Tài liệu Nghiên cứu sản xuất silicagen làm vật liệu hấp phụ

  • Số trang: 40 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 351 |
  • Lượt tải: 0
nguyetha

Đã đăng 8489 tài liệu

Mô tả:

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SILICAGEN LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ” CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS. CAO NHẬT QUANG 7606 22/01/2010 HÀ NỘI, 2009 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SILICAGEN LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ” Thực hiện theo Hợp đồng KHCN 069.09.RD/HĐ-KHCN, ký giũa Bộ Công thương và Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp ngày 04 tháng 03 năm 2009. Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp Chủ nhiệm đề tài : Ks. Cao Nhật Quang Cán bộ phối hợp : Ks. Nguyễn Ngọc Ảnh : Ks. Đào Hà Quang HÀ NỘI, 2009 MỤC LỤC MỤC LỤC........................................................................................................ 0 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 TÓM TẮT NỘI DUNG BÁO CÁO ............................................................... 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................... 4 I. Giới thiệu chung về quá trình hấp phụ và vật liệu hấp phụ ....................... 4 I.1. Quá trình hấp phụ................................................................................ 4 I.2. Vật liệu hấp phụ (Chất hấp phụ) ......................................................... 5 II. Giới thiệu chung về Silicagen (Silica gel) ................................................ 7 II.1. Lịch sử nghiên cứu - ứng dụng........................................................... 7 II.2. Cấu trúc và tính chất của Silicagen ................................................... 8 III. Cơ sở lý thuyết về tổng hợp Silicagen................................................... 11 III.1. Nguyên liệu thủy tinh lỏng .............................................................. 11 III.2. Các phương pháp tổng hợp Silicagen............................................. 13 III.3. Phương pháp tạo hạt Silicagen....................................................... 17 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM .................................................................. 19 I. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 19 II. Nội dung nghiên cứu.............................................................................. 19 III. Tổng hợp Silicagen ................................................................................ 20 III.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ ................................................... 20 III.2. Quy trình tổng hợp Silicagen trong phòng thí nghiệm ................... 21 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN.............................................. 26 I. Tổng hợp Silicagen trong phòng thí nghiệm............................................ 26 II. Công nghệ tổng hợp Silicagen ................................................................ 31 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 34 I. Kết luận .................................................................................................... 34 II. Kiến nghị................................................................................................. 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 35 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN KINH TẾ ............................................................. 37 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc MỞ ĐẦU Đặc thù của các nước ở vùng khí hậu nhiệt đới (trong đó có Việt Nam) thường có độ ẩm trong không khí khá cao. Đó là một trong những nguyên nhân gây nên hư hỏng sản phẩm do vi khuẩn hoặc ăn mòn hoá học. Vì vậy, nhu cầu về chất hút ẩm nói riêng và vật liệu hấp phụ nói chung để bảo quản thiết bị trong các ngành công nghiệp, chống nấm mốc cho nông sản, dược phẩm là rất cao. Silicagen đã được nhiều nước trên Thế giới nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi do hiệu quả hút ẩm và tính kinh tế cao so với các loại hút ẩm khác. Các nước có nền Công nghiệp hóa chất mạnh điển hình như Trung Quốc hàng năm sản xuất mặt hàng vật liệu hấp phụ Silicagen với sản lượng rất lớn. Trong nước hiện chưa có cơ sở nào nghiên cứu sản xuất thành công các sản phẩm này. Hiện nay, toàn bộ các loại sản phẩm hấp phụ Silicagen ở nước ta đều phải nhập ngoại. Trong khi đó, khảo sát ban đầu cho thấy nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất sản phẩm này trong nước rất dồi dào và dễ kiếm vì nguyên liệu dùng để sản xuất silicagen thường là sản phẩm phụ hoặc phế liệu của các công nghệ sản xuất thủy tinh khác. Nhu cầu về loại vật liệu hút ẩm này là rất cao do khả năng ứng dụng đa dạng của nó trong sản xuất cũng như trong đời sống. Nếu nghiên cứu thành công sẽ đáp ứng được nhu cầu trong nước, tạo điều kiện cho các cơ sở sử dụng sản phẩm chủ động trong sản xuất kinh doanh, giảm giá thành sản phẩm. Trước thực tiễn đó, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đã đăng ký với Bộ Công thương đề tài: “Nghiên cứu sản xuất Silicagen làm vật liệu hấp phụ” Hợp đồng thực hiện đề tài khoa học công nghệ số 069.09.RD/HĐKHCN, ký giũa Bộ Công thương và Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp ngày 04 tháng 03 năm 2009. 1 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc Mục tiêu của đề tài: - Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất Silicagen làm vật liệu hấp phụ - Sản xuất thử sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng. Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về vật liệu hấp phụ và công nghệ sản xuất Silicagen. - Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ sản xuất Silicagen. - Tiến hành sản xuất thử nghiệm sản phẩm. - Đánh giá chất lượng, thử nghiệm sản phẩm vật liệu Silicagen sản xuất được (khả năng hấp phụ và các tính chất khác). 2 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc TÓM TẮT NỘI DUNG BÁO CÁO Silicagen đã được nhiều nước trên Thế giới nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong vai trò chất hấp phụ nói chung và chất hút ẩm nói riêng do hiệu quả hút ẩm và tính kinh tế cao so với các loại hút ẩm khác. Trong nước hiện chưa có cơ sở nào nghiên cứu sản xuất thành công các sản phẩm này. Trong khi đó, khảo sát ban đầu cho thấy nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất sản phẩm này trong nước rất dồi dào và dễ kiếm vì nguyên liệu dùng để sản xuất silicagen thường là sản phẩm phụ hoặc phế liệu của các công nghệ sản xuất thủy tinh khác. Đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ là Silicagen từ nguyên liệu đầu là thủy tinh lỏng Na2SiO3 và axit sunfuric H2SO4 theo phương pháp Sol – gel, tạo hạt trong đầu. Dung dịch thủy tinh lỏng Na2SiO3 được sử dụng có hàm lượng %SiO2 theo khối lượng thay đổi từ 5 – 10% . Dung dịch axit sunfuric H2SO4 có nồng độ 6 – 7%. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng (2025oC), pH dung dịch phản ứng từ 5 – 10. Sản phẩm hạt Silicagen thu được có kích cỡ 1- 5mm, diện tích bề mặt riêng ~ 600mm2/g, khả năng hút ẩm đến 33% trong môi trường có độ ẩm 90%. 3 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Giới thiệu chung về quá trình hấp phụ và vật liệu hấp phụ I.1. Quá trình hấp phụ a) Khái niệm chung: Quá trình hấp phụ là quá trình tập hợp các chất khí hay chất lỏng trên bề mặt một chất lỏng hay một chất rắn, hình thành lớp chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ.[2]. b) Đặc điểm của hấp phụ: Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ. Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học: - Hấp phụ vật lý: là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Van Đơ Van, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán London. Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, nhiệt hấp phụ thường nhỏ hơn so với hấp phụ hóa học, khoảng dưới 20 kJ/mol. Sự hấp phụ vật lí đặc trưng nhất là hấp phụ hơi nước trên bề mặt silicagen. - Hấp phụ hóa học: là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học. Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm. Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, tương đương với lực liên kết hoá học. Hấp phụ hóa học thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá. Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể. Hấp phụ hóa học về bản chất khác với hấp phụ vật lý. Hấp phụ có tính chọn lọc và phụ thuộc vào nhiệt độ. 4 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc Hấp phụ có tính thuận nghịch. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ. [5] I.2. Vật liệu hấp phụ (Chất hấp phụ) Chất hấp phụ có thể ở dạng lỏng hoặc dạng rắn, ở đây chúng tôi chỉ đề cập tới các chất hấp phụ ở dạng rắn. Các chất hấp phụ thường được sử dụng ở dạng tấm, hạt nhỏ… với kích thước trung bình từ 0.5 – 10mm. Chúng phải có độ bền cao, ổn định nhiệt. Quan trọng nhất là phải có cấu trúc xốp với nhiều lỗ rỗng nhỏ và bề mặt riêng lớn. Có 3 nhóm chất hấp phụ thường gặp là - Hợp chất có chứa oxi: là nhóm ưa nước và phân cực điển hình như silicagen và zeolit - Hợp chất gốc cacbon: là nhóm không ưa nước và không phân cực như than hoạt tính, thanh chì. - Hợp chất polime: có chứa các nhóm chức phân cực hoặc không phân cực trong mạng lưới polime rỗng. [17] I.3. Một số chất hấp phụ thường gặp a. Silicagen (Silica gel) Silica gel hay gel axit silisic là một chất sẵn có trong tự nhiên, một hợp chất hóa học trơ, có cực. Silica gel thực chất là một dạng SiO2 vô định hình, ở dạng hạt cứng và xốp (có vô số khoang rỗng li ti trong hạt). Công thức hóa học đơn giản của nó là SiO2.nH2O (n<2), nó được sản xuất từ natri othosilicat (Na2SiO4) hoặc Silic TetraClorua (SiCl4). Hiện nay silica gel có vai trò rất quan trọng trong công nghệ hóa học từ đơn giản đến phức tạp. Silica gel được dùng rất nhiều để làm chất hút ẩm, làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ hóa dầu, lọc nước... 5 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc b. Zeolit Zeolit là các alumosilicat (tự nhiên hay tổng hợp) của một số kim loại có cấu trúc vi xốp tạo thành mạng không gian ba chiều với công thức chung: Mex.yAl2O3.nSiO2.mH2O Kích thước các lỗ mao quản của zeolit thường từ 2 – 9Å. Zeolit tự nhiên được hình thành từ sự kết hợp giữa đá và tro của núi lửa với các kim loại kiềm có trong nước ngầm. Zeolit nhân tạo được tổng hợp trực tiếp từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên, biến tính các alumosilicat là các khoáng phi kim loại như kao lanh, bentonit… hoặc tổng hợp trực tiếp từ các silicat và aluminat. Zeolit có rất nhiều các tính chất quý giá, một số tính chất cơ bản và có nhiều ứng dụng là tính chất trao đổi cation, tính chất hấp phụ, tính chất ổn định và tính chất xúc tác. c. Than hoạt tính Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit. Than hoạt tính có độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng rất lớn từ 500 đến 2500 m2/g do vậy nó là một chất lý tưởng dùng để lọc hút nhiều loại hóa chất. Than hoạt tính được tạo từ nhiều nguồn cacbon khác nhau như các nguyên liệu hóa thạch, gỗ, xơ dừa… Quá trình sản xuất bao gồm hai giai đoạn chính là : than hóa và hoạt hóa. Bề mặt riêng rất lớn của than hoạt tính là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao, trong điều kiện thiếu khí. Than hoạt tính không độc, giá thành rẻ cộng với khả năng hấp phụ rất tốt nên có rất nhiều ứng dụng đặc biệt là trong quá trình xử lý khí thải và nước thải. 6 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc II. Giới thiệu chung về Silicagen (Silica gel) II.1. Lịch sử nghiên cứu - ứng dụng Silicagen là một hợp chất hóa học trơ, không độc được biết đến tử thế kỷ 17 nhưng những nghiên cứu về các tính chất của nó cũng như quá trình tổng hợp và ứng dụng của silicagen chỉ thực sự được bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20[6]. Năm 1861, Graham đã có những nghiên cứu đầu tiên mặc dù những quan sát về quá trình gel hóa này đã được đề cập sớm hơn. Đến đầu Thế kỷ 20 thì quá trình tổng hợp sản xuất silicagen lần đầu tiên được đề cập đến trong các báo cáo khoa học là vào năm 1919 bởi giáo sư Walter A. Patrick. Trong Thế chiến thứ I, silicagen đã được sử dụng làm chất hấp phụ khí và hơi trong các mặt nạ dưỡng khí. Trong Thế chiến thứ II, silicagen được sử dụng để làm chất chống ẩm cho các khí tài quân đội, các loại thuốc… Silicagen còn được sử dụng làm chất xúc tác cho các quá trình sản xuất nhiên liệu, làm chất độn (SiO2) trong cao su tổng hợp…[6] Ngày nay, silicagen (silica gel) đã trở thành một loại vật liệu có rất nhiều ứng dụng trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Từ những gói hạt chống ẩm đơn giản cho thực phẩm, dược phẩm đến các loại vật liệu hấp phụ cao cấp sử dụng trong phòng Thí nghiệm hay công nghiệp; các loại chất mang, chất xúc tác… tất cả đều có thể làm từ silicagen. Ở các nước có nền công nghiệp hóa chất mạnh như Ấn Độ, Trung Quốc các công ty mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn sản phẩm bắt nguồn từ silicagen. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các nghiên cứu về silicagen ngày càng được phát triển sâu rộng hơn, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới trong công ngiệp cũng như trong đời sống hàng ngày. 7 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc II.2. Cấu trúc và tính chất của Silicagen a) Cấu trúc của Silicagen: Silicagen tồn tại trong tự nhiên là chất rắn, xốp, một dạng vô định hình của SiO2. Trong phòng thí nghiệm, quá trình gel hóa silica sol làm hình thành silicagen ở dạng gel axit silicic, làm mất nước nó ta thu được silicagen khô. Hình 1: Silicagen Theo các tác giả [7] thì silicagen là một mạng 3 chiều, liên tục của các hạt keo silica. Dung dịch silicate được acid hóa tạo axit silicic. Trong hệ acid silicic này, dạng gel thường được cho là hình thành từ sự gắn kết của các nhóm Si(OH)4 tạo thành các chuỗi siloxane. Trạng thái ban đầu của quá trình polyme hóa Si(OH)4 có liên quan đến sự hình thành của các hạt SiO2 mang trên bề mặt các nhóm silanol (≡SiOH). Các hạt nhỏ riêng rẽ này được gọi là các mixen. Khi các mixen này va chạm với nhau, các nhóm ≡SiOH trên bề mặt sẽ tập hợp lại hình thành dạng Si-O-Si. Như vậy có thể coi đơn giản silicagen là mạng không gian ba chiều của các hạt mixen liên kết với nhau. Si O Si Si O Si Si O H HO Si Si O H HO Si Si OH OH Si H2 O Hình 2: “Cầu” mixen SiO2 8 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc Các nhóm silanol (≡SiOH) có khả năng gắn kết tạo các “cầu” siloxane (=Si-O-Si=) vì thế bề mặt silicagen hình thành như một tập hợp bao gồm nước (hấp phụ vật lý), và silic oxit gắn kết với các nhóm hydroxyl. CácChem nhóm hydroxyl ically Adsorbed W ater Phân tử nước tự do W ater Physically Adsorbed O H H H H H O H H H H H H O O O O O O O Si Si Si Si Si Si Si O O O O O O Hình 3: Bề mặt Silicagen Dưới tác dụng của nhiệt độ, các phân tử nước bị tách ra tạo cho Silicagen cấu trúc rỗng đặc trưng. Chính nhờ cấu trúc này mà silicagen có khả năng hấp phụ vật lý cao. Hình 4: Quá trình mất nước trên bề mặt Silicagen 9 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc Cấu trúc rỗng của Silicagen được đặc trưng bởi mật độ và kích thước trung bình của lỗ rỗng.. Tùy theo các phương pháp tổng hợp mà mật độ và kích thước lỗ này khác nhau. b) Tính chất của Silicagen: Silicagen ở dạng rắn màu trắng, trơ, không độc, bề mặt riêng khá lớn. Như đã nói ở trên các nhóm hydroxyl ưa nước và silicagel có khả năng hấp phụ hơi ẩm. Silicagen có độ ổn định nhiệt và độ bền hóa học cao. Dưới đây là một số tính chất của một loại silicagen có độ xốp cao[6]: Bảng 1: Một số thông số hóa lý của Silicagen Thành phần hóa SiO2 99.71 % Al2O3 0.10 % TiO2 0.09 % Fe2O3 0.03 % Cá thông số hóa lý cơ bản Mất khối lượng khi gia nhiệt 5 – 6.5 % Diện tích bề mặt riêng 750 – 800 m2/g Độ xốp 0.43 cm3/g Kích thước lỗ trung bình 2.2 nm Mật độ khối 0.72 g/cm3 Nhiệt dung riêng 920 J kg–1 K–1 Độ dẫn nhiệt 522 J m–1 h–1 K–1 Chiết suất 1.45 10 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc III. Cơ sở lý thuyết về tổng hợp Silicagen III.1. Nguyên liệu thủy tinh lỏng Thuỷ tinh lỏng là dung dịch nước của silicat natri có công thức hoá học Na2O.mSiO2.nH2O. Silicat natri hoà trong nước sẽ phân ly thành các cation và các anion phức của axit silisic tạo ra dung dịch nước silicat natri. Khi phân ly trong nước natri silicat tạo các cation Na+ và các anion monome dưới dạng [H3SiO4 ]-. Khi dung dịch đặc hơn các anion trùng ngưng lại để giải phóng nước và tạo các polyme có mức độ polyme hoá khác nhau. Cân bằng giữa polyme và monome dạng anion phụ thuộc nồng độ và pH của dung dịch do dung môi tác động làm thuỷ phân polyme. Axít Silixic là axít yếu ít bị phân ly do vậy khi silicat natri phản ứng với axít các cation natri thay thế bằng các proton còn axít silisic tạo thành nhanh chóng giải phóng nước tạo gel của poly axít silisic dưới dạng xH2O.ySiO2 có cấu tạo mạch thẳng ở dạng lớp hay không gian của các anion có phân từ lớn ở dạng tứ diện SiO4 liên kết với nhau bằng các đỉnh chung của tứ diện, bên trong tứ diện còn chứa một số nhóm hydroxyl.[1] Cấu trúc của silicat natri rất phức tạp. Các giả thuyết cho rằng trong silicat dạng kính đều có những cấu trúc cao phân tử nhỏ, không có tính chu kỳ nhưng có trật tự kiểu khung xương gần với cấu trúc tinh thể. Tuỳ thuộc vào môdun mà silicat natri có cấu trúc mạng không gian theo Zakhariazen hay cấu trúc mạch vòng theo Sosmentaraxob. Các nhà vật liệu silicat cho rằng silicatnatri chỉ là trường hợp riêng của vật liệu silicat. Cấu trúc của silicat phụ thuộc vào tỷ số giữa oxit kim loại hoặc kiềm hay kiềm thổ với oxit silic mà có thể có dạng mạch dài, mạch kép, mạch lưới vòng hay khối không gian vòng [4] 11 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc Hình 5: Mạch dài Hình 6: Mạch kép Hình 8: Khối không gian vòng Hình 7: Mạch lướt Trong silicat có hai kiểu liên kết là liên kết là liên kết ion giữa natri với oxy và liên kết ion cộng hoá trị giữa silic với oxy. Nếu silicat natri giầu oxyt natri, cấu trúc của nó bao gồm gốc kiềm hoặc hoặc gốc oxyt silic (Si-O-Si) xếp thành lớp được nối với nhau nhờ oxyt natri (Na2O). Trong trường hợp này tính chất của nó được quyết định bởi mối liên kết ion. Nếu silicat natri nghèo oxyt natri, cấu trúc của nó có dạng khung liên tục. Khi này tính chất của nó được quyết định bởi mối liên kết ion cộng hoá trị. Cấu trúc của thuỷ tinh lỏng rất phức tạp. Trước kia nó được coi là hệ keo ưa dung môi. Gần đây có giả thuyết cho rằng nó là dung dịch polyme vô cơ với các cation (Na+, H+) và anion (OH-, silisic). Kết quả nghiên cứu bằng quang phổ, độ chịu nén, tính dẫn điện cho thuỷ tinh là dung dịch thực. 12 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc III.2. Các phương pháp tổng hợp Silicagen a) Phương pháp Sol – Gel Đây là phương pháp thường được dùng để tổng hợp Silicagen trong phòng thí nghiệm cũng như trong công nghiệp. Sol - gel là một quá trình các phản ứng hoá học bắt đầu đi từ dung dịch đến sản phẩm cuối cùng ở trạng thái rắn. Từ “Sol” là từ đầu của danh từ “Solution”, còn từ “Gel” là các từ đầu của danh từ “Gelation” . Sử dụng phương pháp sol-gel, ta có thể chế tạo ra các hợp chất ở dạng khối, bột siêu mịn, màng mỏng và sợi. [3] Cơ sở của phương pháp là các hệ nằm dưới dạng phân tán cao của các hợp chất (muối), hidroxit, bazơ chuyển đổi về dạng phân tán cao và phân huỷ dạng phân tán cao để đưa hạt về tới kích cỡ nano mét hay dựa vào sự thuỷ phân và ngưng tụ của các alkoxide kim loại. Phản ứng cô đặc lại vật liệu gel với cấu trúc 3 chiều. Ví dụ quá trình thuỷ phân muối cation kim loại có hoá trị cao (> 3) [M(H2O)n ]z+ + mH2O ⇒ [M(OH)m(H2O)n-m ]z-m + nH2O + nH+ Sau đó ta dùng nhiệt làm mất nước được các gel. • Ưu điểm của phương pháp Sol - Gel + Chuyển hoá phản ứng xảy ra dễ dàng + Tiến hành ở gần nhiệt độ phòng + Sản phẩm có nhiều tính chất lý tưởng cho ứng dụng mong muốn như các xerogels xốp bề mặt đóng vai trò làm chất mang cho xúc tác và các lớp mỏng rất hữu ích cho vật liệu có tính chất quang học và từ tính mong muốn. + Vật liệu dễ chế tạo và được một khối lượng lớn vật liệu + Có thể đi từ nhiều nguồn nguyên vật liệu khác nhau + Đặc biệt giá thành rẻ tiền 13 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc • Silicagen tổng hợp từ các alkoxide silic như Tetramethyl orthosilicate Si(OCH3)4 – TMOS, Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 – TEOS. Ban đầu các alkoxide bị thủy phân tạo liên kết Si – OH: Si(OR)4 + H2O → HO-Si(OR)3 + R-OH (1) Ở đây R là các gốc –CH3 hay –C2H5 Tiếp đó các phân tử trung gian tiếp tục phản ứng tạo mối liên kết Si-O-Si qua loạt phản ứng polymer hóa ngưng tụ: và (OR)3–Si-OH + HO–Si-(OR)3 → [(OR)3Si–O–Si(OR)3] + H-O-H (2) (OR)3–Si-OR + HO–Si-(OR)3 → [(OR)3Si–O–Si(OR)3] + R-OH (3) Theo thời gian, phản ứng sẽ liên tục diễn ra, độ nhớt của dung dịch sẽ tăng lên do phản ứng polymer hoá và đông đặc, cho tới khi hình thành gel rắn, ở ngay nhiệt độ thường. Chất lượng và dạng của sản phẩm cuối cùng tuỳ thuộc vào loại alkoxide được dùng, pH của dung dịch phản ứng, điều kiện xúc tác là axit hoặc bazơ, nhiệt độ, tỷ lệ alkoxide/H2O và các chất khác sử dụng trong phản ứng. Tỉ lệ mol giữa alkoxide/H2O sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sản phẩm cuối cùng, Sau khi gel được hình thành, nó thường ở dạng xốp và còn chứa các chất lỏng trong phần các lỗ xốp. Các chất lỏng này sẽ phải được loại bỏ qua các quá trình sấy và xử lý nhiệt về sau. Ưu điểm của phương pháp này là gel tạo ra có hàm lượng SiO2 cao, độ xốp lớn và có thể được điều chỉnh tủy thuộc vào tỷ lệ của nước với các hoá chất ban đầu sử dụng, nhiệt độ và môi trường khi nung mẫu. Nhược điểm là phản ứng được tiến hành dưới điều kiện nghiêm ngặt, các loại hóa chất sử dụng có giá thành tương đối cao nên chủ yếu phương pháp này chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm. • Tổng hợp Silicagen từ thủy tinh lỏng Đây là phương pháp được sử dụng để tổng hợp Silicagen cả trong phòng thí nghiệm và trong sản xuất công nghiệp từ nguồn nguyên liệu thuỷ tinh lỏng Na2SiO3 và axít H2SO4 theo phương pháp sol - gel. Quá trình hình thành gel silica cũng theo hai giai đoạn: 14 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc - Tạo sol bằng cách thêm từ từ dung dịch H2SO4 vào dung dịch thuỷ tinh lỏng tới pH xác định. Na2SiO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2SiO3 (4) Axit silisic ban đầu được tạo ra dưới dạng các hạt keo SiO2.nH2O - Quá trình ngưng tụ: Khi nồng độ các hạt keo tăng lên thì từ trạng thái sol, dung dịch keo sẽ chuyển sang trạng thái gel. Sau quá trình tổng hợp ta thu được khối gel silica ướt, đem rửa và sấy ở nhiệt độ thích hợp sẽ thu được Silicagel khô. Ưu điểm phương pháp là quá trình tổng hợp được tiến hành dễ dàng trong điều kiện thường; dụng cụ hóa chất đơn giản và rẻ tiền. Nhược điểm là khó loại bỏ lượng muối, hóa chất còn dư trong gel silica (phải tiến hành rửa nhiều lần). b) Phương pháp điện phân Một số tác giả [13] đã nghiên cứu tổng hợp Silicagen bằng phương pháp điện phân dung dịch muối silicat kim loại kiềm. Hình 9: Bình điện phân tổng hợp Silicagen 15 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc Trong phương pháp này, một hỗn hợp dung dịch gồm muối silicat kim loại kiềm (Na2SiO3 hơặc K2SiO3) và một muối mà anion chứa oxit có cation tương tự (như Na2SO4 hay NaNO3) được điện phân trong bình điện phân 1 có màng ngăn 2, 3. Một nguồi điện một chiều 11 hiệu điện thế 8V được đặt vào 2 đầu điện cực: Anôt 7, 8 bằng titan và catốt 9, 10 bằng thép không gỉ. Cường độ dòng điện khoảng 5 ampe với mật độ dòng trên bề mặt anốt là 0.024 ampe/cm2. Quá trình điện phân diễn ra trong khoảng 48 giờ và nhiệt độ từ 25 – 35oC. Dưới tác dụng của dòng điện, các dung dịch muối bị điện phân và ta thu được Silicagen ở cực dương. Cơ chế của quá trình được giải thích như sau: Ở Catốt nơi tập trung các cation Na+, K+, H2O thì nước bị điện phân 2H2O + 2e → H2 + 2OH- (5) Ở Anốt nơi tập trung các anion SiO32-, H2O thì nước bị điện phân 2H2O – 4e → O2 + 4H+ (6) Như vậy sau quá trình điện phân lớp Silicagen sẽ hình thành và bám vào bề mặt Anôt. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng dung dịch muối silicat chứa hàm lượng kiềm và silíc thấp hơn so với các dung dịch silicat dùng trong các phương pháp sol gel như trên. Nhược điểm là quá trình điện phân diễn ra trong thời gian dài, lượng silicagen thu được không lớn (so với các phương pháp trên). Từ những nhận định và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp Silicagen trên, nhóm đề tài quyết điịnh tiến hành nghiên cứu tổng hợp silicagen dựa theo phương pháp Sol gel với nguồn nguyên liệu ban đầu là thủy tinh lỏng và axit sunfuric. Mục tiêu của đề tài là đưa ra công nghệ tổng hợp silicagen tối ưu với hy vọng sản phẩm hạt silicagen mang thương hiệu Việt Nam có chất lượng không thua kém nước ngoài nhưng với giá thành rẻ hơn sẽ đáp ứng được nhu cầu của nhiều ngành sản xuất trong công cuộc phát triển đất nước. 16 B¸o c¸o nghiªn cøu khoa häc III.3. Phương pháp tạo hạt Silicagen Silicagen được tổng hợp theo phương pháp sol – gel có kích thước hạt cơ bản từ vài chục nm đến vài trăm µm. Trong quá trình phản ứng, các hạt này ngưng tụ tạo thành gel silixic. Sau khi sấy khô, silicagen thu được ở dạng khối với hình dạng và kích cỡ tủy thuộc vào khối gel ban đầu. Như vậy để tạo ra hạt silicagen có kích cỡ và hình dạng mong muốn thì phải tác động vào quá trình hình thành khối gel này. Có nhiều cách tạo hình khối gel thường là về dạng hạt cầu đã được nghiên cứu. Một số tác giả [6] đã tiến hành tạo hạt Silicagen bằng các đẩy nhanh quá trình gel hóa dung dịch kết hợp với phương thức sấy phun. Các tác giả khác [12] thì sử dụng thiết bị tạo hình cho gel silica, trong khi số khác [14] tạo hạt silicagen bằng cách để quá trình gel hóa diễn ra trong dầu. Hình 10: Tạo hạt Silicagen sử dụng chén tạo hình Hình 10 mô tả thiết bị tạo hạt silicagen sử dụng chén tạo hình: trên các băng tải 7, 8 có gắn các chén nhỏ hình bán nguyệt 11, 12. Vòi 9 cấp dung dịch sol vào các chén này. Khoảng không gian 16 bên trong thiết bị được giữ ở nhiệt độ 50 – 70 oC có tác dụng sấy sơ bộ giúp hạt silicagen 27 tách ra dễ dàng hơn, rơi qua cửa 6 sau đó được rửa và sấy khô. Với các chén có đường kính từ 20 – 25mm thì hạt silicagen sau khi sấy sơ bộ có kích cỡ khoảng 16mm và sau khi khô hoàn toàn có kích cỡ từ 4 – 5 mm. 17
- Xem thêm -