Nghiên cứu khả năng tách nhôm trong cao lanh bằng dung dịch axit sunfuric

Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội 1 - 2,5, có khả năng trao đổi cation khoảng 2 - 15 meq/100g và phụ thuộc nhiều vào kích thước của hạt, nhưng các phản ứng thay thế cation xảy ra với tốc độ rất lớn. Khi ngấm nước, nó có tính dẻo, nhưng không có hiện tượng co giãn. Đây là tính chất được biết đến sớm nhất của cao lanh, người ta dùng nó ở dạng hồ quánh để định hình và nung thiêu kết để tạo ra các đồ gốm sứ. Nhiệt độ nóng chảy của cao lanh : 1750 - 17870C. Khi nung nóng, cao lanh có hiệu ứng thu nhiệt, pic ở 510 - 6000C liên quan đến sự mất nước kết tinh và hiện tượng không định hình của khoáng vật. Hai pic toả nhiệt từ 960 đến 1000 và 12000C liên quan đến quá trình mulit hoá của các sản phẩm cao lanh không định hình, với pic 12000C là quá trình kết tinh của oxit silic không định hình để tạo thành cristobalit. 1.1.3. Tính chất hóa học Tính chất cơ bản của cao lanh thường được đề cập là tính chất trao đổi ion, tính chất hấp phụ và tính chất xúc tác. Do bề mặt của cao lanh không lớn, thường dao động từ 15 – 20 m2/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của cao lanh. Với khả năng trương nở kém nên không sử dụng cao lanh làm chất xúc tác mà chỉ sử dụng nó với vai trò chất nền. Tính chất trao đổi ion Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của mình. Sự trao đổi cation thường được nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng rộng hơn so với anion. Các cation trao đổi thường là Ca 2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+, H+. Các anion trao đổi thường là SO42-, Cl-, PO43-, NO3-. Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương lượng trao đổi trên 100 g mẫu. Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC) của cao lanh rất nhỏ, thông thường CEC chỉ khoảng 3 - 15 meq/100g và AEC khoảng 20,3 meq/100g. Khóa luận tốt nghiệp 8 Vũ Thị Diệp - K35B Hóa Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội Hình 1.2.Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt cao lanh. Bề mặt của cao lanh được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuếch tán bề mặt hay sự giảm kích thước hạt. CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng lưới cấu trúc. Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên bề mặt ngoài của cao lanh. Hình 1.2 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay bên trong hạt cao lanh. Tính chất hấp phụ Cao lanh có khả năng hấp phụ kém. Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1 - 3% và chủ yếu là hấp phụ bề mặt. Do vậy cao lanh ít có giá trị sử dụng làm chất hấp phụ. Những biến đổi trong cấu trúc cao lanh khi nung Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc cao lanh khi nung chính là cơ sở cho những ứng dụng của cao lanh trong nhiều ngành công nghiệp vật liệu và hoá chất. Trong cao lanh cũng như nhiều loại khoáng sét khác có chứa một lượng nước nhất định khi còn ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ thường). Nhìn chung, nước trong cấu trúc khoáng sét được chia làm 3 loại : (1) nước hấp phụ trong lỗ xốp, trên bề mặt và xung quanh các hạt phân tử khoáng rời rạc ; (2) nước ở Khóa luận tốt nghiệp 9 Vũ Thị Diệp - K35B Hóa Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội dạng hyđrat, nước ở dạng xen kẽ giữa các lớp khoáng ; (3) nước nằm trong các khe, hốc giữa các đơn vị cấu trúc dài (các nhóm OH cấu trúc). Nếu khoáng chứa loại (1) sẽ tốn ít năng lượng nhất khi tiến hành loại bỏ nước. Các phân tử nước trong cao lanh thuộc loại (1), chỉ là nước hấp phụ bề mặt và một số nằm trong lỗ xốp, do đó sẽ dễ dàng mất đi khi cao lanh bị nung nóng từ 100 - 1500C. Khi cao lanh bị nung đến khoảng nhiệt độ 550 - 7000C, nước trong cấu trúc (nhóm OH trong mạng lưới) sẽ dần mất hết và kèm theo sự phá vỡ cấu trúc cao lanh. Khi nhiệt độ tăng đến 900 0C thì cấu trúc tinh thể cao lanh bị sập hoàn toàn. Việc xác định sự mất dần các nhóm OH ở các vị trí là dựa vào phương pháp nhiệt vi sai (DTA). Ngoài ra bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) người ta xác định được khi nung cao lanh, song song với sự tăng nhiệt độ là sự giảm của trọng lượng (lượng mất khi nung). Hình 1.3: Vị trí các nhóm OH trong cao lanh. Quá trình xử lý nhiệt cao lanh còn dẫn tới các pha khuyết tật, tuy nhiên các pha khuyết tật này lại hoạt động hơn đối với quá trình kết tinh. Sơ đồ sau diễn tả quá trình xử lý cao lanh bởi các nhiệt độ khác nhau : Khóa luận tốt nghiệp 10 Vũ Thị Diệp - K35B Hóa Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 2 Al2Si2O5(OH)4 2 Al2Si2O7 3 Al4Si3O12 Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội 550 - 6500C 925 - 9500C > 10500C 2 Al2Si2O7 + 4 H2O Al4Si3O12 + SiO2 2 Al2Si2O13 + 5 SiO2 1.1.4. Trạng thái tự nhiên Quặng cao lanh nước ta được phân bố ở nhiều nơi như : Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hải Dương, Quảng Ninh, Đà Lạt, Đồng Nai, Sông Bé. Trong đó những mỏ quặng cao lanh đã được thăm dò, khai thác là : - Các mỏ cao lanh Tấn Mài (Quảng Ninh), Trúc Thôn (Hải Dương), Tuyên Quang đã được khai thác dùng làm gạch chịu lửa cho công ty gang thép Thái Nguyên. - Mỏ Bảo Lộc hiện đạt công suất khai thác, tuyển rửa là 35000 tấn/năm. - Mỏ Thạch Khoán, Phú Thọ gồm 4 vùng với tổng trữ lượng đã xác định khoảng 3,2 triệu tấn. - Mỏ Trại Mật, Lâm Đồng, với tổng trữ lượng đã thăm dò là 11 triệu tấn. Ngoài ra, một số mỏ quy mô nhỏ ở các địa phương như Yên Bái, Phú Thọ, Hải Dương, Đồng Nai, Sông Bé đã được sử dụng để khai thác cao lanh làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ dân dụng, gốm sứ kỹ thuật, phèn nhôm... 1.1.5. Ứng dụng Cao lanh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như : công nghiệp gốm sứ, giấy, sơn, cao su, sợi thuỷ tinh, chất dẻo, vật liệu xây dựng, gạch chịu lửa, làm xúc tác cho công nghệ lọc dầu… Nhờ có khả năng hấp thụ đặc biệt không chỉ các chất béo, chất đạm mà còn có khả năng hấp thụ cả các loại virut và vi khuẩn. Vì vậy, cao lanh được ứng dụng cả trong các lĩnh vực y tế, dược phẩm, mỹ phẩm.... Khóa luận tốt nghiệp 11 Vũ Thị Diệp - K35B Hóa Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội Công nghiệp sản xuất giấy : trong công nghiệp giấy, cao lanh được sử dụng làm chất độn tạo cho giấy có mặt nhẵn hơn, tăng độ kín, giảm độ thấu quang và làm tăng độ ngấm mực in tới mức tốt nhất. Loại giấy thông thường chứa 20% cao lanh, có loại chứa tới 40%. Thông thường, một tấn giấy cần 250 - 300 kg cao lanh. Chất lượng cao lanh dùng làm giấy được xác định bởi độ trắng, độ phân tán và mức độ đồng đều của các nhóm hạt. Công nghiệp sản xuất đồ gốm : công nghiệp sản xuất sứ, gốm sứ dân dụng, sứ mỹ nghệ, dụng cụ thí nghiệm, sứ cách điện, sứ vệ sinh… đều sử dụng chất liệu chính là cao lanh ; chất liệu kết dính là sét chịu lửa dẻo, có màu trắng. Chất lượng cao lanh đòi hỏi rất cao và phải khống chế các oxit tạo mầu (Fe2O3 và TiO2). Hàm lượng Fe2O3 không được quá 0,4 - 1,5% ; TiO2 không quá 0,4 - 1,4% ; CaO không quá 0,8% và SO3 không quá 0,4%. Sản xuất vật liệu chịu lửa : trong ngành sản xuất vật liệu chịu lửa, người ta dùng cao lanh để sản xuất gạch chịu lửa, gạch nửa axit và các đồ chịu lửa khác. Trong ngành luyện kim đen, gạch chịu lửa làm bằng cao lanh chủ yếu được dùng để lót lò cao, lò luyện gang, lò gió nóng. Các ngành công nghiệp khác cần gạch chịu lửa với khối lượng ít hơn, chủ yếu để lót lò đốt, nồi hơi trong luyện kim mầu và công nghiệp hóa học, ở nhà máy lọc dầu, trong công nghiệp thủy tinh và sứ, ở nhà máy xi măng và lò nung vôi. Chế tạo sợi thuỷ tinh : một lĩnh vực khác cũng sử dụng cao lanh tăng nhanh hàng năm đó là dùng làm nguyên liệu vào của sản xuất sợi thuỷ tinh. Trong thành phần của cao lanh có chứa cả silica và alumina, chất có trong thành phần của sợi thuỷ tinh. Cao lanh được sử dụng đồng thời với một lượng nhỏ sắt và titan. Nguyên nhân tăng nhu cầu sử dụng cao lanh trong lĩnh vực này bởi vì hạn chế khi sử dụng nguyên liệu amiăng loại chất gây hại cho sức khoẻ. Lĩnh vực chất độn : cao lanh được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực làm chất độn giấy, nhựa, cao su, hương liệu… Cao lanh có tác dụng làm tăng độ Khóa luận tốt nghiệp 12 Vũ Thị Diệp - K35B Hóa Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội rắn, tính đàn hồi, cách điện, độ bền của cao su, tăng độ cứng và giảm giá thành sản phẩm của các chất dẻo như PE, PP, PVC... Trong sản xuất da nhân tạo (giả da) : cao lanh có tác dụng làm tăng độ bền, độ đàn hồi. Trong sản xuất xà phòng : cao lanh có tác dụng đóng rắn khi sản xuất, hấp thụ dầu mỡ khi sử dụng. Lĩnh vực sản xuất xà phòng yêu cầu cao lanh có độ hạt dưới rây 0,053mm lớn hơn 90% ; không lẫn cát, không lắng cặn trước 8 giờ, hàm lượng Fe2O3 ≤ 2 - 3%, TiO2 ≤ 1%, chất bazơ trao đổi ≤ 0,8 - 2% và cacbonat ≤ 15 - 20%. Trong sản xuất thuốc trừ sâu : sử dụng cao lanh có độ khuếch tán lớn, sức bám tốt, trơ hóa học, hợp chất sắt thấp, độ hạt 22m từ 40 - 75%. Trong tổng hợp zeolit : cao lanh là nguyên liệu chính để tổng hợp zeolit : loại chất được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như hấp phụ, trao đổi ion, làm chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi trường. Trong các lĩnh vực khác, cao lanh được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng trắng, các chất tráng trong xây dựng, nguyên liệu trong sản xuất nhôm, phèn nhôm… 1.2. Nhôm sunfat 1.2.1. Tính chất hóa lý Nhôm sunfat khô là chất bột màu trắng với tỷ trọng 2710 kg/m3, Vasilev, Gitis và Seitlin đã đo tỷ trọng và độ nhớt của dung dịch (dung dịch là nước) nhôm sunfat trong khoảng nhiệt độ 100C  t  950C và khoảng nồng độ 0,049  C  0,305kg/kg. Tỷ trọng của dung dịch thay đổi tương đối theo hàm số :  = 1001,7 + 1271,60C – 0,663t Sai số trung bình bình phương bất kỳ : SOP = 1,5 kg/m3. Khóa luận tốt nghiệp 13 Vũ Thị Diệp - K35B Hóa