng cụ nghiên cứu Thiết bị phản ứng (thiết bị autoclave), tủ sấy, lò nung, máy nghiền, cân kỹ thuật, cốc sứ, bát, đũa thủy tính

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Trên cơ sở các giản đồ pha, bằng lý thuyết chúng ta có thể cơ bản định hướng cho việc xác định các thông sô công nghệ ban đâu

210°C

qc)

? GYR XON FOS + HIL * HIL + JAF JAF

<170°C

+

HIL + POR

+O a

g <

| c m Zz

FOS

<130°C + F—JEN + AFW

TOB}

AFW + POR

JEN

2.0 3.0 (Ca:Si) —>

Hillebrandite C:SH:s Ca(OH);

a Cz Jaffeite

Xonotlte= Foshagite Jennite_,

Hình 2.2 Quan hệ pha của các khoáng trong hé C-S-H

Trên cơ sở quan hệ pha của các khoáng trong hệ C—S-H theo

nhiệt độ và áp suất, chúng ta có thể nhận thấy ở những khoảng nhiệt

độ khác nhau và tỷ lệ mol CaO/S1O; khác nhau thì sẽ hình thành

những khoáng khác nhau Trên cơ sở đó chúng tôi tiến hành khảo sát

sự hình thành xonotlite trong khoảng nhiệt độ 170-210, với tỷ lệ

mol CaO/S1O; = 1

Calcium silicate là kết quả của phản ứng thủy nhiệt giữa SiO; và

Ca(OH); ở dạng bùn đặc Kết quả của những phản ứng này hình

thành tinh thể tobermorite ở nhiệt độ khoảng 180°C Cơ chế của phản

ứng này liên quan đến sự hình thành của gel calcium silicate trên bề

mặt của các hạt SiO›, sự phát tán các gel trong bùn hấp thụ các tỉnh

thể Ca(OH); trên bề mặt của các hạt SiO› Quá trình phát tán được

tiếp tục lặp đi lặp lại ở trong bùn, cho đến khi phản ứng giữa SiO; và

Ca(OH); được hoàn thành Khi được nung nóng lên khoảng 200°C thì

tỉnh thể tobermorite chuyển thành xonotlite

Trên cơ sở tạo ra xonotlie tiến hành khảo sát sự hình thành

wollastomite theo nhiệt độ nung

2.2.2 Các phương pháp phân tích thực nghiệm

2.2.2.1 Phân tích phổ huỳnh quang tia X (XRF)

Phân tích phổ huỳnh quang tia X (XRF) bang thiét bi XRF-1800

của hãng Shimadzu-Nhật Bản dùng để xác định thành phần hóa

nguyên liệu, sản phẩm

2.2.2.2 Phân tích nhiêu xạ tia X (XRD)

Sử dụng thiết bị X” Pert Pro của hãng Panalytical, Hà Lan để phân

tích thành phần pha cho nguyên liệu và sản phẩm

2.2.2.3 Phân tích hông ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

Để đánh giá các đặc trưng hóa lý của sản phẩm và nguyên liệu

bằng máy FT-IR Nicolet 6700 của hãng Thermo, USA

2.2.2.4 Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) Phân tích hình thái học các khoáng bằng kính hiển vi điện tử quét

(SEM) bằng máy Zeiss, Đức

Các phân tích được thực hiện tại Trung tâm Phân tích phân loại hàng hóa xuất nhập khẩu - Chi nhánh tại Đà Nẵng

2.3 Các bước tiến hành

2.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu Đầu tiên, chúng tôi nung tro trau ở nhiệt độ 800°C trong 3 gid sau

đó đem nghiền trong 2 giờ băng máy nghiên bi Nguyên liệu ban đầu

để tổng hợp xonotlite là Ca(OH); và RHA Dựa vào công thức xonotlite-CasS1¿O¡;(OH)s, chúng tôi tính các bài phối liệu với khối lượng RHA: 45.79 g và Ca(OH);: 54.21 g

2.3.2 Cách tiễn hành

Tổng hợp xonotlite bằng phương pháp thủy nhiệt trong thiết bi autoclave trong 12 giờ tại 5 nhiệt độ phản ứng thay đổi từ 170 đến 210% với mức biến thiên 10C Nguyên liệu sau khi nghiền được trộn đều cho vào thiết bị autoclave và sau đó thêm nước khuấy đều để được hỗn hợp ở dạng bùn Các loại bột tổng hợp được say khô sau đó được phân tích các đặc tính bởi XRD, SEM, FT-TR

Cuối cùng nung các mẫu vừa tổng hợp được ở nhiệt độ 950C trong 3 giờ để tổng hợp wollastonite Chúng tôi lẫy mẫu bột nung lại

và phân tich XRD, XRF, SEM va FT-IR tương ứng

Mẫu wollastonite tổng hợp được đem đánh giá thực tế tại Nha máy gạch men Hucera thuộc công ty cổ phần khoáng sản — gach men Thừa Thiên nhằm xác định sơ bộ khả năng triển khai trong sản xuất cũng như những hạn chê can tiép tục nghiên cứu đê khăc phục

15

Chuong 3 — KET QUA NGHIEN CUU VA THAO LUAN

3.1 Tro trau (RHA)

3.1.1 Phan tich XRF

Kết quả phân tích XRE cho thấy, tro trâu trước khi nung lại chứa

76.24% SiO; và hàm lượng mất khi nung (MKN) là 17.75% điêu này

có nghĩa tro trâu được tận dụng từ lò đốt công nghiệp vẫn còn lượng

tạp chất hữu cơ và carbon Do đó sau khi nung 3 gio tai nhiét do

800°C ham luong MKN cua mau chi cdn dudi 0.5%, do d6 ham

luong SiO, tang lén đến 94.23% khôi lượng, đây sẽ là nguôn nguyên

liệu tốt đề cung cấp SiO; cho quá trình tông hợp wollastonite

3.1.2 Phân tích phổ hông ngoại FT-IRÑ

Hình 3.1 thể hiện phố FT-IR của tro trâu sau khi nung 800C lưu

3 øiờ, RHA chứa SiO; chủ yếu là dạng vô định hình và một phân là

pha cristobalite phù hợp với phố của SiO; trong thư viện máy với độ

tương thích 83.8% Các peak đặc trưng tại tân số 1097.4 cm” và

792.4 cm tương ứng với dao động hóa trị của nhóm siloxan Si-O-Si

Trong khi đó peak 623.2 cm” và 480.8 cm được gán cho các dao

động kéo dãn đặc trưng của liên kết S¡i-O

800 —lptagram _trính_RHA Wicristobaiite la 100.0 %

a

=

ð

a2 =

c Wy = ,W w

° "se = oO zz “ = “4 a]

= — ~~ =z 7 Zz x 2

es — ° ec oO = oO c Oo

Pan - Wi = xa in a

pr #€ some age Ss A ~ ưn “~ wn

@ vb om ~ a5: “TH ~

+2 2 5 S55 F 2SE S F

= — —— t¬ AE eee ww Ss — ss

<N = = i — = _ «+ œ3 li Tr

-~ t3 ø + & = : œ = " on

: oe Se S a an cu 2 œ

wz 2 ae ie ones! 3! on” “2 = ae

Ñ vô © a = t? 2r ene ° $ > 5s $8 ¢ 6 © is

W b ( + L2 ow v 2 avenumbers (cm ne erie : À IV vt fr ta Ah, A « A J1 da phar stp ahthmectile

9 Position (*2Theta] (Copper (Cu))

#

A + A +

3.1.3 Phan tich XRD

Kết qua phân tích XRD của tro trâu nung ở 800C lưu 3 giờ trên

Hình 3.2 cho thây các peak đặc trưng cho silicon oxide có cường độ

16

rat thap, da phan SiO, ở dạng vô định hình Mặc khác trên giản đô có

xuất hiện các peak đặc trưng của SiO; với cường độ tương đôi cao

dạng cristobalite, tại góc 29 là 21.85”, 28.5”, 31.3”, 36.1” Bên cạnh

đó peak tại góc nhiều xạ 26.62” tương ứng với khoáng quartz

3.1.4 Phan tich hinh thai hoc SEM Két qua chup SEM cho thay tro trau sau khi nung 6 nhiệt độ

S00°C lưu 3 giờ có câu trúc SiO› ở dạng vô định hình

3.1.5 Nhận xét

Khi xử lý nhiệt tro trâu của lò đốt ở nhiệt độ 800°C hay thấp hon

sẽ thu được nguôn chứa S1O; ở dạng vô định hình, tạo thuận lợi cho phản ứng với CaQ) trong các phản ứng thủy nhiệt

Do đó để có thé nhận được nguôn cung cấp SiO; có hàm lượng cao trên 94% cân phải xử lý nung lại tro trâu thu trực tiếp tại các lò đốt Nhiệt độ nung lân 2 cân duy trì thấp hơn 800°C dé duy trì dạng

vô định hình của SiO; đồng thời giảm tiêu tôn năng lượng khi nung

3.2 Tổng hợp wollastonite 3.2.1 Phản ứng tại 170ˆC trong 12 giờ Phố FT-IR của mẫu R1 ở Hình 3.4 (a) cho các peak 3641.1,

3450.1, 1636.2, 1462.8, 978.2, 473.7 cm’ tuong tng voi cdc dao

động của liên kết trong các khodng calcium silicate hydrate Sau khi phan ứng thủy nhiệt đã có sự hình thanh cac khoang tobermorite- CasS160 16(OH)2 va dicalcium silicate hydrate-Ca,S104.H,O

zl ‘ | 13: = | ị

1“ § ah

+ | i :

=

st N

ie | Ì' „@ Pip i

Š / | nị J8 0í ps |

© ®

5 S § |

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 50 | - 3500 3000 2500 2000

Hinh 3.4 Pho FT-IR ctia

y

mẫu RI (a) trước nung, (b) sau nung

Sản phẩm trung gian được nung ở 950C lưu 3 giờ, phố FT-IR

được thể hiện trong Hình 3.4 (b), có peak 3421.6 cm` và 3641.1 cm”

là dao động của liên kết O-H trong nhóm OH của Ca(OH); còn dư

hoặc của OH trong nước Các peak 645.2, 682.6, 897.1 cm” là

wollastonIte tạo thành

Để khắng định lại sản phẩm tạo thành sau khi phản ứng thủy

nhiệt và sau nung chúng tôi tiên hành phân tích XRD mẫu RI

ollastonite 1A, manganoan 100.0 %

409 4 Etogram_trinh_R1

(a) |

300 “EF

——

x 4 M œ =

200 2 = x $ uw ¬ no mu = 200 —

wa = 3

~ co

=

pi

—

wo

\ ti ; 1 l9 Se CA ee ee To n a ahs ÂU bt de Lathe

wt

~

100 2 — ® Ha 100 we he = ca oe ¢ ba

wna wie »xÕ =

0 ` = @ 6 as Oe Gia at + rs ï

| ~ t ae i} oO N mm at

TH T

syd ° NA Nes a dil : ¿ wl ma." —“" xa dwt ch | ¡ lÍ )

T— _————— an ¬ 30 a 4 | nn Sa = | 0 ee Oe 60 | ee ee hea oes caks Sak A ad |nenm sees ees ị

TƯ

70

r Am

10 20 5 50

Hình 3.5 Phố XRD của mẫu R1 (a) trudc nung, (b) sau nung

Kết quả phân tích XRD của mẫu RI, Hình 3.5 (a) cho thây có sự

hình thành cua khoang dicalcium silicate hydrate (C,SH), duoc đặc

trưng bởi peak có góc nhiễu xạ 29 = 18.1”, 44.6” Một lượng

tobermorite cũng được phát hiện đặc trưng bởi peak 29.4”, 49.6”

Khoáng ]Jaffeite cũng được phát hiện đặc trưng bởi peak có góc 28 =

47.2” Một lượng nhỏ quartz dư tương ứng voi peak có góc nhiều 29

= 21.8” Ca(OH); còn lại chưa phản ứng cũng được thể hiện trên

Hình 3.5 (a) tương ứng với peak có góc nhiễu xạ 20 = 34.1", 50.8”

Sản phẩm trung gian được đem nung ở nhiệt độ 950°C luu 3 giờ,

kết quả phân tích XRD được ở Hình 3.5 (b), cho thấy các peak đặc

trưng của wollastonite được hình thành nhưng với cường độ thấp Do

lượng tobermorite hình thành sau phản ứng thủy nhiệt đã bị mất nước

sau nung đề hình thành wollastonite theo phản ứng:

Cas(S1¿O¡s)(OH)› — 5CaS1O+s + S1O; + HO

3.2.2 Phan tng tai 180°C trong 12 gio

Kết quả phân tích hông ngoại FT-IR mẫu R2 vẫn tương tự mẫu

R1 Cac peak 3465.5, 1646.4, 1441.1, 970.6, 667.3, 452.3 cm’ tương

ứng với các dao động của liên kết trong các khodang calcium silicate hydrate

Sản phẩm trung øsian, được nung ở nhiệt độ 950C lưu 3 giờ, kết quả phân tích hông ngoài cũng tương tự như trường hợp ở 170C Chúng tôi tiếp tục phân tích XRD, kết quả thu được cho thây có peak đặc trưng của dicalcium silicate hydrate là peak 44.6” Ngoài ra còn có một lượng tobermorite hình thành nhiêu hơn đặc trưng bởi peak 29.4”, và một lượng nhỏ quartz còn dư gán cho peak ở 49.6” Sản phẩm trung gian được nung ở nhiệt độ 950C lưu 3 giờ, kết quả phân tích XRD cho thay cdc peak đặc trưng của wollastonite được hình thành nhưng với cường độ thấp Và cũng tương tự như trên, lượng tobermorite hình thành sau phản ứng thủy nhiệt đã bị mắt nước sau nung để hình thành wollastonite

3.2.3 Phan ứng tại 190°C trong 12 giò Chúng tôi tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên thêm 10C tương

ứng với mẫu R3, kết quả phân tích FT-IR được thể hiện dưới đây

J ( | 2À VY 1.0- ~ `

0.95 = Š ‹ ì s8

| afte 4 2.0- Tụ \

| ‘ - ˆ 291? |\ Peed gy Ut

= 4 | oO BN | 5 4.2- ị 3 /

‹ 0.4- ‘ / 6 /\ | | | 10- A “ / i 8] | }

a j | 0.8- % / q | i

| Ị eo “i _— \ MỊ | Ì

1 | am ‘ ^ ae N fh Ụ [

Ỉ 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Wa venumbers ( bers (cm-1) ˆ Hình 3.§ Phố FT-IR của mẫu R3 (a) trước nung, (b) sau nung

Kết quả ở Hình 3.8 (a) cho các peak 3436.7, 1635.9, 1465.6,

972.9, 668.5, 417.2 cm Ở đây peak 3436.7 cm được gán cho các dao động kéo dãn của liên kết O-H trong các sản phẩm trung gian

19 San phẩm trung gian được nung ở 950C lưu 3 gid, pho FT-IR 6

Hình 3.8 (b), có peak 3455.4 cm” được gán cho các dao động kéo

dãn của liên kết O-H trong sản phẩm tạo thành sau nung Các peak

902.1, 684.5, 646.5, 568.9, 465 em là wollastonite tạo thành

400 -| Program Trinh_HR3

vc

2s

300 5

§ =

" 2

50

Hinh 3.9 Phố 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

y oN 2 w *

tự kết quả phân tích của mẫu R2, Hình 3.7 (a) Chúng tôi cũng nhận

thấy ở nhiệt độ 190C, sản phẩm sau phản ứng thủy nhiệt vẫn là

dicalcium silicate hydrate, tobermorite Sản phẩm trung gian được

đem nung ở nhiệt độ 950°C lưu 3 giờ, kết quả phân tích XRD được

thể hiện qua Hình 3.9 (b), cho thấy các peak đặc trưng của

wollastonite được hình thành nhưng với cường độ thấp

3.2.4 Phản ứng tại 200°C trong 12 giờ

Chúng tôi tiếp tục nâng nhiệt độ phản ứng lên 10°C tương ứng

mẫu R„ thực hiện phản ứng thủy nhiệt ở nhiệt độ 200C trong 12 giò,

kết quả phân tích FT-IR được ghi trên Hình 3.10

1.0

Hình 3.10 Phố FT-IR của mẫu R4 (a) trước nung, (b) sau nung

20

So sánh phố FT-IR ở Hình 3.10 (a) với Hình 3.4, 3.6 và 3.8, chúng ta nhận thấy răng xuất hiện peak tại 1205.5, 672, 610 cm” và

537 cm Đề giải thích điều này theo Tomita thì khi nhiệt độ phản

ứng cao sẽ hình thành thêm khoáng xonotlite - CasS1¿O¡;(OH)s

Sản phẩm trung gian được nung ở 950C lưu 3 giờ, phố FT-IR ở Hình 3.10 (b), có peak 3448.4 em” được gán cho các dao động 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’ 14 wollastonite tao thanh

Đề có cơ sở khẳng định sự hình thành khoáng wollastonite chúng

tôi đem mẫu mẫu R4 đề phân tích XRD, kết quả cho trên Hình 3.1 l

R4

4

Pu R4

100

Hình 3.11 Phố XRD của mẫu R4 (a) trước nung, (b) sau nung

Dựa vào kết quả trên Hình 3.11 (a), chúng tôi nhận thay rang ở

nhiệt độ 200C, sản phẩm tạo thành sau phản ứng thủy nhiệt chủ yêu

là xonotlite đặc trưng bởi các peak 12.5°C, 20.8”C, 24.4%, 27.5”

Hình 3.11 (b), các peak đặc trưng của wollastonite hình thành với cường độ cao Phản ứng tạo thành wollastomite từ xonotlite như sau:

CasS1¿O¡;(OH); —›> 6CaS1O› + HạO

3.2.5 Phản ứng tại 210°C trong 12 giờ

Từ các kết quả phân tích FT-IR và XRD ở trường hợp phản ứng

thủy nhiệt tại 200°C trong 12 giờ, chúng tôi tăng nhiệt độ lên 10C tương ứng với mẫu R5 Kết quả phân tích hông ngoại mẫu R5 tương

tự mẫu R4 phản ứng ở nhiệt độ 200°C trong 12 giờ.