Đề tài Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu

1 MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN.....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii MỤC LỤC ..............................................................................................................1 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT................................................................4 A. MỞ ðẦU............................................................................................................5 I. Lý do chọn ñề tài:.................................................................................................5 II. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................6 III. Nhiệm vụ nghiên cứu.........................................................................................6 IV. ðối tượng nghiên cứu........................................................................................6 V. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................6 VI. Lịch sử nghiên cứu ...........................................................................................7 1.1. Sơ lược về silic ñioxit. .....................................................................................8 1.1.1. ðặc ñiểm cấu tạo và tính chất của silic ñioxit:...............................................8 1.1.2. ðiều chế và ứng dụng ...................................................................................9 1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu: .......................................................................10 1.3. Tốc ñộ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau ñến tốc ñộ của các phản ứng hóa học. ...........................................................................................10 1.3.1. ðịnh nghĩa tốc ñộ phản ứng hóa học ...........................................................10 1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố ñến tốc ñộ phản ứng hóa học ..............................11 1.4. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................14 1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC.........................................................14 1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ..................................................................15 2 2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc ......................................................................17 2.1.1. Hóa chất ......................................................................................................17 2.1.2. Dụng cụ .......................................................................................................17 2.1.3. Máy móc......................................................................................................17 2.2. Thực nghiệm...................................................................................................17 2.2.1. Cách pha chế hóa chất .................................................................................17 2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu .......................................................................22 2.3. Quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ..............23 2.3.1. Quy trình thu hồi SiO2 .................................................................................23 Vỏ trấu sau khi lấy từ nhà máy xay xát về, ñem rửa sạch hết các tạp chất, sau ñó ñem phơi nắng cho thật khô...................................................................................23 Cho 20 gam tro trấu vào cốc thủy tinh 500 ml, sau ñó cho vào ñó 250 ml dung dịch NaOH (nồng ñộ là nồng ñộ mà ta khảo sát biến thiên từ 0,5M ñến 6,0M)..............23 ðặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể ñiều nhiệt ñun ở nhiệt ñộ là 100oC và thời gian ñun là thời gian cần khảo sát (biến thiên từ 2h ñến 5h).........................................................................................................................23 Sau quá trình ñun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọi là dung dịch 1) ñể loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu ñược dung dịch 2. Nếu dung dịch 2 bị ñục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 ñể hấp thụ các chất bẩn chảy qua giấy lọc, thu ñược dung dịch 3. Giai ñoạn này quyết ñịnh sự tinh sạch của SiO2 thu ñược..................................................................................................23 Lọc dung dịch 3 ta thu ñược dung dịch 4. Ta cho dung dịch HCl 2M với lượng phù hợp vào dung dịch 4 cho ñến môi trường axit (thử bằng giấy pH). Hỗn hợp bây giờ ở dạng Gel, Gel thu ñược ñem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần ñến môi trường trung tính (thử bằng giấy pH) ñể loại bỏ các chất bẩn và ion Cl−............................23 3 Sau ñó ta tiến hành ñem Gel ñi sấy tự nhiên và sấy ở 1000C trong thời gian 24 giờ, tiếp theo ñem nung ở 5500C trong thời gian 2 giờ..................................................24 Cuối cùng, ñem sản phẩm thu ñược cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất chiết theo công thức:..............................................................................................................24 o m mH% .100 .100 m 17,04 = = (2.8) ......................................................................24 Trong ñó:...............................................................................................................25 m : là khối lượng SiO2 thu ñược. ........................................................................25 mo : là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết. ......................................................25 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. .....................................................................................................25 3.1. ðặc trưng tính chất của sản phẩm: .................................................................26 3.1.1. Phân tích nhiệt vi sai:..................................................................................26 3.1.2. Phân tích thành phần tro trấu .......................................................................27 3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X.........................................................................28 3.2. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH dến quá trình tổng hợp SiO2 từ tro trấu ......................................................................................................29 3.3. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của thời gian ñun ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu...................................................................................................................30 3.4. ðưa ra các ñiều kiện tối ưu ............................................................................32 I. Kết luận chung ...................................................................................................33 II. Ý kiến ñề xuất...................................................................................................33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 34 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IR: Phổ hồng ngoại. XRD: X – ray diffration (nhiễu xạ tia X). TG – DSC: Phương pháp phân tích nhiệt vi sai. CCK: Các chất khác. MQTB: Mao quản trung bình. TEOS:Tetraethyl Orthosilicate. MCM: Mobil Cooporation Master. MCM-41: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lục lăng. MCM-48: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lập phuơng. MCM-50: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lớp. SBA-15: Santa Barbara Acid – 15. SBA-16: Santa Barbara Acid – 16. 5 A. MỞ ðẦU I. Lý do chọn ñề tài: Nước ta với ngành nghề truyền thống là chuyên canh cây lúa nước, sản lượng xuất khẩu gạo hàng năm ñứng thứ 2 trên thế giới. Chỉ tính riêng trong tỉnh ðồng Tháp, sản lượng lúa ước khoảng 2.544.392 tấn/năm [7]. Như vậy, hàng năm lượng trấu và tro trấu thải ra môi trường là rất lớn. Cần có phương án sử dụng hợp lí và hiệu quả, tránh lãng phí và ô nhiễm môi trường. Trong khi ñó, nước ta ñang trên ñà phát triển, các ngành công nghiệp ñang rất cần một lượng lớn phụ gia xi măng hoặc phụ gia cho quá trình lưu hóa cao su, mà thành phần chính là SiO2 có tính chất giống như SiO2 ñược thu hồi từ tro trấu ñể làm tăng ñộ ñàn hồi và ñộ bền. Mà giá thành nhập khẩu lại cao nên rất cần tìm nguồn nguyên liệu trong nước. Bên cạnh ñó, nguồn nước ñang ngày càng ô nhiễm, các mạch nước ngầm cũng như nước mặt ñều có các kim loại và các hợp chất hữu cơ vượt quá mức cho phép rất nhiều lần. ðể an toàn cho sức khỏe con người, dùng SiO2 ñể chế tạo các thiết bị lọc nước và hấp phụ các kim loại ñang là vấn ñề cấp bách và thiết thực. Ngoài ra, Silic ñioxit (SiO2) tổng hợp từ tro trấu có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: hút ẩm, làm chất phụ gia xi măng, cao su, chế tạo thiết bị lọc nước, thủy tinh, chất bán dẫn, làm nguyên liệu thay thế TEOS ñể tổng hợp vật liệu xúc tác mao quản trung bình như MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16. Theo [8] thì sử dụng nguồn SiO2 thu hồi từ trấu trong quá trình tổng hợp vật liệu MCM - 41, SBA - 16, Sn - SBA - 16, có chất lượng không kém gì so với khi sử dụng nguồn TEOS. ðiều ñáng nói ở ñây là nguồn SiO2 tổng hợp từ trấu vừa rẻ tiền, dễ bảo quản và phù hợp với ñiều kiện kinh tế ở ñịa phương. SiO2 còn ñuợc sử dụng ñể hấp phụ và thu hồi các kim lọai nặng trong môi trường nuớc [12], khả năng hấp phụ của SiO2 là khá tốt. 6 ðiều ñặc biệt của SiO2 thu hồi từ tro trấu là khả năng phục hồi và tái sinh cao, giá thành rẻ. Với nhiều ứng dụng như thế nên việc nghiên cứu thu hồi SiO2 có nhiều ý nghĩa thực tế. Tuy nhiên, hiện nay chưa có công trình nào nghiên cứu quá trình thu hồi SiO2 từ trấu một cách chi tiết và cụ thể. Vì thế, cần có những phương pháp và quy trình cụ thể ñể ñưa ra các ñiều kiện tối ưu ñể việc thu hồi ñạt hiệu suất cao, hiệu quả kinh tế nhất. Từ nhu cầu thực tế ñó chúng tôi quyết ñịnh chọn ñề tài “Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu” nhằm tìm ra ñiều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO2 ñạt hiệu quả kinh tế cao, ñáp ứng ñược nhu cầu sản xuất nghiên cứu…. II. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. ðưa ra những ñiều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. III. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu cách thực hiện phương pháp tách, chiết hóa học. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. Phân tích thành phần tro trấu, khảo sát nhiệt ñộ nung. IV. ðối tượng nghiên cứu Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. V. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lí thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, ñịnh hướng các bước thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp ñã công bố. 7 Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thu hồi SiO2, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như nồng ñộ NaOH và thời gian và tìm ra ñiều kiện tối ưu. Phương pháp phân tích, ñánh giá các kết quả thu ñược thông qua các phương pháp phân tích hóa lí ñặc trưng vật liệu như phân tích thành phần của trấu, tro trấu, phân tích nhiệt, nhiễu xạ tia X. Thống kê và xử lý kết quả thu ñược. VI. Lịch sử nghiên cứu Các nghiên cứu về thu hồi SiO2 từ tro trấu chỉ có ở Việt Nam. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới ở mức ñộ thử nghiệm, chưa khảo sát kĩ và chưa có quy trình cụ thể. 1. Các tác giả Phạm ðình Dũ, Võ Thị Thanh Châu, ðinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa [1] ñã sử dụng nguồn trấu sẵn có làm nguồn thay thế TEOS rất ñắt tiền và khó bảo quản ñể tổng hợp MCM - 41 và chức năng toả bề mặt của vật liệu này. Diện tích bề mặt của MCM - 41 tổng hợp từ trấu không thua kém gì so với MCM - 41 tổng hợp từ TEOS. Khả năng hấp phụ của vật liệu này khá tốt, có thể sử dụng ñể phân huỷ các chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nuớc như phenol, phenol ñỏ, metylen xanh. Nhóm tác giả này ñã sử dụng hai phương pháp khác nhau ñể tổng hợp SiO2 từ trấu. ðó là chiết xuất trực tiếp từ trấu và thu hồi từ tro trong môi trường NaOH. Tuy nhiên, ñây cũng chỉ là những nghiên cứu bước ñầu về tổng hợp SiO2 từ trấu, chưa ñưa ra quy trình cụ thể và chưa tìm ra ñiều kiện tối ưu. 2. Các tác giả Hồ Sỹ Thắng, Nguyễn Thị Ái Nhung, ðinh Quang Khiếu, Trần Thái Hoà, Nguyễn Hữu Phú [8] cũng ñã sử dụng trấu ñể tổng hợp vật liệu xúc tác mao quản trung bình SBA - 16 và Sn - SBA - 16 diện tích bề mặt > 800 (m2/g). Hệ vật liệu này dùng ñể tổng hợp các chất hữu cơ thế clo trong clo benzene bằng benzen, toluene, xylen,…Hấp phụ và xúc tác ñể phân huỷ phenol, cloram phenicol trong môi trường nước. 8 B. NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1. Sơ lược về silic ñioxit. 1.1.1. ðặc ñiểm cấu tạo và tính chất của silic ñioxit: 1.1.1.1. Cấu tạo: Silic ñioxit không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dưới dạng tinh thể, nghĩa là dưới dạng một phân tử khổng lồ. Ở ñiều kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triñimit và cristtobalit. Mỗi dạng ña hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt ñộ thấp, dạng β bền ở nhiệt ñộ cao. Tất cả những dạng tinh thể này ñều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các ñỉnh của tứ diện. Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác nhau và tính trung bình cứ trên mặt nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh nghiệm của silic ñioxit là SiO2. Ba dạng ña hình của silic ñioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện ñược sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên ñường xoắn ốc. Tùy theo chiều của ñường xoắn ốc mà ta có thạch anh quay trái hay quay phải. Trong triñimit, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit. Trong cristobalit, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphelarit. Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của silic ñioxit có cấu trúc vi tinh thể. Mã não là chất rắn, trong suốt, gồm có những vùng có màu sắc khác nhau và rất cứng. Opan là một loại ñá quý không có cấu trúc tinh thể. Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa không 9 khí, nước hay hơi nước. Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, ñỏ, lục và ñen do có chứa các tạp chất. Gần ñây người ta chế tạo ñược hai dạng tinh thể mới của silic ñioxit nặng hơn thạch anh là coesit (ñược tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt ñộ 2500C) và stishovit (ñược tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt ñộ 13000C) [6]. Silic ñioxit ñã nóng chảy hoặc khi ñun nóng bất kì dạng nào khi ñể nguội chậm ñến nhiệt ñộ hóa mềm, ta ñều thu ñược một vật liệu vô ñịnh hình giống như thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính ñẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt ñộ không ñổi mà hóa mềm ở nhiệt ñộ thấp hơn nhiều so với khi nóng chảy ra. Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác ñịnh ñược rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn ñược bao quanh bởi những nguyên tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử ñó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn. 1.1.1.2. Tính chất: Silic ñioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và axit ngay cả khi ñun nóng. Ở ñiều kiện thường, nó chỉ tác dụng với F2 và HF : SiO2 + 2F2 → SiF4 + O2 SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O Ngoài ra, nó còn tan trong kiềm và cacbonat kim loại kiềm nóng chảy: SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2 1.1.2. ðiều chế và ứng dụng 1.1.2.1. ðiều chế Trong phòng thí nghiệm, SiO2 vô ñịnh hình ở dạng bột trắng có thể ñiều chế bằng cách nung nóng kết tủa của axit silixic. 10 1.1.2.2. Ứng dụng Trong xây dựng: dùng làm chất phụ gia xi măng, gạch chịu lửa và ngói, ... Trong ñời sống: dùng làm chất hút ẩm, chế tạo thiết bị lọc nước, ñồ dùng bằng thủy tinh, chất bán dẫn,... Ngày nay, Silic ñioxit còn ñược dùng làm nguyên liệu ñể sản xuất vật liệu xúc tác mao quản trung bình như: MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16... 1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu: Mặc dù oxit silic chiếm một lượng khá lớn trong vỏ trấu nhưng chúng tôi chưa tìm ñược tài liệu nào công bố về dạng tồn tại của oxit silic trong vỏ trấu. Theo sự hiểu biết của chúng tôi, rất có thể oxit silic tồn tại một dạng cơ kim nào ñó như một dạng “alkoxit tự nhiên”. Khi ñược chiết trong dung dịch kiềm nó bị thuỷ phân và tạo thành muối natri silicat. Khi axit hóa dung dịch thu ñược bằng HCl thì xảy ra phản ứng: Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 H2SiO3 trong dung dịch tự trùng hợp theo phản ứng sau: nH2SiO3 = (SiO2)n + nH2O Trong dung dịch, các mầm hạt (SiO2)n lớn dần lên và phát triển thành các hạt sol liên kết với nhau tạo thành gel. Gel thu ñược ñem rửa sạch ñể loại bỏ các chất bẩn, sau ñó sấy và nung ta sẽ thu ñược SiO2. Rõ ràng hiệu suất chiết SiO2 từ tro trấu phụ thuộc chủ yếu vào giai ñoạn các “alkoxit oxit silic” này thuỷ phân trong môi trường kiềm. 1.3. Tốc ñộ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau ñến tốc ñộ của các phản ứng hóa học. 1.3.1. ðịnh nghĩa tốc ñộ phản ứng hóa học Tốc ñộ phản ứng hóa học ñược ño bằng ñộ biến thiên nồng ñộ các chất phản ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một ñơn vị thời gian. 11 v = t C ∆ ∆± (1.1) Trong ñó: v : Tốc ñộ phản ứng, ñơn vị: mol/l.s C∆ : Biến thiên nồng ñộ trong khoảng thời gian t∆ , ñơn vị: mol/l t∆ : Biến thiên thời gian, ñơn vị: s Tốc ñộ phản ứng tính theo công thức trên là tốc ñộ trung bình, tốc ñộ trung bình này sẽ tiến tới tốc ñộ tức thời khi t∆ tiến tới 0 và ñược tính theo công thức: dC v dt = ± (1.2) Trong tất cả các hệ thức trên nồng ñộ ñược biểu diễn bằng mol/lít. 1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố ñến tốc ñộ phản ứng hóa học 1.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng ñộ Thoạt ñầu, xuất phát từ quan ñiểm cho rằng muốn cho phản ứng hóa học xảy ra thì các phân tử của các chất phản ứng phải va chạm với nhau. Số va chạm càng lớn thì tốc ñộ phản ứng càng lớn. Mặt khác, số phân tử của các chất lại tỉ lệ với nồng ñộ của nó trong hệ phản ứng. Do ñó người ta ñi ñến kết luận rằng: Tốc ñộ của phản ứng hóa học tỉ lệ với tích số nồng ñộ của các chất tham gia phản ứng với các lũy thừa tương ứng là các hệ số phân tử trong phương trình phản ứng. ðối với phản ứng: aA + bB → cC + dD Tốc ñộ phản ứng ñược biểu diễn bằng: v = k [ ] [ ]ba BA (1.3) Trong ñó: K : Hằng số tốc ñộ phản ứng, k phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia phản ứng và nhiệt ñộ. 12 [A], [B]: Tương ứng với nồng ñộ của chất A và chất B, ñơn vị: mol/l a, b : là các hệ số tỉ lượng hay phân tử số. Kết luận này ñược gọi là ñịnh luật tác dụng khối lượng, do Gulberg và Waage ñưa ra vào các năm 1864 và 1867 [tr.122, 2]. Cần nhấn mạnh rằng những nghiên cứu thực nghiệm rộng rãi cho thấy chỉ một số rất ít phản ứng tuân theo ñịnh luật tác dụng khối lượng. Trong ñộng hóa học, ñể phân biệt các phản ứng người ta dùng một ñại lượng gọi là bậc phản ứng. Bậc phản ứng là tổng các số mũ của các thừa số nồng ñộ trong phương trình tốc ñộ phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng tổng quát ở trên, bậc phản ứng sẽ là (a + b). Như vậy, nếu ñịnh luật tác dụng khối lượng ñược tuân thủ nghiêm ngặt thì bậc của một phản ứng ñã cho nào ñó luôn luôn bằng tổng các hệ số phân tử của các chất tham gia phản ứng trong phương trình phản ứng. Phản ứng: H2 + I2 = 2HI Tốc ñộ của phản ứng trên ñược biểu diễn bằng phương trình: v = k[H2][I2] (1.4) Vậy bậc phản ứng là 1 + 1 = 2. Tuy nhiên, có rất nhiều phản ứng