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 không tuân theo ñịnh luật tác dụng khối lượng, bậc của chúng không bằng tổng các hệ số phân tử trong phương trình phản ứng. Bậc phản ứng của chúng có thể là một số nguyên, một phân số hay có khi là không xác ñịnh. Phản ứng: S2O82- + 2I- → 2SO42- + I2 v = k[S2O82-][I-] (1.5) Phản ứng: CO + Cl2 → COCl2 v = k[CO][Cl2]3/2 (1.6) 13 Bậc phản ứng là một ñại lượng thực nghiệm. Trong trường hợp tổng quát ñối với phản ứng: aA + bB + cC + …→ sản phẩm Phương trình tốc ñộ phản ứng ñược biểu diễn bằng : v = k[A]p [B]q [C]r… (1.7) Trong ñó p, q, r,…ñược gọi là bậc phản ứng riêng ñối với các chất A, B, C…tương ứng, còn bậc phản ứng chung của phản ứng thì bằng tổng các bậc phản ứng riêng của tất cả các chất. n = p + q + r +… (1.8) ðể xác ñịnh bậc của phản ứng riêng ñối với một chất nào ñó, người ta nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nồng ñộ chất ñó khi nồng ñộ của các chất còn lại là dư và rất lớn, ñể cho trong quá trình phản ứng nồng ñộ của nó thay ñổi không ñáng kể, và do ñó không ảnh hưởng ñến tốc ñộ phản ứng. Trong ñiều kiện ñó tốc ñộ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng ñộ của chất ñược chọn. Sự kiện ñó cho thấy rằng phản ứng hóa học không phải xảy ra bằng cách va chạm ñồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng. Sự va chạm ñồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng chỉ xảy ra trong các phân tử ñơn giản, trong ñó chỉ có 1, 2 hoặc 3 phân tử tham gia và chỉ xảy ra sự thay ñổi (bứt ñứt và tạo thành) một số liên kết. ðối với các phản ứng phức tạp (có nhiều phân tử tham gia, phá vỡ và tạo thành nhiều liên kết) người ta cho rằng chúng phải xảy ra nhiều giai ñoạn cơ sở, trong những giai ñoạn này chỉ xảy ra va chạm của 1, 2 hoặc 3 phân tử. Về mặt xác suất dễ dàng thấy rằng sự va chạm của 2 phân tử có xác suất ñáng kể, sự va chạm ñồng thời của 3 phân tử có xác suất bé hơn nhiều và xác suất của sự va chạm ñồng thời của 4 phân tử là vô cùng bé. Do ñó có thể nói rằng sự kiện 4 hay hơn 4 phân tử va chạm ñồng thời ñể xảy ra phản ứng hóa học là không thể có ñược. Chẳng hạn trong phản ứng : 14 Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O Không thể có sự va chạm ñồng thời của 21 phân tử ñể xảy ra phản ứng. Từ ñó thấy rằng quan ñiểm về sự tiến hành theo giai ñoạn của các phản ứng phức tạp là hoàn toàn hợp lí, và người ta gọi số phân tử tham gia vào một giai ñoạn cơ sở là phân tử số của nó. 1.3.2.2. Thời gian: Thời gian không ảnh hưởng nhiều ñến tốc ñộ phản ứng nhưng nó là một trong những yếu tố quan trọng quyết ñịnh tới hiệu suất của các quá trình phản ứng. Nếu thời gian ngắn, hiệu suất sẽ thấp và ngược lại. Tuy nhiên, nếu kéo dài quá thời gian tối ưu thì sẽ mất thời gian nhưng hiệu suất không tăng ñược bao nhiêu. Kết quả của một số nghiên cứu cho thấy, thời gian càng lâu thì hiệu suất càng cao. Ở thời gian tối ưu thì hiệu suất phản ứng là cao nhất. Ở ñề tài này, quá trình chiết alkoxit oxit silic bằng dung dịch NaOH xảy ra chậm và khó khăn, do ñó thời gian ñun rất nhiều ảnh hưởng ñến quá trình này. Thời gian ñun càng lâu thì hiệu suất của quá trình thu hồi càng cao. 1.4. Phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC: (Thermogravimetry-Differental Scanning Calorimetry) ñược thực hiện trên máy Labsys TG/DSC SETARAM. Phân tích nhiệt là nhóm các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu bằng cách theo dõi sự thay ñổi các tính chất của mẫu ño theo sự thay ñổi của nhiệt ñộ tác ñộng lên mẫu ñã ñược chương trình hoá trong một môi trường cụ thể. Khi cung cấp nhiệt năng thì làm cho enthalpy và nhiệt ñộ của mẫu tăng lên một giá trị xác ñịnh tuỳ thuộc vào nhiệt lượng cung cấp và nhiệt dung của mẫu. Ở trạng thái vật lý bình thường, nhiệt dung của mẫu biến ñổi chậm theo nhiệt ñộ nhưng khi trạng thái của mẫu thay ñổi thì sự biến ñổi này bị gián ñoạn. Khi mẫu ñược cung cấp nhiệt năng thì các quá trình vật lí và hoá học có thể xảy ra như sự nóng chảy hoặc phân huỷ ñi kèm với sự biến ñổi enthalpy, kích thước hạt, khối 15 lượng, tính chất từ,…Các quá trình biến ñổi này có thể ghi nhận bằng phương pháp phân tích nhiệt. Phép phân tích nhiệt bao gồm một phạm vi rộng các phương pháp khác nhau. Trong bài khóa luận này chúng tôi chỉ sử dụng phương pháp TG (Thermo gravimetry) ño sự biến ñổi khối lượng khi quét nhiệt và phép phân tích nhiệt vi sai quét (Differental Scanning Calorimetry) xác ñịnh sự biến ñổi của dòng nhiệt truyền qua mẫu và so sánh theo thời gian khi chúng chịu tác dụng dưới cùng một chương trình nhiệt ñộ. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC (Thermogravimetry-Differental Scanning Calorimetry) ñược thực hiện trên máy Labsys TG/DSC SETARAM [1, 4, 5, 8]. 1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction: XRD) Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể ñược xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố ñều ñặn trong không gian theo một trật tự nhất ñịnh. Khi chùm tia X tới bề mặt và ñi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này ñóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ ñặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ [1, 4, 5, 8]. Bước sóng của chùm tia Rơnghen, góc phản xạ và khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song liên hệ với nhau qua phương trìnhVuff-Bragg: 2dhkl.sinθ = nλ (1.13) Trong ñó: λ : Bước sóng của chùm tia Rơnghen, ñơn vị: m d : Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, ñơn vị: m Hình 1.5: Sơ ñồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể d θ 16 θ : Góc phản xạ, ñơn vị: radian n : Là số nguyên ñược gọi là bậc nhiễu xạ. Phương trình Vulf- Bragg là phương trình cơ bản ñể nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Căn cứ vào cực ñại nhiễu xạ trên giản ñồ (giá trị 2θ), có thể suy ra d theo công thức (1.13). So sánh giá trị d vừa tìm ñược với giá trị d chuẩn sẽ xác ñịnh ñược thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Phương pháp này ñược sử dụng rộng rãi ñể nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu. Từ hệ thức Vulf- Bragg có thể nhận thấy rằng, góc phản xạ tỉ lệ nghịch với dkhông gian hay khoảng cách giữa hai nút mạng, nên ñối với vật liệu vi tinh thể khoảng cách giữa hai lớp nhỏ hơn 20 ο Α , nên góc quét 2θ thường lớn hơn 5 ñộ. Tuy nhiên, ñối với sản phẩm SiO2 thu ñược có kích thước lớn hơn 20 ο Α , nên nhiễu xạ xuất hiện ở góc quét 2θ bé hơn 5 ñộ. Trong bài khóa luận này các mẫu ñược ño trên máy D8 Advance, Brucker với tia phát xạ CuKα có bước sóng λ = 1,5406 ο Α , công suất 40 kV, 40 mA. Góc quét từ 0,5 ñến 10 ñộ ñối với góc nhỏ, từ 5 ñến 60 ñộ so với góc lớn. 17 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc 2.1.1. Hóa chất Dung dịch axit HCl ñặc (36 %, d = 1,18 g/l) Natri hidroxit (NaOH) rắn Vỏ trấu lấy ở huyện Tam Nông, tỉnh ðồng Tháp. 2.1.2. Dụng cụ Tên dụng cụ Cốc 250 ml và 500 ml Ống ñong Phễu lọc Pipet Buret Giấy pH Giấy lọc ðũa thủy tinh Chén nung Bình ñịnh mức 250 và 500 ml 2.1.3. Máy móc Máy ñiều nhiệt của ðức. Lò sấy Cân phân tích Trung Quốc Lò nung của công ty cổ phần ñiện tử chuyên dụng Hanel (Haneljpeco). 2.2. Thực nghiệm 2.2.1. Cách pha chế hóa chất 2.2.1.1. Pha chế dung dịch chuẩn NaOH: a) Dung dịch NaOH 6,0M 18 Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 6,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.2) ⇒ m = CM .V.M = 6,0.0,25.40 = 60 (g) Trong ñó: n: Số mol, ñơn vị: mol V: Thể tích, ñơn vị: lít M: Khối lượng nguyên tử, ñơn vị: gam m: Khối lượng, ñơn vị: gam Cách pha chế: Cân chính xác 60g NaOH rắn, cho vào cốc, thêm một ít nước khuấy cho tan, ñể yên khoảng 5 phút cho nguội. Sau ñó cho vào bình ñịnh mức 250ml, thêm từ từ nước ñến vạch ñịnh mức, vừa cho vừa lắc ñều ñến khi thấy dung dịch trong bình ñồng nhất. b) Dung dịch NaOH 5,5M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 5,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.3) ⇒ m = CM .V.M = 5,5.0,25.40 = 55 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. c) Dung dịch NaOH 5,0 M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 5,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: 19 Ta có: n = CM.V = M m (2.4) ⇒ m = CM .V.M = 5,0.0,25.40 = 50 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. d) Dung dịch NaOH 4.5M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 4,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.5) ⇒ m = CM .V.M = 4,5.0,25.40 = 45 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. e) Dung dịch NaOH 4,0M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 4,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.6) ⇒ m = CM .V.M = 4,0.0,25.40 = 40 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. f)Dung dịch NaOH 3,5M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 3,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: 20 n = CM.V = M m (2.7) ⇒ m = CM .V.M = 3,5.0,25.40 = 35 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. g) Dung dịch NaOH 3,0M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 3,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.8) ⇒ m = CM .V.M = 3,0.0,25.40 = 30 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. h) Dung dịch NaOH 2,5M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 2,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.9) ⇒ m = CM .V.M = 2,5.0,25.40 = 25 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. i) Dung dịch NaOH 2,0M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 2,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.10) 21 ⇒ m = CM .V.M = 2,0.0,25.40 = 20 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. j) Dung dịch NaOH 1,5M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 1,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.11) ⇒ m = CM .V.M = 1,5.0,25.40 = 15 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. k) Dung dịch NaOH 1,0M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 1,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.12) ⇒ m = CM .V.M = 1,0.0,25.40 = 10 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. l) Dung dịch NaOH 0,5M Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 0,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = M m (2.13) ⇒ m = CM .V.M = 0,5.0,25.40 = 5,0 (g) Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M. 22 2.1.1.2. Pha chế dung dịch chuẩn HCl : Pha chế 250 ml dung dịch HCl 3,0M từ HCl ñặc (36 %, d = 1,18 g/l) thì lượng HCl cần dùng là: Ta có: ñM(HCl ) C%.10.D 36.10.1,18C 11,64M M 36,5 = = = ñ ñ M(HCl3M) ( HCl3M) (HCl ) M(HCl ) C .V 3.0,25V 0,0644(l) 64,4ml C 11,64 ⇒ = = = = Trong ñó: CM : Nồng ñộ mo/l C % : Nồng ñộ phần trăm D : Khối lượng riêng, ñơn vị: gam/l Cách pha chế: Dùng pipet lấy chính xác 64,4 ml dung dịch HCl ñặc cho vào bình ñịnh mức 250 ml ñã có sẵn một ít nước, lắc nhẹ, thêm từ từ nước vào bình ñến vạch ñịnh mức, vừa thêm vừa lắc nhẹ ñến khi thấy dung dịch trong bình ñồng nhất. * Pha chế các dung dịch HCl tương ứng cùng nồng ñộ với các dung dịch NaOH, cách tính toán và thao tác tương tự như trên. 2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu Trong vỏ trấu, bên cạnh thành phần chính là xenlulô và ligin thì nó chứa một hàm lượng ñáng kể các oxit kim loại. Bảng 2.1 dưới ñây trình bày thành phần hoá học của vỏ trấu gạo dùng trong khóa luận này. Có thể thấy rằng thành phần của các oxit chỉ chiếm khoảng 9,92%, trong khi ñó một lượng lớn chất hữu cơ chiếm ñến 90,08 %. Trong thành phần các oxit kim loại thì SiO2 chiếm 99,17% về khối lượng. 23 Bảng 2.1: Thành phần các oxit trong vỏ trấu Hợp chất SiO2 Fe2O3 CaO MgO MnO2 Na2O K2O % khối lượng 9,838 0,020 0,002 0,003 0,007 0,020 0,030 Như vậy, theo kết quả phân tích nguyên tố thì hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu gạo ñang nghiên cứu tương ñối thấp, chỉ chiếm 9,838%. Trong khi ñó, hàm lượng SiO2 ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu ñến 20% . ðiều này có thể ñược giải thích là ở các ñiều kiện thổ nhưỡng khác nhau, các giống lúa khác nhau có ảnh hưởng rất lớn ñến hàm lượng các nguyên tố chứa trong vỏ trấu. 2.3. Quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 2.3.1. Quy trình thu hồi SiO2 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. ðốt trong lò trấu ở ñịa phương thường dùng ñể ñun nấu (lò ñược làm sạch kỹ tránh tạp chất trước khi ñốt). Trấu cháy hoàn toàn thành tro. Bảo quản tro trong lọ kín tránh tiếp xúc với hơi nước. 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). 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). 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. 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 24 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−. 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. Quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu có thể ñược hình dung theo sơ ñồ sau: Hình 2.1: Sơ ñồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu Cuối cùng, ñem sản phẩm thu ñược cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất chiết theo công thức: o m mH% .100 .100 m 17,04 = = (2.8) Hỗn hợp dạng Gel Rửa sạch bằng nước cất, lọc SiO2.nH2O SiO2 Sấy ở 1000C và nung ở 5500C Trấu Tro Dung dịch 1 250 ml NaOH Dung dịch 2 Dung dịch 3 Dung dịch 4 Axit HCl 2M Rữa sạch, phơi khô, ñun kĩ Tiến hành ñun cách thủy và lọc Lọc Than hoạt tính 25 Trong ñó: m : là khối lượng SiO2 thu ñược. mo : là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết. 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. 2.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ðể nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình ñã trình bày ở mục 2.3.1. Ở ñây ta cố ñịnh nhiệt ñộ ở 100oC và thời gian là 4h, khảo sát các nồng ñộ NaOH ở các nồng ñộ: 0,5M; 1,0M; 1,5M; 2,0M; 2,5M; 3,0M; 3,5M; 4,0M; 4,5M; 5,0M; 5,5M; 6,0M. Từ ñó ñưa ra ñược nồng ñộ NaOH tối ưu. 2.3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ðể nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình ñã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố ñịnh nồng ñộ NaOH ở nồng ñộ bất kỳ mà ở ñó thu ñược SiO2. Ta không nhất thiết phải dùng nồng ñộ NaOH ở nồng ñộ tối ưu vì ở ñây ta chỉ khảo sát thời gian sao cho ở nồng ñộ ñó hiệu suất thu hồi cao và có hiệu quả kinh tế nhất. Ngoài ra cũng ñể tiết kiệm hóa chất, ít nguy hiểm. Ở ñây chúng tôi cố ñịnh nồng ñộ ở 2,0M. Cố ñịnh nhiệt ñộ ñun là 100oC. Tiến hành thí nghiệm trong thời gian: 2,0h; 2,5h; 3,0h; 3,5h; 4,0h; 4,5h; 5,0h. Từ ñó ñưa ra ñược thời gian tối ưu. 26 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. ðặc trưng tính chất của sản phẩm: 3.1.1. Phân tích nhiệt vi sai: Thông thường, ñể tách SiO2 từ vỏ trấu có thể ñi từ 2 phương pháp. Thứ nhất là tách trực tiếp từ vỏ trấu, thứ hai là tách SiO2 từ tro trấu. Do ñó, nghiên cứu sự thay ñổi hành vi nhiệt của vỏ trấu khi nhiệt ñộ thay ñổi là cần thiết. Kết quả phân tích nhiệt vỏ trấu ñược thể hiện ở hình 3.1. Trên giản ñồ DSC ta quan sát ñược hai pic ở 840C thu nhiệt, 3230C toả nhiệt và một pic tỏa nhiệt có hình dạng tù từ 350oC ñến 500oC tương ứng với ba giai ñoạn mất khối lượng trên giản ñồ TG là 12,4%, 27,0% và 54,3%. Sự mất khối lượng ở giai ñoạn thứ nhất kèm theo quá trình thu nhiệt (∆H > 0). Có thể ñược giải thích là do quá trình mất nước có trong vỏ trấu. ðây là quá trình hoá hơi của nước nên cần cung cấp nhiệt lượng, do vậy ∆H > 0. Giai ñoạn mất khối lượng thứ hai ở nhiệt ñộ 3230C là kết quả của quá trình cháy phân huỷ các chất hữu cơ khi cháy các chất hữu cơ tỏa ra nhiều nhiệt (∆H > 0) kèm theo sự mất khối lượng do tạo thành CO2 và hơi nước bay ra. Giai ñoạn thứ ba, pic toả nhiệt có hình dạng tù ở ñây có thể là do sự cháy các chất hữu cơ có nhiệt ñộ cháy khác nhau. Mỗi chất hữu cơ có một nhiệt ñộ cháy khác nhau, pic toả nhịêt kèm theo sự hụt khối lượng. Khi các chất có nhiệt ñộ cháy xấp xỉ nhau, chúng gộp lại thành một pic tù, không ñặc trưng nhưng ñại diện cho tất cả các chất hữu cơ bị cháy trong khoảng nhiệt ñộ ñó. Quá trình mất khối lượng xảy hoàn toàn khi nhiệt ñộ gần ñến 5500C. Khi ñó các chất hữu cơ cháy hết, không còn hiện tượng mất khối lượng. Thành phần chỉ còn SiO2 . 27 3.1.2. Phân tích thành phần tro trấu Trong vỏ trấu, bên cạnh thành phần chính là xenlulô và lignin thì nó chứa một hàm lượng ñáng kể các oxit kim loại. Bảng 2.1 dưới ñây trình bày thành phần hoá học của vỏ trấu gạo dùng trong khóa luận này. Có thể thấy rằng thành phần của các oxit chỉ chiếm khoảng 9,92%, trong khi ñó một lượng lớn chất hữu cơ chiếm ñến 90,08 %. Trong thành phần các oxit kim loại thì SiO2 chiếm 99,17% về khối lượng. Như vậy, theo kết quả phân tích nguyên tố thì hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu gạo ñang nghiên cứu tương ñối thấp, chỉ chiếm 9,838%. Trong khi ñó, hàm lượng SiO2 ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu ñến 20% . ðiều này có thể ñược giải thích là ở các ñiều kiện thổ nhưỡng khác nhau, các giống lúa khác nhau có ảnh hưởng rất lớn ñến hàm lượng các nguyên tố chứa trong vỏ trấu. Bảng 3.1: Thành phần các oxit trong vỏ trấu Hợp chất SiO2 Fe2O3 CaO MgO MnO2 Na2O K2O % khối lượng 9,838 0,020 0,002 0,003 0,007 0,020 0,030 Hình 3.1: Giản ñồ phân tích nhiệt trấu 0 1 00 200 300 4 00 500 600 70 0 800 900 -100 -80 -60 -40 -20 0 TG DSC NhiÖt ®é ( 0 C) 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 28 Vỏ trấu sau khi rửa sạch và phơi thật khô, ñem ñốt cho cháy hết các chất hữu cơ, ñem phân tích ta thu ñược thành phần hóa học của tro trấu như sau: Bảng 3.2: Thành phần hóa học của tro trấu Chất hữu cơ cháy (%) Tro (%) 88 12 SiO2 Al2O3 K2O CCK Thành phần của tro 85,2 2,1 1,5 1,2 Từ hình 3.2 ta thấy rằng, trấu sau khi bị ñốt kĩ thành tro thì thành phần của chất hữu cơ bị cháy chiếm 88 %, SiO2 và các chất khác chiếm 12 % còn lại, ñặc biệt là trong tro, SiO2 chiếm ñến 85,2 %, tức là lớn hơn rất nhiều so với trong vỏ trấu, do vậy tôi mới quyết ñịnh chọn phương pháp thu hồi SiO2 từ tro trấu. 3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 3.2: Giản ñồ XRD của SiO2 chiết từ vỏ trấu Từ giản ñồ XRD (hình 3.2) ta thấy chỉ có một pic xuất hiện ở 2θ bằng 220 nhưng cường ñộ rất thấp (<100cps) nên có thể cho rằng SiO2 chiết suất từ vỏ trấu là 29 vô ñịnh hình. Thực tế cho thấy SiO2 tổng hợp từ trấu mềm và có ñộ xốp cao, hút ẩm tốt. ðây là dạng SiO2 có hoạt tính cao nên thuận lợi cho quá trình tổng hợp vật liệu MQTB. 3.2. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH dến quá trình tổng hợp SiO2 từ tro trấu ðể nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình ñã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố ñịnh nhiệt ñộ ñun ở 1000C và thời gian ñun là 4,0h, thay ñổi nồng ñộ NaOH từ 0,5M ñến 6,0M. Sau quá trình làm thực nghiệm thu ñược kết quả như sau: Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến hiệu suất thu hồi SiO2 Khối lượng tro (g) Nồng ñộ NaOH (mol/l) Khối lượng SiO2 thu ñược (g) Khối lượng SiO2 theo lý thuyết (g) Hiệu suất (H %) 20 0,5 0 17,04 0 20 1,0 8,954 17,04 52,55 20 1,5 9,944 17,04 58,36 20 2,0 12,265 17,04 71,98 20 2,5 12,342 17,04 72,43 20 3,0 12,930 17,04 75,88 20 3,5 13,430 17,04 78,81 20 4,0 14,694 17,04 86,23 20 4,5 15,642 17,04 91,80 20 5,0 16,329 17,04 95,83 20 5,5 16,133 17,04 94,68 20 6,0 16,375 17,04 96,10 30 Sự ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình thu hồi SiO2 có thể ñược biểu diễn trên hình 3.3 Hình 3.3 Sự ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến hiệu suất thu hồi SiO2 * Nhận xét: Từ hình 3.3 ta thấy, khi nồng ñộ NaOH tăng thì hiệu suất tăng, khi nồng ñộ NaOH là 0,5M thì ta không thu ñược SiO2, hiệu suất bằng 0, khi tăng nồng ñộ NaOH từ 1,0M ñến 5,0M thì hiệu suất tăng lên ñáng kể (từ 52,55% tăng lên 95,83%). Khi tiếp tục tăng nồng ñộ của NaOH lên từ 5,0M ñến 6,0M thì hiệu suất ñạt cực ñại và thay ñổi không ñáng kể. Như vậy, với dung dịch NaOH 5,0M ta ñã có thể thu ñược SiO2 với hiệu suất tối ưu. Bên cạnh ñó, trong quá trình ñiều chế, do phải tách SiO2 dưới dạng dung dịch keo nên nồng nộ NaOH ban ñầu có ảnh hưởng rất lớn ñến khả năng lọc, dung dịch NaOH có nồng ñộ càng nhỏ thì quá trình tách xảy ra dễ dàng hơn, và nếu nồng ñộ dung dịch quá lớn thì có thể làm ảnh hưởng ñến vật liệu chứa cũng như có thể gây nguy hiểm trong quá trình tiến hành thu hồi. Do ñó chúng tôi thấy rằng dung dịch NaOH có nồng ñộ 5,0M là tối ưu ñể có thể thu hồi SiO2 từ tro trấu ñạt hiệu suất cao nhất. 3.3. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của thời gian ñun ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu ðể nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình ñã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố ñịnh nồng ñộ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 Hiệu suất (%) Nồng ñộ NaOH (mol/l) 31 NaOH ở nồng ñộ 3,5 M, nhiệt ñộ ñun là 100oC, thay ñổi thời gian ñun từ 2,0h ñến 5,0h. Sau quá trình làm thực nghiệm thu ñược kết quả như sau: Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian ñun ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu Khối lượng tro (g) Thời gian ( h ) Khối lượng SiO2 thu ñược (g) Khối lượng SiO2 theo lí thuyết (g) Hiệu suất (%) 20 2,0 10,692 17,04 62,75 20 2,5 10,770 17,04 63,20 20 3,0 12,296 17,04 72,16 20 3,5 12,920 17,04 75,86 20 4,0 14,285 17,04 83,83 20 4,5 14,381 17,04 84,40 20 5,0 14,032 17,04 82,35 Sự ảnh hưởng của thời gian ñun ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu có thể ñược biểu diễn trên hình 3.4 Hình 3.4: Sự ảnh hưởng của thời gian ñun ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Hiệu suất (%) Thời gian (h) 32 * Nhận xét: Từ hình 3.4 ta thấy khi thời gian tăng thì hiệu suất tăng, khi tăng thời gian từ 2,0h lên 4,0h, hiệu suất tăng lên ñáng kể (từ 62,75% tăng lên 83,83%). Nhưng khi tiếp tục tăng từ 4,0h lên 5,0h thì hiệu suất thay ñổi không ñáng kể. Như vậy với thời gian ñun là 4,0h ta ñã có thể thu ñược SiO2 với hiệu suất cao.Vậy thời gian tối ưu ñể có thể thu hồi SiO2 từ tro trấu là 4,0h. 3.4. ðưa ra các ñiều kiện tối ưu Sự ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñun ñến hiệu suất thu hồi SiO2 từ tro trấu ñã ñược trình bày khá rõ trên hình 3.3 và 3.4. Tóm lại, ñể quá trình thu hồi SiO2 ñạt hiệu suất cao nhất, quá trình thu hồi ñạt hiệu quả kinh tế nhất ở nồng ñộ NaOH tối ưu là 5,0M, thời gian ñun tối ưu là 4,0h. 33 C. KẾT LUẬN I. Kết luận chung Qua quá trình nghiên cứu chúng tôi có thể ñưa ra một số kết luận quan trọng như sau: Thông qua cơ sở lí luận và thực nghiệm của quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, chúng tôi ñã nêu lên ñược phương pháp thu hồi SiO2 từ tro trấu ñạt hiệu suất cao với thao tác, quy trình ñơn giản và ít tốn kém, ñó là chiết bằng dung dịch NaOH. Từ kết quả thí nghiệm và giản ñồ XRD của SiO2 từ tro trấu, ta thấy rằng SiO2 ñược thu hồi từ tro trấu ở dạng bột mịn, màu trắng, vô ñịnh hình có thể sử dụng ñể sản xuất, nghiên cứu,… Qua quá trình khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñun ñến hiệu suất thu hồi SiO2 từ tro trấu, chúng tôi ñã ñưa ra ñược ñiều kiện tối ưu về nồng ñộ NaOH và thời gian ñun ñể việc thu hồi SiO2 từ tro trấu có hiệu suất cao và hiệu quả kinh tế tốt nhất. ðó là: Nồng ñộ dung dịch NaOH tối ưu là là 5,0M; Thời gian ñun tối ưu là 4,0 giờ. Tóm lại, thông qua ñề tài này chúng tôi có thể thu hồi SiO2 từ tro trấu bằng phương pháp ñơn giản nhưng hiệu suất thu hồi lại cao và ñặc biệt là ít tốn kém là chiết bằng dung dịch NaOH nồng ñộ tối ưu 5,0M và thời gian ñun tối ưu là 4,0 giờ, sản phẩm thu ñược là SiO2 ở dạng bột mịn, màu trắng, vô ñịnh hình có thể sử dụng tốt trong sản xuất cũng như trong nghiên cứu sâu hơn. Tuy nhiên, do thời gian còn hạn chế, nên ñề tài mới giải quyết một số công việc, ñặc biệt là chưa khảo sát ñược ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñun ñến hiệu suất thu hồi SiO2 từ tro trấu. Mặc khác, do trình ñộ và kinh nghiệm còn hạn chế nên ñề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất mong ñược sự ñóng góp quý báu của Thầy (Cô) và các bạn sinh viên ñể ñề tài ñược hoàn thiện hơn. II. Ý kiến ñề xuất 34 Thông qua nghiên cứu này, tôi thấy ñây là vấn ñề hay và phù hợp với tình hình của ñịa phương ta hiện nay. ðó là sử dụng tro trấu, một nguyên liệu rẻ tiền và rất phổ biến ñối với một nước nông nghiệp như nước ta ñể sản xuất ra SiO2, một nguyên liệu ñắt tiền hơn và có nhiều ứng dụng hơn. Như ñã nói ở trên, do thời gian có hạn nên chưa thể nghiên cứu ñầy ñủ các yếu tố. Do ñó, nếu có thể chúng tôi cũng như các bạn có thể nghiên cứu ñầy ñủ, sâu hơn, rộng hơn về ñề tài này, nhằm giúp chúng ta có thêm những hiểu biết và kiến thức khoa học cũng như có thể ñem lại hiệu quả kinh tế cao, tạo ra nguồn nguyên liệu phục vụ sản xuất và ñời sống. 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm ðình Dũ, Võ Thị Thanh Châu, ðinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa (2008), “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu mao quản trung bình MCM-41 với nguồn oxit silic ñược ñiều chế từ vỏ trấu”, Tạp chí Hóa học và ứng dụng, số 5(77), tr. 47- 49. 2. Vũ ðăng ðộ (1999), Cơ sở lí thuyết của các quá trình hoá học, Nxb Giáo Dục. 3. Nguyễn ðình Huề, Trần Kim Thanh, Nguyễn Thị Thu (2003), ðộng hóa học và xúc tác, Nxb Giáo Dục. 4. ðinh Quang Khiếu (2008), Luận án Tiến sĩ Hóa học, Huế. 5. Phạm Ngọc Nguyên (2004), Giáo trình kỹ thuật phân tích Vật lí, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr. 154-206. 6. Hoàng Nhâm (2005), Hóa học vô cơ, tập 2, Nxb Giáo Dục. 7. Niên giám thống kê (2007), tr 77, Nxb Thống kê. 8. Ho Sy Thang, Nguyen Thi Ai Nhung, Dinh Quang Khieu, Tran Thai Hoa, Nguyen Huu Phu (2008), Direct hydrothermal synthesis of mesoporous Sn-SBA-16 materials under weak acidic conditions, International scientific conference on “Chemistry for development and integration”, 12-14 September, pp. 806-816. 9. Nguyễn Hữu Phú (1998), Giáo trình hấp phụ và xúc tác bề mặt vật liệu vô cơ mao quản, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 10. Nguyễn Việt Sơn (2002), “Nghiên cứu các hệ xúc tác Perosvskit /Vật liệu mao quản trung bình”. Tổng hợp ñặc trưng và tính xúa tác trong phản 36 ứng oxi hoá hoàn toàn metal, LATSHH, Viện Hoá học Hà Nội. 11. Bộ môn quá trình, thiết bị và công nghệ hoá chất (1978), (Khoa Hoá, trường ðại học bách khoa Hà Nội), Sở tài nguyên và thiết bị công nghệ hoá chất, Tập 1, số 5, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 12. Vũ Quang Lợi, Bùi Duy Cam, Khúc Quang ðạt (2008), “Nghiên cứu chế tạo silica biến tính ñể hấp phụ ion kim loại nặng trong nước”, Tạp chí hoá học, Tập 46, tr.630-635. 13. Phùng Tiến ðạt, Trần Thị Bính (2005), Hoá kỹ thuật ñại cương, Nhà xuất bản ðại học Sư phạm, Hà Nội.