Nghiên cứu biến đổi bề mặt khoáng talc bằng các hợp chất silan

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Khoáng talc 1.1.1. Nguồn gốc hình thành Talc là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc và biến chất khu vực và nguồn gốc biến đổi nhiệt dịch các đá phun trào mafic và siêu mafic chứa magie. Khoáng vật này thường có mặt trong đá biến chất như một khoáng vật thứ sinh [1,2]. Các phản ứng hình thành talc được công bố trong tài liệu của Deer et al. [3]. Talc có thể được hình thành do biến đổi các khoáng vật giàu magie như serpentin, pyroxen, amphibol, olivin, với sự có mặt của carbonic và nước: Serpentin + Carbon-dioxit → Talc + Magnesit + Nước 2 Mg3Si2O5(OH)4 + 3 CO2 → Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O Talc cũng có thể được hình thành thông qua phản ứng giữa dolomit và oxit silic - đây là một quá trình skarn hóa điển hình: Dolomit + Thạch anh + Nước → Talc + Calcit + Carbon-dioxit 3 CaMg(CO3)2 + 4 SiO2 + H2O → Mg3Si4O10(OH)2 + 3 CaCO3 +3 CO2 Hoặc talc cũng có thể được hình thành do chlorit phản ứng với thạch anh trong các đá phiến lục, đá biến chất tướng eclogit: Chlorit + Thạch anh + Oxy → Talc + Kyanit + Hematit + Nước 200 (Mg3.97,Al2.5,Fe0.5)(Si2.9)O10(OH)8 + 711 SiO2 + 14 O2 → 274 Mg2.9Al0.19Si3.9O10(OH)2 + 223 Al2SiO5 + 50 Fe2O3 + 526 H2O Ở phản ứng sau cùng này, tỉ lệ talc và kyanit cũng phụ thuộc vào hàm lượng nhôm trong các đá đá phản ứng giàu nhôm. Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp thường có thể tạo ra phengit, granat, Khóa luận tốt nghiệp 3 Bùi Thị Trang Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu glaucophan trong tướng phiến lục. Đá talc hình thành trong điều kiện này đa số có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi. Chúng thường được gọi là đá phiến trắng. Có 4 loại hình mỏ talc trong đó: 2 loại mỏ chính chiếm 90% tổng trữ lượng talc toàn thế giới là: +) Mỏ nhiệt dịch trong đá siêu mafic hay đá serpentin. Là loại mỏ do biến đổi nhiệt dịch các đá mẹ mafic và siêu mafic giàu magie - dung dịch nhiệt dịch phản ứng với các khoáng vật mafic như olivin, pyroxen, amphibol tạo thành serpentin, sau đó tạo thành talc. Vì vậy đá loại này thường chứa talc, magnesit, chlorit, các khoáng vật khác, và không có hoặc rất ít thạch anh. +) Mỏ liên quan đến các phân vị địa tầng giàu dolomit (phổ biến hơn các mỏ đá chứa siêu mafic). Các mỏ talc với đá mẹ là dolomit thường cho loại talc tinh khiết nhất. Thành phần của các loại đá này thường chứa khoảng 30 100% talc, 0 - 70% chlorit/cacbonat, và 0,1 - 0,5% thạch anh. Còn 2 loại mỏ không phổ biến là mỏ liên quan đến đá alumo-silicat và các mỏ trầm tích magie [1,2]. Các mỏ talc lớn trên thế giới nằm ở Texas, Georgia và New York của Hoa Kỳ; The Piedmont, Lombardy và Sardinia của Italia; và vùng Luzenac của Pháp. Hình 1.1: Sự phân bố các mỏ talc trên thế giới Khóa luận tốt nghiệp 4 Bùi Thị Trang Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu 1.1.2. Thành phần và cấu trúc của khoáng talc 1.1.2.1. Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật * Thành phần hóa học Bột talc là một loại khoáng chất có sẵn trong tự nhiên. Bột talc có tên gọi hóa học là hydrous magnesium silicate và có công thức hóa học là Mg3Si4O16(OH)2 với tỷ lệ MgO: 31,9% , SiO2: 63,4% và H2O: 4,7%. Trong tự nhiên quặng talc thường chứa các tạp chất như FeO, Al2O3, Na2O, K2O, CaO...hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm. Trong những tạp chất trên người ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit kim loại nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, nhất là FeO. Nếu sử dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm, sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành phần FeO nhỏ. Màu của talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám. Nếu FeO lớn thì bột talc có màu trắng ngà hoặc phớt hồng. * Thành phần khoáng vật Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch đá giàu magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngoài tan Mg3[Si4O16(OH)2 ] thì còn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO3)2; manhezit MgCO3; serpentin 4MgO.2SiO2.2H2O; actinolit Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2; manhetit Fe3O4; hêmantit Fe2O3… Trong thực tế cùng họ khoáng silicat magie ba lớp có khoáng pyrophillit Al2O3.2SiO2.H2O mà trực quan và một số tính chất vật lý ứng dụng rất giống talc. 1.1.2.2. Cấu trúc của khoáng talc Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và có cấu trúc lớp. Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O2Khóa luận tốt nghiệp 5 Bùi Thị Trang Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu /hyđroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2. Talc có cấu trúc tinh thể hệ mặt nghiêng, dạng đối xứng 2/m (L2PC). Mỗi ô mạng cấu trúc chứa 4 phân tử. Nhóm không gian C2/C; a0 = 5,26; b0 = 9,10; C0 = 18,81;  = 100°; a : b : c = 0,578 : 1 : 2,067. Cấu trúc của talc được tạo nên từ tập ba lớp với mối liên kết phân tử giữa các tập [4, 5, 6]. Lớp bát giác (hình 8 mặt) Mg(OH)2O4 phân bố giữa hai lớp tứ diện [Si4O10]. Talc có cấu trúc tương tự pyrophyllit, vị trí trong khoang bát diện do magie chiếm, thay chỗ của nhôm và không có chỗ trống (ba bát diện thay cho hai bát diện). Cũng như trong pyrophyllit, các lớp đều trung hòa điện tích, xen giữa chúng không có cation trao đổi và chúng liên kết với nhau bằng lực rất yếu. Điều này dẫn đến độ cứng thấp và khuyết tật trong trình tự các lớp của talc. Khi các lớp TOT chồng lên nhau thì các vòng sáu tứ diện của chúng không đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh  của ô cơ sở. Mặt khác, vòng sáu cạnh tứ diện không đối xứng sáu phương, mà ba phương kép do các tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng. Vậy, talc có cấu trúc như những loại cấu trúc như 1Tc (một lớp ba nghiêng), 2M (hai lớp một nghiêng) và 2O (hai lớp trực thoi) được thể hiện trên hình 1.2 [1,7] Hình 1.2: Cấu trúc khoáng vật talc Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.3: Talc dưới kính hiển vi điện tử quét 6 Bùi Thị Trang Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 Viện Khoa học Vật liệu Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá, vẩy hay khối sít đặc (hình 1.3). Do lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ. Khi nghiên cứu talc bằng phương pháp phổ nhiễu xạ XRD, tinh thể talc cho các vạch Rơnghen chính dhkl: 9,25; 3,104; 1,525. Về tính chất quang học tinh thể talc có giá trị chiết suất Ng = 1,5751,590; Np = 1,538-1,545; Ng-Np=0,030-0,050, góc 2θ = 0-30°. 1.1.3. Phân loại Talc được phân loại theo thành phần khoáng vật, hình thái và yếu tố địa lý (Ciullo, 1996). Talc dạng tấm: loại talc này có cấu trúc dạng tấm rõ ràng, rất mềm mịn, thường chứa tới >90% khoáng vật talc . Talc steatit: là loại talc có độ tinh khiết cao, đặc sít, hạt rất mịn (có thể do nghiền). Loại talc này có tính chất cách điện cao và được sử dụng trong sản xuất sứ cách điện. Đá xà phòng: là loại talc ít tinh khiết hơn talc steatit, có thể được chạm khắc, xẻ, khoan hoặc chế biến. Talc tremolit: là loại talc hạt mịn nhưng rất cứng, thường chứa