Đề tài Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu

ố dạng khác nữa của silic đioxit 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 đá quý không có cấu trúc tinh thể. Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa không khí, nước hay hơi nước. Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, đỏ, lục và đen do có chứa các tạp chất. Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silic đioxit nặng hơn thạch anh là coesit (được tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt độ 2500C) và stishovit (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 13000C) [6]. Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đun nóng bất kì dạng nào khi để nguội chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một vật liệu vô định hình giống như thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi nóng chảy ra. Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định được rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn. 1.1.1.2. Tính chất: Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và axit ngay cả khi đun nóng. Ở điều 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. Điều chế và ứng dụng 1.1.2.1. Điều chế Trong phòng thí nghiệm, SiO2 vô định hình ở dạng bột trắng có thể điều chế bằng cách nung nóng kết tủa của axit silixic. 1.1.2.2. Ứng dụng Trong xây dựng: dùng làm chất phụ gia xi măng, gạch chịu lửa và ngói, ... Trong đời sống: dùng làm chất hút ẩm, chế tạo thiết bị lọc nước, đồ dùng bằng thủy tinh, chất bán dẫn,... Ngày nay, Silic đioxit còn được dùng làm nguyên liệu để 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 được 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 đó như một dạng “alkoxit tự nhiên”. Khi được chiết trong dung dịch kiềm nó bị thuỷ phân và tạo thành muối natri silicat. Khi axit hóa dung dịch thu được 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 được đem rửa sạch để loại bỏ các chất bẩn, sau đó sấy và nung ta sẽ thu được SiO2. Rõ ràng hiệu suất chiết SiO2 từ tro trấu phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn các “alkoxit oxit silic” này thuỷ phân trong môi trường kiềm. 1.3. Tốc độ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tốc độ của các phản ứng hóa học. 1.3.1. Định nghĩa tốc độ phản ứng hóa học Tốc độ phản ứng hóa học được đo bằng độ biến thiên nồng độ các chất phản ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một đơn vị thời gian. v = (1.1) Trong đó: v : Tốc độ phản ứng, đơn vị: mol/l.s : Biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian , đơn vị: mol/l : Biến thiên thời gian, đơn vị: s Tốc độ phản ứng tính theo công thức trên là tốc độ trung bình, tốc độ trung bình này sẽ tiến tới tốc độ tức thời khi tiến tới 0 và được tính theo công thức: (1.2) Trong tất cả các hệ thức trên nồng độ được biểu diễn bằng mol/lít. 1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phản ứng hóa học 1.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ Thoạt đầu, xuất phát từ quan điểm 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 độ phản ứng càng lớn. Mặt khác, số phân tử của các chất lại tỉ lệ với nồng độ của nó trong hệ phản ứng. Do đó người ta đi đến kết luận rằng: Tốc độ của phản ứng hóa học tỉ lệ với tích số nồng độ của các chất tham gia phản ứng với các lũy thừa tương ứng là các hệ số phân tử trong phương trình phản ứng. Đối với phản ứng: aA + bB cC + dD Tốc độ phản ứng được biểu diễn bằng: v = k (1.3) Trong đó: K : Hằng số tốc độ phản ứng, k phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia phản ứng và nhiệt độ. [A], [B]: Tương ứng với nồng độ của chất A và chất B, đơn vị: mol/l a, b : là các hệ số tỉ lượng hay phân tử số. Kết luận này được gọi là định luật tác dụng khối lượng, do Gulberg và Waage đưa 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 định luật tác dụng khối lượng. Trong động hóa học, để phân biệt các phản ứng người ta dùng một đại lượng gọi là bậc phản ứng. Bậc phản ứng là tổng các số mũ của các thừa số nồng độ trong phương trình tốc độ phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng tổng quát ở trên, bậc phản ứng sẽ là (a + b). Như vậy, nếu định luật tác dụng khối lượng được tuân thủ nghiêm ngặt thì bậc của một phản ứng đã cho nào đó 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 độ của phản ứng trên được 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 định 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 định. 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) Bậc phản ứng là một đại lượng thực nghiệm. Trong trường hợp tổng quát đối với phản ứng: aA + bB + cC + … sản phẩm Phương trình tốc độ phản ứng được biểu diễn bằng : v = k[A]p [B]q [C]r… (1.7) Trong đó p, q, r,…được gọi là bậc phản ứng riêng đối 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) Để xác định bậc của phản ứng riêng đối với một chất nào đó, người ta nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ chất đó khi nồng độ của các chất còn lại là dư và rất lớn, để cho trong quá trình phản ứng nồng độ của nó thay đổi không đáng kể, và do đó không ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Trong điều kiện đó tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất được chọn. Sự kiện đó cho thấy rằng phản ứng hóa học không phải xảy ra bằng cách va chạm đồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng. Sự va chạm đồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng chỉ xảy ra trong các phân tử đơn giản, trong đó chỉ có 1, 2 hoặc 3 phân tử tham gia và chỉ xảy ra sự thay đổi (bứt đứt và tạo thành) một số liên kết. Đối 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 đoạn cơ sở, trong những giai đoạn 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 đáng kể, sự va chạm đồng thời của 3 phân tử có xác suất bé hơn nhiều và xác suất của sự va chạm đồng thời của 4 phân tử là vô cùng bé. Do đó có thể nói rằng sự kiện 4 hay hơn 4 phân tử va chạm đồng thời để xảy ra phản ứng hóa học là không thể có được. Chẳng hạn trong phản ứng : Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O Không thể có sự va chạm đồng thời của 21 phân tử để xảy ra phản ứng. Từ đó thấy rằng quan điểm về sự tiến hành theo giai đoạn của các phản ứng phức tạp là hoàn toàn hợp lí, và người ta gọi số phân tử tham gia vào một giai đoạn cơ sở là phân tử số của nó. 1.3.2.2. Thời gian: Thời gian không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phản ứng nhưng nó là một trong những yếu tố quan trọng quyết định 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 được 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 đề tài này, quá trình chiết alkoxit oxit silic bằng dung dịch NaOH xảy ra chậm và khó khăn, do đó thời gian đun rất nhiều ảnh hưởng đến quá trình này. Thời gian đun 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) được 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 đổi các tính chất của mẫu đo theo sự thay đổi của nhiệt độ tác động lên mẫu đã được chương trình hoá trong một môi trường cụ thể. Khi cung cấp nhiệt năng thì làm cho enthalpy và nhiệt độ của mẫu tăng lên một giá trị xác định tuỳ thuộc vào nhiệt lượng cung cấp và nhiệt dung của mẫu. Ở trạng thái vật lý bình thường, nhiệt dung của mẫu biến đổi chậm theo nhiệt độ nhưng khi trạng thái của mẫu thay đổi thì sự biến đổi này bị gián đoạn. Khi mẫu được cung cấp nhiệt năng thì các quá trình vật lí và hoá học có thể xảy ra như sự nóng chảy hoặc phân huỷ đi kèm với sự biến đổi enthalpy, kích thước hạt, khối lượng, tính chất từ,…Các quá trình biến đổi 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) đo sự biến đổi khối lượng khi quét nhiệt và phép phân tích nhiệt vi sai quét (Differental Scanning Calorimetry) xác định sự biến đổi của dòng nhiệt truyền qua mẫu và so sánh theo thời gian khi chúng chịu tác dụng dưới cùng một chương trình nhiệt độ. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC (Thermogravimetry-Differental Scanning Calorimetry) được 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 được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc 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]. Hình 1.5: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể d 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.sinq = nl (1.13) Trong đó: l : Bước sóng của chùm tia Rơnghen, đơn vị: m d : Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, đơn vị: m θ : Góc phản xạ, đơn vị: radian n : Là số nguyên được gọi là bậc nhiễu xạ. Phương trình Vulf- Bragg là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Căn cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đồ (giá trị 2θ), có thể suy ra d theo công thức (1.13). So sánh giá trị d vừa tìm được với giá trị d chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để 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 đối với vật liệu vi tinh thể khoảng cách giữa hai lớp nhỏ hơn 20, nên góc quét 2 thường lớn hơn 5 độ. Tuy nhiên, đối với sản phẩm SiO2 thu được có kích thước lớn hơn 20, nên nhiễu xạ xuất hiện ở góc quét 2 bé hơn 5 độ. Trong bài khóa luận này các mẫu được đo trên máy D8 Advance, Brucker với tia phát xạ CuK có bước sóng = 1,5406 , công suất 40 kV, 40 mA. Góc quét từ 0,5 đến 10 độ đối với góc nhỏ, từ 5 đến 60 độ so với góc lớn. CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc 2.1.1. Hóa chất Dung dịch axit HCl đặc (36 %, d = 1,18 g/l) Natri hidroxit (NaOH) rắn Vỏ trấu lấy ở huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp. 2.1.2. Dụng cụ Tên dụng cụ Cốc 250 ml và 500 ml Ống đong Phễu lọc Pipet Buret Giấy pH Giấy lọc Đũa thủy tinh Chén nung Bình định mức 250 và 500 ml 2.1.3. Máy móc Máy điều nhiệt của Đức. Lò sấy Cân phân tích Trung Quốc Lò nung của công ty cổ phần điện 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 Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 6,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng là: Ta có: n = CM.V = (2.2) m = CM .V.M = 6,0.0,25.40 = 60 (g) Trong đó: n: Số mol, đơn vị: mol V: Thể tích, đơn vị: lít M: Khối lượng nguyên tử, đơn vị: gam m: Khối lượng, đơn vị: gam Cách pha chế: Cân chính xác 60g NaOH rắn, cho vào cốc, thêm một ít nước khuấy cho tan, để yên khoảng 5 phút cho nguội. Sau đó cho vào bình định mức 250ml, thêm từ từ nước đến vạch định mức, vừa cho vừa lắc đều đến khi thấy dung dịch trong bình đồng 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 = (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: Ta có: n = CM.V = (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 = (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 = (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: n = CM.V = (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 = (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 = (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 = (2.10) 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 = (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 = (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 = (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. 2.1.1.2. Pha chế dung dịch chuẩn HCl : Pha chế 250 ml dung dịch HCl 3,0M từ HCl đặc (36 %, d = 1,18 g/l) thì lượng HCl cần dùng là: Ta có: Trong đó: CM : Nồng độ mo/l C % : Nồng độ phần trăm D : Khối lượng riêng, đơn vị: gam/l Cách pha chế: Dùng pipet lấy chính xác 64,4 ml dung dịch HCl đặc cho vào bình định mức 250 ml đã có sẵn một ít nước, lắc nhẹ, thêm từ từ nước vào bình đến vạch định mức, vừa thêm vừa lắc nhẹ đến khi thấy dung dịch trong bình đồng nhất. * Pha chế các dung dịch HCl tương ứng cùng nồng độ 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 đáng kể các oxit kim loại. Bảng 2.1 dưới đây 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 đó một lượng lớn chất hữu cơ chiếm đến 90,08 %. Trong thành phần các oxit kim loại thì SiO2 chiếm 99,17% về khối lượng. 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 đang nghiên cứu tương đối thấp, chỉ chiếm 9,838%. Trong khi đó, hàm lượng SiO2 ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu đến 20% . Điều này có thể được giải thích là ở các điều kiện thổ nhưỡng khác nhau, các giống lúa khác nhau có ảnh hưởng rất lớn đến 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, đem rửa sạch hết các tạp chất, sau đó đem phơi nắng cho thật khô. Đốt trong lò trấu ở địa phương thường dùng để đun nấu (lò được làm sạch kỹ tránh tạp chất trước khi đốt). 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 đó cho vào đó 250 ml dung dịch NaOH (nồng độ là nồng độ mà ta khảo sát biến thiên từ 0,5M đến 6,0M). Đặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể điều nhiệt đun ở nhiệt độ là 100oC và thời gian đun là thời gian cần khảo sát (biến thiên từ 2h đến 5h). Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọi là dung dịch 1) để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu được dung dịch 2. Nếu dung dịch 2 bị đục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 để hấp thụ các chất bẩn chảy qua giấy lọc, thu được dung dịch 3. Giai đoạn này quyết định sự tinh sạch của SiO2 thu được. Lọc dung dịch 3 ta thu được dung dịch 4. Ta cho dung dịch HCl 2M với lượng phù hợp vào dung dịch 4 cho đến môi trường axit (thử bằng giấy pH). Hỗn hợp bây giờ ở dạng Gel, Gel thu được đem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần đến môi trường trung tính (thử bằng giấy pH) để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl-. Sau đó ta tiến hành đem Gel đi sấy tự nhiên và sấy ở 1000C trong thời gian 24 giờ, tiếp theo đem nung ở 5500C trong thời gian 2 giờ. Quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu có thể được hình dung theo sơ đồ sau: 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, đun kĩ Tiến hành đun cách thủy và lọc Lọc Than hoạt tính Hình 2.1: Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu Cuối cùng, đem sản phẩm thu được cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất chiết theo công thức: (2.8) Trong đó: m : là khối lượng SiO2 thu được. mo : là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết. 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu. 2.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình đã trình bày ở mục 2.3.1. Ở đây ta cố định nhiệt độ ở 100oC và thời gian là 4h, khảo sát các nồng độ NaOH ở các nồng độ: 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 đó đưa ra được nồng độ NaOH tối ưu. 2.3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình đã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố định nồng độ NaOH ở nồng độ bất kỳ mà ở đó thu được SiO2. Ta không nhất thiết phải dùng nồng độ NaOH ở nồng độ tối ưu vì ở đây ta chỉ khảo sát thời gian sao cho ở nồng độ đó hiệu suất thu hồi cao và có hiệu quả kinh tế nhất. Ngoài ra cũng để tiết kiệm hóa chất, ít nguy hiểm. Ở đây chúng tôi cố định nồng độ ở 2,0M. Cố định nhiệt độ đun là 100oC. Tiến hành thí nghiệm trong thời gian: 2,0h; 2,5h; 3,0h; 3,5h; 4,0h; 4,5h; 5,0h. Từ đó đưa ra được thời gian tối ưu. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trưng tính chất của sản phẩm: 3.1.1. Phân tích nhiệt vi sai: Thông thường, để tách SiO2 từ vỏ trấu có thể đi từ 2 phương pháp. Thứ nhất là tách trực tiếp từ vỏ trấu, thứ hai là tách SiO2 từ tro trấu. Do đó, nghiên cứu sự thay đổi hành vi nhiệt của vỏ trấu khi nhiệt độ thay đổi là cần thiết. Kết quả phân tích nhiệt vỏ trấu được thể hiện ở hình 3.1. Trên giản đồ DSC ta quan sát được hai pic ở 840C thu nhiệt, 3230C toả nhiệt và một pic tỏa nhiệt có hình dạng tù từ 350oC đến 500oC tương ứng với ba giai đoạn mất khối lượng trên giản đồ TG là 12,4%, 27,0% và 54,3%. Sự mất khối lượng ở giai đoạn thứ nhất kèm theo quá trình thu nhiệt (DH > 0). Có thể được giải thích là do quá trình mất nước có trong vỏ trấu. Đây là quá trình hoá hơi của nước nên cần cung cấp nhiệt lượng, do vậy DH > 0. Giai đoạn mất khối lượng thứ hai ở nhiệt độ 3230C là kết quả của quá trình cháy phân huỷ các chất hữu cơ khi cháy các chất hữu cơ tỏa ra nhiều nhiệt (DH > 0) kèm theo sự mất khối lượng do tạo thành CO2 và hơi nước bay ra. Giai đoạn thứ ba, pic toả nhiệt có hình dạng tù ở đây có thể là do sự cháy các chất hữu cơ có nhiệt độ cháy khác nhau. Mỗi chất hữu cơ có một nhiệt độ cháy khác nhau, pic toả nhịêt kèm theo sự hụt khối lượng. Khi các chất có nhiệt độ cháy xấp xỉ nhau, chúng gộp lại thành một pic tù, không đặc trưng nhưng đại diện cho tất cả các chất hữu cơ bị cháy trong khoảng nhiệt độ đó. Quá trình mất khối lượng xảy hoàn toàn khi nhiệt độ gần đến 5500C. Khi đó các chất hữu cơ cháy hết, không còn hiện tượng mất khối lượng. Thành phần chỉ còn SiO2 . Hình 3.1: Giản đồ phân tích nhiệt trấu 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 đáng kể các oxit kim loại. Bảng 2.1 dưới đây 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 đó một lượng lớn chất hữu cơ chiếm đến 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 đang nghiên cứu tương đối thấp, chỉ chiếm 9,838%. Trong khi đó, hàm lượng SiO2 ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu đến 20% . Điều này có thể được giải thích là ở các điều kiện thổ nhưỡng khác nhau, các giống lúa khác nhau có ảnh hưởng rất lớn đến 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 Vỏ trấu sau khi rửa sạch và phơi thật khô, đem đốt cho cháy hết các chất hữu cơ, đem phân tích ta thu được 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 Thành phần của tro SiO2 Al2O3 K2O CCK 85,2 2,1 1,5 1,2 Từ hình 3.2 ta thấy rằng, trấu sau khi bị đốt kĩ thành tro thì thành phần của chất hữu cơ bị cháy chiếm 88 %, SiO2 và các chất khác chiếm 12 % còn lại, đặc biệt là trong tro, SiO2 chiếm đến 85,2 %, tức là lớn hơn rất nhiều so với trong vỏ trấu, do vậy tôi mới quyết định chọn phương pháp thu hồi SiO2 từ tro trấu. 3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 3.2: Giản đồ XRD của SiO2 chiết từ vỏ trấu Từ giản đồ XRD (hình 3.2) ta thấy chỉ có một pic xuất hiện ở 2θ bằng 220 nhưng cường độ rất thấp (<100cps) nên có thể cho rằng SiO2 chiết suất từ vỏ trấu là vô định hình. Thực tế cho thấy SiO2 tổng hợp từ trấu mềm và có độ xốp cao, hút ẩm tốt. Đây 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 độ NaOH dến quá trình tổng hợp SiO2 từ tro trấu Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu, ta tiến hành như quy trình đã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố định nhiệt độ đun ở 1000C và thời gian đun là 4,0h, thay đổi nồng độ NaOH từ 0,5M đến 6,0M. Sau quá trình làm thực nghiệm thu được kết quả như sau: Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất thu hồi SiO2 Khối lượng tro (g) Nồng độ NaOH (mol/l) Khối lượng SiO2 thu được (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 Sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình thu hồi SiO2 có thể được biểu diễn trê