Đồ Án Các yếu tố ảnh hơởng tới quá Trình tổng hợp sản phẩm Zeolit từ Diatomit nung , bơớc đầu tạo sợi các

Đề án: Các yếu tố ảnh hơởng tới quá Trình tổng hợp sản phẩm Zeolit từ Diatomit nung , bơớc đầu tạo sợi các bon có kích thơớc nano và ứng dụng của chúng


LỜI CẢM ƠN

Trong quá tŕnh làm nghiên cứu khoa học, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn, song nhờ sự hướng dẫn và chỉ đạo của các thầy cô , sự giúp đỡ của các bạn, các anh, chị trong pḥng , em đă hoàn thành tốt bản báo cáo khoa học này.
Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị, các bạn đă tận t́nh giúp đỡ em trong những ngày làm việc ở pḥng thí nghiệm.
Đặc biệt , em muốn gửi đến thầy PGS.TS Văn đ́nh Đệ lời biết ơn chân thành , người đă giúp đỡ em rất nhiều trong quá tŕnh làm nghiên cứu khoa học.

EM XIN CHÂN THÀNH CÁM ƠN


Hà nội 5/2005
Sinh viên


PHẠM NGỌC LINH






ĐẶT VẤN ĐỀ
Zeolit là những vật liệu vi mao quản đă được nghiên cứu bởi nhiều tác giả do có cấu trúc tinh thể với hệ thống lỗ xốp rất đồng đều, có diện tích bề mặt lớn , có khả năng hấp phụ với độ chọn lọc cao, có tính bền nhiệt, tính bền đối với các tác nhân hoá học cao nên chúng được ứng dụng rất rộng răi như dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp hoá dầu, làm chất hấp phụ trong kỹ nghệ hoá học , trong việc bảo vệ môi trường, nuôi trồng thuỷ , hải sản xử lư nguồn nước ô nhiễm ở Việt Nam.v.v
Việt nam là nước có nguồn Diatomit với trữ lượng lớn, song cho đến nay c̣n sử dụng ở dạng thô, chưa xử lư triệt để nên hiệu quả kinh tế chưa cao.
Nguồn tài nguyên là có hạn nên em đă chọn hướng nghiên cứu chuyển hoá Diatomit thành sản phẩm chứa Zeolit cũng như tạo sợi các bon có kích thước nano trên Diatomit ,sản phẩm chứa Zeolit và bước đầu nghiên cứu ứng dụng của chúng.









PHÂN 1-TỔNG QUAN
I-GIỚI THIỆU VỀ DIATOMIT
Đây là một trong những khoáng xốp tồn tại trong tự nhiên , hiện nay tập trung nhiều ở Phỳ khỏnh , Lơn đồng, Ninh B́nh , miền trung tơy nguyờn . Người ta có thể sử dụng diatomit làm chất hấp phụ , chất mang, chất độn cho vật liệu compozit hay chất xử lư nước bởi v́ Diatomit được tạo ra từ một tập hợp hạt có độ xốp lớn vơớ 80-85% và cả tính đa dạng của các phần tử đó . Nhưng sử dụng trực tiếp diatomit trong công nghiệp là điều không ai thực hiện bởi v́ hiệu quả kinh tế không cao. Và người ta đă t́m ra nhiều phương thức biến đổi Diatomit để tạo nên những chất mà khả năng tốt hơn của Diatomit , có thể ứng dụng trong công nghiệp.
-Nguồn gốc của Diatomit:
Diatomit, kí hiệu la DA được h́nh thành từ tảo Diatome , thông qua quá tŕnh phân huỷ tảo Diatome. sự phân huỷ này được thực hiện theo cơ chế phức tạp, nhưng có thể tóm gọn , đó là sự hấp thụ axit silicic có trong nước và chuyển hoá để tạo ra DA.
Trước hết nói về tảo diatome: H́nh thù của tảo diatome có rất nhiều h́nh dạng nhưng tất cả chúng đều có đặc điểm là là khoảng không gian bên trong rất rộng do chúng được tạo nên bởi rất nhiều “mảnh” từ đó tạo nên các khoảng trống giữa các mảnh đó . V́ thế mà khoảng trống bên trong (tổng cộng tất cả cỏc vựng không gian nhỏ lại) là vô cùng lớn.
V́ quá tŕnh h́nh thành nên diatomit được bắt nguồn từ tảo diatome và chuyển hoá ra nhiều dạng khác nhau nên trong thành phần của tảo diatome cũng bao gồm rất nhiều dạng đó . Đó là các dạng Diatome, Opan, sét , thạch anh , Gloconit (dạng này rất nhỏ).
-Thành phần Diatomit rất khó xác định v́ diatomit được khai thác trong các mỏ vỉa , nơi có nhiều các thành phần hữu cơ phức tạp được h́nh thành trong ḷng trái đất. Mặc dù vậy nhờ vào sự cố gắng của các nhà khoa học, dựa vào các thiết bị hiện đại người ta đă t́m ra thành phần của Diatomit. Trong đó đáng chú ư nhất là sự xuất hiện của SiO[SUB]2[/SUB],Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB],Fe[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] .
DA –kớ hiệu của diatomit-được h́nh thành từ rất lâu trong ḷng đất . Do các sinh vật biến đổi thành . V́ thế mà tỉ lệ các thành phần chính của diatomit c̣n phụ thuộc rất nhiều vào sinh vật tại nơi chứa các mỏ DA trong thời ḱ h́nh thành , tức là phụ thuộc vào số lượng, loại sinh vật và cả thành phần khoáng tại địa điểm đó hàng năm về trước .
Sau đây là thành phần Diatomit của một số nơi thuộc Việt Nam và cả trên thế giới (tính theo phần trăm khối lượng).
[TABLE="width: 612"]
[TR]
[TD]Tt[/TD]
[TD]Địa điểm
[/TD]
[TD]SiO[SUB]2[/SUB]
[/TD]
[TD]Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]
[/TD]
[TD]Fe[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]
[/TD]
[TD]MgO
[/TD]
[TD]CaO
[/TD]
[TD]TiO[SUB]2[/SUB]
[/TD]
[TD]K[SUB]2[/SUB]O
[/TD]
[TD]Na[SUB]2[/SUB]O
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]1
[/TD]
[TD]Phỳ Yên 1
[/TD]
[TD]66.78
[/TD]
[TD]15.62
[/TD]
[TD]2.35
[/TD]
[TD]0.61
[/TD]
[TD]0.71
[/TD]
[TD]0.23
[/TD]
[TD]1.45
[/TD]
[TD]0.90
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]2
[/TD]
[TD]Phỳ Yên 2
[/TD]
[TD]59.09
[/TD]
[TD]12.85
[/TD]
[TD]8.40
[/TD]
[TD]1.32
[/TD]
[TD]1.32
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]3
[/TD]
[TD]Phỳ Yên 3
[/TD]
[TD]79.34
[/TD]
[TD]8.30
[/TD]
[TD]3.88
[/TD]
[TD]0.96
[/TD]
[TD]1.50
[/TD]
[TD]4.05
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]4
[/TD]
[TD]Phỳ Yên 4
[/TD]
[TD]75.15
[/TD]
[TD]10.11
[/TD]
[TD]2.14
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]5
[/TD]
[TD]Phỳ Yên 5
[/TD]
[TD]64.00
[/TD]
[TD]17.00
[/TD]
[TD]2.50
[/TD]
[TD]0.80
[/TD]
[TD]0.40
[/TD]
[TD]0.60
[/TD]
[TD]1.00
[/TD]
[TD]0.35
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]6
[/TD]
[TD]Phỳ Yên 6
[/TD]
[TD]83.00
[/TD]
[TD]8.00
[/TD]
[TD]1.20
[/TD]
[TD]0.30
[/TD]
[TD]0.25
[/TD]
[TD]0.10
[/TD]
[TD]0.30
[/TD]
[TD]0.10
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]7
[/TD]
[TD]V ân Hoà
[/TD]
[TD]57.28
[/TD]
[TD]29.73
[/TD]
[TD]9015
[/TD]
[TD]1.92
[/TD]
[TD]1.12
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]8
[/TD]
[TD]Lâm đồng
[/TD]
[TD]65.20
[/TD]
[TD]17.50
[/TD]
[TD]2.95
[/TD]
[TD]1.56
[/TD]
[TD]1.67
[/TD]
[TD]0.22
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]9
[/TD]
[TD]Kontum
[/TD]
[TD]50.70
[/TD]
[TD]23.52
[/TD]
[TD]9.97
[/TD]
[TD]0.40
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]10
[/TD]
[TD]Inzenxky(Nga)
[/TD]
[TD]82.66
[/TD]
[TD]4.55
[/TD]
[TD]3.21
[/TD]
[TD]1.23
[/TD]
[TD]0.47
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]11
[/TD]
[TD]Nurnusky
[/TD]
[TD]95.11
[/TD]
[TD]0.15
[/TD]
[TD]0.23
[/TD]
[TD]0.20
[/TD]
[TD]0.60
[/TD]
[TD]3.52
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]12
[/TD]
[TD]Lompose(M ỹ)
[/TD]
[TD]89.30
[/TD]
[TD]4.00
[/TD]
[TD]0.70
[/TD]
[TD]0.40
[/TD]
[TD]0.40
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]13
[/TD]
[TD]Etopia
[/TD]
[TD]78.23
[/TD]
[TD]5.64
[/TD]
[TD]2.25
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]14
[/TD]
[TD]Kazastan
[/TD]
[TD]89.40
[/TD]
[TD]2.10
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[TD]-
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Theo bảng trờn thỡ chỉ có ở Phỳ Yờn 6 là hàm lượng của SiO[SUB]2[/SUB] c̣n cao với 83%, c̣n lại tất cả cỏc vựng khỏc trong nước ta đều có hàm lượng thấp hơn nhiều so với cỏc vựng khỏc trờn thế giới . Ngược lại lượng Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] lại cao hơn cỏc vựng khỏc . Tỉ lệ các thành phần c̣n lại cũng tương tự như nhau (nói chung tỉ lệ các thành phần c̣n lại nhỏ hơn ).
Diatomit được khai thác ở các mỏ lộ thiên. Tức là không cần đào hầm sâu vào trong ḷng đất mà có thể lấy trực tiếp Diatomit trên mặt của những quả đồi , núi Song có lẽ v́ lấy trực tiếp như vậy mà Diatomit thường có lẫn các tạp chất khỏc. Vỡ ở bên ngoài của mỏ không chỉ có diatomit mà cũn cú cả những khoáng chất khác như sỏi,cỏt (SiO[SUB]2[/SUB]), thạch anh Vỡ thế mà trước khi đưa vào sản xuất th́ diatomit cần phải được xử lư sơ bộ. Việc xử lư sẽ có tác dụng loại bỏ cỏc mựn hữu cơ và các loại đất đá lẫn ở trong diatomit.
Các thông số cơ bản của DA.
Dựa vào những nghiên cứu thông qua thực nghiệm người ta đă xác định được những thông số của DA là : khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến , khối lượng riêng đong, tổng thể tích của lỗ xốp , độ xốp hấp phụ, độ xốp kỹ thuật , bề mặt riêng.
Với từng loại được tŕnh bày sau đây:
a)Khối lượng riêng đong :
Đây là khối lượng của một đơn vị thực thể tích. Ở đây thể tích thực là thể tích được đo bằng các dụng cụ đo khi đem DA chứa vào dụng cụ đo, là thể tích DA chiếm chỗ trong một không gian nào đú.Là thể tích chiếm chỗ tự nhiên.
Công thức được xác định:


Trong đó
m : là khối lượng của DA
V: Là thể tích chiếm chỗ của m(g) DA .
b)Khối lượng riêng thực:
Là khối lượng riêng của DA trên một đơn vị thể tích, nhưng thể tích này là thể tích thực chất của DA, tức là khi ấy không tính những phần thể tích không gian trong các mao quản và trong khoảng giữa các giữa các hạt DA.
Công thức của khối lượng riêng thực được xác định như sau :


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]




Với V[SUB]t[/SUB]=V-V[SUB]k[/SUB]-V[SUB]mq[/SUB]
trong đó V[SUB]k[/SUB]-là thể tích khoảng trống giữa các hạt DA.
V[SUB]mq[/SUB]-Là thể tích của toàn bộ mao quản trong mẫu xác định.
Nếu sử dụng một b́nh để đo khối lượng riêng thực, ta cho mẫu vào rồi cho nước vào sao cho đạt định mức(việc cho nước phải kéo dài trong một thời gian v́ cần để thời gian cho nước đi vào hết các khoảng trống giữa các hạt và trong mao quản ).Gọi m[SUB]t[/SUB],m[SUB]b[/SUB], r[SUB]­­nc[/SUB], lần lượt là khối lượng cả hệ thống , khối lượng của riêng b́nh đo, và khối lượng riêng của nước ở điều kiện đo. Khi ấy thể tích thực được tính theo công thức :

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]




Trong đó V[SUB]b[/SUB] là thể tích của b́nh .

c)-khối lượng riêng biểu kiến.
Là khối lượng của một đơn vị thể tích DA nhưng không kể thể tích chiếm chỗ không gian giữa các hạt mà chỉ kể đến thể tích thực và thể tích của các mao quản .
Công thức tính khối lượng riêng biểu kiến được xác định như sau :

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]





Với : m: khối lượng riêng của DA
V[SUB]bk[/SUB]: Thể tích biểu kiên , và được xác định:
V[SUB]bk[/SUB]=V- V[SUB]k[/SUB]

Nếu cũng dựng bỡnh để đo th́ V[SUB]bk[/SUB] được tính theo công thức
V[SUB]bk[/SUB]= V[SUB]t[/SUB]-V[SUB]df[/SUB]
Với V[SUB]df[/SUB] là thể tích nước định phân.
d) Tổng thể tích của lỗ xốp –kớ hiệu là V[SUB]x[/SUB] :


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]





Trong đó r[SUB]bk[/SUB], r[SUB]t[/SUB] lần lượt là tỷ trọng biểu kiến và tỉ trọng thực , được tính theo đơn vị (cm­­[SUP]3[/SUP]/g)


e) Độ xốp hấp phụ : Được tính theo công thức sau :

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]



f) Độ xốp kỹ thuật :

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]




g) Bề mặt riêng:
Là diện tích bề mặt mao quản tính cho một đơn vị khối lượng, đơn vị bề mặt riêng có thể là m[SUP]2[/SUP]/g hay cm[SUP]2[/SUP]/g.
II-GIỚI THIỆU VỀ ZEOLIT
II.1-Hiểu biết về zeolit:
Zeolit trong tự nhiên hay được tổng hợp đều là aluminosilicat có cấu trúc tinh thể xác định. Trong đó có rất nhiều những lỗ xốp với kích thước đồng đều và nhỏ cỡ nano.
Người ta c̣n gọi zeolit là “rơy phân tử ” v́ bên trong phân tử zeolit là những hốc được nối với nhau bằng những đường hầm có kích thước ổn định , những đường hầm này chỉ cho những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ đi qua và loại bỏ những phân tử có kích thước lớn hơn.
Zeolit được tạo thành do nhôm thay thế cho một số nguyên tử silic trong mạng lưới tinh thể của silic oxit kết tinh.Do nguyên tử silic cú hoỏ trị 4, mà nguyên tử nhôm chỉ có hoá trị 3 nên khi thay thế sẽ dư điện tích âm. Số điện tích âm này bằng số nguyên tử nhôm thay thế. Để trung hoà điện tích , cần có ion dương bù trừ điện tích âm bị dư. Ion trung hoà này thường là cation kim loại kiềm hay kiềm thổ . Chúng nằm ngoài mạng tinh thể và do đó dễ tham gia trao đổi ion với các cation,amoni, cation đa hoá trị.Từ những sự trao đổi đó có thể gây biến tính zeolit từ đó tạo ra nhiều tính chất , ứng dụng khác nhau.
II.2-Tính chất hoá lư của zeolit:
Zeolit có khả năng chịu những biến tính khác nhau , đó là biến tính hoá học như trao đổi ion, tỏch nhụm, dehydrat hoá . từ đó làm thay đổi tính chất hoá học , cấu trúc của khung, phân bố lại cation và làm thay đổi mức độ liờn kột giữa các nguyên tử tạo nên thể rắn .
Người ta đó cú những phương pháp nhất định để nghiên cứu cấu trúc của zeolit như phương pháp phổ IR, nhiễu xạ tia X.
Với phương pháp phổ IR , để nghiên cứu cấu trúc của zeolit dựa trên những ư kiến của Flanigen và đồng tác giả về những dao động trong tinh thể zeolit, từ đó sẽ xác định được cấu trúc của tinh thể đó.
Phương pháp này có ư nghĩa rất quan trọng so với phương pháp nhiễu xạ tia X . Bởi nó không có những yêu cầu khắt khe như đ̣i hỏi phải có đơn tinh thể đủ lớn , ít nhạy đối với sự phá vỡ một phần cấu trúc zeolit .v.v
II.3-Thành phần hoá học.
a)Công thức hoá học:
Công thức thực nghiệm của zeolit có dạng chung sau :
M[SUB]2/m[/SUB]O.Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB].nSiO[SUB]2[/SUB].pH[SUB]2[/SUB]O
Với : M là cation kim loại cú hoỏ trị m
p là số phân tử nước kết tinh được lấp đầy không gian bên trong zeolit ở điều kiện thường.
Zeolit cũng có thể được biểu hiện dưới dạng công thức sau:
M[SUB]x/n[/SUB][(AlO[SUB]2[/SUB])[SUB]x[/SUB](SiO[SUB]2[/SUB])[SUB]y[/SUB]]zH[SUB]2[/SUB]O
Trong đó : n là hoá trị của M
x,y là số tứ diện nhôm và silic
z là số phân tử nước kết tinh.
y+x : Là tổng số các tứ diện trong một ô mạng.
tỉ số y/x là tỉ số đặc trưng cho cấu trúc của Zeolit.
b)Cấu trúc zeolit Các tinh thể zeolit được tạo ra bởi các tứ diện SiO[SUB]4[/SUB]và AlO[SUB]4[/SUB] liên kết với nhau qua nguyên tử oxi.Hàm lượng của nhôm trong mạng lưới tinh thể của zeolit phải bằng hoặc nhỏ hơn hàm lượng của silic. V́ tứ diện nhụm-oxi mang điện tích âm v́ thế nếu chúng ở gần nhau th́ sẽ đẩy nhau, làm cho cấu trúc zeolit không bền.
Những tứ diện SiO[SUB]4 [/SUB] và AlO[SUB]4[/SUB] được biểu thị chung bằng tứ diện TO[SUB]4[/SUB] và là đơn vị cấu trúc sơ cấp. Những đơn vị này lại liên kết với nhau thành đơn vị cấu trúc thứ cấp. Cấu trúc thứ cấp là những sodalit. Sodalit được tạo thành từ 24 tứ diện TO[SUB]4[/SUB] với đường kính 6.6A[SUP]o[/SUP] và thể tích là 1506A[SUP]o3[/SUP] . Trong đú có 8 mặt 6 thành phần và 6 mặt 4 thành phần . Và có cấu tạo dạng bát cụt ở đỉnh. Trong tinh thể zeolit người ta gọi là hốc nhỏ. Trong thành phần cấu tạo tinh thể của tất cả các zeolit đều có sodalit.





Khi thay thế Si[SUP]4+[/SUP] bằng Al[SUP]3+[/SUP] th́ trong tứ diện của tinh thể SiO[SUB]4[/SUB] sẽ xuất hiện một điện tích âm ở AlO[SUB]4[/SUB][SUP]-[/SUP] bởi v́ sự xuất hiện ion nhôm có điện tích +3 đó phỏ với thế cân bằng điện tích của mạng tinh thể (Si có điện tích 4+) và từ đó sẽ làm dư một điện tích âm. Để đảm bảo sự bền vững, tức để đảm bảo mức năng lượng thấp nhất th́ cần phải bù trừ phần điện tích âm bằng cationM[SUP]+[/SUP] , người ta gọi cation này là cation bù trừ điện tích.