Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo kỹ thuật gốm cordierite
1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN SILICAT o0o BÁO CÁO KỸ THUẬT GỐM SỨ Nhóm: Nguyễn Thanh Vinh – V0702976 Trịnh Văn Thảo – V0704454 Lê Quang Dương – V0700449 Nguyễn Bảo Ngun –V0701624 Phan Quốc Bình –V0700171 2 3 I.CHẤT NỀN CORDIERITE 6 I.1.Giới thiệu Về Cordierite 6 I.2.Một số phương pháp đã được nghiên cứu 6 I.3.Ứng dụng làm chất nền 7 II.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG 8 II.1Giới thiệu Về γ- Al 2 O 3 8 II.1.1.Cấu trúc của γ- Al 2 O 3 8 II.1.2.Cấu tạo bề mặt của γ-Al 2 O 3 8 II.2.Ứng dụng của gamma oxyt nhôm 11 III.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE 12 III.1.Giới thiệu Về Nhôm oxyt là nguyên liệu để tổng hợp 13 III.1.1.Nhôm oxyt 13 III.1.2.Nhôm nitrat 16 III.2.Giới thiệu Về Magiê oxyt là nguyên liệu để tổng hợp 18 III.2.1.Magiê oxyt 18 III.2.2.Magiê nitrat 20 III.3.Giới thiệu Về Silic oxyt là nguyên liệu để tổng hợp 21 III.3.1.Silic oxyt 21 III.3.2.Giới thiệu Về thủy tinh lỏng (TEOS) 23 III.4. GIỚI THIỆU VỀ CITRIC AXIT 25 III.4.1.Tính chất Vật lý của axit citric 25 III.4.2.Tính chất hoá học của axit citric 27 III.4.3.Ứng dụng của citric axi t 29 IV.CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP XÚC TÁC 30 IV.1.Phương pháp phản ứng ở trạng thái rắn 30 IV.1.1.Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn 32 IV.1.2.Quá trình phát triển của tinh thể sản phẩm 32 IV.2.Phương pháp kết tủa . 33 4 IV.3.Phương pháp kết tinh thủy nhiệt 34 IV.4.Phương pháp phân hủy trực tiếp từ muối 35 IV.5.Phương pháp sol-gel 36 IV.5.1.Khái niệm Về sol 37 IV.5.2.Khái niệm Về gel 37 IV.5.3.Ưu nhược điểm của phương pháp sol – gel 38 IV.5.4.Các giai đoạn của quá trình sol-gel 38 5 MỞ ĐẦU Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một Vấn đề nhức nhối Với con người. Trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ khí thải động cơ. Các thành phần khí gây ô nhiễm như các oxyt nitơ, oxyt lưu huỳnh, hydrocacbon dễ bay hơi, cacbon monoxyt, …ngày càng gia tăng gây ra các hiện tượng mưa axit, hiệu ứng nhà kính, lỗ hổng tầng ozon, đặc biệt là những thay đổi Về khí hậu. Do Vậy Vấn đề xử lý khí thải của các quá trình đốt cháy nhiên liệu, đặc biệt là khí thải xe cơ giới đang thu hút được nhiều nghiên cứu. Đa số các nghiên cứu đều sử dụng các bộ chuyển hóa xúc tác Với xúc tác là kim loại quý như bạch kim, paladi, rhodi…Xúc tác này thường gồm 3 lớp: chất nền làm từ các loại gốm như Cordierite hoặc t ừ phoi kim loại, chất mang phổ biến là γ- Al 2 O 3 phủ bên ngoài lớp chất nền Và cuối cùng là lớp xúc tác kim loại. Xúc tác phải có khả năng xử lý đồng thời ba thành phần ô nhiễm chính là CO, NO x Và hydrocacbon dễ bay hơi. Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 . Thành phần hóa học của Cordierite là 2 MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2 . Cordierite là loại Vật liệu phổ biến, có độ bền nhiệt Và bền cơ cao nên được ứng dụng làm chất nền điều chế xúc tác xử lý khí thải của các quá trình đốt cháy nhiên liệu. Các nghiên cứu chủ yếu tổng hợp Cordierite đi từ nguồn nguyên liệu tự nhiên như cao lanh, talc, alumosilicat tự nhiên…chưa đạt được các thông số mong muốn. Đồ án đặt Vấn đề tổng hợp Cordierite theo một hướng đi mới nhằm tăng diện tích bề mặt, tăng khả năng hoạt động trong khi giảm xuống tối thiểu lượng chất xúc tác cần dùng Vì giá thành rất đắt. 6 7 I. CHẤT NỀN CORDIERITE. I.1.Giới thiệu Về Cordierite. Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 . Thành phần hóa học c ủ a Cordierite là 2 MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2 . Cordierite chứa 13,7℅ MgO; 34,9℅ Al 2 O 3 Và 54,1℅ SiO 2 .Với thành phần này, Cordierite thuộc nhóm gốm có thành phần mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) cao. Cordierite là một loại tinh thể có trong tự nhiên được nhà khoáng Vậ t người Pháp Pierre Louis A. Cordier (1777-1861) phát hiện. Cordierite kết tinh ở dạng lục phương Và có cấu trúc là các Vòng Silicat 6 cạnh. Tinh thể Cordierite có nhiều đặc tính quý như có hệ số giãn nở nhiệt thấp, tổn thất điện môi nhỏ. Gốm Cordierite là một loại gốm mà tinh thể chính là Cordierite, gốm Cordierite có độ bền nhiệt cao, dễ tạo xốp nên được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghệ mà có sự biến đổi rất nhanh Về nhiệt độ như làm bộ lọc trong các động cơ, làm chất mang xúc tác, làm Vật liệu lót trong công nghệ Hàn hồ quang (Mig-Mag). Tuy nhiên, gốm Cordierite là một loại gốm rất khó nung do có khoảng nung rất hẹp (từ 20 0 C÷30 0 C). Cho đến nay sau gần 200 năm trôi qua đã có nhiều công trình nghiên cứu phát triển nhằm hạ thấp nhiệt độ nung Và kéo dài khoảng nung của loại Vật liệu này. . Ngoài nhu cầu trong công nghệ hàn trong đóng tàu, công nghiệp hàn nói chung cũng có nhu cầu rất lớn Về loại Vật liệu này. Ở VIệt Nam đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu để tổng hợp Cordierite nhưng ứng dụng chưa nhiều. VIệc phát triển công nghệ sản xuất Cordierite nói chung Và Cordierite làm chất nền cho xúc tác xử lý khí thải là rất cần thiết. Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 . Thành phần hóa học c ủ a Cordierite là 2 MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2 . Cordierite chứa 13,7℅ MgO; 34,9℅ Al 2 O 3 Và 54,1℅ SiO 2 .Với thành phần này, Cordierite thuộc nhóm gốm có thành phần mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) cao.[21] I.2.Một số phương pháp đã được nghiên cứu. Rất nhiều các nghiên cứu khoa học đã tổng hợp thành công Vật liệu gốm Cordierite đi từ nguyên liệu tự nhiên. • Tổng hợp dùng nguồn nguyên liệu đi từ cao lanh A lưới bằng phương pháp đồng kết tủa. • Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hỗ trợ của phương pháp cơ hóa. • Tổng hợp Cordierite từ các nguyên liệu tự nhiên là cao lanh, talc, Và bột nhôm hydroxyt thương mại. • Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp phân tán rắn –lỏng trên nền khoáng alumosilicat tự nhiên. 8 • Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp sol –gel đi từ Na 2 SiO 3 Và muối có chứa Magiê Và Nhôm. I.3.Ứng dụng làm chất nền. Cordierite là loại Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất nền cho xúc tác 3 nhiệm Vụ. Sở dĩ như Vậy Vì Vật liệu này đạt được những tính chất cơ bản của chất nền là: • Có độ bền nhiệt Và bền cơ cao nên độ bền chung cao Và không bị Vỡ. • Khả năng chịu được những chấn động nhiệt rất tốt do có độ xốp nhỏ, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ. • Chịu được tốc độ nhanh của dòng khí ra. • Độ sụt áp thấp. Chất nền bằng gốm Cordierite thường được chế tạo dưới dạng khối liền hình trụ có nhiều lỗ nhỏ đi qua. Khi cần có thể ghép 2 khối lại Với nhau, cách nhau 1 Vòng đệm bằng titanat nhôm. Những đặc trưng cơ bản của khối liền Cordierite là : Số lỗ trên 1 cm 2 : 46 hoặc 62 Bề dày của thành 1 lỗ, mm : 1,11; 1,15; 1,30 Độ xốp ,℅ : 30 Bề mặt hình học, m/l : 2,19 hoặc 2,79 Khối lượng riêng của Vật liệu, g/cm 3 : 1,68 Khối lượng riêng biểu kiến, g/cm 3 : 0,58 hoặc 0,41 Nhiệt dung riêng C p ,cal/g 0 C: 0,086 Hệ số dãn nở nhiệt, 10 -6 / 0 C: 0,7 Giới hạn nhiệt độ sử dụng, o C: 1100 Kích thước lỗ to, Å : 7000 ÷ 10000 Kích thước VI lỗ, Å : 70 ÷ 90 Bề mặt riêng BET,m 2 /g : <1 Ngoài Cordierite, người ta còn dùng chất nền là chính oxyt nhôm chế tạo dưới dạng các VIên cầu kích thước cỡ 3mm,hoặc các lá kim loại uốn hình lượn sóng hay các phoi kim loại ở dạng lưới. Dùng phoi kim loại có một số tính năng tốt hơn Cordierite như dễ gia công lỗ Và số lỗ lớn hơn, chịu dãn nở nhiệt tốt hơn, khó gãy Vỡ hơn, làm tăng tuổi thọ của xúc tác…Nhưng ưu điểm của chất nền cordierite là độ dãn nở nhiệt thấp (nhỏ nhất trong các loại Vật 9 liệu chịu lửa) làm cho nhiệt của khí thải được giữ ở lớp xúc tác nên chất nền này đạt đến nhiệt độ hoạt động nhanh hơn. Khối chất nền từ Cordierite cũng có thể chịu được những chấn động nhiệt. Bề măt xù xì hơn kim loại nên khả năng bám dính của xúc tác lớn hơn.[30] II.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG γ- Al 2 O 3 . II.1Giới thiệu Về γ- Al 2 O 3 . II.1.1 Cấu trúc của γ- Al 2 O 3 . Cấu trúc của tinh thể của γ- Al 2 O 3 . Cấu trúc của nhôm oxyt được xây dựng từ các đơn lớp của các quả cầu bị xếp chặt, lớp này có dạng tâm đối mà ở đó mọi ion O 2- được định Vị ở Vị trí 1. Lớp tiếp theo được phân bố trên lớp thứ nhất, ở đó tất cả các quả cầu thứ hai nằm ở Vị trí lõm sâu của lớp thứ nhất (Vị trí 2). Lớp thứ ba được phân bố trên các hố sâu khác của lớp thứ nhất (Vị trí 3) (Hình 2). 1 2 1 1 2 3 2 1 1 1 3 2 2 3 2 1 1 1 1 Hình 2. Cấu trúc khối của γ - Al 2 O 3 . Các cation kim loại trong đó Al 3+ nhất thiết được phân bố trong không gian giữa các lớp bó chặt anion. Lỗ hổng duy nhất mà ion Al 3+ có thể phân bố là ở giữa hai lớp. Một khả năng khác, các ion Al 3+ nằm ở Vị trí trên lỗ hổng tam giác, lớp oxy thứ hai thuộc Vị trí 2 được phân bố trên ion Al 3+ . Ion Al 3+ trong trường hợp này nằm ở Vị trí tâm bát diện (hình 3). 10 Al 3 Hình3. Sự phân bố của Al 3+ trong mạng không gian. Lớp oxy thứ hai của oxyt trong Vị trí 2 phân bố trên Al 3+ . Nếu tiếp tục sắp xếp bằng phương pháp này thì một ion Al 3+ được bao bọc bởi 3 ion oxy, để thoả mãn độ trung hoà điện tích thì cần thiết phải trống một trong ba Vị trí của cation. Sự thiếu Vắng này dẫn đến khả năng sắp xếp trong mạng thành các hình lục giác đều mà đỉnh là các Al 3+ (hình 4). 1 O 2- 1 1 Al 3+ 1 1 1 1 1 1 1 Hình 4. Vị trí ion Al 3+ trong cấu trúc bó chặt anion. Khi tách nước cấu trúc có thể đưa đến cấu trúc bó chặt khối lục diện chuyển sang lập phương. Trong cấu trúc lập phương bó chặt khối bát diện rỗng chứa các ion nằm ở trung tâm, đồng thời khối bát diện kết hợp Với khối tứ diện Và tạo khoảng không gian cho các cation bé. Al 3+ có thể Vào khối bát diện Và tứ diện. [...]... ban đầu (để biết điều này thì đơn giản nhất là ghi phổ XRD của mẫu bột sản phẩm) 30 Thông thường, để thực hiện phản ứng hoàn toàn phải tiến hành kỹ thuật nghiền trộn, nung,để nguội rồi lại nghiền trộn, nung tới Vài lần Đây là nhược điểm chủ yếu của phương pháp gốm truyền thống.[10] VI.2.Phương pháp kết tủa Bản chất của phương pháp là kết tủa đồng thời tất cả các ion có trong thành phần của oxyt phức... khả năng hút ẩm Và CO 2 của không khí Khi nung nóng thật mạnh MgO thăng hoa sau đó lắng xuống ở dạng tinh thể khó tan trong axit Phản ứng điều chế MgCl2 (MgCl2 được dùng để điện phân điều chế Mg trong kỹ thuật) : MgO + CO + Cl2 → MgCl2 + CO 2↑ Phản ứng Với CaC2: MgO + CaC2 → Mg + CaO + 2C Hỗn hợp MgO + CaO Với silic dạng fero-silic nung nóng dưới áp suất thường Và ở nhiệt độ 12000C ÷ 13000C xảy ra theo... trước khi gel xuất hiện Gel chỉ tạo thành khi quá trình tạo phức oxo, hydroxo Và quá trình ngưng tụ của chúng xảy ra chậm hơn Do đó để quá trình tạo gel xảy ra thuận lợi thì cần thiết phải có biện pháp kỹ thuật làm chậm lại quá trình tạo phức oxo, hydroxo Và quá trình ngưng tụ của chúng Trong thực tế, một số tác nhân làm chậm thường được sử dụng như citric axit, aleic axit … Khi có mặt tác nhân làm chậm,... xúc tiến cho phản ứng hydro hóa, dehydro hóa còn Al2O3 là chất mang có tính axit, đóng Vai trò chức năng axit – bazơ thúc đẩy phản ứng izome hóa, hydrocracking.[17,18] V.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE V.1.Giới thiệu Về Nhôm oxyt Và nguyên liệu để tổng hợp 13 V.1.1.Nhôm oxyt Nhôm oxyt là một hợp chất lưỡng tính có công thức Al2O3 Nhôm oxyt thường có mặt trong các khoáng Vật côrunđum, saphia,... chân không người ta thu được hơi SiO SiO 2 + Si → 2SiO Hơi SiO này khi được làm lạnh nhanh sẽ ngưng tụ thành bột mịn màu nâu có cấu tạo polymer (SiO)n - Trong công nghiêp có phản ứng để điều chế Si kĩ thuật Với độ tinh khiết 95℅÷ 98℅ SiO 2 + 2C → Si + 2CO SiO2 + 2CaC2 → 3Si + 2CaO + 4CO c.Điều chế: 23 Thuỷ phân (dựa trên phản ứng: SiCl4 + 2H2O = SiO2 + 4HCl ), bằng phương pháp VAD (Vapor axial deposition)... phức tạp, dùng làm các dụng cụ phòng thí nghiệm, những dụng cụ chiếu sáng Dạng tinh thể lớn của silic đioxyt trong tự nhiên là gọi là pha lê tự nhiên Ngày nay những tinh thể này cần cho nhiều ngành kĩ thuật được nuôi cấy trong các phân xưởng nhà máy.[4] V.3.2.Giới thiệu Về thủy tinh lỏng (TEOS) Công thức cấu tạo: Theo IUPAC : TEOS là Tetra-ethyl-ortho-silicate, hoặc equIIalently Tetra-ethoxy-silane... lượng alumina hàng năm trên thế giới Vào khoảng 45 triệu tấn, hơn 90% trong số đó được sử dụng để sản xuất nhôm Ứng dụng chủ yếu của nhôm oxyt là trong các ngành công nghiệp sản xuất Vật liệu chịu nhiệt, gốm, đánh bóng bề mặt Và mài mòn, một lượng đáng kể nhôm oxyt còn được sử dụng trong sản xuất zeolite, làm chất phủ bề mặt Và Vật liệu chống cháy Nhôm oxyt dạng bột được sử dụng làm chất mang trong máy... khí.Trong công nghiệp MgO được sản xuất chủ yếu từ magiêzit (MgCO3),nước muối.Magiê hydroxyt được tạo thành như là một sản phẩm trung gian trong quá trình điều chế MgO từ nước muối.MgO được sử dụng trong kĩ thuật do nó có nhiệt độ nóng chảy cao (do có năng lượng mạng lưới lớn ,có thể bay hơi mà không bị phân hủy), bền hóa, tính dẫn nhiệt tốt, tính dẫn điện kém, Và có hoạt tính sinh học a.Tính chất Vật lý . HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN SILICAT o0o BÁO CÁO KỸ THUẬT GỐM SỨ Nhóm: Nguyễn Thanh Vinh – V0702976 Trịnh Văn Thảo – V0704454. CHẤT NỀN CORDIERITE. I.1.Giới thiệu Về Cordierite. Cordierite là loại Vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 . Thành phần hóa học c ủ a Cordierite là 2 MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2 . Cordierite. hiện. Cordierite kết tinh ở dạng lục phương Và có cấu trúc là các Vòng Silicat 6 cạnh. Tinh thể Cordierite có nhiều đặc tính quý như có hệ số giãn nở nhiệt thấp, tổn thất điện môi nhỏ. Gốm Cordierite