Tiểu luận Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (626.76 KB, 41 trang )
1
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT.................................................................4
A. MỞ ĐẦU.............................................................................................................5
I. Lý do chọn đề tài:
.................................................................................................
8
I. Lý do chọn đề tài:
.................................................................................................
8
II. Mục tiêu nghiên cứu
............................................................................................
9
II. Mục tiêu nghiên cứu
............................................................................................
9
III. Nhiệm vụ nghiên cứu
.......................................................................................
9
III. Nhiệm vụ nghiên cứu
.......................................................................................
9
IV. Đối tượng nghiên cứu
........................................................................................
9
IV. Đối tượng nghiên cứu
........................................................................................
9
V. Phương pháp nghiên cứu
..................................................................................
10
V. Phương pháp nghiên cứu
..................................................................................
10
VI. Lịch sử nghiên cứu
..........................................................................................
10
VI. Lịch sử nghiên cứu
..........................................................................................
10
1.1. Sơ lược về silic đioxit.
...................................................................................
11
1.1. Sơ lược về silic đioxit.
...................................................................................
11
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit:
..........................................
11
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit:
..........................................
11
2
1.1.2. Điều chế và ứng dụng
.................................................................................
13
1.1.2. Điều chế và ứng dụng
.................................................................................
13
1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu:
.......................................................................
13
1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu:
.......................................................................
13
1.3. Tốc độ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tốc độ
của các phản ứng hóa học.
....................................................................................
14
1.3. Tốc độ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tốc độ
của các phản ứng hóa học.
....................................................................................
14
1.3.1. Định nghĩa tốc độ phản ứng hóa học
..........................................................
14
1.3.1. Định nghĩa tốc độ phản ứng hóa học
..........................................................
14
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phản ứng hóa học
..........................
14
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phản ứng hóa học
..........................
14
1.4. Phương pháp nghiên cứu
................................................................................
18
1.4. Phương pháp nghiên cứu
................................................................................
18
2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc
......................................................................
21
2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc
......................................................................
21
2.1.1. Hóa chất
........................................................................................................
21
2.1.1. Hóa chất
........................................................................................................
21
2.1.2. Dụng cụ
........................................................................................................
21
2.1.2. Dụng cụ
........................................................................................................
21
2.1.3. Máy móc
........................................................................................................
21
2.1.3. Máy móc
........................................................................................................
21
2.2. Thực nghiệm
....................................................................................................
21
3
2.2. Thực nghiệm
....................................................................................................
21
2.2.1. Cách pha chế hóa chất
..................................................................................
21
2.2.1. Cách pha chế hóa chất
..................................................................................
21
2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu
........................................................................
27
2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu
........................................................................
27
2.3. Quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
..........
27
2.3. Quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
..........
27
2.3.1. Quy trình thu hồi SiO2
.................................................................................
27
2.3.1. Quy trình thu hồi SiO2
.................................................................................
27
Vỏ trấu sau khi lấy từ nhà máy xay xát về, đem rửa sạch hết các tạp chất, sau đó
đem phơi nắng cho thật khô.
..................................................................................
27
Vỏ trấu sau khi lấy từ nhà máy xay xát về, đem rửa sạch hết các tạp chất, sau đó
đem phơi nắng cho thật khô.
..................................................................................
27
Cho 20 gam tro trấu vào cốc thủy tinh 500 ml, sau đó cho vào đó 250 ml dung
dịch NaOH (nồng độ là nồng độ mà ta khảo sát biến thiên từ 0,5M đến 6,0M). 28
Cho 20 gam tro trấu vào cốc thủy tinh 500 ml, sau đó cho vào đó 250 ml dung
dịch NaOH (nồng độ là nồng độ mà ta khảo sát biến thiên từ 0,5M đến 6,0M). 28
Đặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể điều nhiệt đun ở
nhiệt độ là 100oC và thời gian đun là thời gian cần khảo sát (biến thiên từ 2h đến
5h).
..........................................................................................................................
28
Đặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể điều nhiệt đun ở
nhiệt độ là 100oC và thời gian đun là thời gian cần khảo sát (biến thiên từ 2h đến
5h).
..........................................................................................................................
28
Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọi là
dung dịch 1) để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu được dung dịch 2. Nếu
4
dung dịch 2 bị đục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 để hấp
thụ các chất bẩn chảy qua giấy lọc, thu được dung dịch 3. Giai đoạn này quyết
định sự tinh sạch của SiO2 thu được.
....................................................................
28
Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọi là
dung dịch 1) để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu được dung dịch 2. Nếu
dung dịch 2 bị đục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 để hấp
thụ các chất bẩn chảy qua giấy lọc, thu được dung dịch 3. Giai đoạn này quyết
định sự tinh sạch của SiO2 thu được.
....................................................................
28
Lọc dung dịch 3 ta thu được dung dịch 4. Ta cho dung dịch HCl 2M với lượng phù
hợp vào dung dịch 4 cho đến môi trường axit (thử bằng giấy pH). Hỗn hợp bây
giờ ở dạng Gel, Gel thu được đem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần đến môi
trường trung tính (thử bằng giấy pH) để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl . ..........
28
Lọc dung dịch 3 ta thu được dung dịch 4. Ta cho dung dịch HCl 2M với lượng phù
hợp vào dung dịch 4 cho đến môi trường axit (thử bằng giấy pH). Hỗn hợp bây
giờ ở dạng Gel, Gel thu được đem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần đến môi
trường trung tính (thử bằng giấy pH) để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl . ..........
28
Sau đó ta tiến hành đem Gel đi sấy tự nhiên và sấy ở 1000C trong thời gian 24
giờ, tiếp theo đem nung ở 5500C trong thời gian 2 giờ.
........................................
28
Sau đó ta tiến hành đem Gel đi sấy tự nhiên và sấy ở 1000C trong thời gian 24
giờ, tiếp theo đem nung ở 5500C trong thời gian 2 giờ.
........................................
28
Cuối cùng, đem sản phẩm thu được cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất chiết
theo công thức:
........................................................................................................
29
Cuối cùng, đem sản phẩm thu được cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất chiết
theo công thức:
........................................................................................................
29
(2.8)
.........................................................................................
29
(2.8)
.........................................................................................
29
5
Trong đó:
.................................................................................................................
29
Trong đó:
.................................................................................................................
29
m : là khối lượng SiO2 thu được.
..........................................................................
29
m : là khối lượng SiO2 thu được.
..........................................................................
29
mo : là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết.
........................................................
29
mo : là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết.
........................................................
29
2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.
......................................................................................................
29
2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.
......................................................................................................
29
3.1. Đặc trưng tính chất của sản phẩm:
..............................................................
30
3.1. Đặc trưng tính chất của sản phẩm:
..............................................................
30
3.1.1. Phân tích nhiệt vi sai:
...................................................................................
31
3.1.1. Phân tích nhiệt vi sai:
...................................................................................
31
3.1.2. Phân tích thành phần tro trấu
........................................................................
32
3.1.2. Phân tích thành phần tro trấu
........................................................................
32
3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
.......................................................................
33
3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
.......................................................................
33
3.2. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nồng độ NaOH dến quá trình tổng
hợp SiO2 từ tro trấu
...............................................................................................
34
3.2. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nồng độ NaOH dến quá trình tổng
hợp SiO2 từ tro trấu
...............................................................................................
34
3.3. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của thời gian đun đến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu
.......................................................................................................
35
6
3.3. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của thời gian đun đến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu
.......................................................................................................
35
3.4. Đưa ra các điều kiện tối ưu
..........................................................................
37
3.4. Đưa ra các điều kiện tối ưu
..........................................................................
37
I. Kết luận chung
...................................................................................................
38
I. Kết luận chung
...................................................................................................
38
II. Ý kiến đề xuất
...................................................................................................
39
II. Ý kiến đề xuất
...................................................................................................
39
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................34
7
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.
MCM41: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lục lăng.
MCM48: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lập phuơng.
MCM50: Họ vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lớp.
SBA15: Santa Barbara Acid – 15.
SBA16: Santa Barbara Acid – 16.
8
A. MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài:
Nước ta với ngành nghề truyền thống là chuyên canh cây lúa nước, sản
lượng xuất khẩu gạo hàng năm đứng thứ 2 trên thế giới. Chỉ tính riêng trong tỉnh
Đồng 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 đó, nước ta đang trên đà phát triển, các ngành công nghiệp đang
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 được thu hồi từ tro
trấu để làm tăng độ đàn hồi và độ bền. Mà giá thành nhập khẩu lại cao nên rất
cần tìm nguồn nguyên liệu trong nước.
Bên cạnh đó, nguồn nước đang ngày càng ô nhiễm, các mạch nước ngầm
cũng như nước mặt đều có các kim loại và các hợp chất hữu cơ vượt quá mức
cho phép rất nhiều lần. Để an toàn cho sức khỏe con người, dùng SiO2 để chế
tạo các thiết bị lọc nước và hấp phụ các kim loại đang là vấn đề cấp bách và
thiết thực.
Ngoài ra, Silic đioxit (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 để tổng hợp vật
liệu xúc tác mao quản trung bình như MCM41, MCM48, SBA15, SBA16.
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. Điều đáng nói ở đây là nguồn SiO2 tổng hợp từ trấu vừa rẻ
tiền, dễ bảo quản và phù hợp với điều kiện kinh tế ở địa phương. SiO2 còn đuợc
9
sử dụng để hấp phụ và thu hồi các kim lọai nặng trong môi trường nuớc [12],
khả năng hấp phụ của SiO2 là khá tốt.
Điều đặc 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 để đưa ra các điều kiện tối ưu để việc thu hồi đạt hiệu suất cao,
hiệu quả kinh tế nhất.
Từ nhu cầu thực tế đó chúng tôi quyết định chọn đề tài “ Khảo sát sự ảnh
hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu”
nhằm tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO2 đạt hiệu quả kinh tế cao,
đáp ứng được nhu cầu sản xuất nghiên cứu….
II. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu
hồi SiO2 từ tro trấu.
Đưa ra những điều 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 độ NaOH và thời gian đến quá trình thu
hồi SiO2 từ tro trấu.
Phân tích thành phần tro trấu, khảo sát nhiệt độ nung.
IV. Đối tượng nghiên cứu
Ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi SiO2 từ
tro trấu.
10
V. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp lí thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, định hướng các
bước thực hiện, kế thừa và vận dụng các phương pháp đã công bố.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thu hồi SiO2, khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng như nồng độ NaOH và thời gian và tìm ra điều kiện tối ưu.
Phương pháp phân tích, đánh giá các kết quả thu được thông qua các
phương pháp phân tích hóa lí đặc 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 được.
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 độ thử nghiệm, chưa khảo sát kĩ và chưa có quy
trình cụ thể.
1. Các tác giả Phạm Đình Dũ, Võ Thị Thanh Châu, Đinh Quang Khiếu, Trần
Thái Hòa [1] đã sử dụng nguồn trấu sẵn có làm nguồn thay thế TEOS rất đắt
tiền và khó bảo quản để 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 để phân huỷ các chất hữu cơ độc hại trong môi trường nuớc như
phenol, phenol đỏ, metylen xanh. Nhóm tác giả này đã sử dụng hai phương pháp
khác nhau để tổng hợp SiO2 từ trấu. Đó là chiết xuất trực tiếp từ trấu và thu hồi
từ tro trong môi trường NaOH. Tuy nhiên, đây cũng chỉ là những nghiên cứu bước
đầu về tổng hợp SiO2 từ trấu, chưa đưa ra quy trình cụ thể và chưa tìm ra điều
kiện tối ưu.
2. Các tác giả Hồ Sỹ Thắng, Nguyễn Thị Ái Nhung, Đinh Quang Khiếu,
Trần Thái Hoà, Nguyễn Hữu Phú [8] cũng đã sử dụng trấu để tổng hợp vật liệu
11
xúc tác mao quản trung bình SBA 16 và Sn SBA 16 diện tích bề mặt > 800
(m2/g). Hệ vật liệu này dùng để tổng hợp các chất hữu cơ thế clo trong clo
benzene bằng benzen, toluene, xylen,…Hấp phụ và xúc tác để phân huỷ phenol,
cloram phenicol trong môi trường nước.
B. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1. Sơ lược về silic đioxit.
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit:
1.1.1.1. Cấu tạo:
Silic đioxit 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 điều kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triđimit và cristtobalit.
Mỗi dạng đa hình này lại có hai dạng: dạng bền ở nhiệt độ thấp, dạng bền
ở nhiệt độ cao.
Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO 4 nối
với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO 4, nguyên tử Si nằm ở
trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh 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 đioxit là SiO2.
Ba dạng đa hình của silic đioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ
diện SiO4 ở trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp
sao cho các nguyên tử Si nằm trên đường xoắn ốc. Tùy theo chiều của đường
12
xoắn ốc mà ta có thạch anh quay trái hay quay phải. Trong triđimit, 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
đioxit 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 đá quý không có cấu trúc
tinh thể. Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống
chứa không khí, nước hay hơi nước. Opan có các màu sắc khác nhau như vàng,
nâu, đỏ, lục và đen do có chứa các tạp chất.
Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silic đioxit nặng
hơn thạch anh là coesit (được tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt độ 2500C) và
stishovit (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 13000C) [6].
Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đun nóng bất kì dạng nào khi để nguội
chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một vật liệu vô định hình giống
như thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng
và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn
nhiều so với khi nóng chảy ra. Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định
được rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi
những nguyên tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên
tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn.
1.1.1.2. Tính chất:
Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và
axit ngay cả khi đun nóng.
Ở điều kiện thường, nó chỉ tác dụng với F2 và HF :
SiO2 + 2F2
SiF4 + O2
13
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. Điều chế và ứng dụng
1.1.2.1. Điều chế
Trong phòng thí nghiệm, SiO2 vô định hình ở dạng bột trắng có thể điều
chế bằng cách nung nóng kết tủa của axit silixic.
1.1.2.2. Ứng dụng
Trong xây dựng: dùng làm chất phụ gia xi măng, gạch chịu lửa và ngói, ...
Trong đời sống: dùng làm chất hút ẩm, chế tạo thiết bị lọc nước, đồ dùng
bằng thủy tinh, chất bán dẫn,...
Ngày nay, Silic đioxit còn được dùng làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu
xúc tác mao quản trung bình như: MCM41, MCM48, SBA15, SBA16...
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 được 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
đó như một dạng “alkoxit tự nhiên”. Khi được chiết trong dung dịch kiềm nó bị
thuỷ phân và tạo thành muối natri silicat. Khi axit hóa dung dịch thu được 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
14
Trong dung dịch, các mầm hạt (SiO 2)n lớn dần lên và phát triển thành các
hạt sol liên kết với nhau tạo thành gel. Gel thu được đem rửa sạch để loại bỏ các
chất bẩn, sau đó sấy và nung ta sẽ thu được SiO2. Rõ ràng hiệu suất chiết SiO2 từ
tro trấu phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn các “alkoxit oxit silic” này thuỷ phân
trong môi trường kiềm.
1.3. Tốc độ phản ứng hóa học. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến
tốc độ của các phản ứng hóa học.
1.3.1. Định nghĩa tốc độ phản ứng hóa học
Tốc độ phản ứng hóa học được đo bằng độ biến thiên nồng độ các chất
phản ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một đơn vị thời gian.
v =
C
t
(1.1)
Trong đó:
v
C
t
: Tốc độ phản ứng, đơn vị: mol/l.s
: Biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian t , đơn vị: mol/l
: Biến thiên thời gian, đơn vị: s
Tốc độ phản ứng tính theo công thức trên là tốc độ trung bình, tốc độ trung
bình này sẽ tiến tới tốc độ tức thời khi t tiến tới 0 và được tính theo công thức:
v=
dC
dt
(1.2)
Trong tất cả các hệ thức trên nồng độ được biểu diễn bằng mol/lít.
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phản ứng hóa học
1.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ
Thoạt đầu, xuất phát từ quan điểm 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
15
càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn. Mặt khác, số phân tử của các chất lại tỉ
lệ với nồng độ của nó trong hệ phản ứng. Do đó người ta đi đến kết luận rằng:
Tốc độ của phản ứng hóa học tỉ lệ với tích số nồng độ của các chất tham
gia phản ứng với các lũy thừa tương ứng là các hệ số phân tử trong phương trình
phản ứng. Đối với phản ứng:
aA + bB
cC + dD
Tốc độ phản ứng được biểu diễn bằng:
v = k A a B b
(1.3)
Trong đó:
K
: Hằng số tốc độ phản ứng, k phụ thuộc vào bản chất của
các
chất tham gia phản ứng và nhiệt độ.
[A], [B]: Tương ứng với nồng độ của chất A và chất B, đơn vị:
mol/l
a, b
: là các hệ số tỉ lượng hay phân tử số.
Kết luận này được gọi là định luật tác dụng khối lượng, do Gulberg và
Waage đưa 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 định luật tác dụng khối lượng.
Trong động hóa học, để phân biệt các phản ứng người ta dùng một đại
lượng gọi là bậc phản ứng. Bậc phản ứng là tổng các số mũ của các thừa số
nồng độ trong phương trình tốc độ phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng tổng quát ở
trên, bậc phản ứng sẽ là (a + b). Như vậy, nếu định luật tác dụng khối lượng
được tuân thủ nghiêm ngặt thì bậc của một phản ứng đã cho nào đó luôn luôn
16
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 độ của phản ứng trên được 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 định 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 định.
Phản ứng:
S2O82 + 2I
2SO42 + I2 v = k[S2O82][I]
(1.5)
COCl2 v = k[CO][Cl2]3/2
(1.6)
Phản ứng:
CO + Cl2
Bậc phản ứng là một đại lượng thực nghiệm. Trong trường hợp tổng quát
đối với phản ứng:
aA + bB + cC + …
sản phẩm
Phương trình tốc độ phản ứng được biểu diễn bằng :
v = k[A]p [B]q [C]r…
(1.7)
Trong đó p, q, r,…được gọi là bậc phản ứng riêng đối 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)
17
Để xác định bậc của phản ứng riêng đối với một chất nào đó, người ta
nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ chất đó khi nồng độ
của các chất còn lại là dư và rất lớn, để cho trong quá trình phản ứng nồng độ
của nó thay đổi không đáng kể, và do đó không ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
Trong điều kiện đó tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất được
chọn.
Sự kiện đó cho thấy rằng phản ứng hóa học không phải xảy ra bằng cách
va chạm đồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng. Sự va
chạm đồng thời của tất cả các phân tử của các chất tham gia phản ứng chỉ xảy
ra trong các phân tử đơn giản, trong đó chỉ có 1, 2 hoặc 3 phân tử tham gia và chỉ
xảy ra sự thay đổi (bứt đứt và tạo thành) một số liên kết.
Đối 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 đoạn cơ sở,
trong những giai đoạn 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
đáng kể, sự va chạm đồng thời của 3 phân tử có xác suất bé hơn nhiều và xác
suất của sự va chạm đồng thời của 4 phân tử là vô cùng bé. Do đó có thể nói
rằng sự kiện 4 hay hơn 4 phân tử va chạm đồng thời để xảy ra phản ứng hóa
học là không thể có được. Chẳng hạn trong phản ứng :
Cr2O72 + 6Fe2+ + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
Không thể có sự va chạm đồng thời của 21 phân tử để xảy ra phản ứng. Từ
đó thấy rằng quan điểm về sự tiến hành theo giai đoạn của các phản ứng phức
tạp là hoàn toàn hợp lí, và người ta gọi số phân tử tham gia vào một giai đoạn cơ
sở là phân tử số của nó.
1.3.2.2. Thời gian:
18
Thời gian không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phản ứng nhưng nó là một
trong những yếu tố quan trọng quyết định 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 được 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 đề tài này, quá trình chiết alkoxit oxit silic bằng dung dịch NaOH xảy ra
chậm và khó khăn, do đó thời gian đun rất nhiều ảnh hưởng đến quá trình này.
Thời gian đun 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 TGDSC: (ThermogravimetryDifferental
Scanning Calorimetry) được 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 đổi các tính chất của mẫu đo theo sự thay đổi của
nhiệt độ tác động lên mẫu đã được chương trình hoá trong một môi trường cụ
thể.
Khi cung cấp nhiệt năng thì làm cho enthalpy và nhiệt độ của mẫu tăng lên
một giá trị xác định tuỳ thuộc vào nhiệt lượng cung cấp và nhiệt dung của mẫu.
Ở trạng thái vật lý bình thường, nhiệt dung của mẫu biến đổi chậm theo nhiệt
độ nhưng khi trạng thái của mẫu thay đổi thì sự biến đổi này bị gián đoạn. Khi
mẫu được cung cấp nhiệt năng thì các quá trình vật lí và hoá học có thể xảy ra
như sự nóng chảy hoặc phân huỷ đi kèm với sự biến đổi enthalpy, kích thước
hạt, khối lượng, tính chất từ,…Các quá trình biến đổi 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) đo sự biến đổi khối lượng khi quét nhiệt
và phép phân tích nhiệt vi sai quét (Differental Scanning Calorimetry) xác định sự
19
biến đổi của dòng nhiệt truyền qua mẫu và so sánh theo thời gian khi chúng chịu
tác dụng dưới cùng một chương trình nhiệt độ.
Phương pháp phân tích nhiệt TGDSC (ThermogravimetryDifferental
Scanning Calorimetry) được thực hiện trên máy Labsys TG/DSC SETARAM [1,
4, 5, 8].
1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (Xray diffraction: XRD)
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 trật tự nhất định.
Khi chùm tia X tới bề mặt và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng
lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc 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].
d
θ
Hình 1.5: Sơ đồ 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 trìnhVuffBragg:
2dhkl.sin = n
(1.13)
Trong đó:
Bước sóng của chùm tia Rơnghen, đơn vị: m
d
: Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, đơn vị: m
20
θ
: Góc phản xạ, đơn vị: radian
n
: Là số nguyên được gọi là bậc nhiễu xạ.
Phương trình Vulf Bragg là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc
tinh thể. Căn cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đồ (giá trị 2θ), có thể suy ra d
theo công thức (1.13). So sánh giá trị d vừa tìm được với giá trị d chuẩn sẽ xác
định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để 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 dkhông gian hay khoảng cách giữa hai nút mạng, nên đối với vật liệu vi
tinh thể khoảng cách giữa hai lớp nhỏ hơn 20
, nên góc quét 2 thường lớn hơn
5 độ. Tuy nhiên, đối với sản phẩm SiO2 thu được có kích thước lớn hơn 20
,
nên nhiễu xạ xuất hiện ở góc quét 2 bé hơn 5 độ.
Trong bài khóa luận này các mẫu được đo trên máy D8 Advance, Brucker
với tia phát xạ CuK có bước sóng = 1,5406
, công suất 40 kV, 40 mA. Góc
quét từ 0,5 đến 10 độ đối với góc nhỏ, từ 5 đến 60 độ so với góc lớn.
21
CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất, dụng cụ và máy móc
2.1.1. Hóa chất
Dung dịch axit HCl đặc (36 %, d = 1,18 g/l)
Natri hidroxit (NaOH) rắn
Vỏ trấu lấy ở huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp.
2.1.2. Dụng cụ
Tên dụng cụ
Cốc 250 ml và 500 ml
Giấy pH
Ống đong
Giấy lọc
Phễu lọc
Đũa thủy tinh
Pipet
Chén nung
Buret
Bình định mức 250 và 500
ml
2.1.3. Máy móc
Máy điều nhiệt của Đức.
Lò sấy
Cân phân tích Trung Quốc
Lò nung của công ty cổ phần điện 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:
22
a) Dung dịch NaOH 6,0M
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 đó:
n: Số mol, đơn vị: mol
V: Thể tích, đơn vị: lít
M: Khối lượng nguyên tử, đơn vị: gam
m: Khối lượng, đơn vị: gam
Cách pha chế: Cân chính xác 60g NaOH rắn, cho vào cốc, thêm một ít nước
khuấy cho tan, để yên khoảng 5 phút cho nguội. Sau đó cho vào bình định mức
250ml, thêm từ từ nước đến vạch định mức, vừa cho vừa lắc đều đến khi thấy
dung dịch trong bình đồng 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
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
(2.3)
23
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 5,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
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
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
(2.6)
24
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 3,5M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:
Ta có:
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
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
(2.9)
25
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)
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
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
(2.12)
