Luận án sản xuất silicat kiềm từ cát thạch anh Hà Tĩnh - Bùi Quang Thao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰNHIÊN ——————{cŒ©) JÙI CQUANC: THAO NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SILICÁT KIỀM TU CAT THACH HA(HA TINH) Chuyén nganh : HOA VO CO Mã số : 1-04-01 LUẬN ÁN THẠC Si KHOA HOC HOA HOC \-L6/46 ky Người hướng dân khoa học fe Xà amt, F mde PGS-PTS : DHAN VAN TUONG He PTS : DANG VAN DHÚ --- Hà nội : 1998 --- Luận văn này được thực hiện tại bộ môn Hoá Vô cơ-Khoa Hoá - Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội. Trung tâm nghiên cứu Khoa học và triển khai công nghệ Trường Cao đẳng Hoá chất - Phú Thọ. Tôi xin chân thành cảm ơn: - PGS - PTS : Phan Van Tường PTS : Dang Van Phu Đã giúp đỡ và hướng dân tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận án. - Tập thể cán bộ phòng phân tích khoáng vật - Trung tâm phản tích thí nghiệm Dia chất Cục địa chất Việt Nam.

- Cùng các thày,cô giáo cũng như toàn thể anh chị em trong Khoa Hoá trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.Trung tâm nghiên cứu Khoa học và triển khai công nghệ- Trường Cao đẳng Hoá chất - Phú Thọ,bạn bè và những người thân đã động viên giúp đố tôi hoàn thành bản luận án này. MỤC LỤC Trang Mở đầu l Chương I: Tổng quan lý thuyết. 2 L1: Cấu trúc SiO, .1: Các dạng tinh thể và quá trình biến hoá thù hình 2 [.2: Các dạng vô định hình.1: S¡iO; vô định hình không hoạt tính.2: SIO; vô định hình có hoạt tính.3: Các nguồn SiO, khác. 0 L2 : Các mỏ thạch anh ở Việt Nam và một số [nh vực ứng dụng.

9 L3: Giản đồ trạng thái hệ 2 cấu tử.1: Giản đồ trạng thái hệ 2 cau tu Na,O-SiO, .2: Gian d6 trạng thái hệ 2 cấu tử K;O-SIO:.3: Sự giống và khác nhau giữa 2 giản đồ. 14 L4: Ứng dụng của thuỷ tinh lỏng. 14 L5: Độc tính của bụi silic và vấn đề bảo vệ môi trường trong công nghệ sản xuất thuy tinh long.1: Ảnh hưởng của bụi silie đối với cơ thể.2: Vấn đề bảo vệ môi trường trong sản xuất thuỷ tinh lỏng. 19 Chương II: Đối tượng nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu N WN ILI: Đối tượng nghiên cứu.

wo WY IIL2: Cac phương pháp nghiên cứu. wm wo II.1: Phương pháp nhiều xạ tia X. GO we) II.1: Cơ sở của phương pháp.2: Phương pháp hoá học.1: Xác định hàm lượng SIÒ».2: Xác định hàm lượng Fe;O; ,AI2O„,MgO,CaO.3: Phuong phap xac dinh médul silic. Chuong IH: Phần nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.I: Điều tra về nguyên liệu.11: Giới thiệu nguồn cát Thạch Vĩnh-Thạch Hà-Hà Tĩnh IHH.2: Xác định thành phần cấp hạt.3: Xác định thành phần hoá học.1: Xác định hàm lượng SIÖ:.2:Xác định hàm lượng AlzO+-,FezOa ,MgO,CaO.1: Định lượng AI” ,Fe””.2: Định lượng Ca ”,Mg””.4: Thành phần pha.2: Nghiên cứu phản ứng giữa cát Thạch Vĩnh với cacbonat kiểm.1: Phản ứng giữa SiO» với cacbonat kiềm.1: Tính toán phối liệu.2: Khao sat chế độ nung.2: Khảo sát điều kiện hoà tan.1: - Quá trình hyđrat hoá silicat kiểm.

Ảnh hưởng của tý lệ lỏng/rắn tới quá trình hoà tan. Ảnh hưởng của kích thước hạt tới quá trình hoà tan 44 c. Ảnh hưởng của nhiệt độ tớí quá trình hoà tan.3: — Đánh giá chất lượng sản phẩm. Xác định môdul silc.

Xác định tỷ trọng. Màu sắc của sản phẩm. 50 Chương IV: Phần triển khai sản xuất.I: Sơ đồ công nghệ sản xuất.I: Điều kiện xây dựng cơ sở sản xuất.2: Cac chi tiéu kinh tế. 52 Kết luận 55 Tài liệu tham khảo.

56 Phụ trương. 59 MỞ ĐẦU Ở nước ta trong một vài năm lại đây đã có một số cơ sở sản xuất và sử dụng sản phẩm thuỷ tỉnh lỏng có môdul - silic thấp vào các ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp bột giặt tổng hợp,công nghệ giấy,tuyển nổi ,vật liệu xây dựng,làm chất xúc tác cho que hàn,vữa và bê tông chịu axít. Nhưng để sử dụng tốt sản phẩm của silicát kiểm vào trong các ngành như đã nêu ở trên,đặc biệt trong công nghệ giấy,vật liệu xây dựng,keo dán vô cơ thì cần phải sử dụng loại sản phẩm thuỷ tỉnh lỏng có môdul cao.Nguyên liệu để sản xuất silicat kiểm là SiO; và kiểm cacbonat.Trong đó SiO; là nguồn nguyên liệu mà nước ta có đồi dào với chất lượng và trữ lượng cao,được tập trung chủ yếu ở các vùng cửa sông cửa biển suốt từ Bắc vào Nam,đặc biệt là các tỉnh miền Trung. Để khai thác và sử dụng tài nguyên của đất nước một cách có hiệu quả.Đồng thời góp phần vào công tác khảo sát và nghiên cứu quá trình phản ứng giữa SIO; với hợp chất kiểm cacbonat.

Chúng tôi đề ra nhiệm vụ của luận án này như sau: - Xác định thành phần hoá,thành phần cấp hạt của vùng cát Thạch Vĩnh -Thạch Hà -Hà Tĩnh. - Nghiên cứu phản ứng giữa SiO; với kiểm cacbonát để sản xuất silicat kiểm dạng ran. - Nghiên cứu quá trình sản xuất silicát kiểm lỏng. - Xây dựng qui trình công nghệ sản xuất thuỷ tinh lỏng và hạch toán kinh tế cho một đơn vị sản phẩm.

t© CHUONG | TONG QUAN LY THUYET Silicat 14 hop chat gitta silicdioxit (SiO,) va 6xit kiém(M,O, M ở đây là Na hoặc K).Có 2 dạng sản phẩm của silicát kiểm : là dạng rắn ( dạng thuỷ tỉnh ) và dung dịch silicát kiềm trong nước ( thường gọi là thuỷ tình lỏng ). Nguyên liệu để sản xuất silicát kiểm gồm cát thạch anh ( SiO,) và cacbonat kiềm ( Na;COa hoặc K;CO2). Silicát kiểm rắn có cấu trúc như hình 1. ay ¿ œ-© > @ ¢ " OY :f or noe OL Wg 2 Dm we.

xg ĐA sự ( J re oH 5 Oo’ _ IO ( ) | * JL dl Z7 TT (0) O (IM) hy > € TS —Q q ¢ 7 9%; (} œ - CY ä (} Q - ca >> Đ fs (Ip Na(Hode kK) OO os Hinh 1.1 : C@u tric silicatnatri hodc Kali [. 1: Cấu trac SiO, [.1 : Các dạng tỉnh thể và quá trình biến hoá thù hinh [1.Quá trình biến hoá giữa các dạng đó được trình bay trong so dé 1.2 y Tridimit [ li 8 Thachanh BTridimit_ — BCristobalit || 573°c || 163% [| a5a° Oo md anh ——> q Tridimit —~« Cristobalit —+ndng chay 870°c 1470°c 1728°c 1050°c Hình1.2 : Sơ đô biến đổi thù hình Trong sơ đồ đó cho biết quá trình biến hoá thù hình từ thạch anh œ sang œ-triđimit và từ œ -triđimit sang œ-cristobalit là quá trình độc biến,còn quá trình biến hoá giữa các dạng thù hình của thạch anh, triđimit và của cristobalit là quá trình hổ biến. Khi làm lạnh nhanh dạng SiO; lỏng thì thu được chất rắn vô định hình thường gọi là thuỷ tính thạch anh. Tất cả các dạng thù hình của SiO; đều được cấu tạo bằng cách nối các tứ diện (Si0,)” .3 trình bày sự khác nhau giữa 3 dạng thù hình là thạch anh œ, triđimit œ và cristobalit œ.

ý B etTe 8 C\ a Ow, =p A x q“T pe | PX@ 04 \` ed ⁄ \ \e / \ AE / DS JJ 150 NNG+o pw \ D \ / 7 of ⁄_ J WW/ |\>~x // / /W\ \ ⁄ ` ÁN /⁄ \ / \ / © \ / e@ ` | % A ON XD A ss | „2E ie. te Cc B B ~B a- Thachanha, b- Cristobalit a. c- Triđimit œ Hình 1.3: So dé té hop hai tit dién SiO,” Sự khác nhau của các dạng thù hình thứ cấp œ, , y chỉ do mức độ khác nhau của góc liên kết Sĩ - O - Š¡,ví dụ đối với thạch anh œ, B, như trên hình 1. cvSi02 BSi02 Ot eo _ Oh 3) £ x h H on 8 / g—b_—ø—ầ—#ø—à \ / \ ` / \‘ / oo of “wf \ / N / \ d\ 3 / \ YH} ⁄ /\ fy \ ẤN @ “ \ ds pe 9 4 \ 2 \ © —®—®9—g—»—® \ \ # \ SN ⁄ YS D @ 9 6 ‘a rae / 0-6 eo Hình 1.4: sự phân bố tương hỗ các nguyên tử Si va O trong thạch anh.5[28] trình bày giản đồ trạng thái hệ một cấu tử SiO; Ap suat : (atm) | / | | | / | 3 / Ị | / Thach anh / 1500 _ | J | | | 1000 + 5 | | | | +3 Ị | /\ \ | Ss nA £ | \ = | « œ | \ 5 = 500+| || í “ÔN \\ 3¬ | = > | / & \ sô.5: Giản đồ trạng thái hé 1 cau tu SiO.

Truc hoanh cua gian d6 biéu thi nhiét do (°c) cdn truc tung 1a biéu thi áp suất (atm).Trên giản đồ này cho biết quá trình biến hoá giữa các dạng thù hình phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Sự biến hoá giữa thạch anh œ và B_ không phụ thuộc vào áp suất và đây là hai dạng bền vững nhất.Khu vực tồn tại của dạng triđimit œ bị giới hạn ở áp suất cao.Khi tăng áp suất lên khoảng 900 atm thì dạng thù hình triđimit mất hẳn,còn ở áp suất trên 1600 atm dạng cristobalit cũng không còn nữa. Kết quả nghiên cứu còn cho biết ở áp suất rất cao(20000-40000atm) Si0s còn có dạng thù hình gọi là côezIt và ở áp suất khoảng(90000- 120000 atm) S0; lại biến thành dạng thù hình ctisôvit.Sự khác nhau giữa các dạng thù hình đó được thể hiện ở giá trị tỷ trọng như ở bảng 1.1: Ty trọng của cdc dang thit hinh [28]. TT Các dạng thà hình Ty trong glcom dp sudt (atm).

l Tridimit 2,298 Z Cristdbalit 2,334 3 Thach anh 2,647 + Céezit 2,9 20000-40000 5 Ctisévit 4,28 90000- 120000 [.1: Thach anh: Thạch anh có hai dạng thù hình: œ-thạch anh và B-thạch anh. * œ-Thạch anh : ổn định trong khoảng nhiệt độ tir 573-870°c,6 nhiệt độ 870c với sự có mặt của chất khoáng hoá mạnh(như các vonframat Na,w0, ,K,W0, ,Li;WO0,.)thì œ-thạch anh chuyển hoá rất chậm thành œơ-triđimit .Nếu không có mặt chất khoáng hoá khi đốt nóng đến 1050fc_ thì œ -thạch anh sẽ chuyển hoá thành œ-cristobalit cham qua pha trung gian métacristobalit. * 8-Thach anh: Thuong gap trong tự nhiên on định ở nhiệt độ thường,khi nung nóng đến nhiệt độ 573”c thì -thạch anh sẽ chuyển thành œ -thạch anh.Trong trường hợp thạch anh co chtta Li’ Na’, K”. nhiệt độ biến đổi thù hình có thể hạ xuống 536.

Nguyên nhân cua sự thay đối đó là do các ion trên tham gia vào việc tạo thành dung dịch rắn làm thay đổi các thông số mạng lưới tỉnh thể.2: Tridimit: Tridimit co 3 dạng thù hình : œ -triđimit, B -triđimit va y -tridimit * œ-Triđimit: Ổn định ở nhiệt độ 870 - 1470c.Khi nung nóng trên 1470c œ- triđimit sẽ chuyển thành œ-cristobalit.Nếu nung nóng đến 1670c nó chuyển thành thuỷ tỉnh thạch anh.