Nghiên cứu tổng hợp chất màu kẽm ferit từ bùn đỏ

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Bảng 1.1 Màu của các chất có một dải hấp thụ ở phần phổ trông thấy khi được chiếu bằng ánh sáng trắng. Bước sóng của vạch hấp thụ (nm) Năng lượng Màu của ánh (kJ/mol) 299 400 – 435 sáng bị hấp thụ Màu của chất Tia tử ngoại Không màu 299 – 274 Tím Lục – Vàng 435 – 480 274 – 249 Lam Vàng 480 – 490 249 – 244 Lam – Lục nhạt Cam 490 – 500 244 – 238 Lục – Lam nhạt Đỏ 500 – 560 238 – 214 Lục Đỏ tía 560 – 580 214 – 206 Lục - Vàng Tím 580 – 595 206 – 200 Vàng Lam 595 – 605 200 – 198 Cam Lam – Lục nhạt 605 – 750 198 – 149 Đỏ Lục – Lam nhạt >750 φ: thì xảy ra quá trình oxi hóa và kim loại bị ăn mòn. Như vậy, theo điều kiện nhiệt động, kim loại bị ăn mòn khi thế của kim loại đó nhỏ hơn so với thế của chất đóng vai trò oxi hóa, lúc này, kim loại bị ăn mòn tham gia phản ứng anot và tác nhân oxi hóa tham gia phản ứng catot. Khi ăn mòn kim loại có hydro tham gia thì sự ăn mòn đó được gọi là sự khử phân cực hidro, còn khi có oxy là sự khử phân cực oxi. 1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp sơn phủ Để hạn chế sự phá hủy kim loại, nghĩa là giảm tốc độ ăn mòn kim loại do môi trường gây ra đến mức nhỏ nhất có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau. Ngăn cách kim loại tiếp xúc với môi trường bằng các lớp phủ là một biện pháp có hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn kim loại. Một số lớp phủ thường được sử dụng như: - Phủ kim loại lên bề mặt, thường dùng phương pháp: Phủ bằng phương pháp nhúng vào kim loại nóng chảy: Sử dụng các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp Zn (419o), Sn (232o), Pb (327o), Al (658o) phủ lên các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao. - Mạ điện: Để bảo vệ kim loại (ví dụ thép) khỏi sự ăn mòn của môi trường gây ra người ta thường mạ lên thép các kim loại: Zn, Cd, Ni, Cu, Cr, Sn. - Lớp phủ vô cơ: Có nhiều loại lớp phủ vô cơ nhưng loại thường được sử dụng và phổ biến nhất là lớp photphat hóa. Tạo lớp muối photphat các kim loại Mn, Fe hoặc Zn lên trên nền thép của các loại chi tiết hoặc các kết cấu: vỏ ô tô, tàu hoả… Màng này có tính bảo Lê Thị Khánh Ly 8 Lớp: K33B – Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp vệ chống ăn mòn kém và không dùng nó làm lớp bảo vệ, song nó kết hợp với các lớp phủ như sơn sẽ tạo ra lớp bảo vệ có chất lượng cao. Trong đề tài này thì lớp phủ vô cơ tập trung nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của lớp phủ sử dụng chất màu kẽm ferit (ZnFe2O4). 1.3.5. Cấu trúc spinel và khả năng tạo lớp phủ của kẽm ferit Kẽm ferit có công thức là ZnFe2O4 là chất màu được tổng hợp trên cơ sở mạng lưới spinel (AB2O4). Chất màu này có độ bền nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy khoảng trên 17000C. Đặc tính quan trọng là khả năng thay thế đồng hình các cation trong mạng lưới spinel. Nguyên liệu loại này có thể đi từ các oxit, hoặc các muối phân hủy cho oxit. Để hạ nhiệt độ phản ứng có thể dùng chất khoáng hóa. Chất màu ZnFe2O4 có màu vàng cam khi sử dụng làm bột màu thì cho ra màu cho ra màu cam và có thể tạo lớp sơn phủ bền và đẹp. Năng lực thể hiện màu của kẽm ferit cao, cỡ hạt nhỏ nên có thể ứng dụng làm bột màu thẩm mỹ. 1.4. KĨ THUẬT TỔNG HỢP CHẤT MÀU THEO PHƯƠNG PHÁP PHẢN ỨNG RẮN – RẮN (PHƯƠNG PHÁP GỐM) Chất màu cho gốm sứ thường được chế tạo theo phương pháp gốm truyền thống. Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ khối dưới đây: (1) Chuẩn bị (2) Nghiền, phối liệu trộn (3) Nung (4) Sản phẩm Hình 1.3 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm Phối liệu tạo màu thường được nghiền trộn kỹ đến một độ mịn thích hợp trong máy nghiền bi ướt hoặc khô. Phối liệu để tạo các chất màu thường bao gồm: Lê Thị Khánh Ly 9 Lớp: K33B – Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Các oxit hoặc hydroxit, các muối có khả năng phân hủy ở nhiệt độ cao tạo ra oxit. Các chất khoáng hóa: Là các chất giúp thúc đẩy nhanh quá trình tổng hợp chất màu, hạ bớt nhiệt độ nung cần thiết. Chất chảy được sử dụng thường gặp là: + Các hợp chất của bo (H3BO3, Na2B4O7.10H2O, B2O3). + Muối của các kim loại kiềm (chủ yếu là cacbonat). + Hợp chất của flo (NaF, CaF2, AlF3, Na2SiF6). Các tông màu khác nhau có thể tạo thành khi thay đổi tỷ lệ các chất đưa vào trong thành phần của chúng hoặc bằng con đường khác nhờ việc khác nhau khi lựa chọn các nguyên liệu sử dụng (các oxit, các muối cacbonat…), hoặc bằng các phương pháp chuẩn bị các hỗn hợp oxit kim loại, hoặc nhiệt độ nung kết thúc quá trình hoặc đặc trưng của ngọn lửa hoặc mức độ sạch cũng như độ mịn nguyên liệu ban đầu. Hỗn hợp nghiền được kiểm tra kỹ về độ mịn qua các sàng thích hợp, nếu nghiền ướt thì phải sấy khô, đôi khi người ta còn ép thành viên và được chứa vào các bao nung trước khi đưa vào lò nung. Phối liệu màu thường được nung ở khoảng nhiệt độ từ 900°C - 1400°C, trong những khoảng thời gian xác định tùy theo từng loại màu. Hỗn hợp được nghiền và rửa bằng nước hoặc ngâm chiết với axit HCl 5% để loại bỏ chất chảy, các hợp phần chưa sạch. Cuối cùng chúng được đem nghiền mịn tới cỡ hạt từ 1 - 30μm. Việc khống chế cỡ hạt rất quan trọng vì độ chói sẽ giảm với cỡ hạt thô. Nếu nghiền quá mịn, chất màu dễ bị hòa tan trong pha thủy tinh nóng chảy. Lê Thị Khánh Ly 10 Lớp: K33B – Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. CÁC THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT CẦN THIÊT Thiết bị: Một số thiết bị chính: - Lò nung Nebertherm, Đức, Tủ sấy. - Cân Precisa độ chính xác 0,1mg. - Các thiết bị chụp phân tích nhiệt, chụp SEM, XRD. - Cối nghiền, chổi quét sơn và các thiết bị khác. Hóa chất: - Bùn đỏ Tân Bình, Thép CT3. - ZnO, Na2SiF6. - Nước cất, muối ăn và một số hóa chất khác. 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Phương pháp tổng hợp chất màu Các nguyên liệu được cân chính xác, trộn với nhau theo tỷ lệ đã định trước. Phối liệu được nghiền khô với nhau cho đến khi đạt kích thước hạt ≤ 0,08mm. Bột phối liệu khô cho vào chén nung có dung tích 30ml, có đậy nắp và nung ở các nhiệt độ khác nhau với tốc độ nâng nhiệt 10°/phút trong thời gian 1 giờ. 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt [16] - Nguyên tắc: Khi đốt nóng mẫu thì thường trong mẫu sẽ xảy ra những biến đổi về khối lượng, thành phần, cấu trúc và có thể xảy ra một hay nhiều phản ứng hoá học giữa các thành phần, các nguyên tố trong mẫu ở một nhiệt độ nào đó. Khi những biến đổi đó xảy ra thường kèm theo các hiệu ứng thu nhiệt hay toả Lê Thị Khánh Ly 11 Lớp: K33B – Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp nhiệt. Tất cả những hiệu ứng trên được xác định và ghi trên các giản đồ. Kết quả ghi trên giản đồ nhiệt cùng với các phương pháp phân tích, khảo sát khác sẽ giúp ta rút ra được những kết luận bổ ích về sự biến đổi của mẫu theo nhiệt độ đốt nóng chúng. Trong phép phân tích nhiệt, người ta thường sử dụng hai phương pháp là phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA hoặc DSC và phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA. - Phương pháp phân tích nhiệt vi sai Khi đốt nóng một mẫu, việc xuất hiện các hiệu ứng nhiệt rất nhỏ sẽ khó hoặc không phát hiện được bằng các kỹ thuật đo thông thường. Vì vậy, phải dùng phương pháp DTA hoặc DSC. Phương pháp DTA và DSC sử dụng một cặp pin nhiệt điện và một điện kế để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật khi đốt nóng chúng. Trong hai vật đó, một vật là vật liệu cần nghiên cứu và vật kia có tính trơ về nhiệt. Nếu mẫu bị đốt nóng có biến đổi thì bao giờ cũng kèm theo các hiệu ứng nhiệt và lúc đó trên đường DTA hoặc đường DSC sẽ xuất hiện các đỉnh (pic) tại điểm mà mẫu có sự biến đổi. Phương pháp này cho ta biết sơ bộ về các hiệu ứng nhiệt xảy ra, định tính và sơ bộ về định lượng các hợp phần có trong mẫu mà chúng ta khảo sát. - Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Phương pháp này dựa vào sự thay đổi trọng lượng của mẫu cần nghiên cứu khi ta đem nung nóng mẫu đó. Khi mẫu được đốt nóng, trọng lượng của mẫu bị thay đổi là do mẫu bị phân huỷ nhiệt tạo ra khí thoát ra như hơi nước, khí CO2 (phân huỷ hợp phần cacbonat,...), SO2 (phân huỷ các hợp phần sunfua) hay do mẫu bị mất nước vật lý (ẩm – hấp phụ), nước cấu trúc (nước hiđrat – nước kết tinh trong tinh thể mẫu). Nếu cân liên tục một mẫu bị đốt nóng, ta có thể biết sự thay đổi về trọng lượng của mẫu ứng với sự thay đổi về nhiệt độ. Lê Thị Khánh Ly 12 Lớp: K33B – Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Kết hợp hai phương pháp DTA và TGA cho phép xác định sự biến thiên trọng lượng, hiệu ứng nhiệt tương ứng theo nhiệt độ đốt nóng. Đây là những thông số cho phép ta xác định được lượng nước hyđrat cũng như xác lập các phản ứng phân huỷ nhiệt có thể có cũng như dự đoán các thành phần sau từng giai đoạn tăng nhiệt độ. Các mẫu phân tích nhiệt được ghi giản đồ phân tích nhiệt trên máy Labsys TG/DSC STERAM của Pháp tại trung tâm Hóa vật liệu, khoa Hóa – trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên. Chế độ phân tích nhiệt như sau: + Tốc độ đốt nóng 10oC/ phút. + Nâng nhiệt từ 25oC tới 1200oC. + Môi trường không khí. 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [6] - Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định. Khi chùm tia Rơnghen tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cấu tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X tới sẽ tạo thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Mặt khác, các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song. Do đó, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính như sau:  = BC +CD = 2dsin Trong đó: D: là độ dài khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song. : là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ. Lê Thị Khánh Ly 13 Lớp: K33B – Hóa Học