Tiểu luận khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi sio2 từ tro trấu

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:...................................................................................................5
II. Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................................6
III. Nhiệm vụ nghiên cứu..........................................................................................6
IV. Đối tượng nghiên cứu..........................................................................................6
V. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................6
VI. Lịch sử nghiên cứu.............................................................................................7
B. NỘI DUNG……………………………………………………………………………....8
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ TUYẾT

1.1. Sơ lược về silic đioxit........................................................................................8
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit:................................................8
1.1.2. Điều chế và ứng dụng.....................................................................................9
1.2. Quá trình tách SiO2 từ tro trấu:.........................................................................10
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..............................................................................................10
1.3.1. Định nghĩa tốc độ phản ứng hóa học............................................................10
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phản ứng hóa học...............................11
1.4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................14


2

1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC..........................................................14
1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen....................................................................15
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

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
2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.........................................................................................................25
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đặc 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 độ NaOH dến quá trình tổng hợp
SiO2 từ tro trấu.........................................................................................................29
3.3. Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của thời gian đun đến quá trình thu hồi SiO 2 từ
tro trấu..................................................................................................................... 30
3.4. Đưa ra các điều kiện tối ưu..............................................................................32

C. KẾT LUẬN .......................................................................................................33

3

I. Kết luận chung.....................................................................................................33
II. Ý kiến đề 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 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 ơ nhiễm mơi 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 q 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 ơ 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 SiO 2 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 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 khơng 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. SiO 2 còn đuợc sử dụng để hấp phụ và thu
hồi các kim lọai nặng trong môi trường nuớc [12], khả năng hấp phụ của SiO 2 là
khá tốt.


6

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 SiO 2 có nhiều
ý nghĩa thực tế.
Tuy nhiên, hiện nay chưa có cơng trình nào nghiên cứu quá trình thu hồi SiO 2

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 SiO 2 từ tro trấu”
nhằm tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO 2 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 SiO 2 từ tro
trấu.
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.


7

Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thu hồi SiO 2, 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 thơng 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 SiO 2 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 khơng 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 mơi 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 SiO 2 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 xúc tác
mao quản trung bình SBA - 16 và Sn - SBA - 16 diện tích bề mặt > 800 (m 2/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.


8

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 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.
Ngồi ba dạng trên, trong tự nhiên cịn 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 q khơng 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, 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 vơ định hình giống như
thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và khơng
nóng chảy ở nhiệt độ khơng 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
SiO2 + 4HF  SiF4 + 2H2O
Ngồi ra, nó cịn 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 vơ định hình ở dạng bột trắng có thể điều 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 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: 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 tơi chưa
tìm được tài liệu nào cơng bố về dạng tồn tại của oxit silic trong vỏ trấu. Theo sự
hiểu biết của chúng tơi, 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
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 SiO 2. Rõ ràng hiệu suất chiết SiO 2 từ tro trấu
phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn các “alkoxit oxit silic” này thuỷ phân trong mơi
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.


11

v = 

C
t

(1.1)

Trong đó:
v

: Tốc độ phản ứng, đơn vị: mol/l.s

C

: Biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian t , đơn vị: mol/l

t

: Biến thiên thời gian, đơn vị: s

Tốc độ phản ứng tính theo cơng 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 cơng 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 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.


12

[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 ln ln bằng tổng các hệ số phân tử của
các chất tham gia phản ứng trong phương trình phản ứng.
Phản ứng:
H2 + I 2

= 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 khơng tn 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 ngun, một phân số hay có khi là
khơng xác định.
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 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)

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
cịn lại là dư và rất lớn, để cho trong quá trình phản ứng nồng độ của nó thay đổi
khơng đáng kể, và do đó khơng 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 khơng 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 vơ 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 khơng thể có được.
Chẳng hạn trong phản ứng :


14

Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
Khơng 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
hồn tồn 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:
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 khơng 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 TG-DSC: (Thermogravimetry-Differental

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 hố trong một mơi 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 q trình vật lí và hố học có thể xảy ra như sự
nóng chảy hoặc phân huỷ đi kèm với sự biến đổi enthalpy, kích thước hạt, khối


15

lượng, tính chất từ,…Các q 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 tơi 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 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 TG-DSC (Thermogravimetry-Differental
Scanning Calorimetry) được 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 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
trị 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



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 trìnhVuff-Bragg:
2dhkl.sin = n

(1.13)


16

Trong đó:


 Bước sóng của chùm tia Rơnghen, đơn vị: m

d

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

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 cơng
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  , cơng suất 40 kV, 40 mA. Góc

qt từ 0,5 đến 10 độ đối với góc nhỏ, từ 5 đến 60 độ 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 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.
Lị sấy
Cân phân tích Trung Quốc
Lị 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:
a) Dung dịch NaOH 6,0M
Pha chế 250 ml dung dịch NaOH 6,0M từ NaOH rắn thì lượng NaOH cần
dùng là:


18

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

(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:
Ta có:


19

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:
n = CM.V =

m

M

 m = CM .V.M = 3,5.0,25.40 = 35 (g)

(2.7)


20

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

 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

(2.10)


21

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.

2.1.1.2. Pha chế dung dịch chuẩn HCl :

(2.13)


22

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

 V( HCl ) 
đ

C%.10.D 36.10.1,18

 11,64M
M
36,5

CM( HCl3M) .V(HCl 3M )
CM( HCl )



đ

3.0,25
 0,0644(l)  64,4ml
11,64

Trong đó:
CM

: Nồng độ mo/l

C%

: Nồng độ phần trăm

D

: Khối lượng riêng, đơn vị: gam/l

Cách pha chế: Dùng pipet lấy chính xác 64,4 ml dung dịch HCl đặc cho vào
bình định mức 250 ml đã có sẵn một ít nước, lắc nhẹ, thêm từ từ nước vào bình đến
vạch định mức, vừa thêm vừa lắc nhẹ đến khi thấy dung dịch trong bình đồng nhất.
* Pha chế các dung dịch HCl tương ứng cùng nồng độ với các dung dịch
NaOH, cách tính tốn và thao tác tương tự như trên.
2.2.2. Phân tích thành phần tro trấu
Trong vỏ trấu, bên cạnh thành phần chính là xenlulơ và ligin thì nó chứa một
hàm lượng đáng kể các oxit kim loại. Bảng 2.1 dưới đây trình bày thành phần hố
học của vỏ trấu gạo dùng trong khóa luận này. Có thể thấy rằng thành phần của các
oxit chỉ chiếm khoảng 9,92%, trong khi đó một lượng lớn chất hữu cơ chiếm đến
90,08 %. Trong thành phần các oxit kim loại thì SiO2 chiếm 99,17% về khối lượng.

Bảng 2.1: Thành phần các oxit trong vỏ trấu

Hợp chất

SiO2

Fe2O3

CaO

MgO

MnO2

Na2O

K2 O


23

% khối lượng

9,838

0,020

0,002

0,003

0,007

0,020

0,030

Như vậy, theo kết quả phân tích nguyên tố thì hàm lượng SiO 2 trong vỏ trấu gạo
đang nghiên cứu tương đối thấp, chỉ chiếm 9,838%. Trong khi đó, hàm lượng SiO 2
ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO 2 trong vỏ trấu đến 20% . Điều
này có thể được giải thích là ở các điều kiện thổ nhưỡng khác nhau, các giống lúa
khác nhau có ảnh hưởng rất lớn đến 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, đem rửa sạch hết các tạp chất, sau
đó đem phơi nắng cho thật khơ.
Đốt trong lị trấu ở địa phương thường dùng để đun nấu (lò được làm sạch kỹ
tránh tạp chất trước khi đốt). 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 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).
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).
Sau q trình đun cách thủy hồn tồn 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.
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 mơi trường

trung tính (thử bằng giấy pH) để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl.


24

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.
Quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu có thể được hình dung theo sơ đồ sau:
Trấu
Rữa sạch, phơi
khơ, đun kĩ

SiO2

Tro

Sấy ở
1000C
và
nung ở
5500C

Dung dịch 1
Tiến hành đun
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 đồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro trấu
Cuối cùng, đem sản phẩm thu được cân bằng cân phân tích, tính hiệu suất
chiết theo cơng thức:
H% 

m
m
.100 
.100
mo
17,04

Trong đó:

m

: là khối lượng SiO2 thu được.

(2.8)


25

mo

: là khối lượng SiO2 tính theo lý thuyết.

2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian đến quá trình thu hồi
SiO2 từ tro trấu.
2.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình thu hồi SiO 2 từ tro
trấu, ta tiến hành như quy trình đã trình bày ở mục 2.3.1. Ở đây ta cố định nhiệt độ
ở 100oC và thời gian là 4h, khảo sát các nồng độ NaOH ở các nồng độ: 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 đó đưa ra
được nồng độ NaOH tối ưu.
2.3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian
Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thu hồi SiO 2 từ tro trấu,
ta tiến hành như quy trình đã trình bày ở mục 2.3.1. Nhưng ta cố định nồng độ
NaOH ở nồng độ bất kỳ mà ở đó thu được SiO 2. Ta khơng nhất thiết phải dùng nồng
độ NaOH ở nồng độ tối ưu vì ở đây ta chỉ khảo sát thời gian sao cho ở nồng độ đó
hiệu suất thu hồi cao và có hiệu quả kinh tế nhất. Ngồi ra cũng để tiết kiệm hóa
chất, ít nguy hiểm. Ở đây chúng tơi cố định nồng độ ở 2,0M. Cố định nhiệt độ đun
là 100oC. Tiến hành thí nghiệm trong thời gian: 2,0h; 2,5h; 3,0h; 3,5h; 4,0h; 4,5h;
5,0h. Từ đó đưa ra được thời gian tối ưu.

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN