Nghiên cứu điều chế TiO2 từ quặng Ilmenit

- i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Hoàng Ly Nơi công tác: Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt Trì Đề tài luận văn: “Nghiên cứu điều chế TiO2 từ quặng ilmenite” Tôi xin cam đoan các kết quả tôi trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.
- Titan dioxit [1-4.
- 2 1.2.1 Nguyên liệu tự nhiên.
- Chế tạo chất màu titan dioxit từ khoáng ilmenite.
- Khai thác và tinh chế quặng ilmenite từ sa khoáng biển [1.
- 15 1.3.2 Chế tạo chất màu titan dioxit từ ilmenite [ 1, 9-12.
- 17 1.3.2.1 Quá trình sunphat chế tạo chất màu titan dioxit.
- 17 1.3.2.2 Chế tạo chất màu titan dioxit bằng quá trình clo.
- 23 1.4 Chế tạo vật liệu quang xúc tác trên cơ sở titan dioxit [5, 17- 26.
- Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các kim loại.
- Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các nguyên tố phi kim.
- 30 2.2.2 Tổng hợp vật liệu quang xúc tác TiO2.
- Xác định đặc tính của nguyên liệu ilmenite.
- Cỡ hạt và độ ẩm của quặng ilmenite.
- Xác định các dạng khoáng của quặng ilmenite.
- Thành phần hóa học của quặng.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất phân hủy quặng.
- Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất phân hủy quặng.
- Ảnh hưởng của cỡ hạt lên hiệu suất phân hủy.
- 41 3.2.5 Khảo sát quá trình thủy phân tạo TiO(OH)2.
- 42 3.2.6 Khảo sát quá trình nung tạo TiO2.
- 42 3.3 Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang xúc tác trên cơ sở TiO2.
- 44 3.3.1 Chế tạo vật liệu quang xúc tác trên cơ sở TiO2.
- 44 3.3.2 Đặc trưng vật liệu quang xúc tác trên cơ sở TiO2.
- 50 v DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1: Sản lượng chất màu titan dioxit của thế giới trong các thời kỳ.
- 3 Bảng 1.2: Thông số mạng lưới của tinh thể TiO2 ở các dạng thù hình khác nhau.
- 5 Bảng 1.3: Thông số vật lý của các dạng thù hình của TiO2.
- 5 Bảng 1.4: Nguyên liệu cho chế tạo titan dioxit.
- 7 Bảng 1.5: Thành phần của quặng ilmenite.
- 10 Bảng 1.6: Dự trữ khoáng ilmenite của thế giới.
- 11 Bảng 3: Thành phần hóa học của quặng ilmenite.
- 38 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của lượng axit H2SO4 98% lên hiệu suất phân hủy quặng.
- 40 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất phân hủy quặng.
- 40 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất phân hủy quặng.
- 41 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của cỡ hạt lên hiệu suất phân hủy quặng.
- 41 Bảng 3.5: Hiệu suất tạo thành TiO(OH)2 khi thủy phân.
- 42 Bảng 3.6: Hiệu quả quang xúc tác các mẫu TiO2-SiO2-NH3 theo lượng SiO2.
- 45 vi DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Cấu trúc n- TiO2 dạng anatase và rutile.
- 2 Hình 1.2 : Hình khối bát diện của TiO2.
- 4 Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể TiO2 dạng rutile (a), anatase (b) và brookite (c.
- 4 Hình 1.4: Sự biến đổi tính chất bề mặt của TiO2 theo điều kiện môi trường.
- 7 Hình 1.5: Quặng ilmenite.
- 8 Hình 1.6: Mạng tinh thể ilmenite.
- 9 Hình 1.7: Sơ đồ dây chuyền tuyển và tách các khoáng từ quặng sa khoáng.
- 16 Hình 1.8: Sơ đồ dây chuyền sản xuất chất màu titan dioxit bằng quá trình sunphat.
- 20 Hình 1.9: Sơ đồ dây chuyền sản xuất chất màu titan dioxit bằng quá trình clo.
- 21 Hình 2.1: Sự nhiễu xạ của chùm tia X trên mạng tinh thể.
- 31 Hình 2.2: Sơ đồ máy nhiễu xạ tia X phân tích tinh thể học.
- 32 Hình 3.1: Ảnh SEM của mẫu quặng ilmenite sau nghiền.
- 35 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của ilmenite nguyên liệu.
- 37 Hình 3.3: Phổ EDS của quặng ilmenite.
- 38 Hình 3.4: Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm nung ở 6500C trong 1 giờ (mẫu L1.
- 47 Hình 3.10 Ảnh SEM của mẫu TiO2- SiO2 (mẫu 6.2.
- 48 vii 1 MỞ ĐẦU Titan dioxit được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực quang xúc tác bảo vệ môi trường, chất tạo màu cho sơn, mực in, nhựa, mỹ phẩm.
- Trong lĩnh vực quang xúc tác, với độ rộng vùng cấm khoảng 3,05 -3,29eV, vật liệu TiO2 chỉ có hiệu ứng xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại.
- Để sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời có hiệu quả , cần nghiên cứu pha tạp hay biến tính để tạo ra vật liệu titan đioxit có khả năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
- Nguồn nguyên liệu sản xuất TiO2 chủ yếu là ilmenite và rutile.
- Đó thực sự là một thuận lợi lớn để phát triển ngành công nghiệp chất màu titan dioxit.
- Xuất phát từ tình hình đó mà em chọn đề tài tốt nghiệp là ―Nghiên cứu điều chế TiO2 từ quặng ilmenite”.
- Điều chế TiO2 từ quặng ilmenite Hà Tĩnh.
- Chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2 có hoạt tính cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
- Titan dioxit [1-4] Titan dioxit, TiO2, tồn tại trong tự nhiên ở các dạng pha tinh thể rutile, anatase và brookite.
- Rutile và anatase được sản xuất ở quy mô công nghiệp với khối lượng lớn dùng làm chất màu, chất xúc tác và chế tạo vật liệu ceramic.
- 1: Cấu trúc n- TiO2 dạng anatase và rutile Titan dioxit là chất màu trắng quan trọng và thông dụng nhất nhờ vào các đặc tính tốt về tán xạ ánh sáng, bền hóa học, không độc hại.
- Nó cũng là chất màu vô cơ có thị phần lớn nhất trong công nghiệp chất màu với sản lượng sản xuất luôn dẫn đầu và không ngừng tăng theo thời gian, được chỉ ra ở bảng 1.1.
- 1: Sản lượng chất màu titan dioxit của thế giới trong các thời kỳ Năm Quá trình sunphat Quá trình clo Tổng 103 tấn/năm 103 tấn/năm % 103 tấn/năm a.
- Tính chất vật lý Trong ba dạng pha tinh thể của titan dioxit thì rutile là dạng bền nhiệt động nhất.
- Ở nhiệt độ trên 7000C, có sự chuyển pha từ anatase sang rutile, còn dạng brookite rất khó chế tạo nên không có giá trị thực tế trong công nghiệp chất màu.
- Cấu trúc mạng lưới tinh thể rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedral) TiO6 nối với nhau qua các cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung.
- 2 : Hình khối bát diện của TiO2 Đơn vị cấu trúc cơ sở của mạng lưới tinh thể TiO2 là các khối bát diện.
- Sự sắp xếp các khối bát diện tương ứng với cấu trúc rutile, anatase và brookite được chỉ ra ở hình 1.3.
- 3: Cấu trúc tinh thể TiO2 dạng rutile (a), anatase (b) và brookite (c) Các mạng lưới tinh thể rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedral.
- Trong cả ba dạng tinh thể thù hình của TiO2 các octahedral được nối với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh.
- 5 Tinh thể rutile và anatase thuộc hệ cấu trúc tetragonal còn brookite thuộc hệ cấu trúc rhombic.
- Các hằng số mạng lưới và khối lượng riêng tương ứng của các pha tinh thể được nêu ra trong bảng 1.2.
- 2: Thông số mạng lưới của tinh thể TiO2 ở các dạng thù hình khác nhau Pha Hệ cấu trúc Hằng số mạng lưới, nm Khối lượng riêng g/cm3 a b C Rutile Tetragonal Anatase Tetragonal Brookite Rhombic Thông số vật lý của các dạng thù hình được trình bày ở bảng 1.3.
- 3: Thông số vật lý của các dạng thù hình của TiO2 Tính chất Anatase Rutile Brookite Khối lượng riêng 3,86 g/cm3 4,25 g/cm3 4,13 g/cm3 Độ khúc xạ 2,52 2,71 Độ cứng (thang Mohs Hằng số điện môi 31 114 6 Trong cả ba dạng thù hình trên của TiO2 thì anatase thể hiện tính hoạt động nhất dưới sự có mặt của ánh sáng mặt trời [5].
- Đó là do sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lượng của anatase so với rutile, dẫn đến một số tính chất đặc biệt của anatase.
- Titan dioxit là một chất bán dẫn rất hoạt tính và phổ hấp thụ điện từ nằm trong vùng UV gần (tử ngoại gần).
- Độ chênh lệch năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong tinh thể bằng 3,05 eV đối với rutile và bằng 3,29 eV đối với anatase, tương ứng với phổ hấp thụ là λRutile < 415nm và λAnatase < 3,85 nm.
- Các electron tự do và lỗ trống di chuyển lên các bề mặt tinh thể và ở đây chúng có thể tham gia vào phản ứng ôxi hóa khử, đó là cơ sở khoa học của xúc tác quang hóa.
- Tính chất hóa học Titan dioxit là một chất lưỡng tính, mang tính chất của cả axit yếu và bazơ yếu.
- Titan dioxit rất bền hóa học, hầu như không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các tác nhân hữu cơ và vô cơ.
- Ở nhiệt độ cao, TiO2 phản ứng với các tác nhân khử như cacbon monoxit, hydro và amoniac để tạo thành titan dioxit ở hóa trị thấp, không khử về titan kim loại.
- Tính chất bề mặt của titan dioxit Diện tích bề mặt riêng của titan dioxit biến động phụ thuộc vào phương pháp chế tạo và phạm vi ứng dụng.
- Bề mặt titan dioxit được bão hòa bởi liên kết phối trí của nước.
- Tính phân cực của bề mặt TiO2 và đặc điểm của nhóm hydroxyl là những yếu tố chính ảnh hưởng tới tính chất phân tán trong môi trường lỏng hay tính bền thời tiết của chất màu titan dioxit, đó là những tính chất rất quan trọng đối với một loại chất màu cho sơn.
- Ngoài ra, sự có mặt của các nhóm hydroxyl trên bề mặt titan dioxit cũng tạo ra cho vật liệu này có khả năng xúc tác quang hóa.
- 4: Sự biến đổi tính chất bề mặt của TiO2 theo điều kiện môi trường 1.2.
- Nguyên liệu cho chế tạo titan dioxit [6-8] Nguyên liệu để chế tạo titan dioxit bao gồm các loại khoáng tự nhiên như ilmenite, leucoxene, rutile và những vật liệu nhân tạo như xỉ titan, rutile tổng hợp.v.v.
- Một số loại nguyên liệu quan trọng và hàm lượng TiO2 của chúng là được minh họa trong bảng 1.5.
- 4: Nguyên liệu cho chế tạo titan dioxit Tên khoáng Công thức Hàm lượng TiO2.
- Hiện nay khoảng 95% sản lượng khai khoáng ilmenite và rutile trên thế giới được dùng để chế tạo chất màu TiO2, 5% còn lại dùng cho chế tạo que hàn hoặc sản xuất titan kim loại.
- Cấu trúc và tính chất của ilmenite Ilmenite là một khoáng vật titan - sắt oxit có từ tính yếu, có màu xám thép, có công thức hóa học FeTiO3, nhưng do kích thước của ion Fe2+ bằng 0,74 (Å) là quá bé để tạo ra cấu trúc perovskite nên cấu trúc giống Corundum và Hematit.
- 5: Quặng ilmenite Cấu trúc ilmenite được sắp xếp thành các lớp, trong đó anion O2- gói ghém chắc đặc lục phương, các cation Fe2+ và Ti4+ được chiếm ở các hốc bát diện.
- Lớp cấu trúc mô tả là 9 Ti/O/Fe/O/Ti/O/Fe.
- Khi tồn tại một lượng đáng kể a -Fe203 thì các ion Fe3+ thay thế các ion Fe2+ và Ti4+, do đó tạo nên dung dịch rắn với quặng ilmenite.
- Trong tự nhiên người ta tìm thấy quặng ilmenite có lẫn với các khoáng khác như Magnetit, MnTiO3, MgTiO3...các khoáng này tạo ra dung dịch rắn có dạng MgxFei_xTiO3 Hình 1.
- 6: Mạng tinh thể ilmenite Ilmenite được tìm thấy nhiều nơi trên thế giới, nó có thể ở dạng mỏ quặng thô trong lòng đất hoặc dạng hạt phân tán cùng với cát ven biển (dân gian gọi là cát đen).
- Với loại quặng này, thường sử dụng cho công nghiệp luyện kim để chế tạo sắt, sau đó xỉ lò chứa hàm lượng lớn titan dioxit được sử dụng để chế tạo chất màu TiO2

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