Nghiên cứu tổng hợp chất màu kẽm ferit từ bùn đỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
*****&&& *****

LÊ THỊ KHÁNH LY

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT MÀU
KẼM FERIT TỪ BÙN ĐỎ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Người hướng dẫn khoa học
PGS. TS LÊ XUÂN THÀNH

HÀ NỘI - 2011


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nỗ lực nghiên cứu em đã hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp của mình.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Xuân Thành,
trưởng bộ môn công nghệ các hợp chất vô cơ, Viện Kĩ Thuật Hóa Học,
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo,
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn
thành khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn hóa vô cơ
trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 và các thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm

bộ môn Công nghệ các chất Vô cơ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã rất
nhiệt tình giúp đỡ về mọi cơ sở vật chất và chỉ bảo em trong quá trình tiến
hành làm thí nghiệm.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự trao đổi và đóng góp ý kiến
thẳng thắn của các bạn học cùng khoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình.

Sinh viên

Lê Thị Khánh Ly

Lê Thị Khánh Ly

ii

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu trong đề tài: “Tổng hợp chất màu
kẽm ferit từ bùn đỏ” là của riêng tôi, không trùng lập với kết quả của bất kỳ
ai. Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011
Sinh viên

Lê Thị Khánh Ly

Lê Thị Khánh Ly

iii

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 3

1.1. Tổng quan lý thuyết chất màu ................................................................3
1.1.1. Bản chất của màu sắc .......................................................................3
1.2. Chất màu được sử dụng trong sơn ................................................. ........5

1.3. giới thiệu về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng phương pháp
sơn phủ ........................................................................................................... 5
1.3.1. Ăn mòn kim loại .....5
1.3.2. Phân loại ăn mòn kim loại ..

6

1.3.3. Cơ sơ ăn mòn điện hóa trong dung dịch điện li 8
1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp sơn phủ

8

1.3.5. Cấu trúc spinel và khả năng tạo lớp phủ của kẽm ferit ....................9
1.4. Kĩ thuật tổng hợp chất màu theo phương pháp phản ứng rắn - rắn
(phương pháp gốm) ..........................................................................................9
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................11

2.1. Các thiết bị và hóa chất cần thiết..

....11

2.2. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................11
2.2.1. Phương pháp tổng hợp chất màu

11

2.3. Các phương pháp phân tích ..................................................................11
2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt

11

2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ....... 13
2.3.3. Phương pháp quét hiển vi điện tử (SEM) và đo phổ tán xạ năng lượng
(EDS)..............................................................................................15

2.4. Chế tạo sơn chống ăn mòn trên nền thép CT3 và đánh giá khả năng
chống ăn mòn của lớp sơn phủ .......................................................................16
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ....................17

3.1. Xác định cỡ hạt, thành phần hóa học và các dạng khoáng có

trong bùn đỏ

.................................................................................................................17
3.1.1. Xác định cỡ hạt và thành phần hóa học bùn đỏ .............................17

Lê Thị Khánh Ly

iv

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

3.1.2. Xác định các dạng khoáng của bùn đỏ theo phương pháp XRD 19
3.2. Nghiên cứu tổng hợp chất màu Kẽm Ferit từ bùn đỏ 20
3.2.1. Khảo sát sự biến đổi của phối liệu theo nhiệt độ 20
3.2.2. Tổng hợp chất màu Kẽm Ferit

24

3.2.3. Phân tích thành phần và xác định hình thái mẫu 1

24

3.3. Chế tạo sơn phủ và đánh giá đặc tính chống ăn mòn ...........................28

3.3.1. Ngâm trong dung dịch NaCl 3% ....................................................28
3.3.2. Ngâm trong dung dịch H2SO4 2% ..................................................29
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Lê Thị Khánh Ly

v

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẲNG BIỂU
Hình 1.1 Ba màu cơ bản và sự phối màu giữa chúng

3

Bảng 1.1Màu của các chất có một dải hấp thụ ở phần phổ trông thấy khi được
chiếu bằng ánh sáng trắng ............................................................................. ..4
Hình 1.2 Các màu sắc bổ sung..........................................................................4
Hình 1.3 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm ................9

Hình 2.1 Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể .............................................14
Hình 3.1 Ảnh SEM của bùn đỏ ......................................................................17
Bảng 3.1 Thành phần bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình ......................18
Bảng 3.2 Thành phần Fe2O3 và Na2O của bùn đỏ theo phương pháp ướt .....19

Hình 3.2 Giản đồ XRD của mẫu bùn đỏ .........................................................19
Hình 3.3 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu phối liệu ............................................20
Bảng 3.3 Màu của mẫu 1 nung ở các nhiệt độ khác nhau ..............................21
Hình 3.4 Giản đồ XRD của mẫu 1.a ..............................................................22
Hình 3.5 Giản đồ XRD của mẫu 1.b ..............................................................22
Bảng 3.4 Màu của mẫu 1 khi có chất phụ gia nung ở 900°C trong 1 giờ ......23
Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu 1.d .....................................................................24
Hình 3.7 Phổ EDS của mẫu 1..........................................................................25
Bảng 3.5 Thành phần mẫu 1 ...........................................................................25
Hình 3.8 Ảnh SEM của mẫu 1 với độ phóng đại tăng dần .............................26
Bảng 3.6 Kết quả khảo sát các mẫu sơn trong dung dịch NaCl 3% ...............29
Bảng 3.7 Kết quả khảo sát các mẫu sơn trong axit H2SO4 2% .......................30

Lê Thị Khánh Ly

vi

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SEM: Scanning Electron Microscopy (hiển vi quét điện tử)
XRD: X – Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X)
DSC: Differential Scanning Calorimetry (đo nhiệt vi sai)
Oxh: Chất oxi hóa
Red: Chất khử

Me: Kim loại

Lê Thị Khánh Ly

vii

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU
Tổng trữ lượng quặng boxit ở nước ta được dự đoán khoảng 5,5 tỷ tấn,
chủ yếu tập trung ở miền Nam khoảng 5,4 tỷ tấn, tại các khu vực KonplongKanak, Đắk Nông, Bảo Lộc - Di Linh, Phước Long. Riêng ở Đắk Nông, trữ
lượng quặng boxit đạt 3,4 tỷ tấn.
Vấn đề môi trường lớn nhất trong sản xuất oxit nhôm từ quặng boxit là
bã thải bùn đỏ. Mặc dù có nhiều nghiên cứu xử lý, nhưng các cơ sở sản xuất
nhôm hiện nay đều phải sử dụng các hồ lớn để chứa lượng bùn đỏ thải ra. Nhà
máy hoá chất Tân Bình hàng năm thải ra một lượng bùn đỏ khoảng 15 nghìn
tấn. Vấn đề lưu trữ bùn đỏ này vừa gây lãng phí, vừa gây ra vấn đề ô nhiễm
môi trường và khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm do thải nước từ bùn
đỏ là rất lớn.
Trên thế giới, đặc biệt ở các nước phát triển, sản xuất chất màu đã được
nghiên cứu và đi vào thương mại từ lâu, hình thành một ngành công nghiệp
sản xuất chất màu khá hoàn chỉnh, cung cấp ra thị trường nhiều sản phẩm với
chất lượng cao, mẫu mã đa dạng, phong phú, đem lại lợi ích kinh tế to lớn.
Chất màu không những mang lại cho sơn màu sắc đẹp và đa dạng mà còn
nâng cao khả năng chống thấm, chịu mài mòn, chống rỉ, giúp bảo vệ kim loại

chống lại sự ăn mòn. Thực tế tổn thất kinh tế gây ra do kim loại bị ăn mòn
hàng năm ở các nước công nghiệp phát triển là rất lớn chiếm đến khoảng 4%
tổng thu nhập quốc nội, sử dụng sơn để chống ăn mòn là một biện pháp có từ
lâu đời nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao với giá thành rẻ. Công nghệ sản xuất
sơn và chất màu chống ăn mòn cho sơn đang được phát triển mạnh mẽ với
quy mô và sản lượng ngày càng tăng. Từ nhận định trên, rõ ràng việc tổng
hợp chất màu chống ăn mòn kẽm ferit từ bùn đỏ có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn quan trọng.

Lê Thị Khánh Ly

1

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Mục đích của đề tài tốt nghiệp:
Nghiên cứu tổng hợp chất màu kẽm ferit và áp dụng vào sơn chống ăn mòn.
Nội dung của đề tài:
- Xác định đặc tính của bùn đỏ.
- Tổng hợp chất màu kẽm ferit từ bùn đỏ.
- Xác định đặc tính của sản phẩm và áp dụng tạo màu cho sơn.

Lê Thị Khánh Ly

2

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Chương 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHẤT MÀU
1.1.1. Bản chất của màu sắc
Màu sắc của vật chất gồm ba màu cơ bản sau: đỏ, xanh lá và xanh
dương. Từ ba màu cơ bản trên có thể phối chế thành vô vàn tông màu khác
nhau: đỏ kết hợp với xanh dương cho màu hồng, đỏ với xanh lá cho màu
vàng, ba màu cơ bản kết hợp với nhau sẽ tạo ra màu trắng…

Hình 1.1 Ba màu cơ bản và sự phối màu giữa chúng
Lý thuyết chất màu chỉ ra rằng màu sắc mà mắt ta phân biệt được là do
vật chất hấp thụ ánh sáng một cách chọn lọc. Sở dĩ vật chất hấp thụ ánh sáng
có chọn lọc là do cấu trúc của bản thân nó quyết định tức là do các dạng liên
kết hóa học của vật chất, các nguyên tố (bao gồm ion, phân tử hay hợp chất)
quyết định.
Một chất có màu là do chất ấy hấp thụ chọn lọc ánh sáng trong vùng
nhìn thấy 400 - 750nm. Màu của chất được chúng ta thu nhận là màu phụ của
màu mà chất đã hấp thụ (Bảng 1.1 và hình 1.2). Các tia tổ hợp với nhau trong
phổ sẽ tạo nên màu sắc khác nhau. Các khoáng vật có các ion kim loại chuyển
tiếp có cấu hình electron chưa lấp đầy thường có màu.

Lê Thị Khánh Ly

3

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Bảng 1.1 Màu của các chất có một dải hấp thụ ở phần phổ trông thấy
khi được chiếu bằng ánh sáng trắng.
Bước sóng của
vạch hấp thụ (nm)

Năng lượng

Màu của ánh

(kJ/mol)

<400 nm

>299

400 – 435

sáng bị hấp thụ

Màu của chất

Tia tử ngoại

Không màu

299 – 274

Tím

Lục – Vàng

435 – 480

274 – 249

Lam

Vàng

480 – 490

249 – 244

Lam – Lục nhạt

Cam

490 – 500

244 – 238

Lục – Lam nhạt

Đỏ

500 – 560

238 – 214

Lục

Đỏ tía

560 – 580

214 – 206

Lục - Vàng

Tím

580 – 595

206 – 200

Vàng

Lam

595 – 605

200 – 198

Cam

Lam – Lục nhạt

605 – 750

198 – 149

Đỏ

Lục – Lam nhạt

>750

<149

Tia hồng ngoại

Không màu

Hình 1.2 Các màu sắc bổ sung

Lê Thị Khánh Ly

4

Lớp: K33B – Hóa Học

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

1.2. CHẤT MÀU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG SƠN
Chất màu được sử dụng trong sơn thường được gọi là “bột màu”. Bột
màu là thành phần quan trọng cấu tạo màu cho màng sơn, bột màu là chất rắn
có độ hạt rất nhỏ, không hòa tan trong dầu hoặc dung môi, bột màu được mài
nghiền đồng đều với chất làm dẻo, có tác dụng chống tia tử ngoại làm cho
màng sơn có màu, chịu nước, chịu khí hậu nâng cao độ mài mòn, tuổi thọ của
sơn, chống ăn mòn …
Vì màng sơn mỏng bột màu dùng trong sơn phải có trọng lượng nhẹ,
che phủ bề mặt tốt, tính chất ổn định và không biến màu …
Bột màu trong sơn thường là các chất vô cơ không hòa tan trong nước,
bao gồm một số kim loại, phi kim loại, chất oxi hóa, hợp chất của lưu huỳnh
và muối, có khi là chất hữu cơ không tan trong nước, chất nhuộm màu hữu cơ
tan trong nước hoặc trong rượu.
1.3. GIỚI THIỆU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SƠN PHỦ
1.3.1. Ăn mòn kim loại
Cụm từ “ăn mòn” được dịch ra từ chữ “corrosion”, nó xuất phát từ từ
ngữ latin “corrodère” có nghĩa là “gặm nhấm” hoặc “phá huỷ”. Có nhiều cách
định nghĩa về ăn mòn kim loại nhưng định nghĩa chung nhất: Ăn mòn là quá
trình phá hủy kim loại dưới tác dụng của môi trường xung quanh để chuyển
kim loại sang dạng bền vững hơn (hợp chất).
Có thể mô tả hiện tượng ăn mòn kim loại:
Me → Men+ + ne
Trong đó:

- Me là kim loại
- n là số electron trong nguyên tử kim loại bị mất đi khi tạo thành ion
kim loại Mn+. Ion kim loại có thể tồn tại ở dạng tự do trong dung dịch hoặc có
thể bị kết tủa dưới dạng hydroxit hay oxit tùy điều kiện.

Lê Thị Khánh Ly

5

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

1.3.2. Phân loại ăn mòn kim loại
Người ta phân loại ăn mòn theo nhiều cách khác nhau phụ thuộc vào
môi trường, dạng và cơ chế ăn mòn.
a. Phân loại theo môi trường
- Ăn mòn trong khí: oxi, sunfurơ, khí H2S.
- Ăn mòn trong không khí: ăn mòn trong không khí ướt, khô, ẩm.
- Ăn mòn trong môi trường đất.
- Ăn mòn trong chất lỏng: kiềm, muối, axit.
b. Phân loại theo dạng ăn mòn
Có nhiều dạng ăn mòn, một số dạng ăn mòn thực tế như: ăn mòn ứng
suất, ăn mòn điểm, ăn mòn hang hốc, ăn mòn giữa các tinh thể, ăn mòn do
mài mòn.
c. Phân loại theo đặc trưng phá hủy
Dựa vào đặc trưng phá hủy do ăn mòn, người ta phân loại theo 2 loại:

Ăn mòn mở rộng khắp và ăn mòn cục bộ.
d. Phân loại theo cơ chế ăn mòn
Theo định nghĩa tương đối, sự phá hủy kim loại do tác nhân hóa học của
môi trường ăn mòn gây ra theo hai cơ chế: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học,
trong đó ăn mòn vi sinh được coi là một dạng ăn mòn điện hóa đặc biệt.
Ăn mòn hóa học: Là sự phá hủy kim loại bởi các phản ứng hóa học dị
thể khi bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường gây ăn mòn, khi đó kim loại
bị chuyển thành ion kim loại đi vào môi trường trong cùng giai đoạn.
Ăn mòn điện hóa: Là sự phá hủy kim loại bởi các quá trình tương tác
của môi trường ăn mòn với bề mặt kim loại theo cơ chế điện hóa. Quá trình
phá hủy kim loại theo cơ chế này không xảy ra trong một giai đoạn mà nó
thường xuyên bao gồm nhiều giai đoạn và tại nhiều vị trí khác nhau trên bề
mặt kim loại.

Lê Thị Khánh Ly

6

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Hiện tượng ăn mòn điện hóa phá hủy kim loại là hiện tượng phổ biến
rộng rãi, nó có thể xảy ra ở bất kì nơi nào mà tại đó có kim loại tiếp xúc với
dung dịch chất điện ly và trên bề mặt tiếp xúc 2 pha này có tồn tại lớp kép.
Quá trình ăn mòn điện hóa diễn ra phức tạp, song có thể coi rằng trong quá
trình này kim loại hoạt động như một vi pin.

Khi tiếp xúc với dung dịch điện ly, các ion có xu hướng chuyển vào
dung dịch và do đó để lại những điện tử thừa trong kim loại. Trên lớp bề mặt
kim loại xuất hiện lớp điện tích kép và có thế điện cực nhất định gọi là điện
thế điện cực. Tại mỗi điều kiện môi trường cụ thể thì mỗi kim loại được có
một thế điện cực đặc trưng, trong đó thế điện cực âm hơn sẽ trở thành anot (bị
hòa tan, phá hủy) trong cặp vi pin. Ăn mòn điện hóa gồm ba quá trình cơ bản:
anot, catot và dẫn điện.
- Quá trình anot: Là quá trình oxi hóa điện hóa, trong đó kim loại điện
thế âm hơn chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử kim
loại bị ăn mòn theo phản ứng:
Me → Men+ + ne
- Quá trình catot: là quá trình khử điện hóa, trong đó các chất oxi hóa
nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng:
Oxh + ne → Red (là chất khử)
Oxh là chất oxi hóa có thể là H+, O2, hay kim loại có thế điện cực
dương hơn.
- Quá trình dẫn điện: các điện tử tự do do kim loại bị ăn mòn giải
phóng sẽ di chuyển từ catot sang anot, còn các ion di chuyển trong dung dịch.
1.3.3. Cơ sở ăn mòn điện hóa trong dung dịch điện li
Xét hệ điện hóa kim loại, ion kim loại ở trạng thái cân bằng:
Me – ne → Men+
Thế điện cực ở trạng thái cân bằng được tính theo phương trình Nernst:

Lê Thị Khánh Ly

7

Lớp: K33B – Hóa Học

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

φM = φ0 + (RT/nF)log[Mn+]
Khi đặt vào hệ một điện thế φ’ khác với giá trị điện thế cân bằng (hoặc
thay đổi thành phần của dung dịch điện li) thì điện thế cân bằng bị phá vỡ,
phản ứng điện hóa xảy ra tạo một cân bằng mới.
Nếu φ’ < φ: thì xảy ra phản ứng khử, kim loại không bị ăn mòn.
Nếu φ’ > φ: thì xảy ra quá trình oxi hóa và kim loại bị ăn mòn.
Như vậy, theo điều kiện nhiệt động, kim loại bị ăn mòn khi thế của kim
loại đó nhỏ hơn so với thế của chất đóng vai trò oxi hóa, lúc này, kim loại bị
ăn mòn tham gia phản ứng anot và tác nhân oxi hóa tham gia phản ứng catot.
Khi ăn mòn kim loại có hydro tham gia thì sự ăn mòn đó được gọi là sự
khử phân cực hidro, còn khi có oxy là sự khử phân cực oxi.
1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp sơn phủ
Để hạn chế sự phá hủy kim loại, nghĩa là giảm tốc độ ăn mòn kim loại do
môi trường gây ra đến mức nhỏ nhất có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau.
Ngăn cách kim loại tiếp xúc với môi trường bằng các lớp phủ là một
biện pháp có hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn kim loại. Một số lớp phủ thường
được sử dụng như:
- Phủ kim loại lên bề mặt, thường dùng phương pháp:
Phủ bằng phương pháp nhúng vào kim loại nóng chảy: Sử dụng các
kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp Zn (419o), Sn (232o), Pb (327o), Al (658o)
phủ lên các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao.
- Mạ điện: Để bảo vệ kim loại (ví dụ thép) khỏi sự ăn mòn của môi trường
gây ra người ta thường mạ lên thép các kim loại: Zn, Cd, Ni, Cu, Cr, Sn.
- Lớp phủ vô cơ: Có nhiều loại lớp phủ vô cơ nhưng loại thường được
sử dụng và phổ biến nhất là lớp photphat hóa.
Tạo lớp muối photphat các kim loại Mn, Fe hoặc Zn lên trên nền thép

của các loại chi tiết hoặc các kết cấu: vỏ ô tô, tàu hoả… Màng này có tính bảo

Lê Thị Khánh Ly

8

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

vệ chống ăn mòn kém và không dùng nó làm lớp bảo vệ, song nó kết hợp với
các lớp phủ như sơn sẽ tạo ra lớp bảo vệ có chất lượng cao.
Trong đề tài này thì lớp phủ vô cơ tập trung nghiên cứu khả năng chống
ăn mòn của lớp phủ sử dụng chất màu kẽm ferit (ZnFe2O4).
1.3.5. Cấu trúc spinel và khả năng tạo lớp phủ của kẽm ferit
Kẽm ferit có công thức là ZnFe2O4 là chất màu được tổng hợp trên cơ
sở mạng lưới spinel (AB2O4). Chất màu này có độ bền nhiệt cao, nhiệt độ
nóng chảy khoảng trên 17000C. Đặc tính quan trọng là khả năng thay thế
đồng hình các cation trong mạng lưới spinel. Nguyên liệu loại này có thể đi từ
các oxit, hoặc các muối phân hủy cho oxit. Để hạ nhiệt độ phản ứng có thể
dùng chất khoáng hóa.
Chất màu ZnFe2O4 có màu vàng cam khi sử dụng làm bột màu thì cho
ra màu cho ra màu cam và có thể tạo lớp sơn phủ bền và đẹp. Năng lực thể
hiện màu của kẽm ferit cao, cỡ hạt nhỏ nên có thể ứng dụng làm bột màu
thẩm mỹ.
1.4. KĨ THUẬT TỔNG HỢP CHẤT MÀU THEO PHƯƠNG PHÁP
PHẢN ỨNG RẮN – RẮN (PHƯƠNG PHÁP GỐM)

Chất màu cho gốm sứ thường được chế tạo theo phương pháp gốm
truyền thống. Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ
khối dưới đây:
(1) Chuẩn bị

(2) Nghiền,

phối liệu

trộn

(3) Nung

(4)
Sản phẩm

Hình 1.3 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm
Phối liệu tạo màu thường được nghiền trộn kỹ đến một độ mịn thích
hợp trong máy nghiền bi ướt hoặc khô. Phối liệu để tạo các chất màu thường
bao gồm:

Lê Thị Khánh Ly

9

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Các oxit hoặc hydroxit, các muối có khả năng phân hủy ở nhiệt độ cao
tạo ra oxit.
Các chất khoáng hóa: Là các chất giúp thúc đẩy nhanh quá trình tổng
hợp chất màu, hạ bớt nhiệt độ nung cần thiết. Chất chảy được sử dụng thường
gặp là:
+ Các hợp chất của bo (H3BO3, Na2B4O7.10H2O, B2O3).
+ Muối của các kim loại kiềm (chủ yếu là cacbonat).
+ Hợp chất của flo (NaF, CaF2, AlF3, Na2SiF6).
Các tông màu khác nhau có thể tạo thành khi thay đổi tỷ lệ các chất đưa
vào trong thành phần của chúng hoặc bằng con đường khác nhờ việc khác
nhau khi lựa chọn các nguyên liệu sử dụng (các oxit, các muối cacbonat…),
hoặc bằng các phương pháp chuẩn bị các hỗn hợp oxit kim loại, hoặc nhiệt độ
nung kết thúc quá trình hoặc đặc trưng của ngọn lửa hoặc mức độ sạch cũng
như độ mịn nguyên liệu ban đầu.
Hỗn hợp nghiền được kiểm tra kỹ về độ mịn qua các sàng thích hợp,
nếu nghiền ướt thì phải sấy khô, đôi khi người ta còn ép thành viên và được
chứa vào các bao nung trước khi đưa vào lò nung. Phối liệu màu thường được
nung ở khoảng nhiệt độ từ 900°C - 1400°C, trong những khoảng thời gian xác
định tùy theo từng loại màu. Hỗn hợp được nghiền và rửa bằng nước hoặc
ngâm chiết với axit HCl 5% để loại bỏ chất chảy, các hợp phần chưa sạch.
Cuối cùng chúng được đem nghiền mịn tới cỡ hạt từ 1 - 30μm. Việc khống
chế cỡ hạt rất quan trọng vì độ chói sẽ giảm với cỡ hạt thô. Nếu nghiền quá
mịn, chất màu dễ bị hòa tan trong pha thủy tinh nóng chảy.

Lê Thị Khánh Ly

10

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Chương 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. CÁC THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT CẦN THIÊT
Thiết bị:
Một số thiết bị chính:
- Lò nung Nebertherm, Đức, Tủ sấy.
- Cân Precisa độ chính xác 0,1mg.
- Các thiết bị chụp phân tích nhiệt, chụp SEM, XRD.
- Cối nghiền, chổi quét sơn và các thiết bị khác.
Hóa chất:
- Bùn đỏ Tân Bình, Thép CT3.
- ZnO, Na2SiF6.
- Nước cất, muối ăn và một số hóa chất khác.
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Phương pháp tổng hợp chất màu
Các nguyên liệu được cân chính xác, trộn với nhau theo tỷ lệ đã định
trước. Phối liệu được nghiền khô với nhau cho đến khi đạt kích thước hạt ≤
0,08mm. Bột phối liệu khô cho vào chén nung có dung tích 30ml, có đậy nắp
và nung ở các nhiệt độ khác nhau với tốc độ nâng nhiệt 10°/phút trong thời
gian 1 giờ.
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt [16]
- Nguyên tắc:

Khi đốt nóng mẫu thì thường trong mẫu sẽ xảy ra những biến đổi về
khối lượng, thành phần, cấu trúc và có thể xảy ra một hay nhiều phản ứng hoá
học giữa các thành phần, các nguyên tố trong mẫu ở một nhiệt độ nào đó. Khi
những biến đổi đó xảy ra thường kèm theo các hiệu ứng thu nhiệt hay toả

Lê Thị Khánh Ly

11

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

nhiệt. Tất cả những hiệu ứng trên được xác định và ghi trên các giản đồ. Kết
quả ghi trên giản đồ nhiệt cùng với các phương pháp phân tích, khảo sát khác
sẽ giúp ta rút ra được những kết luận bổ ích về sự biến đổi của mẫu theo nhiệt
độ đốt nóng chúng.
Trong phép phân tích nhiệt, người ta thường sử dụng hai phương pháp
là phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA hoặc DSC và phương pháp phân
tích nhiệt trọng lượng TGA.
- Phương pháp phân tích nhiệt vi sai
Khi đốt nóng một mẫu, việc xuất hiện các hiệu ứng nhiệt rất nhỏ sẽ khó
hoặc không phát hiện được bằng các kỹ thuật đo thông thường. Vì vậy, phải
dùng phương pháp DTA hoặc DSC. Phương pháp DTA và DSC sử dụng một
cặp pin nhiệt điện và một điện kế để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật
khi đốt nóng chúng. Trong hai vật đó, một vật là vật liệu cần nghiên cứu và
vật kia có tính trơ về nhiệt. Nếu mẫu bị đốt nóng có biến đổi thì bao giờ cũng

kèm theo các hiệu ứng nhiệt và lúc đó trên đường DTA hoặc đường DSC sẽ
xuất hiện các đỉnh (pic) tại điểm mà mẫu có sự biến đổi.
Phương pháp này cho ta biết sơ bộ về các hiệu ứng nhiệt xảy ra, định
tính và sơ bộ về định lượng các hợp phần có trong mẫu mà chúng ta khảo sát.
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
Phương pháp này dựa vào sự thay đổi trọng lượng của mẫu cần nghiên
cứu khi ta đem nung nóng mẫu đó. Khi mẫu được đốt nóng, trọng lượng của
mẫu bị thay đổi là do mẫu bị phân huỷ nhiệt tạo ra khí thoát ra như hơi nước,
khí CO2 (phân huỷ hợp phần cacbonat,...), SO2 (phân huỷ các hợp phần
sunfua) hay do mẫu bị mất nước vật lý (ẩm – hấp phụ), nước cấu trúc (nước
hiđrat – nước kết tinh trong tinh thể mẫu). Nếu cân liên tục một mẫu bị đốt
nóng, ta có thể biết sự thay đổi về trọng lượng của mẫu ứng với sự thay đổi về
nhiệt độ.

Lê Thị Khánh Ly

12

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Kết hợp hai phương pháp DTA và TGA cho phép xác định sự biến
thiên trọng lượng, hiệu ứng nhiệt tương ứng theo nhiệt độ đốt nóng. Đây là
những thông số cho phép ta xác định được lượng nước hyđrat cũng như xác
lập các phản ứng phân huỷ nhiệt có thể có cũng như dự đoán các thành phần
sau từng giai đoạn tăng nhiệt độ.

Các mẫu phân tích nhiệt được ghi giản đồ phân tích nhiệt trên máy
Labsys TG/DSC STERAM của Pháp tại trung tâm Hóa vật liệu, khoa Hóa –
trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên. Chế độ phân tích nhiệt như sau:
+ Tốc độ đốt nóng 10oC/ phút.
+ Nâng nhiệt từ 25oC tới 1200oC.
+ Môi trường không khí.
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [6]
- Nguyên tắc:
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các
nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật xác
định. Khi chùm tia Rơnghen tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới
tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cấu tử nhiễu xạ đặc biệt. Các
nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X tới sẽ tạo thành các tâm phát ra
các tia phản xạ. Mặt khác, các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt
phẳng song song. Do đó, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai
mặt phẳng song song cạnh nhau được tính như sau:
 = BC +CD = 2dsin
Trong đó:
D: là độ dài khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song.
: là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ.

Lê Thị Khánh Ly

13

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Hình 2.1 Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể
Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng cùng
pha thì hiệu quang trình phải bằng số nguyên lần độ dài bước sóng. Do đó:
2dsin = n
Trong đó:

(2.1)

 - là bước sóng của tia X.
n =1,2,3,...

Đây là hệ thức Vufl- Bragg, là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu
trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, tìm được
2. Từ đó suy ra d theo hệ thức Vufl- Bragg. So sánh giá trị d tìm được với d
chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần
nghiên cứu. Vì vậy, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu
cấu trúc tinh thể của vật chất.
Ngoài ra, phương pháp nhiễu xạ tia X còn sử dụng để tính toán kích
thước gần đúng của tinh thể. Dựa vào kết quả chỉ ra ở giản đồ nhiễu xạ tia X,
ta có thể tính được cỡ hạt tinh thể theo phương trình Scherrer:
D

Lê Thị Khánh Ly

k. λ
β. cos θ

(2.2)

14

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Trong đó:
D: kích thước tinh thể trung bình với góc nhiễu xạ 2θ
k: là hệ số hình học được chọn là 0,9
: bước sóng tia X, λ  0,154nm
 : độ rộng tại vị trí nửa pic, radian

: góc theo phương trình Vufl- Bragg
Các mẫu sản phẩm được ghi giản đồ nhiễu xạ tia X trên máy SIEMENS
D5005 của Đức tại trung tâm Hóa học vật liệu, khoa Hóa Học – trường Đại
Học Khoa Học Tự Nhiên. Các chế độ ghi giản đồ như sau:
+ Góc quay 2θ từ 20 ÷ 80o
+ Anot Cu với λCu = 1,54056 10-10 m
+ Kích thước hạt tinh thể trung bình tính theo phương trình Scherre
2.3.3. Phương pháp quét hiển vi điện tử (SEM) và đo phổ tán xạ
năng lượng (EDS) [18]
- Nguyên tắc:
Hiển vi điện sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu, ảnh
đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu.
Chùm tia điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ
lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm điện tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra

các chùm tia điện tử thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc
vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu được khuếch
đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình dạng bề mặt
mẫu nghiên cứu.
Hiển vi điện tử quét thường được sử dụng để nghiên cứu bề mặt, kích
thước, hình dạng vi tinh thể do khả năng phóng đại và tạo ảnh rất rõ nét và chi tiết.
Máy chụp ảnh SEM với thiết bị và chế độ chụp như sau:
+ Kính hiển vi điện tử quét S - 4800, số hiêu HI - 9022 – 0003

Lê Thị Khánh Ly

15

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

+ Kiểu ảnh JPG
+ Độ phóng đại từ 30 tới 120000 lần
Khi tích hợp với 1 detector thích hợp trên cơ sở chụp SEM, người ta có
thể xác định hàm lượng của các nguyên tố có trong mẫu.
2.4. CHẾ TẠO SƠN CHỐNG ĂN MÒN TRÊN NỀN THÉP CT3 VÀ
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA LỚP SƠN PHỦ
Chế tạo các sơn chống ăn mòn từ các chất màu sử dụng chất kết dính là
nhựa epoxy có mặt chất đóng rắn gốc amin trong dung môi xylen – rượu, với
tỉ lệ thích hợp sao cho thời gian khô khoảng 9 giờ và đánh giá khả năng chống
ăn mòn của lớp phủ theo phương pháp sau:

Lấy mẫu thép dân dụng nhỏ hình chữ nhật có khối lượng và kích thước
gần tương đương nhau (khoảng 5cm × 1.5cm). Đem cân chính xác các khối
lượng mẫu thép này và đo diện tích bề mặt của các mẫu.
Tiến hành sơn phủ lên các mẫu và để khô tự nhiên, sau khi sơn ta đem
các mẫu đi cân khối lượng chính xác.
Pha chế các dung dịch NaCl 3% và H2SO4 2% cho vào các cốc nhựa
100 ml và ngâm các mẫu trong các dung dịch này trong vòng 72 giờ thì lấy
các mẫu ra rửa sạch và để khô. Đem các mẫu đi cân và từ đó xác định được
khối lượng của các mẫu sau khi ngâm. So sánh khối lượng các mẫu trước và
sau khi ngâm ta sẽ xác định được khối lượng mẫu bị ăn mòn. Lấy khối lượng
chênh lệch này chia cho diện tích bề mặt của các mẫu ta sẽ được khối lượng
thép bị ăn mòn trên một đơn vị diện tích của mẫu.
So sánh khối lượng các mẫu bị ăn mòn trên một đơn vị diện tích của
các sơn với mẫu thép không được sơn phủ, mẫu thép được sơn bằng sơn tổng
hợp Hà Nội và mẫu thép chỉ phủ hệ keo mà không có chất màu ta sẽ đánh giá
được khả năng chống ăn mòn của các lớp sơn phủ.

Lê Thị Khánh Ly

16

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Chương 3
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1. XÁC ĐỊNH CỠ HẠT, THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CÁC DẠNG
KHOÁNG CÓ TRONG BÙN ĐỎ
3.1.1 Xác định cỡ hạt và thành phần hóa học bùn đỏ
Theo SEM và EDS:
Các kết quả về cỡ hạt xác định theo phương pháp hiển vi điện tử và
thành phần bùn đỏ xác định theo phương pháp phổ tán xạ năng lượng tương
ứng được chỉ ra ở hình 3.1 và bảng 3.1.

Hình 3.1 Ảnh SEM của bùn đỏ
Theo kết quả ảnh SEM ta thấy rằng phần lớn bùn đỏ có kích thước hạt
tương đối mịn, với đa số hạt cỡ khoảng từ 2 đến 29µm. Cỡ hạt tương đối nhỏ
này sẽ làm cho bùn đỏ khó lắng cũng như khó rửa sạch lượng kiềm kéo theo.
Tuy nhiên đây cũng là ưu điểm của bùn đỏ trong trường hợp sử dụng bùn đỏ
làm nguyên liệu cho việc tổng hợp các vật liệu thông qua các phản ứng rắn rắn, hay khi hòa tan các cấu tử có giá trị từ bùn đỏ.

Lê Thị Khánh Ly

17

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Bảng 3.1 Thành phần bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình

(a)

Hàm lương Na2O và Fe2O3 tương ứng là 6,59% và 45,7%

Dựa vào kết quả chỉ ra ở ở bảng 3.1, ta thấy bùn đỏ vẫn còn một lượng
khá lớn oxit sắt sau đó là nhôm oxit, và còn một số chất khác. Có thể do nhôm
oxit không hòa tan hết trong quá trình hòa tách cũng như bị kéo theo sau rửa.
Lượng kiềm còn lại ở bùn đỏ tan được trong nước, là nguyên nhân gây ô
nhiễm môi trường, cũng như làm cho bùn đỏ khó lắng khi lọc gạn.
Phân tích hàm lượng Fe2O3 và Na2O theo phương pháp ướt
- Phân tích hàm lượng Na2O:
Cho 5 gam bùn đỏ vào 100 ml nước đun nhẹ và chuyển hoàn toàn vào
bình định mức 250 ml. Lọc và hút 10 ml dung dịch lọc, thêm chỉ thị metyl da
cam và chuẩn bằng HCl 0,1M. VHCl 0,1M = 3,4 ml.
mNa2O = 3,4.(250/10 ).(0,1/2).62 = 263,5 mg
Na2O, % = 0,2635. 100/5 = 5,27%
- Phân tích hàm lượng Fe2O3:
Cho 2 gam bùn đỏ vào 30 ml nước và 20 ml HCl 1:1. Đun nhẹ đến khi
mất màu đỏ của bùn đỏ trong khoảng 2 giờ. Để nguội, chuyển hoàn toàn vào
bình định mức 250 ml và lọc. Lấy 10 ml dung dịch lọc, thêm 1ml peoxit đặc,
đun nhẹ để chuyển hoàn toàn Fe2+ thành Fe3+ và đuổi H2O2 dư. Dùng HCl 1:1
để đưa về khoảng pH = 2. Thêm chỉ thị axit sunfoxalixilic và chuẩn độ bằng
dung dịch EDTA 0,05 M. VEDTA 0,05M = 9 ml.

Lê Thị Khánh Ly

18

Lớp: K33B – Hóa Học