Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh

MỤC LỤC
3.1. Kiểm tra thành phần hóa của nguyên liệu 3
3.2. Tính toán cấp phối 3
3.1. Kiểm tra thành phần hóa của nguyên liệu 26
3.1.1.Cao lanh Hiệp Tiến 26
3.1.2.Tacl Phú Thọ 26
3.2. Tính toán cấp phối 27
3.2.1.Tính phần trăm các oxit trong cordierit 27
3.2.2.Tính toán cấp phối tạo sản phẩm 28
3.3. Khảo sát nhiệt độ nung đến quá trình tạo pha cordierit bằng phương pháp
nhiễu xạ tia X 29
3.3.1.Mẫu nung ở 1000oC 29
3.3.2.Mẫu nung ở 1100oC 30
3.3.3.Mẫu nung ở 1200oC 31
3.3.4.Mẫu nung ở 1240oC 32
3.4. Khảo sát một số tính chất của gốm cordierit 33
Trong đó: H là độ hút nước 33
So sánh tính chất cơ lý của các mẫu nhận thấy mẫu nghiên cứu ở 1240oC có khối
lượng riêng và độ hút nước nhỏ hơn mẫu so sánh 1 ở 1250 oC của tác giả Trần
Ngọc Tuyền, điều này cho thấy cordierit tổng hợp được sít đặc hơn, độ xốp bé hơn
và nhiệt nung của mẫu nghiên cứu cũng bé hơn 34
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34
DANH MỤC BẢNG
STT Số hiệu Tên bảng
Trang
1 2.1
Trình bày mối quan hệ giữa dhkl với a, b, c, của
một hệ tinh thể
Error:
Refere
nce

source
not
found
2 3.1 Thành phần hóa của cao lanh Hiệp Tiến (% trọng lượng)
Error:
Refere
nce
source
not
found
3 3.2 Thành phần hóa học của tacl Phú Thọ (% trọng lượng)
Error:
Refere
nce
source
not
found
4 3.3 Thành phần (%) khối lượng nguyên liệu
Error:
Refere
nce
source
not
found
5 3.4 Thành phần % khối lượng nguyên liệu quy về 100%
Error:
Refere
nce
source
not

found
6 3.5 Cấp phối tạo gốm cordierit
Error:
Refere
nce
source
not
found
Error:
Refere
nce

DANH MỤC HÌNH
STT Số hiệu Tên hình Trang
1 1.1. Cấu trúc của khoáng cordierit
Error:
Refere
nce
source
not
found
2 1.2
Gốm cordierite dạng tổ ong làm chất mang xúc tác xử
lý khí thải.
Error:
Refere
nce
source
not
found

3 1.3
Vật liệu chịu lửa composite mullite-cordierit làm giá đở,
tấm kê trong lò nung gốm sứ.
Error:
Refere
nce
source
not
found
4 1.4 Vật liệu cách điện từ gốm cordierite
Error:
Refere
nce
source
not
found
5 1.5 Quy trình tổng hợp vật liệu gốm theo phương pháp sol-
gel
Error:
Refere
nce
source
not
found
6 1.6
Sơ đồ tổng hợp cordierit theo phương pháp gốm truyền
thống
Error:
Refere
nce

source
not
found
7 1.7 Cao lanh Hiệp Tiến
Error:
Refere
nce
source
not
found
8 1.8 Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinit
Error:
Refere
nce
source
not
found
9 1.9 Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh.
Error:
Refere
nce
source
not
found
10 1.10 Tacl Phú Thọ Error:
Refere
nce
source
not
found

11 1.11. Bột nhôm hidroxit
Error:
Refere
nce
source
not
found
12 2.1 Lò sấy
Error:
Refere
nce
source
not
found
13 2.2 Máy khuấy 19
14 2.3 Sàng 19
15 2.4 Cân thủy tỉnh 20
16 2.5 Cân phân tích 20
17 2.6 Bình lechatelier 20
18 2.7 Lò nùng
Error:
Refere
nce
source
not
found
19 2.8 Cốc 20
20 2.9 Sơ đồ quy trình thực nghiệm.
Error:
Refere

nce
source
not
found
21 2.10 Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg Error:
Refere
nce
source
not
found
22 2.11 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm có bình hút chân không
Error:
Refere
nce
source
not
found
23 3.1 Cao lanh Hiệp Tiến
Error:
Refere
nce
source
not
found
24 3.2 Bột tacl Phú Thọ
Error:
Refere
nce
source
not

found
25 3.3 Mẫu nung ở 1000oC
Error:
Refere
nce
source
not
found
26 3.4 Giản đồ XRD của mẫu ở 1000 oC Error:
Refere
nce
source
not
found
27 3.5 Mẫu nung ở 1100oC
Error:
Refere
nce
source
not
found
28 3.6 Giản đồ XRD của mẫu ở 1100oC
Error:
Refere
nce
source
not
found
29 3.7 Mẫu nung ở 1200oC
Error:

Refere
nce
source
not
found
30 3.8. Giản đồ XRD của mẫu ở 1200 oC
Error:
Refere
nce
source
not
found
31 3.9 Mẫu nung ở 1240oC Error:
Refere
nce
source
not
found
32 3.10 Giản đồ XRD của mẫu ở 1240 oC
Error:
Refere
nce
source
not
found

21 2.10 Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg 24
22 2.11 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm có bình hút chân không 27
23 3.1 Cao lanh Hiệp Tiến 28
24 3.2 Bột tacl Phú Thọ 29

25 3.3 Mẫu nung ở 1000
o
C 31
26 3.4 Giản đồ XRD của mẫu ở 1000
o
C 32
27 3.5 Mẫu nung ở 1100
o
C 32
28 3.6 Giản đồ XRD của mẫu ở 1100
o
C 33
29 3.7 Mẫu nung ở 1200
o
C 33
30 3.8 Giản đồ XRD của mẫu ở 1200
o
C 34
31 3.9 Mẫu nung ở 1240
o
C 34
32 3.10 Giản đồ XRD của mẫu ở 1240
o
C 35
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Gốm cordierit (2MgO.2Al
2

O
3
.5SiO
2
) là một trong những loại gốm mới có
nhiều tính chất quý như hệ số giãn nở nhiệt rất bé, có độ bền nhiệt và bền cơ cao…
Vì thế, cordierit được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: làm vật liệu chịu lửa bền nhiệt
trong công nghiệp gốm sứ, làm sứ cách điện cao thế, làm vật liệu nền, màng nhằm
thay thế vật liệu nhôm oxit truyền thống trong công nghiệp điện tử. Đặc biệt,
cordierit được dùng làm chất mang xúc tác tổ ong (honeycomb cordierite) để xử lý
khí thải động cơ.
Do có vai trò to lớn như vậy nên việc nghiên cứu tổng hợp cordierit là một
yêu cầu bức thiết và đang được các nhà khoa học rất quan tâm. Và đã có rất nhiều
nhà nghiên cứu đã công bố công trình nghiên cứu của mình. A.Yamuna và cộng sự
[13] đã tổng hợp cordierit đi từ cao lanh, MgO, talc, thạch anh, silica fumed. Kết
quả là đã tạo ra được cordierit ở nhiệt độ nung là 1350
o
C. Ewais và cộng sự [8] đã
tổng hợp cordierit từ silica fumed, bôxit và talc. Kết quả thu được cordierit với độ
xốp 46.4% và nhiệt độ nung cordierit là 1300-1350
0
C. Mazin Y. Tamar-Agha và
cộng sự [12] đã tổng hợp cordierit từ serpentin, cao lanh và bôxit bằng phương pháp
thiêu kết truyền thống. Kết quả đã tổng hợp được cordierit ở nhiệt độ 1300
o
C đạt
được các yêu cầu kỹ thuật nhưng hàm lượng cordierit chưa cao.
Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về cordierit ứng dụng làm chất nền cho
bộ chuyển hóa xúc tác như Lê Quang Linh [3] đã tổng hợp cordierit theo phương
pháp sol-gel nhưng thu được hàm lượng cordierit thấp. Nguyễn Bá Trung [7] đã

tổng hợp cordierit từ cao lanh Vĩnh Phú bằng phương pháp đồng kết tủa. Trần Ngọc
Tuyền [5] đã tổng hợp được cordierit từ cao lanh A Lưới bằng phương pháp phân
tán rắn – lỏng. Kết quả cho hàm lượng cordierit cao ở 1300
o
C.
Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu tổng hợp cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến
bằng phương pháp nung thiêu kết truyền thống nhằm khảo sát điều kiện thích hợp để
tổng hợp gốm cordierit ở nhiệt độ nung thiêu kết thấp, có chất lượng đạt yêu cầu.
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 1 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
Hướng nghiên cứu này sử dụng nguyên liệu địa phương có sẵn đó là cao lanh
Hiệp Tiến – Lâm Đồng và talc Phú Thọ sẽ giảm chi phí đáng kể cho quá trình sản xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
-Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit bằng phương pháp nung thiêu kết
truyền thống.
-Khảo sát nhiệt đô nung để tổng hợp gốm cordierit đảm bảo các yêu cầu kỹ
thuật.
-Sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước để giảm chi phí sản xuất.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp cordierit là cao lanh Hiệp Tiến, tacl
Phú Thọ và nhôm hidroxit để tổng hợp gốm cordierit.
Quá trình được thực hiện tại phòng thí nghiệm công nghệ Hóa Học - Khoa
công nghệ Hóa Học - Trường cao đẳng Công Nghệ Đà Nẵng và được ứng dụng
rộng rãi trong các nhà máy sản xuất gốm sứ có liên quan đến đề tài.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu về thành phần nguyên liệu: cao lanh, tacl và nhôm hidroxit để
tổng hợp gốm cordierit.
- Tìm hiểu về cordierit và phương pháp tổng hợp cordierit.

4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Tính toán phối liệu để tổng hợp gốm cordierit.
- Khảo sát nhiệt độ thích hợp để tạo ra sản phẩm.
- Dùng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định sự có mặt của gốm
cordierit.
- Khảo sát một số tính chất của gốm.
5. Bố cục đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, báo cáo gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan đề tài
1.1.Tổng quan về cordierit
1.2.Một số ứng dụng của gốm cordierit
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 2 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
1.3.Tổng quan về các phương pháp tổng hợp
1.4.Tổng quan về nguyên liệu
Chương 2: Thực nghiệm
2.1. Nguyên liệu và hóa chất thí nghiệm
2.2. Các phương pháp đánh giá
Chương 3: Kết quả và thảo luận
3.1. Kiểm tra thành phần hóa của nguyên liệu
3.2. Tính toán cấp phối
3.3. Khảo sát nhiệt độ nung
3.4. Một số tính chất của gốm cordierit
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 3 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về cordierit

Khoáng cordierit trong tự nhiên được phát hiện bởi nhà địa chất người Pháp
Pierre Louis A.Cordier vào thế kỹ XVIII. Cordierit tự nhiên hình thành nhờ quá
trình biến hình (metamorphism) của đá sét (argillaceous rocks) dưới tác dụng của
nhiệt độ áp suất cao. Đến nay, người ta xác định được hai dạng tồn tại chủ yếu của
cordierit là α- cordierit (indialite) và µ-cordierit. Trong đó, dạng µ-cordierit kém
bền, chỉ tồn tại trong những điều kiện đặc biệt; α- cordierit là dạng bền ở nhiệt độ
cao, nó là pha chính trong các loại vât liệu bền sốc nhiệt [5].
Cordierit thuộc loại khoáng magnesium aluminosilicate với công thức
2MgO.2Al
2
O
3
.5SiO
2
, thành phần các oxit là: MgO = 13.8%, Al
2
O
3
= 34.8% ;
SiO
2
= 54.4%.
Khoáng cordierit thuộc nhóm silicate vòng (cyclosilicates), có cấu trúc tương
tự beryl (Al
2
Be
3
[Si
6
O

18
]), gồm các nhóm tứ diện đồng phẳng liên kết với nhau thành
những vòng lục giác, mỗi vòng gồm 4 nhóm tứ diện SiO
4
và hai nhóm tứ diện AlO
4
,
do đó công thức của khoáng có thể viết dưới dạng: Mg
2
Al
2
Si[Al
2
Si
4
O
8
]. Các vòng
lục giác này liên kết với nhau thông qua các nhóm tứ diện SiO
4
và các nhóm bát
diện MgO
6
và AlO
6
. Các nhóm này được hình thành ở bên trong các hốc tự do của
đơn vị câu trúc. Một đơn vị cấu trúc được hình thành bởi ba vòng tứ diện chồng lên
nhau và hai gốc giữa chúng (Hình 1.1) [5].
Hình 1.1. Cấu trúc của khoáng cordierit
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 4 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh

Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
Gốm cordierit (2MgO.2Al2O
3
.5SiO
2
) có nhiều tính chất quý như hệ số giãn
nở nhiệt rất bé, có độ bền nhiệt cao, chịu được sốc nhiệt, có hằng số điện môi và tổn
hao điện môi rất bé trong vùng tần số cao.
Gốm cordierit là một loại gốm mà tinh thể chính là cordierit, gốm cordierit
có độ bền nhiệt cao, dễ tạo xốp nên được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công
nghệ mà có sự biến đổi rất nhanh về nhiệt độ như làm bộ lọc trong các động cơ, làm
chất mang xúc tác, làm vật liệu lót trong công nghệ Hàn hồ quang
(Mig-Mag). Tuy nhiên, gốm cordierit là một loại gốm rất khó nung do có khoảng
nung rất hẹp (từ 20
o
C - 30
o
C). Cho đến nay sau gần 200 năm trôi qua đã có nhiều
công trình nghiên cứ phát triển nhằm hạ thấp nhiệt độ nung và kéo dài khoảng nung
của loại vật liệu này… Ngoài nhu cầu trong công nghệ hàn, trong công nghệ đóng
tàu nói chung cũng có nhu cầu rất lớn về loại vật liệu này. Ở Việt Nam đã xuất hiện
nhiều công trình nghiện cứu để tổng hợp cordierit nhưng ứng dụng chưa nhiều. Việc
phát triển công nghệ sản xuất cordierit nói chung và cordierit làm chất nền cho xúc
tác xử lý khí thải là rất cần thiết. Do có vai trò to lớn như vậy nên việc nghiên cứu
tổng hợp cordierit là một yêu cầu bức thiết và đang được các nhà khoa học rất quan
tâm.
Rất nhiều các nghiên cứu khoa học đã tổng hợp thành công vật liệu gốm
cordierit đi từ nguyên liệu tự nhiên [5].
 Tổng hợp cordierit dùng nguyên liệu đi từ cao lanh A lưới bằng phương

pháp đồng kết tủa.
 Tổng hợp cordierit bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hổ trợ của
phương pháp cơ hóa.
 Tổng hợp cordierit từ các nguyên liệu là cao lanh, tacl và bột nhôm
hydroxyt thương mại.
 Tổng hợp cordierit bằng phương pháp phân tán pha rắn- lỏng trên nền
khoáng alumosilicat tự nhiên.
 Tổng hợp cordierit bằng phương pháp sol- gel đi từ Na
2
SiO
3
và muối có
chứa Magiê và nhôm.
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 5 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
1.2. Một số ứng dụng của gốm cordierit [5]
1.2.1. Chất mang xúc tác xử lý khí thải
Quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel, xăng… của động cơ đốt trong thường thải
ra các khí độc: cacbon monoxit (CO), các oxit của nitơ (NO
x
), các hydrocacbon
(HC)… Vì thế, nghiên cứu xử lý khí thải động cơ là vấn đề cấp thiết được các nhà
khoa học quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm qua. Hướng nghiên cứu chính hiện
nay là gắn các tâm xúc tác (các kim loại quý Pt, Rh, Pd… hoặc các oxit CeO
2,
TiO
2,
ZrO
2

…dạng nano) lên chất mang xúc tác làm vật liệu gốm, rồi đưa vào ống xả của
động cơ để chuyển hóa CO, NO
x
, HC thành CO
2
, N
2
, H
2
O. Do hoạt động trong môi
trường khắc nghiệt nên đòi hỏi vật liệu phải có hệ số giản nở nhiệt bé, độ bền sốc
nhiệt cao, đồng thời phải có độ bền cơ học và hóa học cao. Gốm cordierit là loại vật
liệu đáp ứng đầy đủ những yêu cầu này và do đó, nó được sử dụng phổ biển để làm
chất mang xúc tác xủa lý khí thải động cơ.
Hình 1.2. Gốm cordierit dạng tổ ong làm chất mang xúc tác xử lý khí thải.
Hiện nay, bằng công nghệ hiện đại, người ta chế tạo được loại gốm cordierit
dạng tổ ong (cordierite honeycomb) làm chất mang xúc tác, nên diện tích tiếp xúc
giữa chất xúc tác và khí thải tăng lên rất lớn, làm tăng cao hiệu quả của quá trình xử
lý (Hình 1.2). Một số kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy: dùng gốm cordierit
dạng tổ ong làm chất mang xúc tác đã loại được 78% khí CO và 82% khí HC trong
khí thải động cơ diesel.
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 6 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
1.2.2. Tổng hợp composite mullite-cordierit
Composite mullite-cordierit (MC) là loại vật liệu có độ chịu lửa cao, có hệ số
giãn nở nhiệt bé, có thể sử dụng để sản xuất gạch chịu lửa bền sốc nhiệt để xây lò
nung, làm bao nung, giá đỡ, tấm kê trong lò nung gốm sứ (Hình 1.3), ống chịu
nhiệt, màng lọc nhiệt độ cao, sử dụng làm bộ phận trao đổi nhiệt trong tuabin khí, lò
đốt khí gas…

Hình 1.3. Vật liệu chịu lửa composite mullite-cordierit làm giá đở, tấm kê trong
lò nung gốm sứ.
1.2.3. Vật liệu cách điện
Gốm cordierit có hằng số điện môi bé trong vùng tần số cao
(ɛ = 5÷6 ở tần số 1MHz), điện trở suất rất cao (ρ > 10
12
Ωcm), điện áp đánh thủng
lớn (V = 4÷5 Kv/mm, nên chúng được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện. Các
loại sứ cách điện với điện áp từ hàng chục đến hàng trăm Kv chế tạo từ gốm
cordierit của Công ty gốm kỹ thuật Ferro-Ceramic Grinding Inc được trình bày ở
hình 1.4.
Hình 1.4. Vật liệu cách điện từ gốm cordierit
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 7 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
1.3.Tổng quan về các phương pháp tổng hợp
1.3.1. Phương pháp Sol- gel [5]
Phương pháp sol-gel cho phép trộn lẫn các chất phản ứng ở quy mô phân tử
và hạt keo. Nhờ có những đặc điểm ưu việt, nên nó được được phát triển mạnh mẽ
và là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay trong kỹ thuật
tổng hợp vật liệu. Trong những năm gần đây, nhiều tác giả trên thế giới và trong
nước đã nghiên cứu áp dụng phương pháp sol-gel để tổng hợp gốm cordierit. Để
tổng hợp gốm theo phương pháp này, người ta thường điều chế sol bằng cách dùng
dung môi để thủy phân các hợp chất cơ kim, thường là các alkoxide kim loại
M(OR)
n
trong đó: M là kim loại , R là gốc ankyl. Sau khi thu được sol, tiếp tục xử
lý hoặc để lâu dần già hóa thành gel.
Có thể tóm tắt quá trình tổng hợp vật liệu gốm bằng phương pháp sol-gel
theo sơ đồ ở hình 1.5.

Hình 1.5. Quy trình tổng hợp vật liệu gốm theo phương pháp sol-gel.
M.A.Einarsrud và cộng sự [9] đã nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit ở nhiệt
độ nung thấp bằng phương pháp sol-gel. Nguyên liệu ban đầu là muối
Mg(CH
3
COO)
2.
4H
2
O và các alkoxode là tetraethoxysilane (TEOS) và aluminum
sec-butoxide (ASB). Các alkoxide này được phân tán trong dung môi hữu cơ 2-
methoxyetanol (HO-CH
2
-CH
2-
O-CH
3
), với chất kìm hãm quá trình thủy phân của
của các alkoxide là acetyl aceton (CH
3
-CO-CH
2
-CO-CH
3
). Gel sau khi sấy khô,
được nung sơ bộ ở 400
o
C, sau đó ép viên và nung thiêu kết. Kết quả cho thấy: ngay
tại nhiệt nung 900
o

C, pha cordierit đã hình thành với cường độ pic nhiễu xạ khá rõ
rệt.
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 8 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
 Ưu nhược điểm của phương pháp sol-gel [18]
Phương pháp sol-gel có thuận lợi là tiến hành với thiết bị đơn giản, không
đắt tiền, tốn ít năng lượng. Ngoài ra, với phương pháp này dễ dàng thay đổi quy
trình cũng như nồng độ pha tạp của các loại vật liệu khác nhau. Nhược điểm của
phương pháp là đòi hỏi hóa chất có độ tinh khiết cao và đắt tiền.
Bằng phương pháp sol-gel, không những tổng hợp được các oxyt phức hợp
siêu mịn (kích thước hạt d < 10 µm) có tính đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao, bề
mặt riêng lớn, mà còn cho phép tổng hợp các hạt tinh thể cỡ nanomet, các sản phẩm
ở dạng màng mỏng, sợi Trong những năm gần đây, phương pháp này phát triển
rất mạnh và trở thành một trong các phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong
tổng hợp vật liệu vô cơ. Phương pháp này cho phép trộn lẫn các chất ở quy mô
nguyên tử và có thể điều khiển được tất cả các giai đoạn để thu được sản phẩm có
tính chất như mong muốn.
1.3.2. Phương pháp đồng kết tủa [18]
Bản chất của phương pháp là kết tủa đồng thời tất cả các ion có trong thành
phần của oxyt phức hợp từ dung dịch ở dưới dạng hydroxide, cacbonat, oxalat,
citrat,… Sau đó kết tủa được rửa và nung sẽ thu được oxyt phức hợp.
Điều kiện cùng kết tủa là tích số hòa tan của các hợp chất này phải xấp xỉ
bằng nhau và tốc độ kết tủa trong suốt quá trình phải như nhau. Nếu chọn được điều
kiện đồng kết tủa tốt thì sản phẩm sinh ra ở nhiệt độ cao, có tính đồng nhất, độ tinh
khiết hóa học cao và bề mặt riêng lớn. Vì vậy rất khó để lựa chọn được điều kiện
đồng kết tủa tốt. Mặt khác, khi rửa sẽ kéo theo chọn lọc một số cấu tử nào đó làm
cho thành phần kết tủa khác với thành phần dung dịch ban đầu.
1.3.3. Phương pháp phân tán rắn – lỏng [5]
Nguyên tắc của phương pháp này là phân tán pha rắn ban đầu (Chứa chất

tham gia phản ứng) vào pha lỏng, rồi tiến hành kết tủa pha rắn thứ hai. Khi đó, các
hạt pha kết tủa sẽ bám xung quay hạt pha rắn ban đầu, làm cho mức phân bố của
chúng đồng đều hơn, tăng diện tích tiếp xúc cũng như tăng hoạt tính của chất tham
gia phản ứng, do đó sẽ làm giảm nhiệt độ phản ứng pha rắn xuống thấp.
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 9 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
C.Shu và cộng sự [11] đã tổng hợp cordierit bằng phương pháp phân tán
rắn - lỏng từ nguyên liệu đầu là dung dịch Na
2
SiO
3
, MgCl
2
và hỗn hợp bột hydroxit
Mg(OH)
2
và Al(OH)
3
siêu mịn. Precursor cordierit được điều chế bằng cách phân
tán thật đều pha rắn là hỗn hợp bột Mg(OH)
2
và Al(OH)
3
vào pha lỏng và dung
dịch MgCl
2
. Thêm từ từ từng giọt dung dịch natri silicate Na
2
SiO

3
có môi trường
kiềm vào hỗn hợp rắn- lỏng thì Mg
2+
sẽ kết tủa dưới dạng Mg(OH)
2
, trong khi đó
Na
2
SiO
3
bị thủy phân thành dạng gel SiO
2
.nH
2
O. Perecursor thu được vừa ứng với
tỷ lệ hợp thức của cordierit, vừa có sự phân bố đồng đều của các cấu tử. Precursor
được rửa sạch, sấy khô, ép viên và nung ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho
thấy: ở 700
o
C, precursor bị phân hủy tạo thành các oxit MgO, Al
2
O
3
và SiO
2
ở dạng
vô định hình. Pha cordierit được hình thành khi nung mẫu ở 1250
o
C trong thời gian

2 giờ. Cơ chế phản ứng tạo pha cordierit được các tác giả đề nghị như sau: đầu tiên
tinh thể cristobalite (SiO
2
) phản ứng với pha trung gian là spinel (MgAl
2
O
4
) để hình
thành sapphirne (4MgO.4Al
2
O
3
.2SiO
2
). Tại 1250
o
C sapphirne tiếp tục phản ứng với
silicate vô định hình tạo thành α- cordierit.
1.3.4. Phương pháp truyền thống [5]
Hình 1.6. Sơ đồ tổng hợp cordierit theo phương pháp gốm truyền thống
Đây là phương pháp lâu đời nhất và hiện nay vẫn đang được sử dụng để tổng
hợp vật liệu nói chung và gốm cordierit nói riêng. Nguyên liệu để tổng hợp gốm
cordierit là Al(OH)
3
hoặc MgO, Tacl và Cao lanh… Các giai đoạn cơ bản của quá
trình tổng hợp vật liệu theo phương gốm truyền thống được nêu ở hình 1.6. Trước
hết, nguyên liệu được phối trộn sao cho đạt tỷ lệ hợp thức mong muốn của vật liệu.
Tiếp theo, nghiền trộn phối liệu để làm giảm cấp hạt, tăng diện tích tiếp xúc, đảm
bảo phân bố đồng đều các cấu tử phản ứng (Lực nén càng cao thì phối liệu càng sít
đặc, bề mặt tiếp xúc càng lớn) và do đó, tạo thuận lợi cho quá trình nung thiêu kết

tiếp theo. Tiếp đến là giai đoạn nung - giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 10 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
thực hiện phản ứng giữa các pha rắn. Do các phản ứng pha rắn không xảy ra đến
cùng, nên trong sản phẩm vẫn còn một lượng chất tham gia phản ứng. Vì thế, sau
khi nung thiêu kết lần thứ nhất, người ta thường tiến hành nghiền mịn sản phẩm, ép
viên rồi nung lại lần thứ hai. Quá trình có thể tiếp tục vài lần như vậy cho đến khi
sản phẩm đơn pha.
Phương pháp này có ưu điểm là dễ đảm bảo tỷ lệ hợp thức, độ tinh khiết của
sản phẩm cao và tự động hóa được quá trình sản xuất. Tuy nhiên, do việc nghiền
trộn phối liệu thuần túy cơ học, nên mức độ phân tán của các cấu tử rất kém. Kích
thước hạt phối liệu vẫn lớn (Cỡ µm) nên các ion phải khuếch tán một khoảng cách
khá xa (Khoảng 10
4
Å) để tiếp xúc với nhau, diện tích tiếp xúc giữa các chất phản
ứng hạn chế nên tốc độ chậm, phải thực hiện ở nhiệt độ cao và phản ứng không đi
đến cùng.
S.J.Kim và cộng sự [10] đã nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit bằng phương
pháp truyền thống đi từ nguyên liệu đầu là các oxit MgO, Al
2
O
3
, và SiO
2
tinh khiết.
Phối liệu đúng tỷ lệ hợp thức được nghiền ướt trong máy nghiên hành tinh với tốc
độ nghiền 300 vòng/phút và thời gian nghiền được khảo sát trong khoảng 1÷32 giờ.
Kết quả cho thấy: do nghiền trộn phối liệu thuần túy bằng cơ học, nên cấp hạt phối
liệu vẫn lớn, vì thế nhiệt độ tạo pha cordierit rất cao. Mặc dù thời gian nghiền kéo

dài đến 32 giờ, nhiệt độ nung thiêu kết 1350
o
C, nhưng sản phẩm thu được vẫn
không đơn pha; ngoài ra α-cordierit vẫn còn chứa một lượng đáng kể spinel
MgAl
2
O
4
. Chỉ khi nhiệt độ nung đến 1400
o
C, thành phần pha tinh thể của sản phẩm
mới đơn pha.
Vì vậy, để làm giảm nhiệt độ nung thiêu kết, thuận lợi trong việc chuẩn bị
phối liệu, trong đồ án này em nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp
Tiến bằng phương pháp nung thiêu kết truyền thống đi từ các nguyên liệu tự nhiên:
cao lanh Hiệp Tiến, tacl Phú Thọ và nhôm hidroxit thương mại. Khảo sát ảnh hưởng
của cấp hạt phối liệu, chế độ nung đến quá trình tạo pha cordierit, đồng thời xác
định một số tính chất cơ lý quan trọng của gốm điều chế được để đánh giá khả năng
ứng dụng của nó.
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 11 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
1.4.Tổng quan về nguyên liệu
1.4.1. Cao lanh [17]
Cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên rất phổ biến trên thế giới, đây là
một loại khoáng sét dẻo không trương nở, có màu trắng, vàng hoặc nâu đỏ. Cao
lanh được tìm thấy ở rất nhiều mỏ khác nhau trên thế giới, ở Việt Nam cao lanh có
ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Yên, Hiệp Tiến, Hà Giang, Phú Thọ và Lâm Đồng…
Với trữ lượng lớn và chất lượng tốt.
Cao lanh đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như

công nghiệp vật liệu xây dựng, sản xuất gốm sứ, công nghiệp in, làm chất nền, mới
đây cao lanh đang được chú ý như một nguồn nguyên liệu có nhiều ưu điểm để sản
xuất zeolit làm các chất trao đổi ion, hấp phụ, làm các chất xúc tác công nghiệp hóa
học và môi trường.
Hình 1.7. Cao lanh Hiệp Tiến
 Thành phần hóa học
Thành phần chính của cao lanh là khoáng vật kaolinit, có công thức hóa học
đơn giản là Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O, công thức lý tưởng là Al
4
(Si
4
O
10
)(OH)
8
với hàm
lượng SiO
2
=46,5%; Al
2
O
3

=39,5% và H
2
O=13,96% trọng lượng. Trong cao lanh
còn có các thành phần khác như Fe
2
O
3
, TiO
2
, K
2
O, CaO, Na
2
O với hàm lượng nhỏ,
trong cao lanh nguyên khai còn có chứa các khoáng khác như haloysit, phlogopit,
hydromica, felspat, α-quart, pyrit, nhưng hàm lượng rất ít.
Trong các loại khoáng sét thì kaolinit có hàm lượng Al
2
O
3
thường từ
36,83 ÷40,22%; SiO
2
có hàm lượng từ 43,64 ÷46,90%, các oxyt khác chiếm từ
0,76 ÷3,93%, lượng nước hấp phụ bề mặt và lượng mất khi nung từ
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 12 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
12,79 ÷15,37%, đôi khi bằng 10%. Tỷ số mol SiO
2

/Al
2
O
3
thay đổi từ 1,75 ÷ 2,94
nhưng thường trong khoảng 2,1 ÷ 2,4.
 Các tính chất đặc trưng cơ bản của cao lanh
Tính chất cơ bản của cao lanh thường được đề cập là tính chất trao đổi ion,
tính chất hấp phụ và tính chất xúc tác. Do bề mặt của kaolinit không lớn, thường
dao động từ 15 ÷20m
2
/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của kaolinit. Với khả
năng trương nở kém nên không sử dụng kaolinit làm chất xúc tác mà chỉ sử dụng nó
với vai trò chất nền.
 Tính chất trao đổi ion.
Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của
mình. Sự trao đổi cation thường được nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng
rộng hơn so với anion. Các cation trao đổi thường là Ca
2+
, Mg
2+
, NH
4
+
, Na
+
, K
+
, H
+

.
Các anion trao đổi thường là SO
4
2-
, Cl
–
, PO
4
3-
, NO
3
–
.
Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương
lượng trao đổi trên 100g mẫu. Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC)
của cao lanh rất nhỏ, thông thường CEC chỉ khoảng 3 ÷15 meq/100g và AEC
khoảng 20,3 meq/100g.
Hình 1.8. Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinit.
Bề mặt của kaolinit được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề
mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự
giảm kích thước hạt. CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân
bằng trong mạng lưới cấu trúc. Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng
là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion
hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên
bề mặt ngoài của kaolinit. Hình 1.8 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 13 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh
Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierit từ cao lanh Hiệp Tiến bằng phương pháp nung
thiêu kết truyền thống
bên trong hạt kaolinit.
 Tính chất hấp phụ

Cao lanh có khả năng hấp phụ kém. Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1÷ 3% và
chủ yếu là hấp phụ bề mặt. Do vậy cao lanh ít có giá trị sử dụng làm chất hấp phụ.
 Những biến đổi trong cấu trúc cao lanh khi nung
Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc cao lanh khi nung chính là cơ sở
cho những ứng dụng của cao lanh trong nhiều ngành công nghiệp vật liệu và hoá
chất. Trong cao lanh cũng như nhiều loại khoáng sét khác có chứa một lượng nước
nhất định khi còn ở nhiệt độ thấp (Nhiệt độ thường). Nhìn chung, nước trong cấu
trúc khoáng sét được chia làm 3 loại: (1) nước hấp phụ trong lỗ xốp, trên bề mặt và
xung quanh các hạt phân tử khoáng rời rạc; (2) nước ở dạng hydrat, nước ở dạng
xen kẽ giữa các lớp khoáng; (3)nước nằm trong các khe, hốc giữa các đơn vị cấu
trúc dài (Các nhóm OH
-
cấu trúc). Nếu khoáng chứa loại (1) sẽ tốn ít năng lượng
nhất khi tiến hành loại bỏ nước.
Các phân tử nước trong cao lanh thuộc loại (1), chỉ là nước hấp phụ bề mặt
và một số nằm trong lỗ xốp, do đó sẽ dễ dàng mất đi khi cao lanh bị nung nóng từ
100
o
C,150
0
C. Khi cao lanh bị nung đến khoảng nhiệt độ 550
0
C,700
0
C, nước trong
cấu trúc (Nhóm OH trong mạng lưới) sẽ dần mất hết và kèm theo sự phá vỡ cấu trúc
cao lanh. Khi nhiệt độ tăng đến 900
0
C thì cấu trúc tinh thể cao lanh bị sập hoàn
toàn.

Việc xác định sự mất dần các nhóm OH ở các vị trí là dựa vào phương pháp
nhiệt vi sai (DTA). Ngoài ra bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
người ta xác định được khi nung cao lanh, song song với sự tăng nhiệt độ là sự giảm
của trọng lượng (Lượng mất khi nung).
GVHD: Nguyễn Thị Trung Chinh 14 SVTH: Lưu Thị Phương Thanh