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

Theo nguồn gốc phát sinh, có thể chia cao lanh thành hai dạng là phát sinh từ các nguồn sơ cấp và phát sinh từ các nguồn thứ cấp. Cao lanh sơ cấp sinh ra từ quá trình phong hóa hóa học hay thủy nhiệt của các loại đá có chứa fenspat như rhyolit, granit, gơnai. Cao lanh thứ cấp được tạo ra từ sự chuyển dời của cao lanh sơ cấp từ nơi nó sinh ra vì xói mòn và được vận chuyển cùng các vật liệu khác tới vị trí tái trầm lắng. Một số cao lanh cũng được sinh ra tại nơi tái trầm lắng do biến đổi thủy nhiệt hay phong hóa hóa học đối với acco (arkose), một dạng đá trầm tích mảnh vụn với hàm lượng fenspat trên 25%. Theo nhiệt độ chịu lửa, cao lanh được phân thành loại chịu lửa rất cao (trên 1750°C), cao (trên 1730°C), vừa (trên 1650°C) và thấp (trên 1580°C). Theo thành phần Al2O3+ SiO2 ở trạng thái đã nung nóng, cao lanh được phân thành loại siêu bazơ, bazơ cao, bazơ hoặc axít.  Cấu trúc tinh thể cao lanh Kaolinit có cấu trúc lớp 1:1, dạng diocta. Cấu trúc tinh thể của kaolinit được hình thành từ một lưới tứ diện liên kết với một mạng bát diện tạo nên một lớp cấu trúc. Chiều dày của lớp này từ 7,15 ÷7,2Å. Mỗi lớp cấu trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng trục a và b. Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tự ngắt quãng theo hướng trục c. 8 Các tứ diện quay đỉnh chung về phía mạng bát diện. Ở vị trí đỉnh chung của tứ diện và bát diện thì ion OH- của mạng bát diện được thay thế bằng ion O2- nằm cạnh mặt chứa những ion OH-. Giữa hai mặt đó xuất hiện một lực liên kết giữ chặt các lớp lại làm cho mạng tinh thể kaolinit ít di động, hấp phụ ít nước và không trương nở. Trong cấu trúc của kaolinit cứ 3 vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị chiếm giữ bởi ion Al3+ còn một vị trí bỏ trống. Chính vì vậy kaolinit thuộc phân nhóm diocta. 1.1.2. Tính chất vật lý Cao lanh có màu trắng, trắng xám, dạng đặc sít hoặc là những khối dạng đất sáng màu, tập vảy nhỏ, tinh thể đơn vị dạng hình lục lăng liên kết thành các tấm nhỏ, mỏng, đường kính khoảng 0,2- 12 µm, khối lượng riêng khoảng 2,1-2,6 g/cm3, độ cứng 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 kaolinit không lớn, thường dao động từ 15 ÷20 m2/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của 9 kaolinit. Với khả năng trương nở kém nên không sử dụng kaolinit 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 100g 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 Hình 1.2: Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinit. Bề mặt của kaolinit 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 kaolinit. Hình 1.2 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay bên trong hạt kaolinit. 10  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 sụng 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 dạng hydrat, 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 1000C tới 1500C. Khi cao lanh bị nung đến khoảng nhiệt độ 5500C7000C, 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). 11 Hình 1.3: Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc 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: 550650 C  2Al2Si2O7 + 4H2O 2Al2Si2O5(OH)4  0 925950 C  Al4Si3O12 + SiO2 2Al2Si2O7  0 1050 C  2Al6Si2O23 + 5SiO2 3Al4Si3O12  0 1.1.4. Trạng thái thiên 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: - 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. - Mỏ Bảo Lộc hiện đạt công suất khai thác, tuyển rửa là 35000 tấn/năm. 12 - 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. 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 vi rút và vi khuẩn, vì vậy cao lanh được ứng dụng cả trong các lĩnh vực y tế, dược phẩm, mỹ phẩm,... - 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 đòi hỏi 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 màu (Fe2O3 và TiO2). Hàm lượng Fe2O3 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 kaolin để sản xuất gạch chịu lửa, gạch nửa axit và các đồ chịu 13