KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ NAOH VÀ THỜI GIAN ĐẾN QUÁ TRÌNH THU HỒI SIO TỪ VỎ TRẤU

1

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
MỤC LỤC ..............................................................................................................1
DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT................................................................4
A. MỞ ðẦU............................................................................................................5
I. Lý do chọn ñề tài:.................................................................................................5
II. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................6
III. Nhiệm vụ nghiên cứu.........................................................................................6
IV. ðối tượng nghiên cứu........................................................................................6
V. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................6
VI. Lịch sử nghiên cứu ...........................................................................................7
1.1. Sơ lược về silic ñioxit. .....................................................................................8
1.1.1. ðặc ñiểm cấu tạo và tính chất của silic ñioxit:...............................................8
1.1.2. ðiều chế và ứng dụng ...................................................................................9
1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu: ....................................................................... 10
1.3. Tốc ñộ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau ñến tốc ñộ của
các phản ứng hóa học. ........................................................................................... 10
1.3.1. ðịnh nghĩa tốc ñộ phản ứng hóa học ........................................................... 10
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố ñến tốc ñộ phản ứng hóa học .............................. 11
1.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 14
1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC......................................................... 14
1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen .................................................................. 15


2

2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc ...................................................................... 17

2.1.1. Hóa chất ...................................................................................................... 17
2.1.2. Dụng cụ ....................................................................................................... 17
2.1.3. Máy móc...................................................................................................... 17
2.2. Thực nghiệm................................................................................................... 17
2.2.1. Cách pha chế hóa chất ................................................................................. 17
2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu ....................................................................... 22
2.3. Quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng .............. 23
2.3.1. Quy trình thu hồi SiO2 ................................................................................. 23
Vỏ trấu sau khi lấy từ nhà máy xay xát về, ñem rửa sạch hết các tạp chất, sau ñó
ñem phơi nắng cho thật khô................................................................................... 23
Cho 20 gam tro trấu vào cốc thủy tinh 500 ml, sau ñó cho vào ñó 250 ml dung dịch
NaOH (nồng ñộ là nồng ñộ mà ta khảo sát biến thiên từ 0,5M ñến 6,0M).............. 23
ðặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể ñiều nhiệt ñun ở
nhiệt ñộ là 100oC và thời gian ñun là thời gian cần khảo sát (biến thiên từ 2h ñến
5h)......................................................................................................................... 23
Sau quá trình ñun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọi là dung
dịch 1) ñể loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu ñược dung dịch 2. Nếu dung dịch
2 bị ñục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 ñể hấp thụ các chất
bẩn chảy qua giấy lọc, thu ñược dung dịch 3. Giai ñoạn này quyết ñịnh sự tinh sạch
của SiO2 thu ñược.................................................................................................. 23
Lọc dung dịch 3 ta thu ñược dung dịch 4. Ta cho dung dịch HCl 2M với lượng phù
hợp vào dung dịch 4 cho ñến môi trường axit (thử bằng giấy pH). Hỗn hợp bây giờ
ở dạng Gel, Gel thu ñược ñem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần ñến môi trường
trung tính (thử bằng giấy pH) ñể loại bỏ các chất bẩn và ion Cl−............................ 23


3

Sau ñó ta tiến hành ñem Gel ñi sấy tự nhiên và sấy ở 1000C trong thời gian 24 giờ,
tiếp theo ñem nung ở 5500C trong thời gian 2 giờ.................................................. 24

Cuối cùng, ñem sản phẩm thu ñược cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất chiết theo
công thức:.............................................................................................................. 24
H% =

m
m
.100 =
.100
mo
17,04

(2.8) ...................................................................... 24

Trong ñó:............................................................................................................... 25
m
mo

: là khối lượng SiO2 thu ñược. ........................................................................ 25
: là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết. ...................................................... 25

2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu. ..................................................................................................... 25
3.1. ðặc trưng tính chất của sản phẩm: ................................................................. 26
3.1.1. Phân tích nhiệt vi sai:.................................................................................. 26
3.1.2. Phân tích thành phần tro trấu ....................................................................... 27
3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X......................................................................... 28
3.2. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH dến quá trình tổng hợp
SiO2 từ tro trấu ...................................................................................................... 29
3.3. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của thời gian ñun ñến quá trình thu hồi SiO2 từ
tro trấu................................................................................................................... 30

3.4. ðưa ra các ñiều kiện tối ưu ............................................................................ 32
I. Kết luận chung ................................................................................................... 33
II. Ý kiến ñề xuất................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 34


4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IR: Phổ hồng ngoại.
XRD: X – ray diffration (nhiễu xạ tia X).
TG – DSC: Phương pháp phân tích nhiệt vi sai.
CCK: Các chất khác.
MQTB: Mao quản trung bình.
TEOS:Tetraethyl Orthosilicate.
MCM: Mobil Cooporation Master.
MCM-41: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lục lăng.
MCM-48: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lập phuơng.
MCM-50: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lớp.
SBA-15: Santa Barbara Acid – 15.
SBA-16: Santa Barbara Acid – 16.


5

A. MỞ ðẦU
I. Lý do chọn ñề tài:
Nước ta với ngành nghề truyền thống là chuyên canh cây lúa nước, sản lượng
xuất khẩu gạo hàng năm ñứng thứ 2 trên thế giới. Chỉ tính riêng trong tỉnh ðồng

Tháp, sản lượng lúa ước khoảng 2.544.392 tấn/năm [7]. Như vậy, hàng năm lượng
trấu và tro trấu thải ra môi trường là rất lớn. Cần có phương án sử dụng hợp lí và
hiệu quả, tránh lãng phí và ô nhiễm môi trường.
Trong khi ñó, nước ta ñang trên ñà phát triển, các ngành công nghiệp ñang rất
cần một lượng lớn phụ gia xi măng hoặc phụ gia cho quá trình lưu hóa cao su, mà
thành phần chính là SiO2 có tính chất giống như SiO2 ñược thu hồi từ tro trấu ñể
làm tăng ñộ ñàn hồi và ñộ bền. Mà giá thành nhập khẩu lại cao nên rất cần tìm
nguồn nguyên liệu trong nước.
Bên cạnh ñó, nguồn nước ñang ngày càng ô nhiễm, các mạch nước ngầm cũng
như nước mặt ñều có các kim loại và các hợp chất hữu cơ vượt quá mức cho phép
rất nhiều lần. ðể an toàn cho sức khỏe con người, dùng SiO2 ñể chế tạo các thiết bị
lọc nước và hấp phụ các kim loại ñang là vấn ñề cấp bách và thiết thực.
Ngoài ra, Silic ñioxit (SiO2) tổng hợp từ tro trấu có thể ứng dụng vào nhiều
lĩnh vực như: hút ẩm, làm chất phụ gia xi măng, cao su, chế tạo thiết bị lọc nước,
thủy tinh, chất bán dẫn, làm nguyên liệu thay thế TEOS ñể tổng hợp vật liệu xúc tác
mao quản trung bình như MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16. Theo [8] thì sử
dụng nguồn SiO2 thu hồi từ trấu trong quá trình tổng hợp vật liệu MCM - 41, SBA 16, Sn - SBA - 16, có chất lượng không kém gì so với khi sử dụng nguồn TEOS.
ðiều ñáng nói ở ñây là nguồn SiO2 tổng hợp từ trấu vừa rẻ tiền, dễ bảo quản và phù
hợp với ñiều kiện kinh tế ở ñịa phương. SiO2 còn ñuợc sử dụng ñể hấp phụ và thu
hồi các kim lọai nặng trong môi trường nuớc [12], khả năng hấp phụ của SiO2 là
khá tốt.


6

ðiều ñặc biệt của SiO2 thu hồi từ tro trấu là khả năng phục hồi và tái sinh cao,
giá thành rẻ. Với nhiều ứng dụng như thế nên việc nghiên cứu thu hồi SiO2 có nhiều
ý nghĩa thực tế.
Tuy nhiên, hiện nay chưa có công trình nào nghiên cứu quá trình thu hồi SiO2
từ trấu một cách chi tiết và cụ thể. Vì thế, cần có những phương pháp và quy trình

cụ thể ñể ñưa ra các ñiều kiện tối ưu ñể việc thu hồi ñạt hiệu suất cao, hiệu quả kinh
tế nhất.
Từ nhu cầu thực tế ñó chúng tôi quyết ñịnh chọn ñề tài “Khảo sát sự ảnh
hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu”
nhằm tìm ra ñiều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO2 ñạt hiệu quả kinh tế cao,
ñáp ứng ñược nhu cầu sản xuất nghiên cứu….
II. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.
ðưa ra những ñiều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu.
III. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu cách thực hiện phương pháp tách, chiết hóa học.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.
Phân tích thành phần tro trấu, khảo sát nhiệt ñộ nung.
IV. ðối tượng nghiên cứu
Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro
trấu.
V. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp lí thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, ñịnh hướng các bước
thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp ñã công bố.


7

Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thu hồi SiO2, khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng như nồng ñộ NaOH và thời gian và tìm ra ñiều kiện tối ưu.
Phương pháp phân tích, ñánh giá các kết quả thu ñược thông qua các phương
pháp phân tích hóa lí ñặc trưng vật liệu như phân tích thành phần của trấu, tro trấu,
phân tích nhiệt, nhiễu xạ tia X.

Thống kê và xử lý kết quả thu ñược.
VI. Lịch sử nghiên cứu
Các nghiên cứu về thu hồi SiO2 từ tro trấu chỉ có ở Việt Nam. Tuy nhiên, các
nghiên cứu này mới ở mức ñộ thử nghiệm, chưa khảo sát kĩ và chưa có quy trình cụ
thể.
1. Các tác giả Phạm ðình Dũ, Võ Thị Thanh Châu, ðinh Quang Khiếu, Trần
Thái Hòa [1] ñã sử dụng nguồn trấu sẵn có làm nguồn thay thế TEOS rất ñắt tiền và
khó bảo quản ñể tổng hợp MCM - 41 và chức năng toả bề mặt của vật liệu này.
Diện tích bề mặt của MCM - 41 tổng hợp từ trấu không thua kém gì so với MCM 41 tổng hợp từ TEOS. Khả năng hấp phụ của vật liệu này khá tốt, có thể sử dụng ñể
phân huỷ các chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nuớc như phenol, phenol ñỏ,
metylen xanh. Nhóm tác giả này ñã sử dụng hai phương pháp khác nhau ñể tổng
hợp SiO2 từ trấu. ðó là chiết xuất trực tiếp từ trấu và thu hồi từ tro trong môi trường
NaOH. Tuy nhiên, ñây cũng chỉ là những nghiên cứu bước ñầu về tổng hợp SiO2 từ
trấu, chưa ñưa ra quy trình cụ thể và chưa tìm ra ñiều kiện tối ưu.
2. Các tác giả Hồ Sỹ Thắng, Nguyễn Thị Ái Nhung, ðinh Quang Khiếu, Trần
Thái Hoà, Nguyễn Hữu Phú [8] cũng ñã sử dụng trấu ñể tổng hợp vật liệu xúc tác
mao quản trung bình SBA - 16 và Sn - SBA - 16 diện tích bề mặt > 800 (m2/g). Hệ
vật liệu này dùng ñể tổng hợp các chất hữu cơ thế clo trong clo benzene bằng
benzen, toluene, xylen,…Hấp phụ và xúc tác ñể phân huỷ phenol, cloram phenicol
trong môi trường nước.


8

B. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1. Sơ lược về silic ñioxit.
1.1.1. ðặc ñiểm cấu tạo và tính chất của silic ñioxit:
1.1.1.1. Cấu tạo:
Silic ñioxit không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dưới dạng tinh

thể, nghĩa là dưới dạng một phân tử khổng lồ.
Ở ñiều kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triñimit và cristtobalit.
Mỗi dạng ña hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt ñộ thấp, dạng β bền ở
nhiệt ñộ cao.
Tất cả những dạng tinh thể này ñều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với
nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở trung
tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các ñỉnh của tứ diện.
Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác nhau và
tính trung bình cứ trên mặt nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh
nghiệm của silic ñioxit là SiO2.
Ba dạng ña hình của silic ñioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diện
SiO4 ở trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện ñược sắp xếp sao cho
các nguyên tử Si nằm trên ñường xoắn ốc. Tùy theo chiều của ñường xoắn ốc mà ta
có thạch anh quay trái hay quay phải. Trong triñimit, các nguyên tử Si chiếm vị trí
của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit. Trong cristobalit, các nguyên tử
Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphelarit.
Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của silic
ñioxit có cấu trúc vi tinh thể. Mã não là chất rắn, trong suốt, gồm có những vùng có
màu sắc khác nhau và rất cứng. Opan là một loại ñá quý không có cấu trúc tinh thể.
Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa không


9

khí, nước hay hơi nước. Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, ñỏ, lục và
ñen do có chứa các tạp chất.
Gần ñây người ta chế tạo ñược hai dạng tinh thể mới của silic ñioxit nặng hơn
thạch anh là coesit (ñược tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt ñộ 2500C) và
stishovit (ñược tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt ñộ 13000C) [6].
Silic ñioxit ñã nóng chảy hoặc khi ñun nóng bất kì dạng nào khi ñể nguội

chậm ñến nhiệt ñộ hóa mềm, ta ñều thu ñược một vật liệu vô ñịnh hình giống như
thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính ñẳng hướng và không
nóng chảy ở nhiệt ñộ không ñổi mà hóa mềm ở nhiệt ñộ thấp hơn nhiều so với khi
nóng chảy ra. Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác ñịnh ñược rằng trong trạng
thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn ñược bao quanh bởi những nguyên tử khác giống
như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử ñó sắp xếp một cách hỗn loạn
hơn.
1.1.1.2. Tính chất:
Silic ñioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và
axit ngay cả khi ñun nóng.
Ở ñiều kiện thường, nó chỉ tác dụng với F2 và HF :
SiO2 + 2F2 → SiF4 + O2
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
Ngoài ra, nó còn tan trong kiềm và cacbonat kim loại kiềm nóng chảy:
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2
1.1.2. ðiều chế và ứng dụng
1.1.2.1. ðiều chế
Trong phòng thí nghiệm, SiO2 vô ñịnh hình ở dạng bột trắng có thể ñiều chế
bằng cách nung nóng kết tủa của axit silixic.


10

1.1.2.2. Ứng dụng
Trong xây dựng: dùng làm chất phụ gia xi măng, gạch chịu lửa và ngói, ...
Trong ñời sống: dùng làm chất hút ẩm, chế tạo thiết bị lọc nước, ñồ dùng bằng
thủy tinh, chất bán dẫn,...
Ngày nay, Silic ñioxit còn ñược dùng làm nguyên liệu ñể sản xuất vật liệu xúc
tác mao quản trung bình như: MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16...

1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu:
Mặc dù oxit silic chiếm một lượng khá lớn trong vỏ trấu nhưng chúng tôi chưa
tìm ñược tài liệu nào công bố về dạng tồn tại của oxit silic trong vỏ trấu. Theo sự
hiểu biết của chúng tôi, rất có thể oxit silic tồn tại một dạng cơ kim nào ñó như một
dạng “alkoxit tự nhiên”. Khi ñược chiết trong dung dịch kiềm nó bị thuỷ phân và
tạo thành muối natri silicat. Khi axit hóa dung dịch thu ñược bằng HCl thì xảy ra
phản ứng:
Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3
H2SiO3 trong dung dịch tự trùng hợp theo phản ứng sau:
nH2SiO3 = (SiO2)n + nH2O
Trong dung dịch, các mầm hạt (SiO2)n lớn dần lên và phát triển thành các hạt
sol liên kết với nhau tạo thành gel. Gel thu ñược ñem rửa sạch ñể loại bỏ các chất
bẩn, sau ñó sấy và nung ta sẽ thu ñược SiO2. Rõ ràng hiệu suất chiết SiO2 từ tro trấu
phụ thuộc chủ yếu vào giai ñoạn các “alkoxit oxit silic” này thuỷ phân trong môi
trường kiềm.
1.3. Tốc ñộ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau ñến tốc ñộ
của các phản ứng hóa học.
1.3.1. ðịnh nghĩa tốc ñộ phản ứng hóa học
Tốc ñộ phản ứng hóa học ñược ño bằng ñộ biến thiên nồng ñộ các chất phản
ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một ñơn vị thời gian.


11

v = ±

∆C
∆t

(1.1)

Trong ñó:
v

: Tốc ñộ phản ứng, ñơn vị: mol/l.s

∆C

: Biến thiên nồng ñộ trong khoảng thời gian ∆t , ñơn vị: mol/l

∆t

: Biến thiên thời gian, ñơn vị: s

Tốc ñộ phản ứng tính theo công thức trên là tốc ñộ trung bình, tốc ñộ trung
bình này sẽ tiến tới tốc ñộ tức thời khi ∆t tiến tới 0 và ñược tính theo công thức:
v= ±

dC
dt

(1.2)

Trong tất cả các hệ thức trên nồng ñộ ñược biểu diễn bằng mol/lít.
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố ñến tốc ñộ phản ứng hóa học
1.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng ñộ
Thoạt ñầu, xuất phát từ quan ñiểm cho rằng muốn cho phản ứng hóa học xảy
ra thì các phân tử của các chất phản ứng phải va chạm với nhau. Số va chạm càng
lớn thì tốc ñộ phản ứng càng lớn. Mặt khác, số phân tử của các chất lại tỉ lệ với
nồng ñộ của nó trong hệ phản ứng. Do ñó người ta ñi ñến kết luận rằng:

Tốc ñộ của phản ứng hóa học tỉ lệ với tích số nồng ñộ của các chất tham gia
phản ứng với các lũy thừa tương ứng là các hệ số phân tử trong phương trình phản
ứng. ðối với phản ứng:
aA + bB → cC + dD
Tốc ñộ phản ứng ñược biểu diễn bằng:
v = k [ A]a [B]b

(1.3)

Trong ñó:
K

: Hằng số tốc ñộ phản ứng, k phụ thuộc vào bản chất của các
chất tham gia phản ứng và nhiệt ñộ.


12

[A], [B]: Tương ứng với nồng ñộ của chất A và chất B, ñơn vị: mol/l
a, b

: là các hệ số tỉ lượng hay phân tử số.

Kết luận này ñược gọi là ñịnh luật tác dụng khối lượng, do Gulberg và Waage
ñưa ra vào các năm 1864 và 1867 [tr.122, 2].
Cần nhấn mạnh rằng những nghiên cứu thực nghiệm rộng rãi cho thấy chỉ một
số rất ít phản ứng tuân theo ñịnh luật tác dụng khối lượng.
Trong ñộng hóa học, ñể phân biệt các phản ứng người ta dùng một ñại lượng
gọi là bậc phản ứng. Bậc phản ứng là tổng các số mũ của các thừa số nồng ñộ trong
phương trình tốc ñộ phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng tổng quát ở trên, bậc phản ứng

sẽ là (a + b). Như vậy, nếu ñịnh luật tác dụng khối lượng ñược tuân thủ nghiêm ngặt
thì bậc của một phản ứng ñã cho nào ñó luôn luôn bằng tổng các hệ số phân tử của
các chất tham gia phản ứng trong phương trình phản ứng.
Phản ứng:
H2

+ I2

= 2HI

Tốc ñộ của phản ứng trên ñược biểu diễn bằng phương trình:
v = k[H2][I2]

(1.4)

Vậy bậc phản ứng là 1 + 1 = 2.
Tuy nhiên, có rất nhiều phản ứng không tuân theo ñịnh luật tác dụng khối
lượng, bậc của chúng không bằng tổng các hệ số phân tử trong phương trình phản
ứng. Bậc phản ứng của chúng có thể là một số nguyên, một phân số hay có khi là
không xác ñịnh.
Phản ứng:
S2O82- + 2I- → 2SO42- + I2

v = k[S2O82-][I-]

(1.5)

v = k[CO][Cl2]3/2

(1.6)

Phản ứng:
CO + Cl2 → COCl2


13

Bậc phản ứng là một ñại lượng thực nghiệm. Trong trường hợp tổng quát ñối
với phản ứng:
aA + bB + cC + … → sản phẩm
Phương trình tốc ñộ phản ứng ñược biểu diễn bằng :
v = k[A]p [B]q [C]r…

(1.7)

Trong ñó p, q, r,…ñược gọi là bậc phản ứng riêng ñối với các chất A, B,
C…tương ứng, còn bậc phản ứng chung của phản ứng thì bằng tổng các bậc phản
ứng riêng của tất cả các chất.
n = p + q + r +…

(1.8)

ðể xác ñịnh bậc của phản ứng riêng ñối với một chất nào ñó, người ta nghiên
cứu sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nồng ñộ chất ñó khi nồng ñộ của các chất
còn lại là dư và rất lớn, ñể cho trong quá trình phản ứng nồng ñộ của nó thay ñổi
không ñáng kể, và do ñó không ảnh hưởng ñến tốc ñộ phản ứng. Trong ñiều kiện ñó
tốc ñộ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng ñộ của chất ñược chọn.
Sự kiện ñó cho thấy rằng phản ứng hóa học không phải xảy ra bằng cách va
chạm ñồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng. Sự va chạm
ñồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng chỉ xảy ra trong các

phân tử ñơn giản, trong ñó chỉ có 1, 2 hoặc 3 phân tử tham gia và chỉ xảy ra sự thay
ñổi (bứt ñứt và tạo thành) một số liên kết.
ðối với các phản ứng phức tạp (có nhiều phân tử tham gia, phá vỡ và tạo
thành nhiều liên kết) người ta cho rằng chúng phải xảy ra nhiều giai ñoạn cơ sở,
trong những giai ñoạn này chỉ xảy ra va chạm của 1, 2 hoặc 3 phân tử.
Về mặt xác suất dễ dàng thấy rằng sự va chạm của 2 phân tử có xác suất ñáng
kể, sự va chạm ñồng thời của 3 phân tử có xác suất bé hơn nhiều và xác suất của sự
va chạm ñồng thời của 4 phân tử là vô cùng bé. Do ñó có thể nói rằng sự kiện 4 hay
hơn 4 phân tử va chạm ñồng thời ñể xảy ra phản ứng hóa học là không thể có ñược.
Chẳng hạn trong phản ứng :


14

Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
Không thể có sự va chạm ñồng thời của 21 phân tử ñể xảy ra phản ứng. Từ ñó
thấy rằng quan ñiểm về sự tiến hành theo giai ñoạn của các phản ứng phức tạp là
hoàn toàn hợp lí, và người ta gọi số phân tử tham gia vào một giai ñoạn cơ sở là
phân tử số của nó.
1.3.2.2. Thời gian:
Thời gian không ảnh hưởng nhiều ñến tốc ñộ phản ứng nhưng nó là một trong
những yếu tố quan trọng quyết ñịnh tới hiệu suất của các quá trình phản ứng. Nếu
thời gian ngắn, hiệu suất sẽ thấp và ngược lại. Tuy nhiên, nếu kéo dài quá thời gian
tối ưu thì sẽ mất thời gian nhưng hiệu suất không tăng ñược bao nhiêu. Kết quả của
một số nghiên cứu cho thấy, thời gian càng lâu thì hiệu suất càng cao. Ở thời gian
tối ưu thì hiệu suất phản ứng là cao nhất.
Ở ñề tài này, quá trình chiết alkoxit oxit silic bằng dung dịch NaOH xảy ra chậm
và khó khăn, do ñó thời gian ñun rất nhiều ảnh hưởng ñến quá trình này. Thời gian
ñun càng lâu thì hiệu suất của quá trình thu hồi càng cao.
1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC: (Thermogravimetry-Differental
Scanning Calorimetry) ñược thực hiện trên máy Labsys TG/DSC SETARAM.
Phân tích nhiệt là nhóm các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu
bằng cách theo dõi sự thay ñổi các tính chất của mẫu ño theo sự thay ñổi của nhiệt
ñộ tác ñộng lên mẫu ñã ñược chương trình hoá trong một môi trường cụ thể.
Khi cung cấp nhiệt năng thì làm cho enthalpy và nhiệt ñộ của mẫu tăng lên
một giá trị xác ñịnh tuỳ thuộc vào nhiệt lượng cung cấp và nhiệt dung của mẫu. Ở
trạng thái vật lý bình thường, nhiệt dung của mẫu biến ñổi chậm theo nhiệt ñộ
nhưng khi trạng thái của mẫu thay ñổi thì sự biến ñổi này bị gián ñoạn. Khi mẫu
ñược cung cấp nhiệt năng thì các quá trình vật lí và hoá học có thể xảy ra như sự
nóng chảy hoặc phân huỷ ñi kèm với sự biến ñổi enthalpy, kích thước hạt, khối


15

lượng, tính chất từ,…Các quá trình biến ñổi này có thể ghi nhận bằng phương pháp
phân tích nhiệt. Phép phân tích nhiệt bao gồm một phạm vi rộng các phương pháp
khác nhau. Trong bài khóa luận này chúng tôi chỉ sử dụng phương pháp TG
(Thermo gravimetry) ño sự biến ñổi khối lượng khi quét nhiệt và phép phân tích
nhiệt vi sai quét (Differental Scanning Calorimetry) xác ñịnh sự biến ñổi của dòng
nhiệt truyền qua mẫu và so sánh theo thời gian khi chúng chịu tác dụng dưới cùng
một chương trình nhiệt ñộ.
Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC (Thermogravimetry-Differental
Scanning Calorimetry) ñược thực hiện trên máy Labsys TG/DSC SETARAM [1, 4,
5, 8].
1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction: XRD)
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể ñược xây dựng từ các nguyên tử
hay ion phân bố ñều ñặn trong không gian theo một trật tự nhất ñịnh. Khi chùm tia
X tới bề mặt và ñi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này ñóng vai
trò như một cách tử nhiễu xạ ñặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia

X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ [1, 4, 5, 8].

θ
d

Hình 1.5: Sơ ñồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể
Bước sóng của chùm tia Rơnghen, góc phản xạ và khoảng cách giữa hai mặt
phẳng song song liên hệ với nhau qua phương trìnhVuff-Bragg:
2dhkl.sinθ = nλ
Trong ñó:
λ

: Bước sóng của chùm tia Rơnghen, ñơn vị: m

d

: Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, ñơn vị: m

(1.13)


16

θ

: Góc phản xạ, ñơn vị: radian

n

: Là số nguyên ñược gọi là bậc nhiễu xạ.

Phương trình Vulf- Bragg là phương trình cơ bản ñể nghiên cứu cấu trúc tinh
thể. Căn cứ vào cực ñại nhiễu xạ trên giản ñồ (giá trị 2θ), có thể suy ra d theo công
thức (1.13). So sánh giá trị d vừa tìm ñược với giá trị d chuẩn sẽ xác ñịnh ñược
thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.
Phương pháp này ñược sử dụng rộng rãi ñể nghiên cứu cấu trúc tinh thể của
vật liệu. Từ hệ thức Vulf- Bragg có thể nhận thấy rằng, góc phản xạ tỉ lệ nghịch với
d không gian hay khoảng cách giữa hai nút mạng, nên ñối với vật liệu vi tinh thể khoảng
ο

cách giữa hai lớp nhỏ hơn 20 Α , nên góc quét 2 θ thường lớn hơn 5 ñộ. Tuy nhiên,
ο

ñối với sản phẩm SiO2 thu ñược có kích thước lớn hơn 20 Α , nên nhiễu xạ xuất hiện
ở góc quét 2 θ bé hơn 5 ñộ.
Trong bài khóa luận này các mẫu ñược ño trên máy D8 Advance, Brucker với
ο

tia phát xạ CuK α có bước sóng λ = 1,5406 Α , công suất 40 kV, 40 mA. Góc quét
từ 0,5 ñến 10 ñộ ñối với góc nhỏ, từ 5 ñến 60 ñộ so với góc lớn.


17

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc
2.1.1. Hóa chất
Dung dịch axit HCl ñặc (36 %, d = 1,18 g/l)
Natri hidroxit (NaOH) rắn
Vỏ trấu lấy ở huyện Tam Nông, tỉnh ðồng Tháp.

2.1.2. Dụng cụ
Tên dụng cụ
Cốc 250 ml và 500 ml

Giấy pH

Ống ñong

Giấy lọc

Phễu lọc

ðũa thủy tinh

Pipet

Chén nung

Buret

Bình ñịnh mức 250 và 500 ml

2.1.3. Máy móc
Máy ñiều nhiệt của ðức.
Lò sấy
Cân phân tích Trung Quốc
Lò nung của công ty cổ phần ñiện tử chuyên dụng Hanel (Haneljpeco).
2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Cách pha chế hóa chất
2.2.1.1. Pha chế dung dịch chuẩn NaOH:

a) Dung dịch NaOH 6,0M


18

Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 6,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.2)

⇒ m = CM .V.M = 6,0.0,25.40 = 60 (g)

Trong ñó:
n: Số mol, ñơn vị: mol
V: Thể tích, ñơn vị: lít
M: Khối lượng nguyên tử, ñơn vị: gam
m: Khối lượng, ñơn vị: gam
Cách pha chế: Cân chính xác 60g NaOH rắn, cho vào cốc, thêm một ít nước
khuấy cho tan, ñể yên khoảng 5 phút cho nguội. Sau ñó cho vào bình ñịnh mức
250ml, thêm từ từ nước ñến vạch ñịnh mức, vừa cho vừa lắc ñều ñến khi thấy dung
dịch trong bình ñồng nhất.
b) Dung dịch NaOH 5,5M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 5,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:

n = CM.V =

m
M

(2.3)

⇒ m = CM .V.M = 5,5.0,25.40 = 55 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
c) Dung dịch NaOH 5,0 M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 5,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:


19

Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.4)

⇒ m = CM .V.M = 5,0.0,25.40 = 50 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
d) Dung dịch NaOH 4.5M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 4,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần

dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.5)

⇒ m = CM .V.M = 4,5.0,25.40 = 45 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
e) Dung dịch NaOH 4,0M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 4,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.6)

⇒ m = CM .V.M = 4,0.0,25.40 = 40 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
f)Dung dịch NaOH 3,5M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 3,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:

20

n = CM.V =

m
M

(2.7)

⇒ m = CM .V.M = 3,5.0,25.40 = 35 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
g) Dung dịch NaOH 3,0M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 3,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.8)

⇒ m = CM .V.M = 3,0.0,25.40 = 30 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
h) Dung dịch NaOH 2,5M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 2,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần

dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.9)

⇒ m = CM .V.M = 2,5.0,25.40 = 25 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
i) Dung dịch NaOH 2,0M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 2,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.10)


21

⇒ m = CM .V.M = 2,0.0,25.40 = 20 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
j) Dung dịch NaOH 1,5M

Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 1,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.11)

⇒ m = CM .V.M = 1,5.0,25.40 = 15 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
k) Dung dịch NaOH 1,0M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 1,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần dùng
là:
Ta có:
n = CM.V =

m
M

(2.12)

⇒ m = CM .V.M = 1,0.0,25.40 = 10 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.
l) Dung dịch NaOH 0,5M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 0,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:

Ta có:
n = CM.V =

m
M

⇒ m = CM .V.M = 0,5.0,25.40 = 5,0 (g)

Cách pha chế: Tương tự như khi pha chế dung dịch NaOH 6,0M.

(2.13)


22

2.1.1.2. Pha chế dung dịch chuẩn HCl :
Pha chế 250 ml dung dịch HCl 3,0M từ HCl ñặc (36 %, d = 1,18 g/l) thì lượng
HCl cần dùng là:
Ta có:
CM( HCl ) =
ñ

⇒ V( HCl ) =
ñ

C%.10.D 36.10.1,18
=
= 11,64M
M
36,5

C M ( HCl 3M ) .V( HCl 3M )
C M ( HCl )

=

ñ

3.0,25
= 0,0644(l) = 64, 4ml
11,64

Trong ñó:
CM

: Nồng ñộ mo/l

C%

: Nồng ñộ phần trăm

D

: Khối lượng riêng, ñơn vị: gam/l

Cách pha chế: Dùng pipet lấy chính xác 64,4 ml dung d ịch HCl ñặc cho vào
bình ñịnh mức 250 ml ñ ã có sẵn m ột ít nước, lắc nhẹ, thêm từ từ nước vào bình ñến
vạch ñịnh mức, vừa thêm vừa lắc nh ẹ ñến khi th ấy dung d ịch trong bình ñồng nhất.
* Pha chế các dung dịch HCl tương ứng cùng nồng ñộ với các dung dịch

NaOH, cách tính toán và thao tác tương tự như trên.
2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu
Trong vỏ trấu, bên cạnh thành ph ần chính là xenlulô và ligin thì nó chứa một
hàm lượng ñáng kể các oxit kim loại. Bảng 2.1 d ưới ñ ây trình bày thành phần hoá
học củ a vỏ trấu gạo dùng trong khóa lu ận này. Có thể thấy rằng thành phần của các
oxit chỉ chiếm khoảng 9,92%, trong khi ñó mộ t lượng lớn ch ất hữu cơ chiếm ñến
90,08 %. Trong thành ph ần các oxit kim loại thì SiO2 chiếm 99,17% về khố i lượng.


23

Bảng 2.1: Thành phần các oxit trong vỏ trấu
Hợp chất
% khối lượng

SiO2
9,838

Fe2O3
0,020

CaO

MgO

0,002

0,003

MnO2

0,007

Na2O
0,020

K2 O
0,030

Như vậy, theo kết quả phân tích nguyên tố thì hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu gạo
ñang nghiên cứu tương ñối thấp, chỉ chiếm 9,838%. Trong khi ñó, hàm lượng SiO2
ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu ñến 20% . ðiều
này có thể ñược giải thích là ở các ñiều kiện thổ nhưỡng khác nhau, các giống lúa
khác nhau có ảnh hưởng rất lớn ñến hàm lượng các nguyên tố chứa trong vỏ trấu.
2.3. Quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
2.3.1. Quy trình thu hồi SiO2
Vỏ trấu sau khi lấy từ nhà máy xay xát về, ñem rửa sạch hết các tạp chất, sau
ñó ñem phơi nắng cho thật khô.
ðốt trong lò trấu ở ñịa phương thường dùng ñể ñun nấu (lò ñược làm sạch kỹ
tránh tạp chất trước khi ñốt). Trấu cháy hoàn toàn thành tro. Bảo quản tro trong lọ
kín tránh tiếp xúc với hơi nước.
Cho 20 gam tro trấu vào cốc thủy tinh 500 ml, sau ñó cho vào ñó 250 ml dung
dịch NaOH (nồng ñộ là nồng ñộ mà ta khảo sát biến thiên từ 0,5M ñến 6,0M).
ðặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể ñiều nhiệt ñun
ở nhiệt ñộ là 100oC và thời gian ñun là thời gian cần khảo sát (biến thiên từ 2h ñến
5h).
Sau quá trình ñun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọi là
dung dịch 1) ñể loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu ñược dung dịch 2. Nếu dung
dịch 2 bị ñục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 ñể hấp thụ các
chất bẩn chảy qua giấy lọc, thu ñược dung dịch 3. Giai ñoạn này quyết ñịnh sự tinh
sạch của SiO2 thu ñược.

Lọc dung dịch 3 ta thu ñược dung dịch 4. Ta cho dung dịch HCl 2M với lượng
phù hợp vào dung dịch 4 cho ñến môi trường axit (thử bằng giấy pH). Hỗn hợp bây


24

giờ ở dạng Gel, Gel thu ñược ñem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần ñến môi trường
trung tính (thử bằng giấy pH) ñể loại bỏ các chất bẩn và ion Cl−.
Sau ñó ta tiến hành ñem Gel ñi sấy tự nhiên và sấy ở 1000C trong thời gian 24
giờ, tiếp theo ñem nung ở 5500C trong thời gian 2 giờ.
Quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu có thể ñược hình dung theo sơ ñồ sau:
Trấu

Rữa sạch, phơi
khô, ñun kĩ

SiO2

Tro

Sấy ở
1000C
và
nung ở
5500C

Dung dịch 1
Tiến hành ñun
cách thủy và lọc

SiO2.nH2O

Dung dịch 2
Rửa
sạch
bằng
nước
cất,
lọc
Hỗn hợp dạng Gel

250 ml NaOH

Than hoạt tính

Dung dịch 3
Lọc
Dung dịch 4

Axit HCl 2M

Hình 2.1: Sơ ñồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu
Cuối cùng, ñem sản phẩm thu ñược cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất
chiết theo công thức:
H% =

m
m
.100 =
.100

mo
17,04

(2.8)


25

Trong ñó:
m

: là khối lượng SiO2 thu ñược.

mo

: là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết.

2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH và thời gian ñến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.
2.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH
ðể nghiên cứu ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro
trấu, ta tiến hành như quy trình ñã trình bày ở mục 2.3.1. Ở ñây ta cố ñịnh nhiệt ñộ
ở 100 oC và thời gian là 4h, khảo sát các nồng ñộ NaOH ở các nồng ñộ: 0,5M; 1,0M;
1,5M; 2,0M; 2,5M; 3,0M; 3,5M; 4,0M; 4,5M; 5,0M; 5,5M; 6,0M. Từ ñó ñưa ra
ñược nồng ñộ NaOH tối ưu.
2.3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian
ðể nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ñến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu,
ta tiến hành như quy trình ñã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố ñịnh nồng ñộ
NaOH ở nồng ñộ bất kỳ mà ở ñó thu ñược SiO2. Ta không nhất thiết phải dùng
nồng ñộ NaOH ở nồng ñộ tối ưu vì ở ñây ta chỉ khảo sát thời gian sao cho ở nồng

ñộ ñó hiệu suất thu hồi cao và có hiệu quả kinh tế nhất. Ngoài ra cũng ñể tiết kiệm
hóa chất, ít nguy hiểm. Ở ñây chúng tôi cố ñịnh nồng ñộ ở 2,0M. Cố ñịnh nhiệt ñộ
ñun là 100 oC. Tiến hành thí nghiệm trong thời gian: 2,0h; 2,5h; 3,0h; 3,5h; 4,0h;
4,5h; 5,0h. Từ ñó ñưa ra ñược thời gian tối ưu.