Luận án: Nghiên cứu công nghệ sản xuất bột TiO2 làm chất xúc tác quang hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HO CHI MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA HOANG MINH NAM NGHIÊN CUU CONG NGHé SảN XUẤT BOT TiO, DE UNG DUNG LAM CHAT XUC TAC QUANG HOA LUẬN AN TIEN SĨ KY THUAT TP. HO CHI MINH NAM 2015 ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG MINH NAM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHé SảN XUẤT BOT TiO, DE UNG DUNG LAM CHAT XÚC TÁC QUANG HÓA Chuyên ngành: Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa hoc Mã số chuyên ngành: 62527710 i Phản biện độc lập I:GS.

Pham văn Thiêm Phản biện độc lập 2: PGS. Nguyễn Đình Thành Phản biện 1: GS. Nguyễn Minh Tuyền Phản biện 2: PGS. Thái Bá Cầu Phản biện 3: PGS.

Lê Thị Kim Phụng NGƯỜI HUONG DAN KHOA HỌC 1. PHAN DINH TUAN 2. NGO MANH THANG LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép tr bất kỳ một nguồn nào và đưới bat kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ky Hoàng Minh Nam TÓM TAT LUẬN AN TiO, có ứng dụng to lớn trong rất nhiễu ngành công nghiệp va trong đời sống. TiO, có thể sử dụng làm bột màu trong công ngỆ sản xuất sơn, nhựa, cao su, mỹ phẩm. TiO, nano có thé sử dụng làm chất xúc tác quang hóa, làm chất phủ kháng khuẩn trên bề mặt gốm, sứ, thuỷ tinh,v.

Mặc dù có trữ lượng nguyên liệu rất lớn, hiện nay sản phẩm TiO, sử dụng trong nước đều phải nhập khẩu hoàn toàn. Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo bột TiO, là van dé có ý nghĩa khoa học và kinh tế. Công trình Luin án này nhằm mục đích nghiên cứu công nghệ chế tạo bột TiO ; từ nguyên liệu đầu TiCl, sản xuất theo phương pháp clo hóa. Dé có thể nghiên cứu phan ứng tạo TiO, vốn rất phức tạp do có sự tham gia của nhiều cấu tử, nhiều pha, đồng thời chịu ảnh hưởng đồng thời của các quá trình khuếch tán, tạo mầm, va cham, sự lớn lên của tinh thé, sự kết tụ của các hat, các thông số công nghệ như nhiệt do, áp suất, thời gian luu,.

một mô hình toán học trên co sở định luật bảo toàn dòng Damkoehler áp dụng cho hệ dị thể nhiều pha, nhiều cấu tử đã được thiết lập. Việc giải mô hình được thực hiện bằng phương pháp Runge-Kutta- Fehlberg trên cơ sở Matlab. Nhờ mô hình này, các thông § cong nghé nhu nông độ chất phản ứng, nhiệt do, thời gian lưu đã được khảo sát và xác định ảnh hưởng của chúng đến kích thước hạt TiO, tạo thành. Trên cơ sở các nghiên cứu mô hình, thực nghiệm chế tạo bột TiO, đã được thực hiện trong thết bi phản ứng dạng day.

Kết quả thực nghiệm được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ Rentgen (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng dé kiểm tra sự tương hợp, đồng thời đánh giá thông số và hiệu chỉnh mô hình. Kết quả nghiên cứu cho thay mô hình được hiệu chỉnh đã mô tả tương đối tốt động học trong dòng, đồng thời giúp hoàn thiên cơ chế các quá trình xảy ra trong thiết bị. Hat TiO, nano đã được sử dụng dé thử nghiệm xử lý khí thải chứa các chất hữu cơ dé bay hơi benzen, toluen, xylen (BTX) như một ứng dụng cụ thể. Kết quả xử lý BTX cho thay TiO, nano chế tao được có thé sử dụng hiệu quả lam chất xúc tác quang hóa, đồng thời khăng định các kết quả mô hình hoá là rất tương hợp.

1 Các nghiên cứu về công nghệ sản xuất TiO; từ TiCl, đã góp phan vào những cé gắng của các nhà nghiên cứu trong nước nhăm xây dựng một công nghệ có tính khả thi để chế biến sâu quặng titan từ sa khoáng ven biến Việt Nam theo hướng clo hóa. 11 ABSTRACT TiO, has wide applications in many fields of industries and in normal life. TiO, can be used as a pigment in paint production technology, plastics, rubber, cosmetics. nano can be used as photochemical catalysts, antimicrobial coatings on the surface of ceramic, porcelain, glass, etc.

Although there are huge reserves of raw materials, the whole TiO, powder as domestic uses are imported completely. The study on TiO. powder production technology is therefore a significant issue both in scientific and economic meanings as well. This doctoral thesis aims at studying the technology of TiO, powder production from TiCl, as raw material produced by the chlorination method.

In order to study the reaction which are basically very complicated involving multiple constituents of many phases, and at the same time, influenced by the diffusion process, nucleation, collision, the growth of crystals, aggregation of particles, by the process parameters such as temperature, pressure, residence time,. a mathematical model based on the Damkoehler’s conservation law for heterogeneous multi-phase and multi-component systems, has been established. The solution has been found by means of Runge-Kutta- Fehlberg method on the Matlab’s basis. Thanks to this model, the technological parameters as reactant concentrations, temperature, retention time was examined and hence their impact on TiO; particle size has been computed.

Based on the modeling computations, the experimental production of TiO, powder was catried out in a in plug-flow-type reactor. The experimental results were examined by methods of Rentgen Diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), to check the compatibility, and evaluate parameters of the model. Research results show that the model has rather well described the real kinematics, and help to better understand the mechanism of te whole processes. TiO, nano particles have been used to treate the contaminated exhaust air containing volatile organic compounds of benzene, toluene, xylene (BTX) as a specific application.

BTX treatment results showed that the TiO, nano particles can be effectively used as photochemical catalysts. IV Studies on TiO, production technology from TICl¿ have contributed to the efforts of researchers to build up a feasible technology for deeper processing of Vietnamese beach-sand mineral titanium ore by chlorination method. LỜI CÁM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. Phan Đình Tuấn và PGS.

Ngô Mạnh Thắng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo mọi điều kiện làm việc trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu, thực hiện luận án này ở Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP. Tôi cũng xin bay 6 lòng cảm ơn đến các cựu sinh viên của tôi, đặc biệt là ThS. Lê Xuân Mẫn, KS. Hà Vi Huynh cùng các đồng nghiệp ở các phòng thí nghệm thuộc viện Công nghệ Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu - Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.

HCM về những hỗ trợ trang thiết bi, va đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành công trình này. Xin cảm ơn quý thầy cô, bạn bè trong Bộ môn Quá trình và Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa đã liên tục động viên tôi hoàn thành luận án. Xin được bày tỏ lòng biệt ơn sâu sac đên gia đình đã luôn chia sẻ va động viên đê tôi có đủ nghị lực vượt qua khó khăn và hoàn thành bản luận án. Mái MụC LụC DANH MUC HINH 057.

xi DANH MỤC CÁC TỪ VIET TẮTT.1 crcee xii CHƯƠNG 1: TONG QUAN .1 TiO, và ứng dụng trong công NGHIEP «00.1 Tinh chất ly hóa chung của titan .2 Một số hợp chất của tÏfa1n. -á- tt Tan 113111111118 111 11111511111 151 111115111515 Eererd 3 1.3 Chất xúc tác quang TiO, va TiO, nanO.4 Phản ứng tong hợp TiO, nhằm tạo ra sản phẩm có đặc tính kỹ thuật mong muốn ¬—.5 Phương pháp nghiên cứu phản ứng tong hợp TiO, từ TiC¿.--5- 5-52: 25 CHUONG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU .1 Phuong pháp xây dựng thuật toán va phát triển chương trình mô phỏng nghiên cứu 001181515010158i1)9081907 2200078757.1 Xây dựng thuật toán .2 Xây dưng chương trình mô phỏng .3 Nghiên cứu quá trình bang mô hình toán .2 Nghiên cứu công nghệ sản xuất TiO, nano làm chất xúc tác quang hóa.3 Các phương pháp phân tích tính chất sản phẩm .1 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEEM).2 Nhiễu xạ tia X (XRÑD). -G G1 n1 TH HT TT HH TT ngư 42 2.3 Diện tích bề mặt riêng (B.--- SE E391 8E E1 xe rkrkrkred 42 CHƯƠNG 3: KET QUÁ VÀ THẢO LUẬN .1 Xây dựng chương trình mô phỏng và nghiên cứu phản ứng tạo hạt T1O;.1 Xây dựng thuật toán m6 phỏng .2 Nghiên cứu quá trình bang mô hình toán học .- - - - +cc+EeE£x£ezxzxzxexexd 47 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm phản ứng sản xuất TiO, nano dé kiểm chứng và cải tiễn mô hình toán hOC.1 Thiết bị va quy trình công ng hỆ. - + + SE ‡EE#E#E£EEESESEEEEErkrkrkrkekred 52 Vii 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng, .3 Anh hưởng của tỷ lệ mol H;(O/TÍC Ì¡,.4 Ảnh hưởng của nồng độ TC /,.-- + + se sSxSESE SE +k‡E#EEE#ESESESEEkEkrkrkrkreekred 70 3.5 Anh hưởng của thời gian lưu va sự kết tỤ.3 Nghiên cứu ứng dụng bột TiO, nano lam chất xúc tác quang hóa .1 Xử lý các hợp chất hữu co dé bay hơi (VOC)).

tt SE EHggg re eekg 74 3.2 Khảo sát kha năng xử lý của TiO, với từng cấu tửỬ.------c-cscsrrxskrxckeeexeed 76 CHƯƠNG 4: KET LUẬN. - - - 111115 5E SH T11 11x Trời 82 TÀI LIEU THAM KHẢOO. - - SE E989 9E E931 E1 xxx 84 DANH MỤC CÔNG TRÌNH DA CÔNG BÔ.--- St Hggxgrerrekereg 90 PHU LUC 2 91 vill DANH MỤC HINH Hình 1.1 Các dang thù hình của tIfaï\.-- 011111131 111111111180 11111 ng 11 re 2 Hình 1.2 Cac dạng thù hình của titan đIOXIẨ.-- 5 2211111111 111111 1xx rre 6 Hình 1.3 Quy trình xử lý làm giàu quặng ilmenite .-- << 55s ss+ssssseeeeess 15 Hình 1.4 Chu trình sulfate .-- 2 1011133333111 11 111118 11111111 11g 11 ng ng re 18 Hinh 1.5 Chu trinh clo 0a we.6 Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất TiO, vce sseseseesesesesestsecscessssssvevens 26 Hình 1.7 Phản ứng tạo mâẫim. (+ St S339 E1 EE9E9E9EEE1 11111111111 nEErree 29 Hình 1.8 Quá trình KẾT f.--- SE SE v S911 11115113 111111111 nen rreg 29 Hình 1.9 Quá trình phát triển bé mặt .--¿- + + +E+k+E+E#EEEE+E£EEESEEEEEEEEeEererkrkrsee 30 Hình 1.10 Quá trình nung KẾT.

- - s33 E919 SE SE gxcưcư cv ng grrreg 30 Hình 1.11 Các bước trong quá trình hình thành hạt nano .12 Phân bố kích thước hạt.-c¿-55c5ct2cxt2Exterxtrrrsrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrk 33 Hình 3.1 Sơ đồ quá trình mô phỏng,. ¿6k EE#E+E#ESESESEEEEEEEEEEEekekekereerreree 46 Hình 3.2 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình .3 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của nồng độ TiCl, độ lên quá trình.4 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của áp suất lên quá trình .5 Đồ thị so sánh ảnh hưởng của thời gian lưu lên quá trình.6 Bộ phận nhập liệu TC Ì¿,.7 Bộ phan thu hồi san pham _——.8 Hệ thống thiết bị phản ứng oo.9 Tháp đệm thu hồi sản phẩm và tháp đệm làm sạch khí thải.10 Quy trình công nghe .11 Huyền phù TiO, trong nưƯỚC.