Nghiên cứu tổng hợp và biến tính Polyme vô cơ Aluminosilicat

- LƯƠNG THÁI SƠN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH POLYME ALUMINOSILICAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2011 1Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat MỤC LỤC NỘI DUNG TrangDANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VÀ SƠ ĐỒ LỜI CẢM ƠN Ch−¬ng I: tæng quan I.1 Giíi thiÖu vÒ polyme v« c¬ I.2.
- I.3.3 TÝnh cuén trßn I.3.4 TÝnh c¬ nhiÖt I.4 øng dông cña polyme v« c¬ I.5 Polyme Aluminosilicat I.5.1.
- §Æc ®iÓm cÊu tróc cña polyme aluminosilicat I.5.2 Tính chất lý học và hóa học của polyme Aluminosilicat I.5.3 Những ứng dụng của polyme aluminosilicat I.5.4 Phương pháp tổng hợp I.6 Động học quá trình hòa tan I.7 Phương pháp nghiên cứu động học quá trình hòa tan PHẦN II : CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.1.
- Cách xác định Al2O3 trong polyme aluminosilicat II.2.
- Phương pháp xác định đặc tính của tro bay bằng phương pháp chụp ảnh SEM và phổ EDS II.2.1 Phương pháp chụp ảnh SEM Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat II.2.2 Phương pháp phổ EDS II.3.
- Các dụng cụ và hóa chất cần dùng III.3 Tiến hành phản ứng tổng hợp polyme aluminosilicat III.3.1 Tổng hợp polyme aluminosilicat từ tro bay và thủy tinh lỏng Natri silicat III.3.2 Tổng hợp Polyme aluminosilicat từ thủy tinh lỏng và tro bay khi có mặt các chất KOH, KCl, Na2HPO4: III.3.3 Thành phần các dung dịch phản ứng PHẦN IV: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN IV.1 Thành phần hóa học của tro bay: IV.2 Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tách nhôm từ tro bay IV.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nước đến khả năng tách nhôm : IV.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của KOH đến khả năng tách nhôm IV.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của KCl + KOH đến khả năng tách nhôm IV.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của Na2HPO4 đến khả năng tách nhôm.
- IV.3 Nghiên cứu cấu trúc và một số tính chất của polyme aluminosilicat.
- IV.4 Nghiên cứu ứng dụng của polyme aluminosilicat làm vật liệu màng phủ.
- Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat IV.4.1 Kiểm tra khả năng bám dính của màng phủ IV.4.2.
- Kiểm tra khả năng chịu nhiệt của polyme KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VÀ SƠ ĐỒ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Tên bảng Chức năng Trang Bảng 1 Tỷ lệ nguyên liệu để tạo ra các loại PSS 12 Bảng 2 Thành phần các chất tham gia phản ứng tổng hợp Polyme Aluminosilicat 37 Bảng 3 Thành phần nguyên tố của tro bay thu được từ việc chụp phổ EDS 43 Bảng 4 Thành phần khối lượng tro bay 44 Bảng 5 Ảnh hưởng của hàm lượng nước đến khả năng tách nhôm 45 Bảng 6 Ảnh hưởng của KOH đến khả năng tách nhôm 46 Bảng 7 Ảnh hưởng của các ion Cl- và OH- đến quá trình tổng hợp Polyme aluminosilicat 47 Bảng 8 Ảnh hưởng của ion HPO42- đến quá trình tổng hợp Polyme Aluminosilicat 48 Hình 1 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét (SEM) 29 Hình 2 Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDX trong TEM 30 5Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Hình 3 Ảnh SEM của mẫu tro bay được dùng trong đề tài 41 Hình 4 Phổ EDS của tro bay dùng trong nghiên cứu.
- 42 Hình 5 Quang phổ hồng ngoại của các dung dịch đã polyme aluminosilcat 37 Hình 6 Phổ TG – DSC của mẫu M3 58 Hình 7 Hình ảnh các phân tử nước kết tinh trong mạng tinh thể polyme aluminosilicat 59 Hình 8 Ảnh chụp lớp màng phủ polyme ở các nhiệt độ sấy khác nhau 61 6Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Lêi c¶m ¬n Víi lßng biÕt ¬n s©u s¾c, em xin göi lêi c¶m ¬n s©u s¾c tíi TiÕn sÜ La ThÕ Vinh - ng−êi.
- Học viên Lương Thái Sơn 7Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Ch−¬ng I: tæng quan I.1 Giíi thiÖu vÒ polyme v« c¬ Polyme v« c¬ thuéc lo¹i vËt liÖu hay hîp chÊt cao ph©n tö, ®−îc h×nh thµnh tõ c¸c hîp chÊt hay ®¬n chÊt cã ph©n tö l−îng nhá gäi lµ monome b»ng ph−¬ng ph¸p ®a tô hay trïng ng−ng [1] Polyme v« c¬ cã thÓ chia lµm 3 nhãm sau.
- 8Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat I.2.
- 9Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat I.3.2 TÝnh d∙n në C¸c polyme cã hai ®Æc tÝnh quan träng lµ c¸c ph©n tö lín tham gia vµo chuyÓn ®éng nhiÖt vµ cã x¸c suÊt t¹o m¹ng kh«ng gian trong cÊu tróc.
- Khi nhiÖt ®é b»ng nhiÖt ®é thñy tinh hãa polyme th× n¨ng l−îng chuyÓn ®äng nhiÖt ®ñ lín lµm cho tËp hîp c¸c ph©n tö chuyÓn ®éng, nÕu nhiÖt ®é lín h¬n nhiÖt ®é thñy hãa th× sÏ x¶y ra chuyÓn 10Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat ®éng tù do cña c¸c ph©n tö nhá, polyme ë tr¹ng th¸i dÎo vµ biÕn d¹ng thuËn nghÞch.
- 11Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat.
- V× vËy sö dông c¸c chÊt kÕt dÝnh 12Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat dÉn ®iÖn, ®Æc biÖt lµ chÊt kÕt dÝnh v« c¬ sÏ ®¶m b¶o cho c¸c linh kiÖn lµm viÖc cã ®é tin cËy cao.
- C¸c ph−¬ng ph¸p trªn chØ 13Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat thÝch nghi trong mét sè m«i tr−êng vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc cã nhiÖt ®é kh«ng cao.
- chän h−íng nghiªn cøu “Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme aluminosilicat”.
- lùa chän hÖ polyme aluminosilicat lµm chÊt t¹o mµng.
- §Ó ®¹t ®−îc môc ®Ých ®Ò ra, nhiÖm vô tr−íc tiªn lµ ph¶i nghiªn cøu tæng hîp polyme aluminosilicat tõ c¸c nguyªn liÖu s½n cã trong n−íc.
- I.5 Polyme Aluminosilicat I.5.1.
- §Æc ®iÓm cÊu tróc cña polyme aluminosilicat Trong mét vµi n¨m gÇn ®©y th× xu h−íng míi vÒ nghiªn cøu vËt liÖu polyme v« c¬ lµ sù quan t©m ®Æc biÖt tíi polyme silicat vµ polyme trªn c¬ së quan hÖ c¸c ®¬n vÞ alumino silicat.
- Thµnh phÇn hãa häc cña polyme v« c¬ aluminosilicat t−¬ng tù nh− c¸c vËt liÖu zeolite tù nhiªn nh−ng nã cã cÊu tróc v« ®Þnh h×nh.
- Sù h×nh thµnh s¶n phÈm polyme v« c¬ aluminosilicat ®−îc gi¶i thÝch nh− sau: 14Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat n(Si2O5Al2O2.
- C¸c polyme Aluminosilicat ®−îc tæng hîp trªn c¬ së nguyªn liÖu tõ c¸c kho¸ng cao lanh hay ®Êt sÐt cho chÊt l−îng s¶n phÈm phô thuéc vµo hµm l−îng SiO2, Al2O3, H2O, Na2O.
- Cã tÊt c¶ 7 s¶n phÈm Na – Polyme silicat siloxo ®−îc chØ ra ë b¶ng sau: [9] Bảng 1: Tỷ lệ nguyên liệu để tạo ra các loại PSS STT SiO2/Al2O3 Na2O/SiO2 H2O/Na2O Na- PSS Na- PSS Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Na- PSS Na- PSS Na- PSS Na- PSS Na- PSS Polyme aluminosilicat là một dạng keo – chất liên kết đó là trạng thái giả bền chuyển đổi quá bão hòa trước keo của dung dịch polyme vô cơ có cấu trúc ion, một phần của dung dịch này ở trạng thái sơ cấp.
- 16Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat I.5.2 Tính chất lý học và hóa học của polyme Aluminosilicat Polyme aluminosilicat có đầy đủ tính chất của vật liệu polyme vô cơ như: a.
- Thường khối lượng riêng của polyme aluminosilicat là nhỏ nhưng chất lượng rất tốt.
- Cường độ cơ học Vật liệu polyme aluminosilicat có độ bền cơ học tương đối cao.
- Độ bền nhiệt và bền hóa Vật liệu polyme aluminosilicat có cấu trúc xít đặc, độ giãn nở nhiệt nhỏ và có khả năng khuếch tán dung mội vào vật liệu ít nên tính bền nhiệt hóa cao.
- Độ hút nước Vật liệu polyme aluminosilicat xít đặc nên độ hút nước rất nhỏ g.
- Độ dẫn nhiệt 17Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Vật liệu polyme aluminosilicat có cấu trúc mạch nên độ dẫn nhiệt nhỏ, vì vậy được dùng làm vật liệu cách nhiệt.
- I.5.3 Những ứng dụng của polyme aluminosilicat Với các tính chất điển hình về độ bền cơ, bền nhiệt, bền hóa, khả năng chống chịu các điều kiện môi trường khắc nghiệt nên polyme vô cơ aluminosilicat được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.a.Gạch Polyme không nung: Với nguyên liệu sẵn đi từ đất sét, chất độn khác và phụ gia đem phối liệu trộn với nhau cho vào máy ép tạo hình, sau đó đem sấy hoặc phơi khô tự nhiên để thu được sản phẩm.
- 18Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat e.
- Sản phẩm này có thể sử dụng tạo lớp phủ bảo vệ trong môi trường mặn, phèn, axit… I.5.4 Phương pháp tổng hợp Người ta có thể tổng hợp polyme aluminosilicat bằng rất nhiều phương pháp như: đi từ cao lanh và NaOH, từ thủy tinh lỏng và Cao lanh, kết hợp thủy tinh lỏng+NaOH và cao lanh có thể tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau từ nhiệt độ thường (20 – 25oC) đến nhiệt độ khá cao > 50oC.
- Vì thế tôi chọn tro bay và thủy tinh lỏng để nghiên cứu tổng hợp polyme Aluminosilicat.
- Polyme vô cơ Aluminosilcat được tổng hợp bằng cách sử dụng dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) hoặc NaOH và tro bay khuấy trên máy khuấy từ ở nhiệt độ 75oC với các thành phần dung dịch có hàm lượng nước khác nhau, và ảnh hưởng của một số ion (K+, Cl-, CO32-, C2O42-, HPO42-) được bổ sung trong quá trình phản ứng.
- 19Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat I.6 Động học quá trình hòa tan Quá trình với sự tham gia của các chất hòa tan hoàn toàn trong một dung môi nào đó gọi là gọi là quá trình hòa tan, khác với quá trình chiết có thành phần chứa trong chất hòa tan không hòa tan hết.
- Quá trình hòa tan chất rắn là một trong những quá trình quan trọng của công nghệ hóa học.
- Có thể chia ra hai dạng cơ bản của phản ứng quá trình hòa tan.
- Quá trình hòa tan thuận nghịch dẫn tới sự tạo thành nước trên bề mặt của pha rắn sau đó di chuyển chúng vào trong lòng chất lỏng.
- Tính thuận nghịch của quá trình này nằm ở chỗ dung dịch nhận được có thể kết tinh và chia ra thành chất phản ứng ban đầu.
- Hòa tan thuận nghịch có thể chia ra thành ba loại phản ứng: a.
- Phản ứng dưới sự tạo thành solvat trên bề mặt và sự di chuyển chúng tiếp theo vào trong lòng chất lỏng.
- Theo tính chất của nó thì những phản ứng này có thể dẫn tới việc một số loại trong đó có thể hòa tan thuận nghịch.
- 20Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat b.
- Phản ứng oxi hóa khử dẫn đến sự tạo thành những ion solvat và những sản phẩm của việc khử các chất oxi hóa.
- Những loại phản ứng này có thể là dạng tương tác của các ion kim loại và hợp kim của chúng với chất oxy hóa hoặc chất oxy hóa khử trong dung dich nước.
- Phản ứng loại này thêm vào, thay thế hoặc trung hòa.
- Trong loại này phải kể đến phản ứng tương tác của các phân tử có cấu trúc tinh thể hoặc ion với dung dịch phân cực và không phân cực, dẫn đến sự tạo thành ion phân tử solvat.
- Trong một số trường hợp quá trình hòa tan có thể dẫn tới sự tạo thành một số chất rắn.
- Như vậy quá trình hòa tan là quá trình dị thể trong phản ứng hệ không đồng nhất pha rắn – lỏng.
- Điều này cũng có nghĩa phản ứng hòa tan tiến hành trên toàn bộ diện tích tiếp xúc pha.
- Trong quá trình hòa tan thể rắn trực tiếp tham gia phản ứng hóa học, khối lượng thể rắn sẽ thay đổi trong quá trình phản ứng.
- 21Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat 3.
- Phản ứng trên bề mặt thể rắn.
- Dựa vào đó có thể khẳng định phản ứng nằm ở miền khuếch tán ngoài, miền khuếch tán trong hay miền động học và tốc độ phản ứng được tính bằng tốc độ của bước khống chế đó.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc quá trình, cơ chế, các bước tiến hành của phản ứng hoá học.
- Như vậy, nghiên cứu động học quá trình là nghiên cứu khả năng chuyển hóa của từng cấu tử trong hỗn hợp phản ứng, để xác định lượng vật chất đã được chuyển hóa theo đơn vị thời gian, tức là tính vận tốc phản ứng của các cấu tử trong hỗn hợp phản ứng.
- Đó chính là việc mô tả công nghệ của quá trình hòa tan.
- Phản ứng hòa tan là phản ứng trong đó chất lỏng tiếp xúc trực tiếp và phản ứng với chất rắn để tạo thành sản phẩm.
- Cơ chế của phản ứng lỏng – rắn có dạng: A(lỏng.
- B(rắn)→sản phẩm (rắn hoặc lỏng) Thông thường phản ứng hòa tan xảy ra theo mô hình chuyển hóa từ ngoài vào làm cho nhân hạt thu hẹp dần.
- Theo mô hình này, lúc đầu phản ứng xảy ra ở bề mặt ngoài của hạt để tạo thành một lớp sản phẩm bao quanh hạt chưa phản ứng.
- Nhân tiếp tục được phản ứng hoàn toàn và không còn nhân nữa.
- 22Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat  Cơ chế của mô hình chuyển hóa cũng gồm năm bước nối tiếp nhau và có trở lực khác nhau, bước nào chậm nhất sẽ quyết định vận tốc quá trình.
- Như vậy phản ứng hòa tan có thể xảy ra trong bất cứ miền nào trong những miền nêu trên.
- Cũng có nghĩa là khi tiến hành nghiên cứu phải quan tâm đến điều kiện lý tưởng của thí nghiệm để đánh giá đúng được cơ chế phản ứng.
- Phản ứng hòa tan có dạng phương trình tổng quát như sau: νAAlỏng + νBBrắn = νRRlỏng(rắn.
- νSSrắn Trong trường hợp này thể rắn có khối lượng thay đổi trong quá trình phản ứng.
- Cơ chế phản ứng: Giả thiết ban đầu hạt rắn có bán kính R, sau khi phản ứng còn lại nhân trơ chưa phản ứng có bán kính rm.
- Vì trong quá trình hòa tan lượng lỏng A và B đều thay đổi nên có thể tính hiệu suất chuyển hóa theo A hoặc B.
- I.7.1 Nếu phản ứng nằm ở miền khuếch tán ngoài Ở đây chủ yếu là khuếch tán phân tử, quá trình khuếch tán của phân tử lỏng đến bề mặt chất rắn chậm, nên khống chế toàn bộ tốc độ quá trình phản ứng.
- Nếu phản ứng là một chiều do tốc độ phản ứng hóa học nhanh hơn so với quá trình khuếch tán nên CAS=0.
- Nếu phản ứng là hai chiều, phản ứng kết thúc ở trạng thái cân bằng CAS=CA*( nồng độ cân bằng).
- 23Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Tốc độ phản ứng tính theo rắn B: Br= BBdN11...dSdt Sdtρ.
- BdNdt: Biến thiên lượng chất theo thời gian Tốc độ phản ứng tính theo lỏng A: Ar= AAdN11...dSdt Sdtρ.
- Thời gian cần thiết để phản ứng làm thay đổi kích thước hạt từ R →rm: BmBAgAg.R3.
- .K .Cρτ=υ 24Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat K: Hằng số tốc độ phản ứng.
- Phản ứng nằm trong miền khuếch tán trong Nếu bước khuếch tán của A trong mao quản chậm phản ứng sẽ nằm ở miền khuếch tán trong.
- Trong trường hợp tốc độ ổn định, tốc độ phản ứng hóa học bền trong hạt bằng lượng cấu tử A đi qua phần diện tích bọc của hạt này, quá trình khuếch tán trong là khuếch tán phân tử tuân theo định luật Fick I.
- Tốc độ phản ứng tính theo cấu tử A: AAAAdN dCrS.Ddt dr.
- Tốc độ phản ứng tính theo cấu tử B: BBBdN .dv11r.
- 25Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat  Bρ: Khối lượng riêng của hạt rắn( coi như không đổi).
- Thời gian phản ứng để giảm kích thước hạt rắn từ R →rm: 232BmmmBAAg.R r r.1 3 26.D.C R R⎡⎤ρ⎛⎞ ⎛⎞τ.
- Thời gian phản ứng để giảm kích thước hạt rắn từ R đến hết: 2BBAAg.R6.
- .D .Cρτ=υ Từ đây cũng tính được thời gian phản ứng với từng loại hình dạng hình học của hạt với S và dv tương ứng.
- Phản ứng nằm trong miền động học Khi phản ứng nằm trong miền động học, nồng độ trên toàn hạt là CAg.
- Phản ứng diễn ra trên toàn bộ bề mặt phân chia hạt rắn.
- Tốc độ phản ứng tính theo cấu tử B: BBBdN .dv11r...Sdt S dtρ.
- Tốc độ phản ứng theo cấu tử A: 26Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat AACAgCAgdNrKf(C)K.Cdt.
- Thời gian phản ứng để giảm kích thước hạt từ R đến rm: BmmBCAg.(R r ).K .Cρτ= −υ Từ đó tính được thời gian phản ứng với từng loại hình dạng hình học của hạt rắn S và dv tương ứng.
- 27Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat PHẦN II : CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ph©n tÝch thµnh phÇn nguyªn liÖu Nguyªn liÖu dïng ®Ó tæng hîp polyme aluminosilicat lµ: -Thñy tinh láng c«ng nghiÖp mua trªn thÞ tr−êng cã tû träng d = 1,36 g/ml.
- Nguyên tắc Mẫu sau khi đã loại bỏ keo H2SiO3 bằng HCl đặc nóng và NH4Cl, lấy dung dịch còn giữ lại và cho vào dung dịch một thể tích dư chính xác dung dich EDTA tiêu chuẩn để phản ứng với Al3+ trong điều kiện thích hợp.
- 28Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat  Làm nguội dung dịch và điều chỉnh PH= 5-6.
- 29Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử.
- 30Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat.
- Phổ tia X phát 31Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần.
- Nguyên tắc cơ bản 32Nghiªn cøu tæng hîp vµ biÕn tÝnh polyme v« c¬ aluminosilicat  Những phương pháp khác nhau của phổ hồng ngoại đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu vật liệu, bởi qua đó có thể biết nhiều thông tin cấu trúc của vật liệu

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt