intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu cordierite – mullite xốp sử dụng trấu làm phụ gia tạo xốp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST
Báo xấu
15
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài đã thực nghiệm thí nghiệm chuyển hóa các khí CO, NO và C3H6 sử dụng xúc tác hệ Mn-Co-Ce, như trình bày trong phần phụ lục. Kết quả cho thấy hiệu suất và hiệu quả chuyển hóa các khí này trên hệ gốm của đề tài cao hơn so với hệ gốm được chuẩn bị bằng phương pháp sol gel[21] với cùng quy trình xử lý hóa chất như nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu cordierite – mullite xốp sử dụng trấu làm phụ gia tạo xốp

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- MAI VĂN VÕ ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CORDIERITE – MULLITE XỐP SỬ DỤNG TRẤU LÀM PHỤ GIA TẠO XỐP. CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CNVL SILICAT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. VŨ THỊ NGỌC MINH Hà Nội – Năm 2017
  2. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bản luận văn thạc sĩ khoa học “Tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu cordierite - mullite xốp sử dụng trấu làm phụ gia tạo xốp,” tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn CNVL Silicat luôn tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn TS. Vũ Thị Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo để tôi củng cố các kiến thức chuyên sâu, các phương pháp luận, kỹ năng nghiên cứu …để tôi hoàn thành bản luận văn này. Xin cảm ơn Phòng thí nghiệm Công nghệ và Vật liệu Thân thiện Môi trường, viện AIST – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm Hiển vi Điện tử và Vi phân tích - BKEMMA trường ĐHBKHN, phòng thí nghiệm ITT – Viện kỹ thuật nhiệt đới - Viện khoa học hàn lâm Việt Nam ,…đã giúp tôi thí nghiệm, phân tích, đánh giá mẫu vật liệu đề tài đã tổng hợp. Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp luôn ở bên động viên giúp tôi trong suốt thời gian qua. Tác giả xin cam đoan các số liệu trong bản luận văn này do chính tác giả nghiên cứu, không sao chép. Hà nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Mai Văn Võ GVHD: TS Vũ Thị Ngọc Minh Page i
  3. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... i MỤC LỤC................................................................................................................ ii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ........................................................................ v DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. vii DANH MỤC VIẾT TẮT ...................................................................................... viii GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1. Khoáng cordierite (2MgO.2Al2O3.5SiO2). ....................................................... 4 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu cordierite.................................................................... 4 1.1.2.Các tính chất của cordierite: ......................................................................... 8 1.2. Khoáng mullite (3Al2O3.2SiO2) ...................................................................... 11 1.3. Các phương pháp tổng hợp gốm cordierite – mullite: .................................. 12 1.3.1. Tổng hợp gốm cordierite-mullite dạng sít đặc. .......................................... 12 1.3.2. Tổng hợp gốm cordierite – mullite xốp. ..................................................... 17 1.4. Một số kết quả nghiên cứu về gốm cordierite xốp......................................... 18 1.5. Ứng dụng của vật liệu cordierite-mullite:...................................................... 20 1.5.1. Ứng dụng của vật liệu cordierite-mullite chất mang xúc tác xử lý khí thải: 20 1.5.2. Ứng dụng của vật liệu cordierite-mullite làm cấu kiện chịu lửa. ................ 21 1.5.3. Ứng dụng của vật liệu cordierite-mullite làm vật liệu cách điện. ................ 22 CHƯƠNG 2. MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 24 2.1. Mục tiêu của đề tài: ........................................................................................ 24 2.2. Nguyên liệu...................................................................................................... 24 2.2.1. Cao lanh: ................................................................................................... 24 2.2.2.Talc: ........................................................................................................... 25 2.2.3.Hydroxit nhôm Al(OH)3: ............................................................................ 26 2.2.4. Than trấu: .................................................................................................. 27 2.2.5.Chất kết dính CMC (Carboxymethyl cellulose): ........................................ 29 2.3. Quy trình chế tạo vật liệu. .............................................................................. 30 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page ii
  4. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B 2.4. Tính toán phối liệu .......................................................................................... 31 2.4.1. Phản ứng tạo cordierite[6]: ........................................................................ 31 2.4.2 Thành phần hóa các nguyên liệu sử dụng:................................................... 32 2.4.3. Tính toán bài phối liệu. .............................................................................. 32 2.5. Các phương pháp phân tích: .......................................................................... 34 2.5.1. Phân tích thành phần hóa theo phương pháp ướt. ....................................... 34 2.5.2. Phân tích độ mịn của của trấu và phối liệu. ................................................ 34 2.5.4. Xác định độ xốp, độ hút nước, khối lượng thể tích.[2] ............................... 36 2.5.5. Xác định cường độ nén của vật liệu.[2]...................................................... 37 2.5.6. Phân tích thành phần khoáng. .................................................................... 37 2.5.7. Phân tích vi cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). .......... 38 2.5.8. Phân tích bằng phổ phát xạ năng lượng tia X. ............................................ 39 2.5.9. Xác định tỷ diện vật liệu. ........................................................................... 39 2.5.10. Khảo sát khả năng mang xúc tác. ............................................................. 41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 42 3.1. Khảo sát điều kiện than hóa trấu. .................................................................. 42 3.1.1.Phân tích nhiệt TG-DTA của trấu. .............................................................. 42 3.1.2 Khảo sát khả năng nghiền của than trấu. ..................................................... 43 3.1.3. Phân tích nhiệt và thành phần hóa học của than trấu. ................................. 44 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt và hàm lượng than trấu đến phương pháp tạo hình. .......................................................................................... 46 3.2.1. Khi độ ẩm tạo hình W = 15 ÷ 18%............................................................ 46 3.2.2. Khi độ ẩm tạo hình W = 30 ÷ 35%, tạo hình bằng phương pháp đùn qua khuôn. ..................................................................................................................... 48 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các tính chất của mẫu gốm xốp ............. 48 3.3.1.Các tính chất cơ lý của mẫu gốm xốp được trình bày trong bảng 3.4: ......... 50 3.3.2. Khảo sát các tính chất của mẫu X20. ........................................................ 52 3.3.2.1. Tính chất cơ lý. ....................................................................................... 52 3.3.2.2. Tính chất khoáng học – XRD.................................................................. 54 3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến các tính chất cơ lý của gốm xốp. ........................................................................................................... 56 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page iii
  5. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B 3.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến độ co nung của sản phẩm. ................................................................................................................ 56 3.3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến độ xốp biểu kiến. ........................................................................................................................ 57 3.3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến khối lượng thể tích. ......................................................................................................................... 58 3.3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến cường độ nén của sản phẩm. .......................................................................................................... 59 3.3.4. Đặc điểm khoáng học và vi cấu trúc của mẫu X35 ........................................ 62 3.3.4.1. Tính chất khoáng học – XRD.................................................................. 62 3.3.4.2. Ảnh SEM của mẫu X35. ......................................................................... 63 3.4. Cấu trúc lỗ xốp trong vật liệu tổng hợp. ........................................................ 65 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 68 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................... 69 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 73 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page iv
  6. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Dạng tồn tại của cordierite trong tự nhiên ................................................ 4 Hình 1. 2: Cấu trúc khoáng cordierite.[27] ............................................................... 5 Hình 1. 3: Giản đồ pha hệ ba cấu tử SiO2 - Al2O3 – MgO. ....................................... 6 Hình 1. 4: Hệ số dãn nở nhiệt của cordierite theo nhiệt độ ....................................... 8 Hình 1. 5: Giản đồ pha hệ hai cấu tử SiO2 – Al2O3 ................................................ 11 Hình 1. 6: Sơ đồ quá trình tổng hợp cordierite theo phương pháp truyền thống ..... 13 Hình 1. 7: Ảnh hưởng tỷ lệ phần trăm khối lượng các oxit MgO-Al2O3-SiO2 đến sự hình thành cordierite và hệ số dãn nở nhiệt. [10].................................................... 13 Hình 1. 8: Sơ đồ quá trình tổng hợp cordierite theo phương pháp sol - gel ............. 15 Hình 1. 9: Sơ đồ một đơn vị khoáng alumosilicat .................................................. 16 Hình 1. 10: Gốm cordierite dạng tổ ong làm chất mang xúc tác xử lý khí thải ....... 21 Hình 1.11: Vật liệu chịu lửa mullite – cordierite làm trụ đỡ, tấm kê lò nung .......... 22 Hình 1. 12: Cordierite-mullite làm vật liệu cách điện............................................. 23 Hình 2. 1: Ảnh cao lanh Phú Thọ........................................................................... 25 Hình 2. 2: Talc Trung Quốc ................................................................................... 26 Hình 2. 3: Al(OH)3 – Công ty TNHH hóa công nghiệp Tây Long, Thành phố Sơn Đầu – Quảng Đông – Trung Quốc ......................................................................... 27 Hình 2. 4: Trấu Tiền Hải – Thái Bình .................................................................... 28 Hình 2. 5: Phụ gia tạo đặc (làm đặc, làm đầy) CMC có nguồn gốc từ cellulose ..... 29 Hình 2. 6: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu ............................................................. 30 Hình 3. 1: Đường phân tích nhiêt TG - DTA của trấu ............................................ 42 Hình 3. 2: Sự phụ thuộc của thành phần hạt vào thời gian nghiền của than trấu đã gia nhiệt đến 2400C ............................................................................................... 43 Hình 3. 3: Mối tương quan giữa nhiệt độ nung, lượng mất khối lượng sau khi nung và phân bố cỡ hạt than trấu sau nghiền. ................................................................. 44 Hình 3. 4: Phân tích nhiệt DTA-TG của than trấu .................................................. 45 Hình 3. 5: Ảnh các vết nứt trên mẫu mộc ............................................................... 46 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page v
  7. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B Hình 3. 6: Đường TG của nguyên liệu và phối liệu ................................................ 49 Hình 3. 7: Ảnh gốm cordierite – mullite ................................................................ 50 Hình 3. 8: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ xốp biểu kiến và cường độ của mẫu X20 ....................................................................................................................... 52 Hình 3. 9: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ xốp khối lượng thể tích, độ co nung của mẫu X20. ........................................................................................................ 54 Hình 3. 10: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành khoáng mẫu X20 .... 55 Hình 3. 11: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến độ co nung của sản phẩm. ........................................................................................................ 56 Hình 3. 12: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến độ xốp biểu kiến. ...................................................................................................................... 57 Hình 3. 13: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến khối lượng thể tích................................................................................................................... 58 Hình 3. 14: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng than trấu đến cường độ nén của sản phẩm. ........................................................................................................ 60 Hình 3. 15: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành khoáng mẫu X35 ..... 62 Hình 3. 16: Ảnh cấu trúc khoáng trong gốm ở độ phóng đại 10.000 lần và 30.000 lần ......................................................................................................................... 63 Hình 3. 17: Ảnh phân tích khoáng trong mẫu ........................................................ 64 Hình 3. 18: Ảnh cấu trúc xốp của gốm sau nung ở độ phân giải x200 và x1000 ..... 65 Hình 3. 19: Ảnh cấu trúc xốp của gốm sau xử lý hóa chất ở độ phân giải x200 và x1000 .................................................................................................................... 67 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page vi
  8. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1: Hệ số dãn nở nhiệt trung bình của cordierite và một số vật liệu ceramic[24]. ............................................................................................................ 9 Bảng 1.2: Một số thông số kỹ thuật của gốm cordierite ......................................... 10 Bảng 1. 3: Cordierite xốp sử dụng mùn cưa tạo xốp[28] ........................................ 19 Bảng 1. 4: Cordierite xốp sử dụng đá phiến dầu tạo xốp[8].................................... 19 Bảng 1. 5: Thành phần hóa của tro trấu ở các vùng khác nhau. [11, 18] ................. 20 Bảng 2. 1: Thành phần hóa các nguyên liệu sử dụng.............................................. 32 Bảng 2. 2: Các bài phối liệu................................................................................... 33 Bảng 2. 3: Bảng thành phần hóa của phối liệu tính toán trước và sau nung ............ 34 Bảng 3. 1: Thành phần hóa của tro trấu và than trấu .............................................. 45 Bảng 3. 2: Đặc điểm của mẫu sau khi thoát khuôn ................................................. 47 Bảng 3. 3: Trình bày đặc điểm của mẫu có độ ẩm 30÷35% sau khi thoát khuôn ... 48 Bảng 3. 4: Các tính chất cơ lý của mẫu .................................................................. 51 Bảng 3. 5: Các tính chất của gốm .......................................................................... 61 Bảng 3. 6: Kết quả do BET và mang xúc tác của mẫu............................................ 66 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page vii
  9. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu Chú thích BET Tỷ diện CMC Carboxymethyl cellulose DTA Đường cong nhiệt EDX Phổ phát xạ năng lượng tia X MKN Mất khi nung P.T Phú Thọ SEM Kính hiển vi điện tử TG Đường cong mất khối lượng của mẫu T.Q Trung Quốc T.trấu Than trấu XRD Phân tích nhiễu xạ Rơnghen X20, X25, X30, X: Ký hiệu mẫu X35, X40 20: Hàm lượng than trấu trong mẫu GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page viii
  10. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B GIỚI THIỆU Các vật liệu ceramic xốp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm vật liệu bảo ôn và cách nhiệt cho các lò công nghiệp, vật liệu mang xúc tác, vật liệu lọc khí hoặc kim loại nóng chảy… do có độ chịu lửa cao, bền sốc nhiệt, cách nhiệt và nhẹ. Ngoài hình dáng kích thước, mỗi ứng dụng kể trên có yêu cầu khác nhau về vi cấu trúc, bao gồm độ xốp, kích thước lỗ xốp, hình dáng lỗ xốp và sự phân bố các lỗ xốp, do đó việc lựa chọn phương pháp sản xuất để kiểm soát được vi cấu trúc của vật liệu có ý nghĩa quan trọng. Kỹ thuật truyền thống để sản xuất vật liệu ceramic xốp là nung kết khối phối liệu từ nguyên liệu chứa các oxit chịu lửa, phụ gia cháy và chất kết dính. Trong số các vật liệu ceramic xốp, loại đi từ hệ ( MgO - Al2O3 - SiO2 ) mà ở đây là vật liệu cordierite – mullite đã và/đang được nghiên cứu và ứng dụng một cách rộng rãi nhờ những tính chất ưu việt của chúng. Nguyên liệu chính tạo lên khung cấu trúc cuối cùng của vật liệu sau khi nung kết khối gồm đất sét chịu lửa và/hoặc cao lanh chịu lửa, talc, kết hợp với hydroxit nhôm Al(OH)3 và/hoặc oxit nhôm kỹ thuật. Đất sét và cao lanh chịu lửa cung cấp Al2O3 và SiO2, talc cung cấp MgO và SiO2, oxit nhôm kỹ thuật và/ hoặc hydroxit nhôm Al(OH)3 bổ sung Al2O3 để tạo nên các khoáng chính trong vật liệu gốm cordierite - mullite. Ở Việt Nam, nguồn nguyên liệu để sản xuất gốm cordierite (đất sét, cao lanh, talc, oxit nhôm) rất phong phú, song số lượng nghiên cứu về gốm cordierite còn hạn chế. Trong những năm gần đây, việc sử dụng sinh khối là các phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất các vật liệu kỹ thuật thu hút được nhiều chú ý do kết hợp giải quyết được các vấn đề kinh tế, môi trường và xã hội. Một số tác giả đã sử dụng trấu để sản xuất gạch chịu lửa xốp và vật liệu ceramic xốp. Một trong những tính chất quan trọng của trấu là sau khi cháy hết các hợp chất cacbon, phần còn lại là tro trấu GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 1
  11. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B chiếm khoảng 20% khối lượng ban đầu. Nhưng khác với các loại phụ gia cháy khác, hàm lượng SiO2 trong tro trấu khá cao (90%), đặc biệt nó rất phù hợp để chế tạo gốm xốp do có hàm lượng các hợp chất hydrocacbon cao. Hàm lượng SiO2 trong tro trấu có hoạt tính cao, có thể tham gia trực tiếp vào quá trình tạo khoáng trong sản phẩm đồng thời làm giảm nhiệt độ nung, hàm lượng các oxit dễ chảy thấp ( Na2O + K2O < 5% ) nên tro trấu có thể coi là một vật liệu chịu lửa. Trấu đã được ứng dụng để sản xuất gốm xốp cao nhôm, composit SiO2/C, gạch sa mốt cách nhiệt, gốm cordierite xốp và gốm mullite xốp. Tuy nhiên vẫn chưa có một khảo sát toàn diện về ảnh hưởng của các yếu tố hàm lượng và cấp phối hạt trấu đến các tính chất, chất lượng của vật liệu xốp và cấu trúc lỗ xốp. Hiện nay, ô nhiễm không khí là hậu quả từ các hoạt động của sống hiện đại như: sự phát triển của các ngành công nghiệp, sự gia tăng tiêu thụ năng lượng trong luyện kim, hóa học, vật liệu xây dựng, giao thông,…làm nhân loại đứng trước thách thức vô cùng lớn. Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế chung đó, do vậy trong những năm gần đây chính phủ đã có những hành động thiết thực nhằm bảo vệ môi trường sống như: tập trung vào những công nghệ xanh thân thiện với môi trường, ngăn chặn các công nghệ phát thải nhiều gây ô nhiễm môi trường, giảm thiểu các phương tiện cá nhân, ưu tiên phát triển các phương tiện công cộng… Trong đó công nghệ xử lý khí thải, sử dụng chất xúc tác để chuyển hóa các khí gây ô nhiễm thành khí không ảnh hưởng đến sức khỏe con người được đánh giá rất cao. Do chất xúc tác thường có giá thành cao nên chúng thường được sử dụng dưới dạng lớp mỏng hấp phụ trên vật liệu mang. Vật liệu mang xúc tác chủ yếu là vật liệu xốp, có diện tích bề mặt riêng cao, có thể được chế tạo từ các chất liệu khác nhau như kim loại, polime, gốm… Trong nhóm vật liệu gốm mang xúc tác, cordierite - mulite xốp luôn được yêu tiên sử dụng vì gốm cordierite - mullite có nhiều tính chất quý như : hệ số dãn nở nhiệt thấp, chịu được nhiệt độ cao, chịu sốc nhiệt tốt, độ bền hóa cao, chịu được tốc độ nhanh của dòng khí, nhiệt độ tổng hợp thấp và dung hợp nhiều loại chất xúc tác. GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 2
  12. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B Trên thế giới, gốm cordierite xốp được nghiên cứu và ứng dụng trong buồng xử lý khí thải động cơ ô tô được chế tạo đưới dạng tổ ong (honeycomb), hoặc trong hệ thống xử lý khói thải các lò công nghiệp. Nhờ khả năng dung hợp nhiều loại xúc tác nên gốm này làm chất mang xúc tác để xử lý khí thải ngày càng trở lên phổ biến. Tuy nhiên ở Việt Nam việc nghiên cứu và ứng dụng gốm cordierite để làm chất mang xúc tác còn ít, măc dù nguồn nguyên liệu tổng hợp gốm rất dồi dào, tính ứng dụng cao trong công nghiệp. Với mong muốn đóng góp một phần công sức nhằm giảm thiểu sự tác động của sự phát thải gây ô nhiễm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống, đề tài luận văn: ‘‘Tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu cordierite - mullite xốp sử dụng trấu làm phụ gia tạo xốp.’’đã được tiến hành. GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 3
  13. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khoáng cordierite (2MgO.2Al2O3.5SiO2). 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu cordierite. Khoáng cordierite hay iolite (2MgO.2Al2O3.5SiO2 hay Mg2Al4Si5O18) trong tự nhiên được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà địa chất người Pháp Pierre Louis Antoine Cordier (31/3/1777 – 30/3/1861) vào năm 1813[7]. Cordierite (hay iolite) trong tự nhiên là một loại đá quý. Iolite trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là màu tím (violet), một tên gọi cổ khác là dichroite, nghĩa là đá hai màu trong tiếng Hy Lạp. Cordierite còn được gọi là “sapphire nước” và “la bàn Vikings” nhờ ứng dụng tìm hướng mặt trời khi trời u ám, nhiều mây. Người Vikings từng dùng nó làm la bàn trong các chuyến vượt biển của mình. “Sapphire nước” là loại đá quý nổi tiếng được các nhà sưu tập ưa chuộng nhờ tính đa màu, có nhiều màu sắc như xanh nhạt, tím, xám, hơi nâu...nhưng đẹp nhất là màu xanh tím. Hình ảnh của khoáng cordierite tự nhiên như trong hình 1.1 Hình 1.1: Dạng tồn tại của cordierite trong tự nhiên Cordierite trong tự nhiên hình thành nhờ quá trình biến hình (metamorphism) của đá sét dưới nhiệt độ và áp suất cao. Đến nay con người đã xác định được 2 dạng tồn tại chủ yếu của cordierite là α-cordierite (indialite) và µ-cordierite. Trong đó µ- GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 4
  14. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B cordierite kém bền, chỉ tồn tại trong những điều kiện đặc biệt. Ở điều kiện thường chỉ tồn tại α-cordierite[13]. Cordierite thuộc loại magnesium alumosilicate. Thành phần % về khối lượng các oxit là: MgO=13.8%; Al2O3=34.8%; SiO2=51.4%. Tinh thể cordierite thuộc hệ trực thoi, với các thông số mạng: a = 9,739 Å, b = 17,080 Å, c = 9,345 Å, α = β = γ = 90o. Cordierite có cấu trúc silicat dạng vòng, gồm các nhóm tứ diện đồng phẳng liên kết với nhau thành những vòng lục giác, mỗi vòng gồm 4 nhóm tứ diện SiO4 và 2 nhóm tứ diện AlO4. Các vòng lục giác này liên kết với nhau thông qua các nhóm tứ diện SiO4 và các nhóm bát diện MgO6 và AlO6. Hình 1.2 biểu diễn mạng cấu trúc của cordierite, với màu hồng: nguyên tử Mg, màu xanh dương: nguyên tử Al, màu vàng: nguyên tử Si, màu xám bạc: nguyên tử Oxy. Hình 1. 2: Cấu trúc khoáng cordierite.[27] Cordierite nhân tạo được tổng hợp thành công vào năm 1918 bởi G.A. Rankin, H.E. Merwin. [23] Đây là hợp chất tạo ra từ hệ 3 cấu tử MgO-SiO2-Al2O3 như hình 1.3 dưới đây: GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 5
  15. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B Hình 1. 3: Giản đồ pha hệ ba cấu tử SiO2 - Al2O3 – MgO. Năm 1929, Felix Singer và Willy M.Cohn đã chế tạo gốm cordierite từ 43% talc, 35% đất sét và 22% Al2O3, có hệ số dãn nở nhiệt 0.53 *10-6/0C trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ 2000C[22]. Từ hình 1.3 có thể thấy rằng cordierite nằm trong hệ peritecti. Ở nhiệt độ cao, vùng tồn tại đồng thời pha lỏng và cordierite không bao trùm lên điểm hệ biểu diễn thành phần đương lượng của cordierite, mà vùng tồn tại đồng thời pha lỏng và mullite ở nhiệt độ cao hơn mới bao trùm lên điểm hệ này. Khi làm lạnh pha lỏng nóng chảy có tỷ lệ thành phần tương đương với cordierite thì đầu tiên sẽ kết tinh ra mullite. Điểm biểu diễn thành phần hóa học của pha rắn lúc này là A nằm trên đường SiO2-Al2O3. Khi tiếp tục làm nguội, lượng SiO2 và Al2O3 trong pha lỏng giảm dần trong khi lượng MgO không đổi nên tỷ lệ MgO trong pha lỏng tăng lên. Điểm biểu diễn thành phần hóa học của pha lỏng chuyển từ M sang B. GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 6
  16. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B Khi tiếp tục làm nguội, pha rắn mullite bị hòa tan vào lỏng, từ đó kết tinh ra cordierite. Như vậy, trong hệ tồn tại pha lỏng và hai pha rắn là mullite và cordierite. Thành phần hóa học tổng của hai pha rắn di chuyển từ A về M. Nhiệt độ nóng chảy của cordierite khá cao (1465oC), chính vì vậy, trong thực tế cordierite là một khoáng chịu lửa tốt. Nếu tổng hợp cordierite từ các oxit tinh khiết của Si, Mg và Al, thì nhiệt độ tạo thành cordierite khá cao, khó khăn trong quá trình nung, đồng thời tốc độ hạ nhiệt phải chậm để mullite có thể tan hết tạo ra cordierite. Vì vậy đã có nhiều hướng nghiên cứu tổng hợp cordierite từ các phương pháp khác (sol-gel, precursor…), sử dụng chất khoáng hóa (B2O3, P2O5…), hoặc từ các nguyên liệu khác (kaolin, talc, tro bay, tro trấu…) nhằm giảm nhiệt độ nung, tăng tốc độ hình thành tinh thể, tăng mức độ phân bố đồng đều của các cấu tử phản ứng, đồng thời giảm chi phí sản xuất. Một thực tế khác trong chế tạo gốm cordierite công nghiệp là khoảng nhiệt độ kết khối của cordierite khá ngắn, gây khó khăn cho sản xuất, nhất là trong điều kiện không khống chế tốt nhiệt độ nung và/hoặc phân bố nhiệt độ nung không đồng đều trong không gian lò. Vì vậy một số hãng đã đưa thêm kiềm dưới dạng K2O, hoặc kiềm thổ BaO, hoặc ZrO2 vào phối liệu nhằm kéo dài khoảng kết khối, đồng thời cải thiện một số tính chất của sản phẩm. Những khó khăn và giải pháp nói trên đã gợi ý sử dụng than trấu trong chế tạo gốm cordierite xốp. Thứ nhất, khi cháy hoàn toàn các hợp chất hydrocacbon và cacbon dư trong than trấu, phần tro còn lại chủ yếu chứa SiO2 hoạt tính có bề mặt riêng lớn, rất dễ dàng tham gia phản ứng với các hợp hợp chất hóa học do nguyên liệu khác cung cấp, góp phần làm giảm nhiệt độ kết khối. Thứ hai, trong tro trấu còn có một thành phần đáng kể khác là K2O, giúp giảm nhiệt độ nung và kéo dài khoảng nhiệt độ kết khối [1]. Cuối cùng, phần hợp chất hydrocacbon và các bon dư khi nung sẽ cháy và để lại lượng lỗ xốp rất lớn. GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 7
  17. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B 1.1.2.Các tính chất của cordierite: *. Hệ số giãn nở nhiệt[17]: Hình 1. 4: Hệ số dãn nở nhiệt của cordierite theo nhiệt độ Cordierite có hệ số giãn nở nhiệt thấp (2.2 * 10-6/0C), và thấp hơn nhiều so với các kim loại và oxit kim loại khác, như được so sánh trên hình 1.4. Nhờ đó, gốm cordierite có độ bền sốc nhiệt rất cao, chịu được sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Vì thế, cordierite được sử dụng phổ biến để làm vật liệu chịu lửa bền nhiệt trong công nghiệp gốm sứ, làm bugi cho động cơ đốt trong, làm chất mang xúc tác xử lý khí thải động cơ, chế tạo vật liệu mullite-cordierite có độ chịu lửa cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, dùng làm gạch lót lò nung, bao nung, tấm kê, giá đỡ trong lò nung gốm sứ, dùng chế tạo bộ phận trao đổi nhiệt trong tuabin khí, hay làm màng lọc ở nhiệt độ cao… Bảng 1.1 so sánh hệ số dãn nở nhiệt trung bình của cordierite và một số vật liệu ceramic. GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 8
  18. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B Bảng 1. 1: Hệ số dãn nở nhiệt trung bình của cordierite và một số vật liệu ceramic[24]. Vật liệu Hệ số dãn nở nhiệt theo nhiệt độ (0C-1) Cordierite (2MgO 2Al2O3 5SiO2)(δ=2.1g/cm3) 2.2* 10-6 từ 25-4000C Cordierite (2MgO 2Al2O3 5SiO2)(δ=2.3g/cm3) 2.3* 10-6 từ 25-4000C Oxit beri (BeO)- đa tinh thể 2.3* 10-6 từ 25-2000C Oxit nhôm (Al2O3)- đa tinh thể 2.91* 10-6 từ 0-1730C Silic nitrit (Si3N4) 2.87* 10-6 từ 25-10000C Oxit zircon tứ phương, song song trục b 3* 10-6 từ 25-2640C *. Hệ số dẫn nhiệt: Cordierite có hệ số dẫn nhiệt 3.0 W/m. K, do hệ số dẫn nhiệt lớn nên cordierite bền nhiệt khi thay đổi nhiệt độ đột ngột. *. Độ bền sốc nhiệt: Khi bị nung nóng hoặc làm nguội, sự phân bố nhiệt bên trong vật liệu phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, độ dẫn nhiệt của nó. Ứng suất nhiệt hình thành do gradient nhiệt độ gây ra bởi sự nung nóng hoặc làm nguội nhanh, làm cho các pha của vật liệu và/hoặc các phương của vật liệu giãn nở không đều gây phá hủy vật liệu. Cordierite có hệ số giãn nở nhiệt thấp theo cả trục a và c, đồng thời thấp hơn nhiều oxit và khoáng khác. Do vậy, gốm cordierite có độ bền sốc nhiệt rất cao, chịu được sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. *. Tính chất điện môi[15],[4]: Khái niệm chất điện môi (dielectric) do Faraday đưa ra đầu tiên để chỉ các chất không dẫn điện. Đặc điểm của vật liệu điện môi là có khoảng trống năng lượng lớn giữa vùng dẫn và vùng hóa trị nên các electron ở trong vùng hóa trị không thể nhảy vào vùng dẫn làm cho điện trở suất của các vật liệu này rất cao. Đa số các sản phẩm gốm sứ đều là vật liệu điện môi, cấu trúc của chúng có sự pha trộn giữa liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 9
  19. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B Các đại lượng vật lý quan trọng nhất đặc trưng cho vật liệu điện môi là: hằng số điện môi, tổn thất điện môi và điện thế đánh thủng. Gốm cordierite là loại vật liệu có hằng số điện môi rất thấp, từ 4.5÷5.4 ở nhiệt độ thường. Do vậy, gốm cordierite có khả năng cách điện rất tốt và thường được sử dụng để làm sứ cách điện cao thế, cao tần. *. Một số tính chất khác. Ngoài các thông số kỹ thuật trên, để đánh giá chất lượng của gốm cordierite người ta còn dựa vào môt số tính chất khác như: khối lượng thể tích, độ dẫn nhiệt, cường độ bền nén, bền uốn, độ chịu lửa... Các tính chất kỹ thuật đặc trưng của gốm cordierite do các công ty gốm kỹ thuật hàng đầu thế giới sản xuất như Ferro- Ceramic Grinding Inc. (Mỹ), Morgan Advanced Ceramics (Anh) được nêu ở bảng 1.2. Bảng 1.2: Một số thông số kỹ thuật của gốm cordierite Tính chất Đơn vị Giá trị Khối lượng thể tích g/cm3 2,60 Độ bền sốc nhiệt ΔT(oC) 500 o Độ chịu lửa C 1371 Độ dẫn nhiệt W/m. K 3,0 Nhiệt dung riêng Cal/g.oC 0,35 Độ hút nước % 0,02 - 3,2 Độ cứng Moh’s 7,0 Cường độ bền nén MPa 350 Cường độ bền kéo MPa 25,5 Hằng số điện môi - 4.7 Điện áp đánh thủng KV/mm 5.11 Điện trở suất Ω cm 1014 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 10
  20. Luận văn cao học HV: Mai Văn Võ - Lớp CH.CNVL Silicat 2015B 1.2. Khoáng mullite (3Al2O3.2SiO2) Khi tổng hợp cordierite từ nguyên liệu tự nhiên luôn có mặt mullite, thông thường trong gốm cordierite có chứa khoáng cordierite gần 80%, phần còn lại là khoáng mullite và các khoáng khác. Mullite thuộc loại alumosilicate. Thành phần % về khối lượng các oxit là: Al2O3=71.8%; SiO2=28.2%. Tinh thể mullite thuộc hệ trực thoi, với các thông số mạng: a = 7.575 Å, b = 7.683 Å, c = 2.892Å, α = β = γ = 90o. Hình 1.5 là giản đồ pha hệ hai cấu tử Al2O3 và SiO2 và mô hình cấu trúc tinh thể mullite.[11] Mullite có hai loại, bao gồm mullite nguyên sinh và mullite thứ sinh. Mullite nguyên sinh, được hình thành trong quá trình phản ứng pha rắn. Mullite thứ sinh được hình thành trong quá trình phản ứng có mặt pha lỏng, khoáng có dạng hình kim. Hệ số dãn nở nhiệt trung bình của mullite là: 5.6*10-6/0C Hình 1. 5: Giản đồ pha hệ hai cấu tử SiO2 – Al2O3 GVHD: T.S Vũ Thị Ngọc Minh Page 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng
172 tài liệu
841 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
13=>1