ĐỀ TÀI " MUỘI THAN "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

84
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Muội là sản phẩm dạng bột của sự cháy không hoàn toàn hay là sự phân huỷ nhiệt của các chất hữu cơ, chủ yếu là hydrocacbon. Khi nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử người ta khẳng định là muội bao gồm các hạt có kích thước từ 9 - 600 mmm (90 Ã· 6000 Ã…)(*). Các hạt kết hợp tạo thành chuỗi có nhánh lớn hay nhỏ. Các chuỗi hay mạch như thế gọi là "cấu trúc" muội. Hình dạng của hạt muội gần như hình cầu. Có nhiều loại muội có bề mặt hạt nhẵn,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐỀ TÀI " MUỘI THAN "

ĐỀ TÀI MUỘI THAN
1. KHÁI NIỆM CHUNG................................................................... 3 2. SỬ DỤNG MUỘI TRONG CÔNG NGHIỆP ............................. 9 3. CÁC LOẠI MUỘI ....................................................................... 11 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT MUỘI .............................. 18 5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH MUỘI................................................................................................ 21 6. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT MUỘI ......................................... 27 7. SẢN XUẤT MUỘI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÒ..................... 36 8. SẢN XUẤT MUỘI BẰNG CÁCH TÁCH CACBON TỪ NGỌN LỬA TRÊN BỀ MẶT LẠNH ......................................................... 47 9. SẢN XUẤT MUỘI BẰNG CÁCH PHÂN HUỶ NHIỆT NGUYÊN LIỆU KHÔNG CÓ MẶT KHÔNG KHÍ .................... 50
1. KHÁI NIỆM CHUNG Muội là sản phẩm dạng bột của sự cháy không hoàn toàn hay là sự phân huỷ nhiệt của các chất hữu cơ, chủ yếu là hydrocacbon. Khi nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử người ta khẳng định là muội bao gồm các hạt có kích thước từ 9 - 600 mmm (90 Ã· 6000 Ã…)(*). Các hạt kết hợp tạo thành chuỗi có nhánh lớn hay nhỏ. Các chuỗi hay mạch như thế gọi là "cấu trúc" muội. Hình dạng của hạt muội gần như hình cầu. Có nhiều loại muội có bề mặt hạt nhẵn, nhưng cũng có loại muội bề mặt hạt nhám, điều đó tùy thuộc vào sự cháy của các nguyên tử cacbon trên bề mặt hạt muội trong quá trình hình thành muội. Cấu trúc của hạt muội hiện được nghiên cứu chưa đầy đủ. Phần lớn các nhà nghiên cứu cho rằng hạt muội là bộ khung vô trật tự của các tinh thể riêng bệt, bao gồm từ 3 đến 5 mặt phẳng song song của mạng lưới nguyên tử cacbon. Có loại muội, như muội axetylen, có 7 hay nhiều hơn mặt phẳng lưới của nguyên tử cacbon. Trong mỗi một lớp tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phẳng lưới song song của các lớp nguyên tử từ 3,45 đến 3,65 Ã…. Mặt phẳng lưới trong tinh thể có thể di chuyển vị trí một cách tương đối so với mặt phẳng khác trong tinh thể đó. Điều đó làm tăng lên mức độ vô trật tự của cấu trúc hạt muội so với cấu trúc của grafit.
Có nhiều tài liệu cho rằng bên trong hạt muội có một lưới nguyên tử không song song nhau, gọi là lớp cá biệt và như thế trong chúng tồn tại các mạch nguyên tử cacbon không hoàn toàn cùng hướng. Do vậy hạt muội, xét theo mức độ cấu trúc có trật tự, thì nó chiếm vị trí trung gian giữa cacbon vô định hình và grafit tinh thể. Các tinh thể cacbon phân bố trong các hạt muội đều không có trật tự với sự tạo ra trên bề mặt các góc cạnh khác nhau, do vậy mà bề mặt hạt muội nói chung không đồng nhất. Trên bề mặt của chúng có thể còn tồn tại các hoá trị tự do của các nguyên tử cacbon mạch nhánh của các hydrocacbon (no và không no) và của các hợp chất chứa oxy, lưu huỳnh. Độ lớn của hạt muội cũng như bề mặt riêng và mức độ cấu trúc (nghĩa là mức độ phân nhánh của chuỗi hạt muội) phụ thuộc vào điều kiện tạo thành nó. Tính chất của muội được quyết định chủ yếu bởi các đặc điểm này. Cần chú ý rằng các hạt muội có đặc tính không đồng đều và trong một mẫu muội luôn chứa các dạng hạt khác nhau và kích thước khác nhau. Kích thước của hạt muội có thể xác định nhờ kính hiển vi điện tử hoặc bằng các phương pháp khác. Đường kính trung bình đại số của hạt muội dn được tính theo công thức sau ΣniDi
dn = ---------------- ΣN trong đó: SniDi - tổng tích số của các hạt có kích thước giống nhau n i với đường kính Di ; Sn - tổng số hạt được đo. Đường kính trung bình của hạt muội có thể xác định nhờ phép đo bề mặt riêng của muội bằng phương pháp hấp phụ hơi, khí, bằng phương pháp hấp phụ các chất từ dung dịch và bằng phương pháp so màu. Nếu biết bề mặt riêng của muội là A thì đường kính trung bình của hạt muội sẽ được tính theo công thức: 60000 dA = ------------- ρ dA - đường kính trung bình của hạt muội, Ã…; ρ - mật độ tương đối của muội g/cm3; A - bề mặt riêng, m2/g. Đường kính trung bình hạt muội và bề mặt riêng ghi trong bảng 1. Thành phần nguyên tố trung bình của các loại muội ghi trong bảng 2.
Bảng 1. Đường kính trung bình hạt muội và bề mặt riêng Loại muội Đường kính trung Bề mặt riêng, bình của hạt muội, m2/g Ã… Muội rãnh khí - Dùng cho sơn và chất màu 9 Ã· 35 250 Ã· 100 - Dùng cho công nghệ cao su 32 Ã· 25 90 Ã· 110 Muội Antraxen 32 Ã· 39 85 Ã· 75 Muội Axetylen 35 Ã· 45 70 Ã· 60 Muội lò hoạt động Loại SPF 35 75 Ã· 80 Loại SAF 18 Ã· 23 140 Ã· 130 Loại ISAF 25 Ã· 36 115 Ã· 105
Loại CRF 30 Ã· 35 80 Ã· 70 Loại ΠM - 70 và loại HAF 28 Ã· 35 85 Ã· 70 Muội lò nửa hoạt động -ΠM - 50 và loại FEF 35 Ã· 40 50 Ã· 40 - ΠГ - 33, ΠГM - 33, ΠГM - 70 Ã· 50 30 Ã· 40 30 và loại GPF Muội vòi phun 65 Ã· 80 35 Ã· 25 Muội đèn 150 Ã· 120 14 Ã· 18 Muội nhiệt phân nhẹ 140 Ã· 150 20 Ã· 16 Muội nhiệt phân 280 Ã· 320 10 Ã· 8 Bảng 2. Thành phần nguyên tố của các loại muội Loại muội Hàm lượng các nguyên tố, % trọng lượng
C H O S - Muội rãnh khí - Dùng cho sơn và 88,6 Ã· 0,7 Ã· 5,5 Ã· - chất màu 93,7 0,8 10,5 - Dùng cho cao su 94,5 Ã· 0,5 Ã· 3 Ã· 4,5 0,0 Ã· 0,2 95 1,0 94,5 ( 95 Muội antraxen 94,5 Ã· 0,9 Ã· 2,5 Ã· 0,4 Ã· 0,6 95,5 1,1 3,5 Muội lò hoạt 97,5 Ã· 0,2 Ã· 0,5 Ã· 0,3Ã· 0,9 động ΠM - 70 98,5 0,3 1,0 Muội lò nửa hoạt động - ΠГ 50 và FEF 98,0 Ã· 0,4 Ã· 0,6 0,1
98,5 0,5 - ΠГM 33, ΠM 30 và 98,6 Ã· 0,4 0,2 Ã· 0,2 Ã· 0,5 GPF 99,1 0,3 Muội vòi phun 98,3 0,7 0,4 0,5 Muội đèn 99,0 0,5 0,1 0,3 Muội nhiệt phân 99,3 Ã· 0,4 Ã· 0,1 - 99,5 0,5 Muội axetylen 0,1 - 99,7 Ã· 0,1 99,8 Khối lượng thể tích thực của các loại muội khác nhau nằm trong phạm vi 1750 Ã· 2000 kg/m3, và khối lượng thể tích biểu kiến là 100 Ã· 350 kg/m3. Điều đó có nghĩa là muội rất xốp và trong 1 m3 muội chỉ có 0,05 Ã· 0,2 m3 cacbon, phần còn lại là thể tích của không khí. 2. SỬ DỤNG MUỘI TRONG CÔNG NGHIỆP Muội được dùng chủ yếu trong công nghiệp cao su, đó là nguyên liệu thứ hai sau cao su. Ngoài công nghiệp cao su ra, người ta còn dùng muội trong công nghiệp dược, công nghiệp sơn chất dẻo, công nghiệp in và các lĩnh vực khác.
Hơn 80% muội sản xuất ra được dùng trong công nghiệp cao su. Việc đưa muội vào trong hỗn hợp cao su làm tăng độ bền cơ của sản phẩm cao su, tất nhiên là làm tăng tuổi thọ làm việc của nó. Thí dụ độ bền kéo của cao su tự nhiên không có muội là 200 kG/cm2, thì khi pha thêm 30 Ã· 40 phần trăm muội thì độ bền kéo tăng lên đến 300 kG/cm2. Tương tự như vậy với cao su divinyl-stirol. Loại cao su này không chứa muội có độ bền kéo là 14 kG/cm2, còn khi pha thêm 50 phần trăm muội thì độ bền kéo tăng lên đến 220 Ã· 240 kG/cm2, nghĩa là 15 lần lớn hơn. Do đó muội được coi là chất làm tăng độ bền. Cơ chế làm tăng độ bền của cao su pha muội (cũng như các chất độn khác) hiện chưa được nghiên cứu đầy đủ. Nhưng người ta đã khẳng định rằng khả năng tăng độ bền của cao su của muội phụ thuộc vào độ lớn của hạt muội. Đường kính trung bình của hạt muội càng nhỏ thì bề mặt riêng của nó càng lớn và làm cho nó càng tăng tác dụng làm bền cao su. Cơ chế của việc tăng cường độ bền cao su bằng muội có thể được giải thích bằng khả năng chuyển cao su vào trạng thái liên kết (hấp phụ hoặc tương tác hóa học) trong quá trình gia công. Người ta cho rằng bình thường các phân tử cao su cuộn lại thành dạng giống như hình cầu. Khi đưa muội vào thì phân tử cao su bị kéo thẳng ra, tạo liên kết và tạo thành những tổ chức bền hơn.
Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra là khi đưa các hạt muội vào cao su, sẽ hình thành các cấu trúc lưới và cấu trúc nhánh. Trong trường hợp cao su chứa ít muội thì cấu trúc của muội trong cao su bị xa cách nhau. Khi tăng hàm lượng muội trong cao su, cấu trúc muội thấm cao su theo tất cả các hướng. Việc hình thành cấu trúc như thế kết hợp với các mối liên kết bền giữa các hạt muội dẫn đến làm tăng độ bền của tất cả hệ thống. 3. CÁC LOẠI MUỘI Người ta có thể phân loại muội theo nguồn nguyên liệu tạo ra chúng: - Các loại muội được sản xuất từ khí thiên nhiên và khí dầu mỏ. - Các loại muội được sản xuất từ các nguyên liệu lỏng hoặc kết hợp với khí đốt. - Muội antraxen sản xuất từ hỗn hợp hơi hydrocacbon có nguồn gốc từ than đá trong quá trình sản xuất cốc. - Ngoài các loại muội kể trên, người ta còn sản xuất một lượng không lớn muội axetylen và các loại muội đặc biệt dùng cho công nghiệp sơn và các chất màu có chất lượng cao. Mỗi một loại muội có các tính chất hoá lý nhất định. Tính chất hoá lý quan trọng nhất của muội là mức độ phân tán, đặc tính cấu tạo của muội (chuỗi) và thành phần nguyên tố của hạt muội.
Mức độ phân tán của muội thường được đặc trưng bởi giá trị đường kính trung bình đại số của các hạt muội. Nhưng cũng cần phải chú ý là muội từ các công nghệ sản xuất khác nhau có kích thước hạt muội khác nhau. Bề mặt riêng của muội cũng có liên hệ trực tiếp đến mức độ phân tán. Kích thước hạt muội càng nhỏ thì bề mặt riêng của nó càng lớn. Mức độ phân tán của muội ảnh hưởng mạnh nhất đến tính chất tăng độ bền của cao su do lực tương tác của muội với cao su phụ thuộc vào giá trị của bề mặt riêng của hạt muội. Khi dùng muội trong công nghệ cao su thì tính chất tăng độ bền cao su được dùng làm cơ sở chính để phân loại muội. Theo đó có thể chia muội làm 3 loại: - Loại hoạt tính - Loại nửa hoạt tính - Loại kém hoạt tính. Loại muội hoạt tính liên kết với cao su divinyl-styren có giới hạn bền kéo lớn hơn 200 kG/cm2, loại muội nửa hoạt tính có giới hạn bền kéo 140 Ã· 180 kG/cm2 và loại kém hoạt tính có giới hạn bền nhỏ hơn 140 kG/cm2.
Mức độ phân tán của muội có ảnh hưởng đến màu sắc, khả năng nhuộm màu và độ phủ khi dùng muội làm bột màu. Muội phân tán cao có màu đen hơn và có khả năng nhuộm màu đen cao hơn. Tính chất hoá lý của một loại muội của Liên Xô (cũ) ghi trong bảng 3. Bảng 3. Một số tính chất hoá lý của các loại muội Đường Bề mặt Độ pH Chất bốc, % Độ Độ hấp kính trung riêng, của nước hút phụ dầu, Loại bình hạt, m2/g rửa qua đến đến ẩm, % cm3/g muội mmm muội 105oC 800oC Độ pH của nước rửa qua muội Muội rãnh khí - Cho 14Ã·16 180Ã·150 3 4 15 6 1,1Ã·1,3 công nghệ sơn và chất
màu - Cho 25Ã·35 125Ã·85 3,5Ã·4,5 2,5 6Â¸8 5 0,85Ã·0,9 công nghệ cao su Muội lò hoạt động ΠM-70 30Ã·36 80Ã·70 8Ã·9 1 1,6 3 1 Muội 34Ã·38 90Ã·80 3,5Ã·4,5 2,5 6Â¸7 4 0,95Ã·1,0 antraxen Muội 40Ã·45 70Ã·65 7Ã·7,5 0,3 0,5 0,4 2,4 axetylen Muội lò nửa hoạt động
ΠM-50 40Ã·45 60Ã·65 8Ã·9 0,3 0,9 1 1Ã·1,2 Muội khí lò ΠГM- 60Ã·70 38Ã·33 8,5Ã·9 0,1 1,2 0,4 0,65 33, ΠГ- 33 ΠГM- 50Ã·60 40Ã·30 8Ã·9 0,1 1 0,4 1Ã·1,2 30 Muội 80Ã·100 32Ã·20 8Ã·5 0,1 2 0,3 1,2Ã·1,3 vòi phun Muội 120Ã·140 18Ã·14 8 0,1 1,6 0,3 1,0 đèn Muội 190Ã·210 11Ã·10 8 0,1 1 1,4 0,3 nhiệt phân
Có một số loại muội, trong quá trình hình thành các hạt muội đã liên kết thành chuỗi hoặc thành các cấu trúc phân nhánh phức tạp hơn. Có hai dạng cấu trúc muội: Loại thứ nhất: Rất bền, trong đó các hạt muội liên kết với nhau bởi liên kết hoá trị các mạch chuỗi của muội khó bị phá hủy. Loại thứ hai: Các hạt muội liên kết với nhau bởi các lực hấp phụ, loại này kém bền hơn loại thứ nhất. Mức độ phức tạp của cấu trúc muội phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp sản xuất muội, và trong một mức độ nào đó, phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu sản xuất. Muội sản xuất từ hydrocacbon, đặc biệt từ các loại dầu có nguồn gốc than đá, có cấu trúc phức tạp hơn muội từ khí thiên nhiên. Muội phân huỷ nhiệt không tạo thành mạch chuỗi, nó chỉ có ít hạt dạng liên kết (từ 2 - 3 hạt liên kết nhau). Các hạt muội đi từ axetylen có các cấu trúc phức tạp nhất. Cấu trúc muội càng phức tạp thì càng xốp và càng khó nén chặt nó. Độ dẫn nhiệt của muội cũng liên quan đến cấu trúc muội. Muội có cấu trúc càng phát triển và phức tạp thì độ dẫn điện càng cao.
Độ dẫn điện của muội cũng phụ thuộc vào độ phân tán và hàm lượng các chất bốc của nó. Muội phân tán cao có độ dẫn điện lớn. Tăng hàm lượng chất bốc sẽ làm giảm độ dẫn điện của muội. Độ hấp phụ dầu của muội tăng lên khi tăng tính phức tạp của cấu trúc. Độ hấp phụ dầu được xác định bởi lượng dầu khoáng hay dầu lanh (tính theo cm3) được hấp phụ đối với 1g muội thí nghiệm. Nhiều tính chất của hỗn hợp cao su và cao su lưu hoá có liên quan đến cấu trúc của muội. Muội có cấu trúc phát triển cao làm cho hỗn hợp cao su kém dẻo và cao su lưu hoá có modun (*) cao hơn, đồng thời độ cứng và tính dẫn điện lớn hơn, độ giãn dài nhỏ hơn khi kéo đứt. Các loại muội sản xuất bằng các phương pháp và nguyên liệu khác nhau có tính chất bề mặt khác nhau. Người ta đánh giá tính chất bề mặt của muội theo chỉ tiêu pH, đặc trưng cho nồng độ ion hydro trong hỗn hợp muội với nước(**). Khi pH < 7, muội có tính axit. Khi pH > 7 muội có tính kiềm. Muội có bề mặt nhám có tính axit. Trong thành phần của muội này có đến 5% oxy (xem bảng 2). Phân tử oxy liên kết bền với bề mặt hạt muội, bởi vậy người ta cho rằng oxy tham gia vào tương tác hoá học với cacbon và tạo ra các hợp chất khác nhau trên bề mặt hạt muội. Hydro và lưu huỳnh cũng chứa trong muội và ở bề mặt lớp muội. Phần lớn các loại muội có tính kiềm.
Tính kiềm của muội được giải thích bởi sự có mặt của các chất khoáng (tro) có trong muội. Tro hấp phụ trên bề mặt muội trong quá trình sản xuất. Trị số pH càng thấp (càng axit) thì muội càng dễ hút ẩm hơn và do đó các chất bốc và hơi ẩm trong chúng cũng lớn hơn. Muội có tính axit hấp phụ các chất tăng tốc cao su và chính điều đó làm chậm quá trình lưu hoá cao su. Trái lại muội có tính kiềm làm tăng nhanh quá trình lưu hoá. Do vậy trị số pH của muội đặc trưng cho ảnh hưởng của nó đến quá trình lưu hoá cao su. Bảng 4 ghi mối liên quan của các chỉ tiêu cơ lý của cao su lưu hoá vào các tính chất của muội. 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT MUỘI Phương pháp công nghiệp sản xuất muội dựa trên cơ sở phân huỷ các hydrocacbon dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Muội hình thành trong ngọn lửa nguyên liệu đang cháy ở điều kiện thiếu không khí hoặc khi phân huỷ nhiệt nguyên liệu trong điều kiện không có không khí. Sản xuất muội bằng cách đốt nguyên liệu trong điều kiện thiếu không khí, chủ yếu theo hai phương pháp Phương pháp 1: Đây là phương pháp phổ biến nhất. Người ta đốt nguyên liệu trong lò đặc biệt. Muội được hình thành trong ngọn lửa nhiệt độ cao trong thời gian rất ngắn (khoảng 6 giây) cùng với các
sản phẩm khí. Sau đó hỗn hợp muội khí được làm lạnh và muội được tách khỏi khí trong thiết bị chuyên dùng. Phương pháp 2: Người ta đốt nguyên liệu nhờ đèn có khe hẹp đặt trong các thiết bị kim loại. Ngọn lửa phẳng của nguyên liệu cháy tiếp xúc với bề mặt lạnh của kim loại di chuyển. Thời gian tiếp xúc của ngọn lửa với bề mặt này không đáng kể. Muội kết tụ trên bề mặt kim loại nhanh chóng được tách ra khỏi vùng tạo muội. Ở cả hai phương pháp này sự hình thành muội xảy ra trong ngọn lửa của nguyên liệu cháy, nghĩa là quá trình này có một phần nguyên liệu cháy tạo nhiệt độ cần thiết để phân hủy phần nguyên liệu còn lại. Trong những năm gần đây, có một phương pháp tạo muội phổ biến được sử dụng, trong đó nhiệt cần thiết để phân huỷ nguyên liệu không phải là do đốt cháy một phần nguyên liệu mà bằng cách đốt trực tiếp một nhiên liệu khác. Nhiên liệu thuận lợi nhất là khí thiên nhiên và khí cracking trong công nghệ chế biến dầu mỏ. Cũng có khi người ta dùng cả nguyên liệu lỏng. Thiết bị phản ứng (hay lò) để sản xuất muội trong trường hợp đó có hai vùng. Ở vùng thứ nhất người ta đốt khí hay nhiên liệu lỏng với lượng dư oxy không lớn, còn vùng thứ hai là vùng đốt khí cháy để gia nhiệt. Cũng có khi người ta gia nhiệt và bốc hơi nguyên liệu lỏng để đưa vào vùng phản ứng. Phương pháp này có hiệu suất muội nhận được cao hơn khi đốt nguyên liệu với mục đích gia nhiệt kết hợp với nhận
muội. Ngoài ra phương pháp này dễ điều khiển và cho phép nhận muội có các tính chất khác nhau. Phân huỷ nhiệt nguyên liệu không có mặt của không khí được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau. Có một vài loại muội nhận được bằng cách phân huỷ hydrocacbon dạng hơi và dạng khí trong lò phản ứng bằng cách gia nhiệt hơi (khí) đến nhiệt độ cao. Thí dụ việc chuyển axetylen (một chất khi phân hủy thì tỏa nhiệt) thành cacbon (muội) và hydro được thực hiện trong thiết bị phản ứng bằng cách gia nhiệt nguyên liệu đến nhiệt độ cần thiết. Cho đến nay tên của muội thường được gọi theo phương pháp sản xuất loại muội đó. Thí dụ muội â€œrãnhâ€ là muội được sản xuất bằng cách lắng đọng muội trên bề mặt kim loại có các rãnh (kênh)... mà ở đó muội tích tụ. Còn muội â€œlòâ€ , muội â€œnhiệtâ€ , muội â€œvòi phunâ€ cũng được gọi tên theo phương pháp sản xuất chúng. Muội â€œđènâ€ trước đây được chế tạo bằng cách đốt dầu trong đèn. Hiện nay loại muội như thế được sản xuất trong lò nhưng tên gọi của nó vẫn được giữ như cũ. Ngoài ra tên gọi của một vài loại muội còn phản ánh cả phương pháp sản xuất và cả nguyên liệu khởi đầu của nó. Thí dụ muội â€œkhí rãnhâ€ , muội â€œkhí lòâ€ , v.v... Cần chú ý là đã nhiều lần người ta thử nghiệm điều chế muội bằng cách nghiền than gỗ, than bùn, than cốc và các chất khác chứa nhiều cacbon. Nhưng ngay cả khi nghiền mịn nhất, các chất này cũng không thể trở thành muội. Thất bại này là do các vật liệu đem sử