nghiên cứu điều chế thủy tinh lỏng từ soda và cát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
------------

LÊ TUẤN EM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
THỦY TINH LỎNG TỪ SODA VÀ CÁT

LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

Chuyên Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số: CN 262

CẦN THƠ − 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
------------

LÊ TUẤN EM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
THỦY TINH LỎNG TỪ SODA VÀ CÁT

LUẬN VĂN ĐẠI HỌC
Chuyên Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số: CN 262
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. LÊ THANH PHƯỚC

CẦN THƠ − 2012


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

***********
Cần Thơ, ngày 01 tháng 02 năm 2012

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN
Năm học: 2011-2012

1. Họ và tên sinh viên: Lê Tuấn Em

MSSV: 2082216

2. Ngành: Công nghệ hóa học

Khóa: 34

3. Tên đề tài: Nghiên cứu điều chế thủy tinh lỏng từ soda và cát.
4. Địa điểm, thời gian thực hiện:
Địa điểm: Phòng thí nghiệm Vô cơ - CNHH, Khoa Công Nghệ, trường Đại học

Cần Thơ.
Thời gian: 02/2012 – 05/2012
5. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phước.
6. Mục tiêu của đề tài:
 Tổng hợp thủy tinh tan từ soda và cát.
 Khảo sát các điều kiện tối ưu để điều chế thủy tinh tan.
 Tìm hiểu sự liên hệ tính chất của thủy tinh lỏng với module của chúng.
7. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:
 Tổng hợp thủy tinh tan từ soda và cát.
 Hòa tan thủy tinh tan bằng nước nóng để tạo thành dung dịch thủy tinh
lỏng.
 Khảo sát điều kiện tối ưu điều chế thủy tinh tan có module 1,6 và 2,6.
ii


 Giới hạn của đề tài:
Khảo sát các điều kiện cơ bản như nhiệt độ và thời gian lưu trong sản xuất
thủy tinh tan.
Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài:
Hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn, phòng thí nghiệm, thiết bị, hóa chất,
kinh phí và một số dụng cụ cần thiết khác.
8. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 1,000,000 đồng

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

Lê Tuấn Em

Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN

Ý kiến của Cán Bộ Hướng Dẫn

TS. Lê Thanh Phước

Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG LV VÀ TLTN

iii


LỜI CẢM ƠN
------o0o------

Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô thuộc bộ môn Công Nghệ Hóa
Học – Khoa Công Nghệ đã trang bị cho em những kiến thức và những kinh nghiệm vô
cùng quý giá trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường để em có được những
kết quả như ngày hôm nay. Những kiến thức và kinh nghiệm ấy sẽ giúp ích rất nhiều
cho em trong cuộc sống và nghề nghiệp trong tương lai.
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Thanh Phước, thầy là người đã hướng
dẫn, quan tâm giúp đỡ và tạo động lực cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến thầy Trương Chí Thành và thầy Nguyễn Việt
Bách đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thời gian thực
hiện đề tài.
Con xin gởi lời cảm ơn đến gia đình thân yêu đã luôn bên cạnh ủng hộ cả về vật
chất lẫn tinh thần để con có thể vượt qua những khó khăn trong học tập.
Cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề
tài.
Xin chân thành cảm ơn tất cả!

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN
------o0o------

Sodium silicate hòa tan (hay còn gọi là thủy tinh lỏng là một loại chất lỏng chứa
thủy tinh hòa tan và có tính chất của một chất lỏng) được sử dụng rất phổ biến trong
thực tế. Chúng được sử dụng làm chất bít kín, chất gắn, chất chống kết bông, chất tạo
nhũ và chất đệm. Hầu hết các ứng dụng của thủy tinh lỏng là trong nghành công
nghiệp giấy và bột giấy (chúng tăng cường độ tẩy trắng) và trong nghành công nghiệp
chất tẩy rửa, chúng làm tăng cường hoạt động của chất tẩy rửa và làm giảm độ nhớt
của kem. Do đó việc sản xuất thủy tinh lỏng cũng như cần có một quy trình công nghệ
sản xuất thủy tinh lỏng hợp lý là một trong những yêu cầu vô cùng cấp bách và thiết
thực.
Ngày nay, thủy tinh lỏng được sản xuất bằng công nghệ tiên tiến với nguyên liệu
ban đầu là cát và soda. Đầu tiên là cát và soda được cân theo đúng tỷ lệ và được trộn
đều để tạo thành hỗn hợp phối liệu, sau đó hỗn hợp phối liệu được nung ở nhiệt độ cao
để tạo thành thủy tinh hòa tan, và cuối cùng là hòa tan sodium silicate hòa tan thu được
trong nước và hơi nước nóng thì sẽ thu được dung dịch thủy tinh lỏng.
Do đó để hoàn thiện quy trình sản xuất cũng như tìm ra những thông số tối ưu
trong quy trình sản xuất thủy tinh lỏng thì cần phải khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ
phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ mol trong hỗn hợp phối liệu ban đầu đến quá trình
sản xuất và chất lượng sản phẩm thủy tinh lỏng thu được. Nhưng do thời gian thực
hiện đề tài có giới hạn nên tôi chỉ khảo sát các yếu tố, điều kiện cơ bản ảnh hưởng đến
quy trình sản xuất thủy tinh lỏng có module được sử dụng phổ biến trên thị trường
Việt Nam hiện nay đó là thủy tinh lỏng loại module thấp có module 1,6 và thủy tinh
lỏng loại module cao có module 2,6.

v


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN ....................................................................................3

Khái quát về hợp chất silicate ........................................................................3

1.1.1.

Sơ lược về hợp chất silicate....................................................................3

1.1.2.

Phân loại hợp chất silicate ......................................................................3

1.1.3.

Ứng dụng của hợp chất silicate...............................................................8

1.2.

Khái quát về thủy tinh lỏng............................................................................9

1.2.1.

Sơ lược về thủy tinh lỏng .......................................................................9

1.2.2.

Cơ sở lý thuyết quá trình sản xuất thủy tinh lỏng..................................10

1.2.3.

Chỉ tiêu chất lượng của thủy tinh lỏng..................................................13

1.2.4.

Ứng dụng thủy tinh lỏng.......................................................................14

CHƯƠNG 2:
2.1.

Nguyên liệu và hóa chất ..............................................................................16

2.1.1.

Nguyên liệu..........................................................................................16

2.1.1.1

Cát thạch anh (cát trắng) ...............................................................16

2.1.1.2

Soda..............................................................................................20

2.1.1.3

Tiêu chuẩn nguyên liệu sản xuất thủy tinh tan ...............................22

2.1.2.
2.2.

NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ ..............16

Hóa chất...............................................................................................23

Thiết bị và dụng cụ......................................................................................23

2.2.1.

Thiết bị.................................................................................................23

2.2.2.

Dụng cụ................................................................................................25

CHƯƠNG 3:
3.1.

TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ............26

Khảo sát tỷ lệ mol........................................................................................26

3.1.1.

Cách tiến hành......................................................................................26

3.1.2.

Kết quả.................................................................................................26
vi


3.1.3.
3.2.

Biện luận kết quả..................................................................................29

Khảo sát nhiệt độ.........................................................................................31

3.2.1.

Cách tiến hành......................................................................................31

3.2.2.

Kết quả.................................................................................................31

3.2.3.

Biện luận kết quả..................................................................................35

3.3.

Khảo sát thời gian lưu..................................................................................38

3.3.1.

Cách tiến hành......................................................................................38

3.3.2.

Kết quả.................................................................................................38

3.3.3.

Biện luận kết quả..................................................................................40

CHƯƠNG 4:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................43

4.1.

Kết luận.......................................................................................................43

4.2.

Kiến nghị.....................................................................................................43

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................44
PHỤ LỤC..................................................................................................................45

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1 – Khung tứ diện SiO 44 ........................................................................... 3
Hình 2 – Cấu trúc silicate chuỗi mạch đơn....................................................4

Hình 3 – Cấu tạo anion pyrosilicate ..............................................................5
Hình 4 – Cấu tạo silicate chuỗi mạch kép .....................................................5
Hình 5 – Cấu tạo silicate mạch vòng Si 3O96  .................................................6
Hình 6 – Cấu trúc của silicate lớp ................................................................6
Hình 7 – Zeolite và cấu trúc zeolite ..............................................................8
Hinh 8 – Bột màu phát quang .......................................................................8
Hình 9 – Sơ đồ công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng ........................................10
Hình 10 – Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng .................................................12
Hình 11 – Khối silica aerogel .......................................................................15
Hình 12 – Cát thạch anh ...............................................................................16
Hình 13 – Sơ đồ biến đổi thù hình của SiO2..................................................17
Hình 14 – Mạng lưới tinh thể thạch anh β.....................................................17
Hình 15 – Cấu trúc mạng tinh thể β-tridymite...............................................18
Hình 16 – Cấu trúc mạng tinh thể β-cristobalite............................................18
Hình 17 – Soda khan ....................................................................................20
Hình 18 – Lò nung Nabertherm ....................................................................23
Hình 19 – Máy nghiền bi..............................................................................24
Hình 20 – Tủ sấy ..........................................................................................24
Hình 21 – Bếp điện.......................................................................................25
Hình 22 – Sản phẩm thủy tinh bị lẫn ion Fe3+ ...............................................26
viii


Hình 23 – Sản phẩm thủy tinh có lẫn ion Cu2+ ..............................................27
Hình 24 – Đồ thị hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 theo tỷ lệ SiO2/Na2O
ở cùng nhiệt độ phản ứng 1150ºC và thời gian lưu 120 phút.........................29
Hình 25 – Đồ thị pH dung dịch thủy tinh lỏng của các tỷ lệ
ở cùng 1 nồng độ 1%....................................................................................30
Hình 26 – Thủy tinh tan có module bằng 1,6 ở 1075ºC.................................31
Hình 27 – Thủy tinh tan có module bằng 2,6 ở 1150 ºC................................32

Hình 28 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 theo nhiệt độ
(SiO2/Na2CO3 = 1,6)....................................................................................35
Hình 29 – Đồ thị module thủy tinh lỏng thực tế và lý thuyết.........................36
Hình 30 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 theo nhiệt độ
(SiO2/Na2CO3 = 2,6).....................................................................................36
Hình 31 – Đồ thị module thủy tinh lỏng thực tế và lý thuyết.........................37
Hình 32 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 của thủy tinh lỏng
module 1,6 theo thời gian lưu ......................................................................40
Hình 33 – Đồ thị module thủy tinh tan theo thời gian ...................................41
Hình 34 – Đồ thị hàm lượng Na2O và SiO2 của thủy tinh lỏng
module 2,6 theo thời gian lưu .......................................................................41
Hình 35 – Đồ thị module thủy tinh tan theo thời gian ...................................42

ix


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 – Tiêu chuẩn chung cho sản phẩm sodium silicate lỏng....................13
Bảng 2 – Hàm lượng Na2O, hàm lượng SiO2 và pH dung dịch
thủy tinh lỏng 1% ở các tỷ lệ .....................................................................28
Bảng 3 – Khảo sát chất lượng mẫu thủy tinh lỏng có module 1,6
ở các nhiệt độ khác nhau...............................................................................33
Bảng 4 – Khảo sát chất lượng mẫu thủy tinh lỏng có module 2,6
ở các nhiệt độ khác nhau..............................................................................34
Bảng 5 – Hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 trong điều kiện
tỷ lệ phối liệu SiO2/Na2CO3 là 1,6 và được nung ở 1075ºC..........................39
Bảng 6 – Hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 trong điều kiện
tỷ lệ phối liệu SiO2/Na2CO3 là 2,6 và được nung ở 1150ºC..........................39

x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Khái quát về hợp chất silicate
1.1.1. Sơ lược về hợp chất silicate
Silicate là muối của acid silicic. Silicate kim loại kiềm được tạo nên khi nấu chảy
thạch anh trong hydroxide hay carbonate kim loại kiềm. Chúng trong suốt như thủy
tinh, không tan trong nước lạnh nhưng tan trong nước nóng nên còn được gọi là thủy
tinh tan. Dung dịch càng nhớt khi nồng độ của thủy tinh càng cao. Dung dịch đậm đặc
của sodium silicate được gọi là thủy tinh lỏng. Nó được dùng để tẩm vải và gỗ làm cho
những vật liệu này không cháy, dùng làm hồ dán đồ thủy tinh, đồ sứ và dùng để bảo
quản trứng. Ở trong dung dịch, silicate kim loại kiềm bị thủy phân cho môi trường
kiềm. Khi tác dụng với acid, dù là acid rất yếu, chúng giải phóng dễ dàng acid silicic
dưới dạng kết tủa.
Silicate của các kim loại khác được tạo nên khi nấu chảy thạch anh với oxide kim
loại tương ứng. Chúng không tan trong nước. Một số bị acid mạnh phân hủy giải
phóng acid silicic, còn các silicate khác chỉ chuyển sang dạng tan được khi nấu chảy
với carbonate kim loại kiềm.
Silicate thiên nhiên đứng hàng đầu trong các loại khoáng vật, chúng có đến hàng
trăm chất và chiếm phần lớn khối lượng vỏ Trái Đất. Những khoáng vật silicate không
có màu đặc trưng. Nhiều khoáng vật ở dạng trong suốt, cứng, khó nóng chảy và bề
ngoài trông giống đá.

1.1.2. Phân loại hợp chất silicate
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các silicate thiên nhiên và một số silicate nhân
tạo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, nhận thấy tất cả mọi silicate đều được cấu tạo
nên từ nhưng đơn vị cấu trúc chung là nhóm tứ diện đều SiO 44  :

3

Hình 1 – Khung tứ diện SiO 44
Qua những nguyên tử O chung, những nhóm tứ diện đó liên kết với nhau tạo
thành mạch thẳng, mạch vòng, lớp hoặc mạng lưới.
Dựa vào đặc điểm cấu trúc đó, người ta phân chia silicate thành các nhóm:
orthosilicate, silicate mạch thẳng, silicate mạch vòng, silicate lớp và silicate mạng
lưới.
Orthosilicate chứa ion đơn SiO 44 . Trong những silicate này, cation kim loại
được phối trí bởi những nguyên tử O và tùy theo số phối trí của cation mà tạo nên
những kiến trúc khác nhau. Trong mạng lưới tinh thể phenakite (Be2SiO4) và willemite
(Zn2SiO4), cation kim loại có số phối trí 4. Trong những khoáng vật kiểu M2SiO4 (ở
đây M là Mg, Mn,...) cation có số phối trí 6 và trong zircon (ZrSiO4), ziriconi có số
phối trí 8. Tuy liên kết M-O có tính ion hơn liên kết Si-O nhưng có một mức độ nhất
định tính cộng hóa trị. Bởi vậy những orthosilicate này không thể coi là hợp chất ion
M 22+SiO 44 .

Silicate mạch thẳng gồm có hai loại: Silicate mạch đơn chứa anion ( SiO 32 )n và
silicate mạch kép chứa anion ( Si 4 O116 )n.
Anion ( SiO 32  )n được tạo nên bởi các nhóm tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua
những nguyên tử O chung tạo thành mạch thẳng:

Hình 2 – Cấu trúc silicate chuỗi mạch đơn
Trong những mạch đó, trừ nhóm ở hai đầu mạch, mỗi nhóm tứ diện SiO4 có hai
nguyên tử O chung. Những mạch ( SiO 32  )n liên kết với nhau bằng các cation kim loại.
4


Những metasilicate tổng hợp như Na2SiO3, Li2SiO3 và những khoáng vật loại
pyroxen như enstatite (MgSiO3), diopside [CaMg(SiO3)2] và spodumene [LiAl(SiO3)2]
thuộc nhóm silicate mạch đơn.

Anion ngắn nhất có cấu tạo tương tự anion ( SiO 32 )n là anion disilicate Si 2 O 67
(hay còn gọi là pyrosilicate):

Hình 3 – Cấu tạo anion pyrosilicate
Bởi vậy những khoáng vật như thortveitite (Sc2Si2O7) và hemimorphit
[Zn3Si2O7.Zn(OH)2] cũng thuộc nhóm silicate mạch đơn.
Anion Si 4 O116 được tạo nên bởi sự liên kết giữa hai mạch đơn qua những nguyên
tử O chung:

Hình 4 – Cấu tạo silicate chuỗi mạch kép
Như vậy trong mạch kép có một số nhóm tứ diện có ba nguyên tử O chung.
Thuộc nhóm silicate mạch kép là các khoáng vật loại amphibol như tremolite
[Ca2Mg2(Si4O11)2(OH)2],

anthophyllite

[Mg7(Si4O11)2(OH)2]

và

amiang

[Mg6(Si4O11)(OH)6.H2O]. Khác với pyroxen, trong amphibol thường có các nhóm OH–
nhưng kiến trúc của amphibol tương tự kiến trúc của pyroxen, nghĩa là những mạch
kép cũng liên kết với nhau bằng cation kim loại. Chính vì vậy trong pyroxen cũng như
trong amphibol thường có những cation kim loại khác nhau.

5

Liên kết trong các mạch ( SiO 23 )n và ( Si 4 O116 )n là rất bền nhưng liên kết giữa các
mạch đó với nhau lại tương đối yếu cho nên những khoáng vật thuộc nhóm mạch
thẳng dễ tách ra theo hướng song song với mạch, nghĩa là chúng có cấu tạo sợi.

Silicate mạch vòng chứa anion Si 3O 69 và anion Si 6 O12
18 , được tạo nên nhờ các tứ

diện SiO4 liên kết với nhau qua nguyên tử O chung tạo thành vòng kín:

Hình 5 – Cấu tạo silicate mạch vòng Si 3O 69
Khoáng vật benitoit (BaTiSi3O9) chứa anion Si 3O 69 và khoáng vật beryl
(Be3Al2Si6O18) là thuộc nhóm silicate mạch vòng.
Silicate lớp chứa anion Si 2 O 52 n , được tạo nên nhờ các nhóm tứ diện SiO4 liên
kết với nhau theo hai chiều tạo nên tạo thành lớp:

Hình 6 – Cấu trúc của silicate lớp
Trong lớp, mỗi nhóm tứ diện SiO4 liên kết với ba nhóm tứ diện xung quanh qua
ba nguyên tử O chung.

6


Đá tan [Mg3(Si2O5)2(OH)2], kaolinite [Al2Si2 O5(OH)4], mica [KAl2Si3O10(OH)2]
thuộc nhóm silicate lớp. Trong đá tan và kaolinite các lớp đều trung hòa về điện nên
lớp này là riêng rẽ đối với lớp kia. Các lớp đó dễ trượt lên nhau làm cho những khoáng
vật này mềm, dễ bóc lớp và khi sờ vào ta cảm thấy nhờn ở ngón tay.
Đá tan và kaolinite là những silicate đơn vì chúng được tạo nên hoàn toàn bởi các
nhóm tứ diện SiO4, còn mica là alumosilicate (silicate kép) vì trong đó một phần các
nhóm tứ diện SiO4 được thay thế bằng những nhóm tứ diện AlO4. Nhôm có hóa trị
thấp hơn silicon cho nên trong các alumosilicate, ngoài nhôm và silicon còn có những

cation kim loại khác nữa, thường là cation kim loại kiềm và kiềm thổ. Trong mica,
những lớp alumosilicate mang điện tích âm, chúng liên kết nhau qua những cation K+
nằn giữa các lớp. Lực tĩnh điện giữa các lớp tích điện âm và cation tích điện dương
làm cho mica cứng hơn đá tan và kaolinite. Tuy nhiên mica vẫn giữ kiến trúc lớp rõ rệt
cho nên dễ bóc thành những lớp rất mỏng. Trong thực tế người ta thường dùng những
lớp mica trong suốt để làm cửa của các lò đốt hay lò sấy và làm tấm cách điện trong
các thiết bị máy móc.
Silicate mạng lưới có kiến trúc tương tự như thạch anh, mỗi một tứ diện SiO4
liên kết với bốn tứ diện bao quanh đưa đến thành phần (SiO2)n, nhưng ở đây một số
nguyên tử Si được thay thế bằng nguyên tử Al tạo thành alumosilicate với khung
chung là [(Si, Al)O2]. Khung này tích điện âm nên cần có một số cation kim loại để
trung hòa điện tích. Khác với trường hợp mica, các cation kim loại ở đây được phân bố
đều ở trong khung đó.
Thuộc nhóm alumosilicate mạng lưới là những khoáng vật loại feldspar, các
zeolite và các ultramarine. Feldspar là những đá phún trào, chúng chiếm hơn một nữa
khối lượng vỏ Trái Đất. Những đại diện chính của khoáng vật loại feldspar là:
orthoclase (KAlSi3O8), albite (NaAlSi3O8), trong đó một phần tư số nhóm tứ diện SiO4
được thay thế bằng nhóm tứ diện AlO4 nên công thức được viết là
(Na,K)[(AlO2)(SiO2)3] còn trong anorthite (CaAl2Si2O8), số nhóm tứ diện AlO4 và
SiO4 bằng nhau nên công thức của chúng có thể viết là Ca[(AlO2)2(SiO2)2].

7


1.1.3. Ứng dụng của hợp chất silicate
Zeolite là alumosilicate mạng lưới có ứng dụng quan trọng nhất đối với thực tế.
Có nhiều zeolite nhiên, một số đã được tổng hợp nhân tạo và ngoài ra còn có hàng
chục zeolite tổng hợp không có ở trong thiên nhiên. Chúng có công thức chung là
Mx/n[(AlO2)x(SiO2].zH2O, trong đó n là điện tích của cation kim loại Mn+, thường là
Na+, K+ hay Ca2+ và z là số nguyên tử nước kết tinh. Khác với feldspar, zeolite có kiến

trúc xốp hơn: Những nhóm tứ diện SiO4 và AlO4 được sắp xếp như thế nào để tạo nên
những lỗ trống tương đối rộng, trong đó không những có ion dương mà còn có cả
những phân tử H2O nữa. Khi nung zeolite đến 350°C ở trong chân không, hầu hết
những phân tử H2O đó thoát ra mà không làm biến đổi kiến trúc tinh thể. Kết quả là
zeolite khan có khả năng hấp thu và giữ lại những phân tử có thể chui lọt qua các lỗ
trống, nghĩa là có khả năng hấp phụ trọn lọc. Như vậy zeolite có vai trò của một rây
phân tử. Ví dụ như zeolite với kích thước của lỗ là 3,5Å có thể hấp phụ H2, O2 và N2
nhưng thực tế không hấp phụ Ar và CH4. Những năm gần đây người ta dùng rây phân
tử đó để làm khô một số khí và chất lỏng.

Hình 7 – Zeolite và cấu trúc zeolite
Gần đây, những hợp chất silicate của kim loại kiềm thổ được nghiên cứu để sử
dụng làm bột màu vô cơ trong công nghiệp. Đây là một ứng dụng rất nỗi bật của hợp
chất silicate bởi vì bột màu được tạo nên từ những hợp chất này có nhiều tính năng ưu
việt hơn so với các loại bột màu vô cơ thông thường, như có tính lấp lánh và đặc biệt
là có khả năng phát quang trong bóng tối.

8


Hinh 8 – Bột màu phát quang

1.2. Khái quát về thủy tinh lỏng
1.2.1. Sơ lược về thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng là dung dịch đậm đặc của sodium silicate trong nước. Thủy tinh
lỏng là một hóa chất được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong các
nghành công nghiệp giấy và bột giấy, công nghiệp chất tẩy rửa, công nghiệp gốm sứ
và cả trong lĩnh vực vật liệu composite,…
Cho đến nay, thủy tinh lỏng đã được biết đến như là một nguyên liệu trong ngành
công nghiệp chất tẩy rửa. Bởi vì chúng có thể cung cấp một lượng kiềm lớn và khả

năng đệm pH rất tốt. Một số loại còn có thể hỗ trợ cho việc tổng hợp chất tẩy rửa với
khả năng chống keo tụ và ngăn ngừa sự lắng đọng trong dung dịch keo. Các loại khác
có thể tác động trực tiếp như là chất làm mềm nước và đáp ứng các tiêu chuẩn trong
công nghiệp chất tẩy rửa. Một tính chất quan trọng khác là khả năng ăn mòn thủy tinh
và các kim loại trong quá trình rửa và làm sạch. Trong quá trình sản xuất chất tẩy rửa,
chúng được xem là chất hỗ trợ xử lý quan trọng trong quá trình tích tụ của các hạt chất
tẩy rửa, điều chỉnh mật độ số lượng bột chất tẩy rửa.
Đặc trưng của thủy tinh lỏng là tỷ lệ SiO2/Na2O theo khối lượng. Giá trị đặc
trưng này thường được gọi là module. Tỷ lệ SiO2/Na2O cũng có thể được thể hiện trên
cơ sở phân tử. Việc chuyển đổi giữa module và tỷ lệ phân tử có thể được chuyển đổi
bằng trọng lượng công thức phân tử tương ứng. Trong trường hợp của sodium silicate,
module đã được nhân với hệ số chuyển đổi 1,032 để có được tỷ lệ phân tử.
9


Trong thương mại, sodium silicate là loại hóa chất quan trọng nhất trong số các
silicate kim loại kiềm. Chúng là loại hóa chất được sử dụng với nhiều dạng, mức độ và
thành phần khác nhau. Sodium silicate được bán trên thị trường không chỉ dưới dạng
dung dịch mà còn ở dạng bột mịn và dạng hạt với số lượng lớn. Dạng rắn thì được sử
dụng từ dạng vô định hình tới dạng tinh thể và từ khan cho tới các loại ngậm nước.

1.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình sản xuất thủy tinh lỏng

Hình 9 – Sơ đồ công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng
Giai đoạn 1: Sản xuất thủy tinh tan
Cát được trộn đều với soda theo đúng tỷ lệ để tạo thành hỗn hợp phối liệu phản
ứng như mong muốn. Sau đó hổn hợp phối liệu này được nung ở nhiệt độ
1000-1200°C trong vài giờ. Sản phẩm thu được là thủy tinh tan vô định hình (thủy tinh
vụn hay còn gọi là cullet), nó được hòa tan vào nước để tạo ra các dạng silicate khác
nhau.

Phương trình phản ứng chung xảy ra trong quá trình nung:
Na2CO3 + nSiO2 → Na2O.nSiO2 + CO2
Để biết được diễn biến, tốc độ và điểm kết thúc quá trình phản ứng thì người ta
theo dõi lượng CO2 thoát ra, nhưng không phân biệt được từng phản ứng riêng lẻ. Quá
trình này cũng tạo cho hỗn hợp nấu chảy nhiều bọt. Khi pha lỏng xuất hiện thì tốc độ
tạo silicate tăng do tăng bề mặt phản ứng. Do vậy cần cố gắng tìm cách tạo pha lỏng ở
nhiệt độ thấp. Do đó có thể thêm vào hỗn hợp phối liệu ban đầu một lượng chất khử
bọt thích hợp để tạo pha lỏng dễ dàng hơn.
Tuy nhiên điều quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất phản ứng này
là kích cỡ hạt cát cho vào. Vì nhiệt độ nóng chảy của cát là rất cao trên 1600ºC nên
10


muốn cát chảy lỏng ra thì phải tốn một nhiệt lượng rất lớn. Vì vậy để tiết kiệm năng
lượng ta sẽ cho phản ứng xảy ra khi cát vẫn còn ở trạng thái rắn. Do đó tốc độ phản
ứng và hiệu suất phản ứng sẽ phụ thuộc rất lớn vào diện tích bề mặt riêng của cát
nguyên liệu. Cho nên, cát trước khi được cho vào hỗn hợp phối liệu với soda để phản
ứng thì phải được nghiền mịn đến kích cỡ thích hợp. Thực tế thì nghiền càng mịn càng
tốt nhưng nếu như nghiền quá mịn thì sẽ tốn nhiều năng lượng cho quá trình nghiền
mà tốc độ phản ứng và hiệu suất phản ứng không tăng thêm bao nhiêu. Và hỗn hợp
phối liệu ban đầu phải được trộn thật đều vào nhau để tăng tối đa diện tích tiếp xúc bề
mặt giữa cát và soda.
Giai đoạn 2: Hòa tan thủy tinh vụn
Sau khi nung thì chúng ta sẽ thu được thủy tinh vụn màu trắng trong suốt hoặc có
màu do lẫn tạp chất bằng nước và hơi nước nóng ở áp suất 5 atm (nước nóng khoảng
151°C). Sau khi thủy tinh vụn tan hết thì tiến hành lắng và lọc để loại phần không tan
ra khỏi dung dịch thủy tinh lỏng.
Phần cặn không tan ở đây là cát chưa phản ứng hết. Do đó lượng cặn không tan
này có thể được dùng để tính hiệu suất phản ứng.
Giai đoạn 3: Thay đổi tỷ lệ SiO2/Na2O

Thủy tinh lỏng thu được có thể được bán trực tiếp ra thị trường nhưng nếu muốn
thì người ta có thể thay đổi tỷ lệ SiO2/Na2O nhỏ xuống để thích hợp với yêu cầu của
thị trường. Để thực hiện điều này thì người ta thêm vào thủy tinh lỏng có module cao
xút hoặc soda với lượng thích hợp để tăng hàm lượng Na2O lên. Và kết quả là module
của thủy tinh lỏng bị giảm xuống.
Toàn bộ quy trình sản xuất thủy tinh lỏng có thể được tóm gọn trong sơ đồ sau:

11


Soda
Na2CO3

Cát Trắng
SiO2

Lò Nung
1000-1200ºC

Thủy Tinh Vụn
Na2O.nSiO2

Hòa Tan

Lắng Cặn

Thủy Tinh Lỏng
Module Thấp

Thủy Tinh Lỏng

Soda hoặc Xút
(Na2CO3 hoặc NaOH)
Hình 10 – Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng

12


1.2.3. Chỉ tiêu chất lượng của thủy tinh lỏng
Bảng 1 - Tiêu chuẩn chung cho sản phẩm sodium silicate lỏng
Tên chỉ tiêu
1. Trạng thái bên ngoài

Mức và yêu cầu
Chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho
phép có màu trắng đục hoặc ngà vàng

2. Tỷ trọng ở 20°C

1,4-1,5

3. Hàm lượng Na2O (%)

10-12

4. Hàm lượng SiO2 (%)

26-30

5. Module silicon

1,6-2,5

6. Cặn không tan trong nước (%)

≤ 0,5

Chỉ tiêu chất lượng silicate cụ thể:
Sodium silicate lỏng loại module cao:


Ngoại quan: chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt, cho phép có màu

trắng đục hoặc ngà vàng


Hàm lượng Na2O: ≥ 10%



Hàm lượng SiO2: ≥ 26%



Tỷ trọng ở 20°C: 1,4-1,6 g/ml



Cặn không tan: ≤ 0,5%



Module: 2,3-2,7.

Sodium silicate lỏng loại module thấp:


Ngoại quan: chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt, cho phép có màu

trắng đục hoặc ngà vàng


Hàm lượng Na2O: ≥ 13%



Hàm lượng SiO2: ≥ 20%
13




Tỷ trọng ở 20°C: 1,4-1,7 g/ml



Cặn không tan: ≤ 0,5%



Module: 1,5-1,7.

1.2.4. Ứng dụng thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghành công nghiệp như chất
bít kín trong các khuôn đúc kim loại, chất gắn, chất chống kết bông, chất tạo nhủ và
chất đệm. Đặc biệt là trong các nghành công nghiệp giấy và bột giấy với nghành công
nghiệp chất tẩy rửa.
Trong công nghiệp giấy và bột giấy thủy tinh lỏng có nhiệm vụ vận chuyển các
ion kim loại, đệm pH, làm chất ổn định, là tác nhân hoạt động bề mặt, làm chất trợ lọc
và hạn chế sự ăn mòn. Nó có thể giữ các nhóm peroxide để làm cho bột giấy trắng
hơn.
Trong công nghiệp chất tẩy rửa, nó làm nhiệm vụ phân tán đều hỗn hợp huyền
phù, tạo môi trường kiềm giúp tăng cường hiệu quả giặt tẩy, chất nhũ hóa các hệ dầu
mỡ hữu cơ, hạn chế sự ăn mòn kim loại trong quá trình hoạt động và vệ sinh thiết bị.
Những vật liệu gồm nhiều thành phần khi kết khối lại đòi hỏi một chất kết dính
để đạt được lực liên kết giữa các thành phần đủ lớn. Và nhìn chung chất kết dính có
thể được chia thành ba nhóm: dạng matrix, dạng film và chất kết dính hóa học.
Sodium silicate là độc đáo ở chỗ nó có thể đáp ứng được cả ba khả năng trên. Ví dụ,
như là một chất kết dính matrix, sodium silicate sẽ được sử dụng cùng với xi măng
Portland hoặc xi măng Pouzzolan để tăng thêm cường độ cho chúng.
Film hình thành chất kết dính như keo do sự bay hơi của nước hoặc các dung
môi. Sodium silicate thương mại sẵn có chứa 45-65% nước theo trọng lượng. Mất một
phần nhỏ của nước này, ngay cả trong điều kiện môi trường bình thường cũng có thể
tạo thành film thủy tinh mạnh mẽ và cứng nhắc. Thời gian phơi khô sẽ phụ thuộc vào
module, nồng độ, độ nhớt, độ dày màng của thủy tinh lỏng cũng như nhiệt độ và độ ẩm
của không khí. Có đôi khi người ta làm khô màng thông qua việc bổ sung nhiệt.
Chất kết dính hóa học có chức năng phản ứng với vật liệu thành phần hoặc làm
cho các vật liệu thành phần phản ứng với nhau để tạo thành một khối vững chắc. Ví dụ
14

rõ nhất là việc sử dụng của sodium silicate hòa tan với một nguồn calcium. Phản ứng
sẽ sinh ra các hydrate của calcium silicate. Đây là một chất kết dính rất tốt, thường gặp
nhất là trong bê tông cốt thép.
Một lĩnh vực mới được nghiên cứu gần đây đó là ứng dụng của thủy tinh lỏng
trong công nghệ chế tạo silica aerogel. Silica aerogel có giá bán trên thị trường rất đắt
bởi vì nguyên liệu để sản xuất nó là các hợp chất alkoxide, những hợp chất này vốn có
giá rất đắt trên thị trường nên khi dùng nó để sản xuất aerogel thì giá của silica aerogel
càng đắt hơn nữa. Do vậy thủy tinh lỏng là một hướng đi mới đầy triễn vọng để hạ giá
thành của silica aerogel.

Hình 11 – Khối silica aerogel

15


CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT,
DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
2.1. Nguyên liệu và hóa chất
2.1.1. Nguyên liệu
2.1.1.1 Cát thạch anh (cát trắng)
Thạch anh (silicon dioxide, SiO2) là một trong số những khoáng vật phổ biến
nhất trên Trái Đất. Nó được cấu tạo bởi một mạng liên tục các tứ diện SiO4, trong đó
mỗi nguyên tử O chia sẻ giữa hai tứ diện nên nó có công thức chung là SiO2.

Hình 12 – Cát thạch anh
Ba dạng tinh thể của silicon dioxid ở áp suất thường là thạch anh, tridymite và
cristobalite. Mỗi một dạng đa hình này lại có hai dạng: Dạng α bền ở nhiệt độ thấp và
dạng β bền ở nhiệt độ cao. Dưới đây là sơ đồ biến đổi các dạng tinh thể của silicon
dioxide:

16