Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu điều chế bột canxi cacbonat kích thước nanomet bằng phương pháp sục khí cacbonic qua huyền phù canxi hidroxit trong môi trường nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài nghiên cứu này khảo sát được các yếu tố có ảnh hưởng nhiều tới kích thước, thành phần pha sản phẩm NPCC: ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2, ảnh hưởng của nồng độ sacarose và glucose theo lượng Ca(OH)2, ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của huyền phù, ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu điều chế bột canxi cacbonat kích thước nanomet bằng phương pháp sục khí cacbonic qua huyền phù canxi hidroxit trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LĂNG VĂN QUANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BỘT CANXI CACBONAT KÍCH THƢỚC NANOMET BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỤC KHÍ CACBONIC QUA HUYỀN PHÙ CANXI HIDROXIT TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC THÁI NGUYÊN - 2012
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LĂNG VĂN QUANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BỘT CANXI CACBONAT KÍCH THƢỚC NANOMET BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỤC KHÍ CACBONIC QUA HUYỀN PHÙ CANXI HIDROXIT TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC CHUYÊN NGÀNH : HOÁ VÔ CƠ MÃ SỐ: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGÔ SỸ LƢƠNG THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Ngô Sỹ Lƣơng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Em cũng xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em được học tập và nghiên cứu. Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình và các bạn trong phòng Vật liệu mới, bộ môn Hóa Vô cơ trường Đại học KHTN, ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Thái Nguyên, tháng 5 năm 2012 Học viên Lăng Văn Quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Lăng Văn Quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
i MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục ......................................................................................................................... i Danh mục từ viết tắt ................................................................................................... iv Danh mục các bảng ..................................................................................................... v Danh mục các hình ..................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ...................................................................................................................1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN ..........................................................................................3 1.1. TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CANXI LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..............................................................................................3 1.1.1. Caxi oxit - CaO ..........................................................................................3 1.1.2. Canxi hyđroxit - Ca(OH)2 .........................................................................3 1.1.3. Canxi cacbonat - CaCO3 ...........................................................................4 1.2. GIỚI THIỆU VỀ CANXI CACBONAT KẾT TỦA .......................................5 1.2.1. Các dạng tinh thể của canxi cacbonat kết tủa (PCC) .................................5 1.2.2. Các yêu cầu đối với sản phẩm PCC ...........................................................6 1.2.3. Tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về sản phẩm PCC...........................6 1.2.4. Ứng dụng của PCC ....................................................................................8 1.3. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PCC ..................................................................9 1.3.1. Phương pháp sử lý natri cacbonat và amoni cacbonat có trong nước thải của công nghệ sản xuất xô đa .............................................................................9 1.3.2. Phương pháp sản xuất bột nhẹ dựa trên quy trình xử lý nước cứng ..........9 1.3.3. Phương pháp cacbonat hóa sữa vôi bằng khí CO2...................................10 1.3.3.1. Lựa chọn đá vôi và nung vôi ................................................................11 1.3.3.2. Tôi vôi ...................................................................................................14 1.3.3.3. Làm sạch sữa vôi ..................................................................................16 1.3.3.4. Làm sạch khí lò .....................................................................................17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii 1.3.3.5. Cacbonat hoá sữa vôi ............................................................................17 1.3.3.6. Lọc và sấy sản phẩm .............................................................................20 1.4. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NPCC .............................................................20 1.4.1. Nguyên tắc điều chế NPCC .....................................................................21 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt của sản phẩm NPCC .................................................................................................21 1.4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cacbonat hóa..................................................21 1.4.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg trong nguyên liệu đá vôi ....................22 1.4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đá vôi ....................................................22 1.4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước dùng để tôi vôi .....................................22 1.4.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ của sữa vôi ....................................................22 1.4.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn ........................................................22 1.4.2.7. Ảnh hưởng của sự có mặt của mầm kết tinh ........................................23 1.4.2.8. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong pha khí và áp suất khí .................23 1.4.2.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất phụ gia ...................................................24 1.5. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA NPCC 24 1.5.1. Ghi giản đồ nhiễu xạ XRD ......................................................................24 1.5.2. Chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) ..27 1.5.3. Phương pháp Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .....................................28 1.5.4. Đo diện tích bề mặt riêng (the Brunauer-Emmett-Teller method-BET) .............29 1.5.5. Phân tích chuẩn độ xác định độ kiềm dư của sản phẩm ..........................30 1.5.6. Phân tích xác định nồng độ Ca(OH)2 trong huyền phù Ca(OH)2 ............30 1.6. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................31 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ..................................................................................32 2.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ .............................................................................32 2.1.1. Hóa chất ...................................................................................................32 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ...................................................................................32 2.2. CHUẨN BỊ DUNG DỊCH ...............................................................................33 2.2.1. Pha dung dịch trilon B (EDTA) 0.02 M tiêu chuẩn.................................33 2.2.2. Pha dung dịch axit HCl 1:1 ......................................................................34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii 2.2.3.Pha dung dịch NaOH có nồng độ ~ 2M ...................................................34 2.2.4. Pha dung dịch chỉ thị phenol phtalein 1% trong cồn ...............................34 2.2.5. Chuẩn bị chỉ thị murexit 1% trong muối NaCl ........................................34 2.2.6. Pha huyền phù Ca(OH)2 ..........................................................................34 2.2.7. Pha dung dịch chuẩn HCl 0.01M từ ống ficxanan ..................................36 2.3. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NPCC .............................................................36 2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA SẢN PHẨM ............................................................................38 2.4.1. Phân tích độ kiềm dư ...............................................................................38 2.4.2. Xác định thành phần pha và kích thước hạt trung bình của sản phẩm NPCC theo phương pháp XRD .........................................................................38 2.4.3. Chụp ảnh sản phẩm trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) ......................39 2.4.4. Phương pháp Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .....................................39 2.4.5.Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET) ...................40 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................41 3.1. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KÍCH THƢỚC HẠT CỦA SẢN PHẨM ....................................................................................................41 3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2 ...........................................................41 3.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO2 .........................................................46 3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ sacarose ............................................................49 3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ glucose .............................................................54 3.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của huyền phù Ca(OH)2 .....................59 3.1.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn ...........................................................63 3.2. XÂY DỰNG QUI TRÌNH ĐIỀU CHẾ NPCC .............................................66 KẾT LUẬN ..............................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ Chữ viết đầy đủ tiếng Anh Chữ viết đầy đủ tiếng Việt viết tắt BET The Brunauer-Emmett-Teller method Phương pháp xác định bề mặt riêng EDTA Diethylene diammine tetraacetic acid Đietylen điamin tetraaxetic axit ET Eriochrom T black (ET 00) Eriocrom T đen PCC Precipitated calcium carbonate Canxi cacbonat kết tủa NPCC Nanosized Precipitated calcium Canxi cacbonat kết tủa kích thước carbonate nano mét SEM Scanning Electron Microscpoe Kính hiển vi điện tử quét TEM Transsmision Electronic Microscope Hiển vi điện tử truyền qua XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Việt Nam đối với canxi cacbonat nhẹ xuất khẩu TCVN 3728 – 82 .7 Bảng1. 2. Tiêu chuẩn ngành đối với canxicacbonat kỹ thuật-64TCN 13-86 ..............7 Bảng 1.3. Tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) ГОСТ 8253-79 về canxi cacbonat kết tủa ..........8 Bảng 1.4. Thành phần hoá học chi tiết của một số mỏ đá ở Việt Nam .....................12 Bảng 1.5: Độ tan của Ca(OH)2, trong nước (tính theo số gam Ca(OH)2, khan trong 100 gam nước) ở các nhiệt độ khác nhau .................................................................18 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2 đến r của NPCC ................................45 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO2 đến r của NPCC ..............................48 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ sục sacarose đến r của NPCC ..........................52 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ ban dầu của huyền phù đến r của NPCC ........62 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến r của NPCC ................................65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Khoáng vật canxit ......................................................................................5 Hình 1.2: Khoáng vật aragonit....................................................................................5 Hình 1.3: Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt phẳng tinh thể chất rắn.....25 Hình 1.4: Sơ đồ mô tả hoạt động nhiễu xạ kế bột ....................................................26 Hình 1.5: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét .........................................................28 Hình 1.6. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)....................................................29 Hình 2.1: Sơ đồ điều chế NPCC ...............................................................................37 Hình 3.1: Giản đồ XRD mẫu NPCC điều chế được khi nồng độ Ca(OH)2 trong huyền phù là 10% ....................................................................................42 Hình 3.2: Ảnh SEM với thang đo 200 nm (hình 3.2a) và 5µm (hình 3.2b) của mẫu NPCC điều chế được khi nồng độ Ca(OH)2 trong huyền phù là 10% ..42 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH của dung dịch theo thời gian phản ứng của các mẫu ở các nồng độ khác nhau của Ca(OH)2 ..............................43 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của các mẫu được cacbonat hóa ở các nồng độ khác nhau của Ca(OH)2 ....................44 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của r của NPCC vào nồng độ Ca(OH)2 ...45 Hình 3.7: Giản đồ XRD của các mẫu sản phẩm NPCC được cacbonat hóa ở các tốc độ sục khí CO2 được thay đổi từ 1 (l/p) đến 2.5 (l/p) ..............................46 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH của dung dịch theo thời gian phản ứng của các mẫu ở các tốc độ sục khí khác nhau: ........................................47 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của các mẫu được cacbonat hóa ở các tốc độ sục khí khác nhau: ..............................47 Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kích thước hạt tinh thể NPCC vào tốc độ sục khí CO2 .......................................................................................48 Hình 3.11: Giản đồ XRD của các mẫu sản phẩm được cacbonat hoá ở các nồng độ sacarose từ 0% đến 5% ..........................................................................49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vii Hình 3.12: Ảnh TEM của mẫu ứng với nồng độ sacarose bằng 3% ính theo khối lượng Ca(OH)2.......................................................................................50 Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH dung dịch theo thời gian của các mẫu được cacbonat hoá ở các nồng độ sacarose khác nhau từ 0% đến 5% ..50 Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của các mẫu được cacbonat hoá ở các nồng độ sacarose khác nhau từ 0-5% . ..51 Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kích thước hạt tinh thể NPCC vào nồng độ sacarose....................................................................................52 Hình 3.16: Ảnh SEM với thang đo 2μm của mẫu NPCC được điều chế ở nồng độ Ca(OH)2 10%, nhiệt độ ban đầu của huyền phù là 30oC khi không có phụ gia ...................................................................................................53 Hình 3.17: Ảnh SEM với thang đo 2μm của mẫu NPCC được điều chế ở nồng độ Ca(OH)2 10% , nhiệt độ ban đầu của huyền phù là 30oC khi có 3% phụ gia sacarose .............................................................................................................. 53 Hình 3.18: Giản đồ XRD của mẫu ứng với nồng độ glucose bằng 3% tính theo khối lượng Ca(OH)2.......................................................................................54 Hình 3.19: Giản đồ XRD của mẫu ứng với nồng độ chất phụ gia (sacarose và glucose) bằng 0% ..................................................................................55 Hình 3.20: Ảnh TEM của mẫu ứng với nồng độ glucose bằng 3% tính theo khối lượng Ca(OH)2.......................................................................................55 Hình 3.21: Giản đồ XRD của các mẫu sản phẩm được cacbonat hoá ở các nồng độ glucose khác nhau từ 0-5%....................................................................56 Hình 3.22 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH dung dịch theo thời gian của các mẫu được cacbonat hoá ở nồng độ glucose khác nhau từ 0% đến 5% ........56 Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của các mẫu được cacbonat hoá ở các nồng độ glucose khác nhau từ 0-5% ....57 Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kích thước hạt tinh thể NPCC vào hàm lượng glucose ................................................................................57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
viii Hình 3.25: Ảnh SEM với thang đo 1μm của mẫu NPCC được điều chế ở nồng độ Ca(OH)2 10%, nhiệt độ ban đầu của huyền phù là 300C khi có 3% phụ gia sacarose ............................................................................................58 Hình 3.26: Ảnh SEM với thang đo 1μm của mẫu NPCC được điều chế ở nồng độ Ca(OH)2 10% , nhiệt độ ban đầu của huyền phù là 300C khi có 3% phụ gia glucose .............................................................................................59 Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH dung dịch theo thời gian của các mẫu được cacbonat hoá ở các nhiệt độ ban đầu của huyền phù khác nhau từ 25oC đến 45oC .......................................................................................60 Hình 3.29: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của các mẫu được cacbonat hoá ở các các nhiệt độ ban đầu của huyền phù khác nhau từ 250C đến 450C ..........................................................................61 Hình 3.30: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kích thước hạt tinh thể NPCC vào nhiệt độ ban đầu của huyền phù ............................................................62 Hình 3.31: Giản đồ XRD của các mẫu sản phẩm được cacbonat hoá ở các các tốc độ khuấy khác nhau ...............................................................................63 Hình 3.32: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH dung dịch theo thời gian của các mẫu được cacbonat hóa với các tốc độ khuấy trộn khác nhau ......................64 Hình 3.33: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của các mẫu được cacbonat hóa với các tốc độ khuấy trộn khác nhau ..............64 Hình 3.34: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kích thước hạt tinh thể NPCC vào tốc độ khuấy trộn .........................................................................................65 Hình 3.35: Quy trình điều chế canxi cacbonat kích thước nanomet ........................67 Hình 3.36. Ảnh TEM của mẫu sản phẩm NPCC. .....................................................68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU Canxi cacbonat kết tủa (precipitated calcium carbonate - PCC), là một hoá chất thương phẩm phổ biến với tên thường dùng là bột nhẹ, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp giấy, cao su, nhựa, xốp, sơn, v.v... Chất lượng sản phẩm bột nhẹ được đánh giá chủ yếu qua thành phần hoá học (hàm lượng canxi cacbonat, hàm lượng các tạp chất, độ kiềm dư) và các đặc trưng vật lý (bề mặt riêng, kích thước hạt, tỷ khối, độ trắng,…). Có nhiều phương pháp sản xuất bột nhẹ, nhưng phương pháp phổ biến nhất là cacbonat hóa sữa vôi (huyền phù Ca(OH)2) bằng khí cacbon đioxit. Quá trình cacbonat hóa sữa vôi là một quá trình tương tác dị thể, trong hệ phản ứng chứa đồng thời cả ba pha: rắn (là Ca(OH)2), lỏng (là H2O) làm môi trường phản ứng và khí CO2, vì thế chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố của quá trình sản xuất, như: nhiệt độ của quá trình cacbonat hóa, nồng độ huyền phù, kích thước hạt Ca(OH)2 trong huyền phù, nhiệt độ nước dùng để tôi vôi, độ khuấy trộn, tốc độ sục khí CO2, nồng độ khí CO2, áp suất khí, sự có mặt của một số phụ gia vô cơ và hữu cơ,... Hiện nay, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc điều chế canxi cacbonat kết tủa kích thước nano mét (nanosized precipitated calcium carbonate - NPCC) để hướng đến các ứng dụng trong các lĩnh vực dược phẩm, mĩ phẩm, thực phẩm, làm chất độn trong lĩnh vực chế tạo mực in, sản xuất thuốc đánh răng, nhựa và cao su cao cấp,… Để sử dụng được trong các lĩnh vực này thì canxi cacbonat kết tủa cần phải có kích thước nhỏ (tốt nhất là < 100 nm), diện tích bề mặt riêng lớn và không chứa các tạp chất là các ion kim loại có độc tính cao. Để thu được sản phẩm NPCC có kích thước hạt nhỏ người ta thường cải tiến quy trình điều chế PCC bằng cách điều chỉnh các điều kiện điều chế như: nhiệt độ, nồng độ các chất phản ứng, thời gian,…và đồng thời bổ sung các chất có hoạt tính hoạt động bề mặt không độc vào hỗn hợp phản ứng khi kết tủa NPCC từ huyền phù Ca(OH)2.
2 Trong bản luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu quy trình điều chế NPCC theo phương pháp sục khí CO2 qua huyền phù (Ca(OH)2) với sự có mặt của các polysaccarite là sacarose và glucose; xác định kích thước hạt, thành phần pha, độ kiềm dư của sản phẩm thu được.
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỢP CHÁT CANXI LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1.1. Caxi oxit - CaO Canxi oxit là chất bột hoặc cục màu trắng, có cấu trúc mạng lưới tinh thể dạng lập phương kiểu muối ăn. CaO có năng lượng mạng lưới 3476 kJ/mol; nhiệt độ nóng chảy 2570oC; nhiệt độ sôi 3600oC, CaO tương tác mạnh với nước tạo thành hyđroxit, phản ứng phát ra nhiều nhiệt. CaO + H2O = Ca(OH)2 (1.1) CaO, cũng như các oxit các kim loại kiềm thổ khác, đều hút ẩm mạnh khi để trong không khí. Đồng thời CaO có khả năng hấp thụ khí CO2 để tạo ra muối CaCO3. CaO có khả năng hòa tan trong các axit vô cơ để tạo thành muối tương ứng của ion Ca2+ CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O (1.2) CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O (1.3) CaO được điều chế bằng cách nhiệt phân muối CaCO3 ở nhiệt độ cao (900oC). CaCO3  CaO + CO2 ↑ (1.4) 1.1.2. Canxi hyđroxit - Ca(OH)2 Canxi hyđroxit ở dạng khan là chất bột màu trắng, tương đối ít tan trong nước. Canxi hyđroxit là bazơ mạnh, khi tan trong nước cho dung dịch có tính bazơ mạnh. Tuy vậy, nó là chất ít tan trong nước. Tích số tan của Ca(OH)2 trong nước ở 25oC là T = 5,5.10-6. Canxi hyđroxit không bền với nhiệt, khi được đun nóng bị phân huỷ tạo thành oxit. Ca(OH)2  CaO + H2O (1.5)
4 Canxi hyđroxit có khả năng hấp thụ khí CO2 để tạo ra muối CaCO3. Ca(OH)2 có khả năng hoà tan trong các axít vô cơ để tạo thành các muối tương ứng của ion Ca2+. Ví dụ Ca(OH)2 + 2 HCl = CaCl2 + 2 H2O (1.6) Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + H2O (1.7) 1.1.3. Canxi cacbonat - CaCO3 Canxi cacbonat là một trong những muối ít tan của canxi. Tích số tan của canxi cacbonat trong nước ở 25oC là T = 4,8.10-9. Cân bằng của dung dịch của nó được đưa ra theo phương trình sau: CaCO3 ⇋ Ca2+ + CO32– Ksp = 3,7×10–9 tới 8,7×10–9 ở 25°C Canxi cacbonat tan nhiều hơn trong nước chứa amoni clorua, khi đun sôi với dung dịch amoni clorua nó phân hủy hoàn toàn: CaCO3 + 2NH4Cl = CaCl2 + 2NH3 + H2O + CO2↑ (1.8) Trong nước chứa khí CO2, độ tan của CaCO3 tăng lên nhờ tạo thành muối hyđrôcacbonat tan được. CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 (1.9) Khi tiếp xúc với không khí hoặc đun nóng nước hyđrocacbonat sẽ bị mất khí CO2 chuyển thành cacbonat không tan lắng xuống : Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2↑ +H2O (1.10) Canxi cacbonat là muối của bazơ mạnh Ca(OH)2 với axit yếu H2CO3, vì vậy dễ dàng phản ứng với các axit vô cơ để giải phóng ra khí CO2, ví dụ CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2↑ (1.11) CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2↑ (1.12) Khi nung ở nhiệt độ cao (900oC), canxi cacbonat dễ dàng phân huỷ theo phản ứng. CaCO3  CaO + CO2 ↑ (1.13) Ở nhiệt độ cao, canxi cacbonat tương tác với một số oxit như SiO2, Al2O3, NO2, NH3...
5 CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 (1.14) CaCO3 + NH3 = CaCN2 + 3H2O (1.15) 1.2. GIỚI THIỆU VỀ CANXI CACBONAT KẾT TỦA 1.2.1. Các dạng tinh thể của canxi cacbonat kết tủa (PCC) Trong thiên nhiên, canxi cacbonat tồn tại dưới hai dạng khoáng vật:canxit có tinh thể thuộc hệ mặt thoi (hình1.1) đồng hình với NaNO3 và aragonit có tinh thể thuộc hệ tà phương (hình 1.2) đồng hình với KNO3. Canxit có phổ biến hơn rất nhiều so với aragonit. Hình 1.1: Khoáng vật canxit Hình 1.2: Khoáng vật aragonit Theo tác giả [1], khi kết tinh từ dung dịch nóng, canxi cacbonat lúc đầu xuất hiện dưới dạng những tinh thể tà phương rất bé. Khi để nguội, những tinh thể này chuyển dần sang dạng mặt thoi. Từ dung dịch nguội, canxi cacbonat kết tinh ở dạng vô định hình. Nếu để kết tủa vô định hình này tiếp xúc với dung dịch, nó sẽ chuyển dần sang dạng tinh thể mặt thoi. Theo tác giả của các công trình [2, 4, 9-10], canxi cacbonat kết tủa tạo thành trong quá trình cacbonat hoá có thể tồn tại ở dạng tinh thể khác nhau, kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện khác nhau bằng kính hiển vi điện tử. Kết quả cho thấy PCC có thể tạo thành từ dung dịch dưới một số dạng tinh thể sau: - Tinh thể canxit có dạng hình hộp mặt thoi. - Tinh thể micacbonat dạng tấm mỏng, mặt lục giác. - Tinh thể aragonit hình kim. - Tinh thể vaterit dạng cầu.
6 Các kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ của quá trình cacbonat hoá có ảnh hưởng rõ rệt đến hình dạng tinh thể của sản phẩm PCC, nhưng không có ảnh hưởng quyết định đến bề mặt riêng của sản phẩm. 1.2.2. Các yêu cầu đối với sản phẩm PCC Để có thể sử dụng được làm chất độn, chất màu, .. trong các lĩnh vực khác nhau, PCC cần đáp ứng được một số yêu cầu sau: - Sản phẩm PCC phải có độ tinh khiết cao, hàm lượng các tạp chất nhỏ. Tuỳ theo các mục đích sử dụng khác nhau mà sản phẩm được yêu cầu khác nhau về độ sạch. Đặc biệt, đối với PCC được sử dụng làm chất độn trong các lĩnh vực liên quan trực tiếp đến con người, như kem đánh răng,... thì phải chú ý một cách đặc biệt đến các tạp chất có độc tính, có hại cho sức khoẻ, trong đó chủ yếu là tạp chất kim loại nặng. - Sản phẩm PCC phải có bề mặt riêng lớn, kích thước hạt tinh thể nhỏ. Đây là đặc tính quan trọng nhất của sản phẩm PCC sử dụng làm chất độn nhằm, với một lượng chất độn nhất định, bộ khối có thể phân tán đồng đều trong toàn vật liệu độn, bề mặt liên kết của chất độn với vật liệu độn là lớn nhất. Đồng thời, nếu sản phẩm PCC có cấu trúc xốp, tỷ khối nhỏ thì càng tốt. - Trong một số trường hợp đặc biệt, các dạng tinh thể thích hợp của sản phẩm PCC sẽ thoả mãn các yêu cầu riêng của chất độn trong lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Ví dụ, tinh thể dạng tấm rất thích hợp cho vịêc sử dụng làm chất độn trong chất dẻo để tạo nên ánh kim ở bề mặt của chất dẻo,…[11]. - Ngoài ra, sản phẩm bột nhẹ còn phải đạt được độ kiềm dư nhỏ và có độ trắng cao. 1.2.3. Tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới về sản phẩm PCC * Tiêu chuẩn Việt Nam về canxi cacbonat nhẹ xuất khẩu Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3728 – 82 đã quy định chất lượng của canxi cacbonat nhẹ xuất khẩu được đưa ra bảng 1.1
7 Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Việt Nam đối với canxi cacbonat nhẹ xuất khẩu TCVN 3728 – 82 Mức STT Tên chỉ tiêu Loại1 Loại 2 1 Tổng hàm lượng cacbonat tính theo % canxi cacbonat- 99,00 98,00 không nhỏ hơn 2 Độ kiềm tính theo % CaO- không lớn hơn 0,10 0,15 3 Độ ẩm tính theo %- không lớn hơn 0,50 0,50 4 Hàm lượng chất không tan trong axit clohyđric (HCl) 0,15 0,25 không lớn hơn, % 5 Độ mịn qua sàng (sàng có kích thước lỗ 0,125mm 5% theo 99,00 98,00 TCVN2230-77)- không nhỏ hơn * Tiêu chuẩn ngành đối với canxi cacbonat kỹ thuật Tiêu chuẩn ngành hoá chất đã quy định chất lượng của canxi cacbonat kỹ thuật được đưa ra ở bảng 1.2 Bảng1. 2. Tiêu chuẩn ngành đối với canxicacbonat kỹ thuật-64TCN 13-86 Mức STT Tên chỉ tiêu Cho kem Cho đánh răng cao su 1 Dạng bên ngoài Bột trắng Mịn 2 Tổng hàm lượng cacbonat tính bằng %- không 99,00 98,00 nhỏ hơn 3 Cặn không tan trong axit clohyđric (HCl) tính 0,15 0,25 bằng %- không lớn hơn % 4 Độ ẩm tính theo %- không lớn hơn 0,10 0,50 5 Độ kiềm tính theo canxi oxit CaO tính bằng %- 0,07 0,15 không lớn hơn 6 Hàm lượng sắt (Fe2O3) tính bằng %- không lớn 0,10 0,20 hơn 7 Độ mịn qua sàng kích thước lỗ 0,125mm tính 98,00 98,00 bằng %- không nhỏ hơn 8 Hàm lượng kim loại nặng (Pb) tính bằng %- 0,0001 - không lớn hơn 9 Hàm lượng asen tính bằng %- không lớn hơn 0,0001 - 10 Thể tích tăng 50g CaCO3/ 250ml 145-165 - 11 pH của dung dịch 10% chế phẩm 9,50 -
8 * Tiêu chuẩn Nhà nước Liên Xô ( cũ) về canxi cacbonat kết tủa (NPCC) Tiêu chuẩn ngành hoá chất của nhà nước Liên Xô(cũ) ГOCT 8253-79 về canxi cacbonat kết tủa đã quy định chất lượng cảu canxi cacbonat kỹ thuật được đưa ra ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Tiêu chuẩn Nhà nước Liên Xô (cũ) ГОСТ 8253-79 về canxi cacbonat kết tủa Tiêu chuẩn cho loại STT Tên chỉ tiêu Loại nhất Loại 2 1 Độ trắng tính bằng %- không nhỏ hơn 93 Không quy định 2 Phần khối lượng canxi cacbonat tính bằng %- 98,50 97,00 không nhỏ hơn 3 Phần khối lượng kiềm tự do tính chuyển theo 0,03 0,05 canxi oxit CaO tính bằ ng %- không lớn hơn 4 Phần khối lượng không tan trong axit clohyđric 0,10 0,30 (HCl) tinh bằng %- không lớn hơn. Trong đó 0,014 Không quy định phần khối lương cát không lớn hơn 5 Phần khối lượng các sét quy ra sắt oxit và nhôm 0,4 0,7 oxit %- không lớn hơn. Trong đó, phần khối 0,13 0,30 lượng sắt tính chuyển sang Fe2O3 tinh băng %- không lớn hơn 6 Phần khối lượng mangan %- không lớn hơn 0,01 Không quy định 7 Phần khối lượng đồng %- không lớn hơn 0,0005 Không quy định 8 Phần khối lượng ẩm %- không lớn hơn 0,50 1,50 0 9 Phần còn lại trên sàng (lưới N 014K theo Không có 0,20 ГОСТ 3584) tính bằng %- không lớn hơn 10 Khối lượng riêng g/ cm3- không lớn hơn 0,25 0,4 1.2.4. Ứng dụng của PCC Bột nhẹ là một chất độn có nhiều tính ưu việt, nó làm giảm độ co ngót và tạo độ bóng cho bề mặt sản phẩm. Trong công nghiệp cao su và giấy, bột nhẹ vượt trội