Nghiên cứu điều chế canxi cacbonat kích thước nano mét

- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CANXI CACBONAT KÍCH THƯỚC NANO MÉT HOÀNG VĂN ĐỨC HÀ NỘI 2009 HOÀNG VĂN ĐỨC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC HÀ NỘI 2009 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN MỞ ĐẦU.
- CANXI CACBONAT, TÌNH HÌNH THỊ TRƯỜNG, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG.
- Canxi cacbonat.
- Canxi cacbonat dạng nghiền.
- Canxi cacbonat kết tủa.
- Canxi cacbonat kích thước nano mét.
- Tình hình thị trường và nhu cầu sử dụng canxi cacbonat.
- Ứng dụng của canxi cacbonat .
- Ứng dụng của canxi cacbonat truyền thống.
- Ứng dụng của canxi cacbonat kích thước nano mét.
- Các phương pháp điều chế PCC truyền thống.
- Phương pháp xử lý natri cacbonat và amoni cacbonat trong nước thải của công nghệ sản xuất soda.
- Phương pháp sản xuất PCC dựa trên quy trình xử lý nước cứng.
- Phương pháp cacbonat hóa sữa vôi bằng khí CO2 trong các thiết bị phản ứng thông dụng (thùng khuấy, tháp.
- Các phương pháp chính điều chế PCC kích thước nano mét .
- Phương pháp cacbonat hóa sữa vôi trong hệ micell đảo.
- Phương pháp kết tủa trọng trường cao.
- PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA TRỌNG TRƯỜNG CAO.
- Nguyên lý cơ bản của phương pháp kết tủa trọng trường cao trong quá trình tổng hợp vật liệu nano.
- Các thông số kỹ thuật cơ bản trong phương pháp kết tủa trọng trường cao.
- Các ứng dụng của phương pháp Higee trong công nghiệp.
- Quá trình hấp thụ và phân tách sử dụng phương pháp Higee 36 1.2.5.2.
- Điều chế vật liệu nano bằng phương pháp Higee.
- Các phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp nhiễu xạ tia X.
- Phương pháp BET.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2 tới thời gian phản ứng, kích thước hạt và hình thái của PCC.
- Khảo sát ảnh hưởng của độ lưu lượng khí CO2 tới thời gian phản ứng, kích thước hạt và hình thái của PCC.
- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ lưu lượng chất lỏng tới thời gian phản ứng, kích thước hạt và hình thái của PCC.
- Khảo sát ảnh hưởng của mức độ trọng trường tới thời gian phản ứng, kích thước hạt và hình thái của PCC.
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ cacbonat hóa tới thời gian phản ứng, kích thước hạt và hình thái của PCC.
- Đánh giá kích thước tinh thể canxi cacbonat bằng các phương pháp khác nhau.
- Sơ đồ quy trình điều chế canxi cacbonat quy mô công nghiệp.
- 79 1MỞ ĐẦU Những năm gần đây, vật liệu nano được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học và các nhà sản xuất do những tính chất vượt trội của nó so với vật liệu dạng khối.
- Ngày nay người ta đã chứng minh được một loạt các tính chất phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano này, bao gồm, tính chất từ, tính chất quang, điểm sôi, nhiệt dung riêng và hoạt tính phản ứng bề mặt… Trong số các vật liệu có kích thước nano, canxi cacbonat là loại vật liệu có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như: làm chất độn trong công nghiệp sản xuất giấy, chất độn cho cao su, kem đánh răng, chất dẻo, sơn, dược phẩm, mỹ phẩm, keo dán… Canxi cacbonat là chất độn không có “đối thủ” cạnh tranh, được sử dụng trong công nghiệp chế biến cao su, trong công nghiệp dược phẩm, chất dẻo, kem đánh răng …Chất lượng sản phẩm bột nhẹ được đánh giá chủ yếu qua thành phần hóa học (hàm lượng canxi cacbonat, hàm lượng các tạp chất, độ kiềm dư) và các đặc trưng vật lý (diện tích bề mặt riêng, kích thước hạt, độ phân bố kích thước hạt, tỷ khối, độ trắng.
- Hiện nay, có nhiều phương pháp để điều chế canxi cacbonat như: phương pháp xử lý natri cacbonat và amoni cacbonat có trong nước thải của công nghệ sản xuất soda, phương pháp sản xuất bột nhẹ dựa trên quy trình xử lý nước cứng, phương pháp cacbonat hóa sữa vôi bằng khí CO2 sử dụng thiết bị phản ứng thông thường, phương pháp cacbonat hóa dung dịch sữa vôi trong hệ micell đảo, phương pháp mới: phương pháp kết tủa trọng trường cao (HGRP)… Nhưng để điều chế nano-canxi cacbonat có 3 phương pháp chính đó là: phương pháp cacbonat hóa sữa vôi bằng khí CO2 sử dụng thiết bị phản ứng thông thường, phương pháp cacbonat hóa dung dịch sữa vôi trong thệ 2thống mixen đảo và phương pháp mới: phương pháp kết tủa trọng trường cao (HGRP) mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm khác nhau về triển khai lượng lớn, về kích thước và hình thái của hạt thu được.
- Trên cơ sở phân tích các tài liệu đã công bố luận văn với đề tài “Nghiên cứu điều chế canxi cacbonat kích thước nano mét” nhằm mục đích nghiên cứu khả năng tổng hợp CaCO3 kích thước nano mét và khả năng triển khai lượng lớn.
- Luận văn này nghiên cứu một phương pháp mới “phương pháp kết tủa trọng trường cao” để tổng hợp nano-canxi cacbonat, nội dung nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ luận văn bao gồm.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng canxi cacbonat (nhiệt độ, nồng độ nguyên liệu đầu, tốc độ lưu lượng khí, tốc độ lưu lượng lỏng, mức độ trọng lực.
- Tìm các điều kiện thích hợp, tối ưu cho việc điều chế canxi cacbonat kích thước nano mét bằng phương pháp mới: phương pháp kết tủa trọng trường cao.
- CANXI CACBONAT, TÌNH HÌNH THỊ TRƯỜNG, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG 1.1.1.
- Canxi cacbonat Canxi cacbonat là một trong những hóa chất phổ biến trên trái đất với công thức hóa học là CaCO3.
- Canxi cacbonat tồn tại trong tự nhiên ở các dạng khác nhau như: aragonit, canxit, đá phấn, đá vôi, cẩm thạch hay đá hoa và travertin.
- Aragonit và canxit là 2 dạng phổ biến nhất của canxi cacbonat.
- Canxit dạng tam giác rất tốt khi sử dụng làm chất độn cho giấy, nhựa và cao su.
- Canxi cacbonat dạng nghiền Canxi cacbonat dạng nghiền được viết tắt là GCC (ground Calcium Carbonate - GCC), là một hóa chất phổ biến với tên thương phẩm là bột nặng.
- GCC được sản xuất khá đơn giản từ nguyên liệu đá vôi tự nhiên, qua các công đoạn nghiền, loại tạp chất và phân ly cỡ hạt theo các mục đích sử dụng khác nhau.
- Thông thường, GCC được sử dụng làm chất độn để giảm giá thành trong sản xuất cao su, giấy và gia công nhựa … Hình 1.2: Sơ đồ máy nghiền đá vôi.
- Canxi cacbonat kết tủa Canxi cacbonat kết tủa là một dạng của CaCO3 được viết tắt là PCC (precipitated calcium carbonate - PCC) với tên thương phẩm là bột nhẹ.
- PCC được sản xuất từ đá vôi bằng cách nung phân hủy đá vôi để thu vôi sống (CaO) và khí CO2, sau đó vôi sống được tôi để thu canxi hyđroxit và cuối cùng kết tủa canxi cacbonat bằng phản ứng giữa canxi hyđroxit và khí CO2.
- 6So với GCC, sản phẩm PCC mịn hơn, có kích thước hạt đồng đều hơn và độ sạch cao hơn.
- Với sự khác biệt đó, PCC được sử dụng với ý nghĩa "phụ gia" nhiều hơn so với ý nghĩa "làm chất độn" trong các ngành gia công các sản phẩm nhựa, cao su, dược phẩm.
- Thành phần hóa học của PCC và GCC là giống nhau nhưng PCC tinh khiết hơn GCC, hình dạng và độ phân bố kích thước hạt của PCC khác so với hình dạng và độ phân bố kích thước của GCC.
- Hình dạng, kích thước của PCC phụ thuộc vào phương pháp sản xuất.
- Độ phân bố kích thước hạt của GCC rộng hơn nhiều so với PCC, nghĩa là, có nhiều hạt lớn hơn và nhiều hơn các hạt nhỏ hơn.
- Khi so sánh PCC và GCC với cùng một kích thước trung bình 0,7 micron, sự khác nhau về độ phân bố kích thước hạt được thể hiện trong hình 1.3.
- Bề mặt của canxi cacbonat kết tủa có thể được biến tính để có được tính chất và nhóp chức bề mặt phù hợp.
- Hình 1.3: Sự khác nhau giữa PCC và GCC.
- 7 Phân loại canxi cacbonat kết tủa (bột nhẹ) Tùy theo từng khía cạnh đánh giá, bột nhẹ được chia ra thành nhiều loại khác nhau.
- Có thể phân bột nhẹ theo 3 cách chính sau: phân loại theo kích thước hạt, đặc trưng bề mặt và lĩnh vực sử dụng.
- c Phân loại theo kích thước hạt Theo cách phân loại này ta có bột nhẹ thường và bột nhẹ mịn.
- Trong đó tiêu chí đánh giá là kích thước hạt và độ phân bố kích thước hạt.
- Bảng 1.3: Phân loại bột nhẹ theo kích thước Loại PSD (µm) Kích thước tối đa (µm) Kích thước tối đa (µm.
- khối lượng)Kích thước tối đa (µm) Dùng cho sơn mịn SSD) Dùng cho sơn thô SSD) Làm chất độn SSD) Loại thường SSD) Lọa rất mịn d SSD) Trong đó: d50 - kích thước hạt của 50% thể tích các hạt hoặc 50% khối lượng các hạt.
- Hay còn gọi là kích thước hạt đặc trưng, kích thước hạt trung bình được phân tích bằng phương pháp phân cấp cỡ hạt.
- SSD - (Speccific Surface Diameter) kích thước các hạt đặc trưng tính theo các hạt trên bề mặt.
- 8d Phân loại theo đặc trưng bề mặt Cách phân loại này đơn giản, nó chỉ gồm 2 loại là bột nhẹ có biến tính bề mặt và bột nhẹ không biến tính bề mặt.
- Loại biến tính được chia ra nhiều dạng khác nhau (bảng 1.4).
- Bảng 1.4: Các loại bột nhẹ được biến tính bề mặt Loại biến tính pH của dung dịch hòa tan 10% CaCO3 trong nước cất Tên gọi 6-6,5 Biến tính hữu cơ axit 7-7,5 Biến tính hữu cơ trung tính Hữu cơ 7,5-8,5 Biến tính hữu cơ kiềm 6-6,5 Biến tính vô cơ axit 7-7,5 Biến tính vô cơ trung tính Vô cơ 7,5-8,5 Biến tính vô cơ kiềm e Phân loại theo phạm vi ứng dụng Bột nhẹ được sử dụng trong công nghiệp với nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng được phân loại theo các dạng chính như sau Bảng 1.5: Phân loại bột nhẹ theo công dụng Đặc trưng Đơn vị Giá trị Hệ cấu trúc Tà phương Màu sắc Trắng, vàng, đỏ Độ cứng H (Độ cứng theo Mohs) 3 Tỷ trọng g/cm .
- Canxi cacbonat kích thước nano mét Một loại đặc biệt của canxi cacbonat là nano-canxi cacbonat với kích thước hạt trung bình bé hơn 100 nano mét.
- Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp nano-CaCO3 với các hình dạng và kích thước tinh thể khác nhau.
- Theo các tài liệu thống kê, kích thước hạt nhỏ nhất có thể đạt được đối với canxi cacbonat dạng nghiền khoảng 700 nano mét hay 0,7 micro mét.
- Vì vậy muốn tổng hợp được canxi cacbonat có kích thước bé hơn 100 nano mét, độ phân bố kích thước hạt hẹp, chúng ta không thể sử dụng phương pháp nghiền truyền thống.
- Canxi cacbonat kích thước nano mét thể hiện những ưu điểm nổi bật so với canxi cacbonat truyền thống khi sử dụng làm chất phụ gia trong các ngành công nghiệp như: chất dẻo, cao su, chất bịt kín, giấy, sơn, dược phẩm… Các nghiên cứu về ảnh hưởng của canxi cacbonat được sử dụng làm chất độn trong nhựa PVC đã cho thấy canxi cacbonat có kích thước < 100 nm mét, đã được xử lý bề mặt bằng axit béo đặc biệt hữu dụng để làm chất bịt kín, chất phủ bề mặt.
- Khi sử dụng canxi cacbonat kết tủa có kích thước nano mét làm cải thiện các tính chất cơ học và tính lưu biến của nhựa PVC so với khi sử dụng canxi cacbonat truyền thống.
- Tình hình thị trường và nhu cầu sử dụng canxi cacbonat Hiện nay nhu cầu sử dụng bột nhẹ ở nước ta khoảng 350,000 tấn/năm.
- Việt Nam có trên mười cơ sở sản xuất bột nhẹ, chủ yếu tập trung ở những nơi giàu tài nguyên đá vôi như: công ty Minh Đức, Tràng Kênh (Hải Phòng), công ty Ba Nhất (Hà Nam)… Nhưng sản phẩm bột nhẹ ở nước ta vẫn chưa đủ để cung cấp cho nhu cầu sử dụng trong nước, hơn nữa đối với những nhu cầu đòi hỏi chất lượng sản phẩm cao thì sản phẩm bột nhẹ của ta chưa đạt yêu cầu, vì vậy hàng năm ta phải nhập khoảng 150,000 tấn bột nhẹ cho các nhu cầu sử dụng ở trong nước như ngành sơn, nhựa, mỹ phẩm, giấy, cao su v.v.
- 10Bảng 1.6: Nhu cầu sử dụng bột nhẹ trong các lĩnh vực khác nhau ở Việt Nam (năm 2005) Ngành sơn 12% Sản xuất nhựa 14% Giấy 4% Chất tẩy rửa 10% Kem đánh răng và mỹ phẩm 24% Cao su 31% Sản xuất vỏ bình acqui 5% Trên thế giới Mỹ, Canada, châu Âu, châu Á là những nơi sản xuất và tiêu thụ bột nhẹ lớn nhất, do có các ngành công nghiệp chất dẻo, cao su, sản xuất giấy kiềm, dược phẩm và công nghiệp sơn phát triển mạnh.
- Trong sản xuất giấy, canxi cacbonat kết tủa được sử dụng ngày càng rộng rãi thay thế cho canxi cacbonat dạng nghiền hay cao lanh bởi khả năng cung cấp PCC ở dạng huyền phù sẽ làm cho quá trình sản xuất đơn giản hơn.
- Tổng sản lượng bột nhẹ ở Bắc Mỹ năm 2005 khoảng 2,900,000 tấn.
- Các công ty sản xuất bột nhẹ hàng đầu ở Bắc Mỹ là Plizer Inc và ECC international Inc, Plizer có 25 cơ sở sản xuất bột nhẹ trên toàn nước Mỹ.
- Hầu hết các nước ở châu Âu đều có những công ty lớn về sản xuất bột nhẹ để phục vụ nhu cầu sử dụng trong nước.
- Ở khu vực châu Á, hai nước Trung Quốc và Nhật Bản đã vượt xa các khu vực khác về tổng sản lượng bột nhẹ.
- Năm 2005 tổng sản lượng bột nhẹ của khu vực châu Á đạt tới khoảng 2,000,000 tấn.
- Ứng dụng của canxi cacbonat 1.1.2.1.
- Ứng dụng của canxi cacbonat truyền thống Caxi cacbonat được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xây dựng như đá xây dựng, cẩm thạch hoặc là thành phần cầu thành của xi măng hoặc từ nó sản xuất ra vôi.
- Canxi cacbonat được sử dụng rộng rãi trong vai trò của chất kéo duỗi trong các loại sơn, cụ thể là trong sơn nhũ tương xỉn trong đó thông thường khoảng 30% khối lượng sơn là đá phấn hay đá hoa, nó cũng được sử dụng rộng rãi làm chất độn trong chất dẻo.
- Canxi cabonat mịn là thành phần chủ chốt trong lớp màng vi xốp sử dụng trong tã giấy cho trẻ em và một số màng xây dựng do các lỗ hổng kết nhân xung quanh các hạt canxi cabonat trong quá trình sản xuất màng bằng cách kéo giãn lưỡng trục.
- Canxi cabonat cũng được sử dụng rộng rãi trong một loạt các công việc và các chất kết dính tự chế, chất bịt kín và các chất độn trang trí.
- Canxi cabonat được sử dụng rộng rãi trong y tế với vai trò là thuốc bổ sung khẩu phần canxi giá rẻ, chất khử chua hoặc chất gắn phốtphat.
- Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp dược phẩm làm chất nền cho thuốc viên làm từ các loại dược phẩm khác.
- Canxi cabonat được biết đến là "chất làm trắng" trong việc tráng men đồ gốm sứ nơi nó được sử dụng làm thành phần chung cho nhiều loại men dưới dạng bột trắng.
- Ở Bắc Mỹ, canxi cabonat đã bắt đầu thay thế cao lanh trong việc sản xuất giấy bóng.
- Châu Âu đã thực hiện việc sản xuất giấy kiềm hay sản xuất giấy không axit trong nhiều thập kỷ.
- Canxi cacbonat có sẵn dưới các dạng: canxi cabonat ngầm hay canxi cabonat kết tủa.
- Là một thực 12phẩm, canxi cacbonat được sử dụng trong một số sản phẩm sữa đậu nành như một nguồn bổ sung khẩu phần canxi.
- Ngày nay, canxi cabonat được sử dụng để trung hòa tình trạng chua ở trong đất và nước (như ở ruộng phèn) [3].
- Ứng dụng của canxi cacbonat kích thước nano mét Ngoài các ứng dụng đã nêu ở trên, nano-PCC có các ưu điểm nổi trội so với PCC truyền thống do việc tạo ra được các hình dạng, kích thước khác nhau và độ phân bố kích thước hạt trong dải hẹp.
- Hiện nay, người ta đã sản xuất được 4 loại hình thái học đặc trưng của PCC, đó là: dạng hình kim, hình lăng trụ (prismatic), hình khối (cubic), hình nơ hoa hồng (scalenohedral).
- Mỗi loại PCC với hình dạng, kích thước khác nhau đều có các tính chất vật lý riêng biệt, được chọn cho phù hợp với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau .
- Hình 1.4: Các hình dạng khác nhau của canxi cacbonat a) dạng scalenohedral, b) hình kim, c) lăng trụ, d) cubic.

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