Luận văn thạc sĩ chế biến ứng dụng sản phẩm phụ fe2o3 sau quá trình điều chế tio2 từ quặng ilmenit theo phương pháp amoni florua

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế biến ứng dụng sản phẩm phụ Fe2O3 từ quá trình điều chế TiO2 từ quặng ilmenit bằng phương pháp amoni florua.

• Tác giả: Dương Thị Thanh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Trọng Uyển
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Chế Biến Fe2O3 Từ Quặng Ilmenit Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu chung về Fe2O3
• 1.2. Cấu tạo và tính chất của Fe2O3
• 1.3. Các phương pháp sản xuất
• 1.4. Ứng dụng của Fe2O3
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit

Chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit là một quy trình quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Quặng Ilmenit chứa hàm lượng sắt cao, và việc chế biến nó thành Fe2O3 không chỉ giúp tận dụng nguồn tài nguyên mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Quá trình này thường được thực hiện thông qua các phương pháp hóa học và nhiệt, nhằm thu hồi sắt dưới dạng oxit sắt III. Việc nghiên cứu và phát triển quy trình chế biến này có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường.

1.1. Giới thiệu về quặng Ilmenit và Fe2O3

Quặng Ilmenit là một nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất TiO2 và Fe2O3. Ilmenit chứa khoảng 50-60% TiO2 và 30-40% Fe2O3. Fe2O3, hay còn gọi là oxit sắt III, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, từ sản xuất sơn đến xử lý nước. Việc chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit không chỉ giúp tận dụng nguồn tài nguyên mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao.

1.2. Tính chất và ứng dụng của Fe2O3

Fe2O3 có nhiều dạng thù hình, bao gồm α-Fe2O3 và γ-Fe2O3, với các tính chất vật lý và hóa học khác nhau. α-Fe2O3 được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chất màu, chất xúc tác và vật liệu hấp phụ. γ-Fe2O3, với tính từ tính cao, thường được ứng dụng trong các thiết bị từ tính và cảm biến. Việc hiểu rõ tính chất của Fe2O3 giúp tối ưu hóa quy trình chế biến và ứng dụng của nó.

II. Vấn đề và thách thức trong chế biến Fe2O3

Mặc dù chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc xử lý chất thải từ quá trình chế biến. Chất thải chứa sắt có thể gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Ngoài ra, việc tối ưu hóa quy trình chế biến để đạt được hiệu suất cao và giảm thiểu chi phí cũng là một thách thức lớn.

2.1. Thách thức về xử lý chất thải

Chất thải từ quá trình chế biến Fe2O3 thường chứa hàm lượng sắt cao, nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả để tái sử dụng chất thải là rất cần thiết. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới để xử lý chất thải này, nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường.

2.2. Tối ưu hóa quy trình chế biến

Để đạt được hiệu suất cao trong chế biến Fe2O3, cần tối ưu hóa các yếu tố như nhiệt độ, thời gian nung và tỷ lệ nguyên liệu. Việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp mới có thể giúp cải thiện quy trình chế biến, giảm thiểu chi phí và tăng cường chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể mang lại kết quả đáng kể.

III. Phương pháp chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit

Có nhiều phương pháp để chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit, trong đó phương pháp amoni florua được sử dụng phổ biến. Phương pháp này không chỉ giúp thu hồi sắt hiệu quả mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, các phương pháp hóa học khác như đồng kết tủa và sol-gel cũng đang được nghiên cứu để cải thiện quy trình chế biến.

3.1. Phương pháp amoni florua

Phương pháp amoni florua là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit. Quá trình này bao gồm việc hòa tách quặng Ilmenit với amoni florua, tạo ra muối amoni sắt, sau đó nung để thu hồi Fe2O3. Phương pháp này không chỉ giúp thu hồi sắt mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải được xử lý hiệu quả.

3.2. Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa là một kỹ thuật phổ biến trong chế biến Fe2O3. Quá trình này diễn ra khi nồng độ của chất đạt đến trạng thái bão hòa, dẫn đến sự hình thành các hạt kết tủa. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt Fe2O3, từ đó cải thiện tính chất của sản phẩm cuối cùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Fe2O3 trong công nghiệp

Fe2O3 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất sơn đến xử lý nước. Trong ngành công nghiệp sơn, Fe2O3 được sử dụng như một chất màu, mang lại độ bền và tính thẩm mỹ cao cho sản phẩm. Ngoài ra, Fe2O3 còn được sử dụng trong các ứng dụng xử lý nước, giúp loại bỏ kim loại nặng và cải thiện chất lượng nước.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất sơn

Fe2O3 được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sơn như một chất màu. Các dạng thù hình của Fe2O3 mang lại màu sắc đa dạng, từ đỏ đến nâu, giúp tăng cường tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Ngoài ra, Fe2O3 còn có khả năng chống ăn mòn, làm tăng độ bền cho sơn.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước

Fe2O3 được sử dụng như một vật liệu hấp phụ trong xử lý nước, giúp loại bỏ các ion kim loại nặng như Cu(II), Cr(VI) và Zn(II). Nghiên cứu cho thấy Fe2O3 có khả năng hấp phụ cao, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường. Việc ứng dụng Fe2O3 trong xử lý nước đang được mở rộng và phát triển.

V. Kết luận và tương lai của chế biến Fe2O3

Chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, với nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Việc tối ưu hóa quy trình chế biến và ứng dụng Fe2O3 trong các lĩnh vực khác nhau sẽ mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả chế biến và mở rộng ứng dụng của Fe2O3.

5.1. Tương lai của nghiên cứu chế biến Fe2O3

Nghiên cứu chế biến Fe2O3 từ quặng Ilmenit sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu tối ưu hóa quy trình và phát triển các ứng dụng mới. Các công nghệ mới như công nghệ nano và công nghệ sinh học có thể được áp dụng để cải thiện hiệu quả chế biến và mở rộng ứng dụng của Fe2O3 trong công nghiệp.

5.2. Định hướng phát triển bền vững

Định hướng phát triển bền vững trong chế biến Fe2O3 là rất quan trọng. Việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tối ưu hóa quy trình chế biến sẽ giúp bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và nâng cao giá trị kinh tế. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế biến thân thiện với môi trường, nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững cho ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình điều chế TiO2 từ quặng Ilmenit theo phương pháp amoni florua tạo ra sản phẩm phụ Fe2O3 với hàm lượng sắt tương đối lớn trong bã thải. Theo ước tính, lượng chất thải chứa sắt này nếu không được xử lý hiệu quả sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là môi trường nước. Nghiên cứu nhằm hoàn thiện quy trình chế biến quặng Ilmenit, tận thu Fe2O3 từ sản phẩm phụ sau quá trình điều chế TiO2, đồng thời ứng dụng Fe2O3 làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong xử lý nước thải. Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu quá trình tách sắt dưới dạng muối amoni (NH4)3FeF6, điều chế Fe2O3 bằng phương pháp nung phân giải muối amoni, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và đánh giá khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng Cu(II), Cr(VI), Zn(II) trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi quặng Ilmenit tại Việt Nam, với các thí nghiệm tiến hành tại phòng thí nghiệm Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam và Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2017-2018. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện, có khả năng tái sử dụng, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Tính chất và cấu trúc của Fe2O3 (Hematite): Fe2O3 tồn tại dưới nhiều dạng thù hình như α-Fe2O3 (hematite), γ-Fe2O3 (maghemite), ε-Fe2O3 với các đặc tính vật lý và hóa học khác nhau. Hematite có cấu trúc lục giác, chịu nhiệt tốt, có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng nhờ bề mặt xốp và tính bazơ.

• Phương pháp tách và điều chế TiO2 từ quặng Ilmenit: Phương pháp amoni florua sử dụng NH4F để phân giải quặng Ilmenit, tạo ra các muối amoni phức tạp như (NH4)2TiF6 và (NH4)3FeF6. Quá trình này giúp thu hồi TiO2 tinh khiết và tạo ra sản phẩm phụ Fe2O3 từ muối sắt amoni.

• Mô hình hấp phụ Langmuir: Mô hình này được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ ion kim loại nặng trên bề mặt Fe2O3, với giả định bề mặt hấp phụ đồng nhất và hấp phụ một lớp, giúp đánh giá dung lượng hấp phụ cực đại và hệ số hấp phụ.

• Phương pháp phân tích nhiệt (DTA/TGA) và nhiễu xạ tia X (XRD): Dùng để xác định nhiệt độ chuyển pha, thành phần pha và cấu trúc tinh thể của Fe2O3 sau quá trình nung phân giải muối amoni.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là quặng Ilmenit sau phân giải bằng NH4F, sản phẩm muối amoni (NH4)3FeF6 và Fe2O3 thu được sau nung phân giải. Dữ liệu thí nghiệm bao gồm các kết quả phân tích hóa học, vật lý và quang phổ.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phân tích thể tích để xác định hàm lượng Fe2O3, phương pháp DTA/TGA để khảo sát nhiệt độ nung tối ưu, XRD để xác định thành phần pha, SEM và TEM để quan sát hình thái và kích thước hạt Fe2O3, quang phổ UV-Vis để xây dựng đường chuẩn và xác định nồng độ ion kim loại nặng trước và sau hấp phụ.

• Phương pháp thí nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ lỏng-rắn, nồng độ NH4F, nhiệt độ và thời gian nung đến hiệu suất tách và chất lượng Fe2O3. Khảo sát khả năng hấp phụ Cu(II), Cr(VI), Zn(II) của Fe2O3 trong điều kiện pH, thời gian và nồng độ khác nhau.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thí nghiệm và phân tích được thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng, từ khảo sát điều kiện tách muối amoni, điều chế Fe2O3 đến đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỉ lệ lỏng-rắn đến hiệu suất hòa tách quặng Ilmenit: Khi tỉ lệ lỏng-rắn đạt 6:1, hiệu suất hòa tách titan đạt 91%. Tăng tỉ lệ lỏng-rắn lên 8:1 chỉ làm tăng hiệu suất lên 93%, không đáng kể, cho thấy tỉ lệ 6:1 là tối ưu để cân bằng hiệu suất và tính khả thi công nghiệp.

2. Ảnh hưởng của nồng độ NH4F đến hiệu suất tách loại (NH4)3FeF6: Tại nồng độ NH4F 24%, hiệu suất tách loại muối sắt đạt 98,5%. Khi tăng nồng độ NH4F lên 26%, hiệu suất chỉ tăng nhẹ lên 99,7%, đồng thời nồng độ quá cao gây kết tủa titan làm thất thoát nguyên liệu. Do đó, nồng độ NH4F tối ưu là khoảng 24%.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tách loại (NH4)3FeF6: Nhiệt độ 0°C cho hiệu suất tách loại cao nhất 99,8%. Khi tăng nhiệt độ lên 20°C, hiệu suất giảm xuống 95%, cho thấy nhiệt độ thấp giúp kết tủa muối sắt hiệu quả hơn.

4. Khảo sát điều kiện nung phân giải muối amoni để điều chế Fe2O3: Phân tích nhiệt DTA/TGA xác định nhiệt độ nung tối ưu khoảng 500°C để phân giải hoàn toàn muối (NH4)3FeF6 thành Fe2O3. SEM và TEM cho thấy Fe2O3 có kích thước hạt nano đồng nhất, phù hợp làm vật liệu hấp phụ.

5. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của Fe2O3: Fe2O3 hấp phụ hiệu quả các ion Cu(II), Cr(VI), Zn(II) trong nước. Ở pH tối ưu 5-7, thời gian hấp phụ 180 phút, Fe2O3 đạt dung lượng hấp phụ cực đại lần lượt là 45 mg/g cho Cu(II), 38 mg/g cho Cr(VI) và 40 mg/g cho Zn(II). Mô hình Langmuir phù hợp với dữ liệu hấp phụ, cho thấy hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất hòa tách titan và tách loại muối sắt phụ thuộc chặt chẽ vào tỉ lệ lỏng-rắn, nồng độ NH4F và nhiệt độ. Tỉ lệ lỏng-rắn 6:1 và nồng độ NH4F 24% là điều kiện tối ưu cân bằng giữa hiệu suất và chi phí. Nhiệt độ thấp giúp tăng hiệu suất tách loại muối sắt do giảm độ tan của muối trong dung dịch. Nhiệt độ nung 500°C đủ để phân giải muối amoni thành Fe2O3 tinh khiết, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về nhiệt độ chuyển pha của muối sắt amoni. Kích thước hạt nano Fe2O3 tạo ra có bề mặt lớn, tăng khả năng hấp phụ ion kim loại nặng. So sánh với các nghiên cứu khác, dung lượng hấp phụ của Fe2O3 trong nghiên cứu này tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ hiệu quả của vật liệu trong xử lý nước ô nhiễm. Dữ liệu hấp phụ được trình bày qua biểu đồ đường chuẩn UV-Vis và đường đẳng nhiệt Langmuir, minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa nồng độ ion và dung lượng hấp phụ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình hòa tách: Áp dụng tỉ lệ lỏng-rắn 6:1 và nồng độ NH4F 24% trong quy trình hòa tách quặng Ilmenit để đạt hiệu suất cao, giảm chi phí nguyên liệu và xử lý môi trường.

2. Kiểm soát nhiệt độ tách loại muối sắt: Duy trì nhiệt độ thấp khoảng 0-5°C trong quá trình tách loại (NH4)3FeF6 để tăng hiệu suất kết tủa và giảm thất thoát titan, do đó nâng cao hiệu quả thu hồi nguyên liệu.

3. Điều chỉnh điều kiện nung phân giải: Nung muối amoni ở 500°C trong 1,5 giờ để thu Fe2O3 có kích thước hạt nano đồng nhất, đảm bảo tính chất vật liệu hấp phụ kim loại nặng.

4. Ứng dụng Fe2O3 trong xử lý nước: Sử dụng Fe2O3 làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng Cu(II), Cr(VI), Zn(II) trong nước thải công nghiệp, đặc biệt tại các nhà máy khai thác mỏ, chế biến kim loại và xử lý nước thải công nghiệp.

5. Chủ thể thực hiện: Các nhà máy sản xuất TiO2 từ quặng Ilmenit, các trung tâm xử lý nước thải công nghiệp và viện nghiên cứu vật liệu nên phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu chi tiết quy trình tách và điều chế Fe2O3 từ quặng Ilmenit, phương pháp phân tích vật liệu và ứng dụng hấp phụ kim loại nặng.

2. Doanh nghiệp sản xuất TiO2 và vật liệu oxit sắt: Áp dụng quy trình tối ưu hóa tách sắt và điều chế Fe2O3 để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chất thải và phát triển sản phẩm phụ có giá trị.

3. Các cơ quan quản lý môi trường: Hiểu rõ về nguồn gốc và xử lý chất thải từ quá trình chế biến quặng Ilmenit, từ đó xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và khuyến khích tái sử dụng sản phẩm phụ.

4. Các đơn vị xử lý nước thải công nghiệp: Ứng dụng Fe2O3 làm vật liệu hấp phụ hiệu quả trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng, cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá trình tách sắt từ quặng Ilmenit bằng NH4F có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phương pháp sử dụng NH4F giúp giảm lượng chất thải axit, tận dụng tối đa sản phẩm phụ, thu hồi TiO2 tinh khiết hơn và giảm chi phí xử lý môi trường so với phương pháp axit sunphuric truyền thống.

2. Nhiệt độ nung tối ưu để điều chế Fe2O3 từ muối amoni là bao nhiêu?
   Nhiệt độ nung khoảng 500°C trong 1,5 giờ được xác định là tối ưu để phân giải hoàn toàn muối (NH4)3FeF6 thành Fe2O3 có kích thước hạt nano đồng nhất, phù hợp làm vật liệu hấp phụ.

3. Fe2O3 hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng nào?
   Fe2O3 trong nghiên cứu này hấp phụ tốt các ion Cu(II), Cr(VI), Zn(II) với dung lượng hấp phụ cực đại lần lượt khoảng 45 mg/g, 38 mg/g và 40 mg/g, đặc biệt ở pH từ 5 đến 7.

4. Làm thế nào để xác định hiệu suất tách loại muối sắt (NH4)3FeF6?
   Hiệu suất được tính dựa trên nồng độ muối sắt trong dung dịch trước và sau khi tách, sử dụng phương pháp phân tích thể tích và quang phổ UV-Vis để đo chính xác nồng độ.

5. Fe2O3 có thể tái sử dụng trong quá trình xử lý nước không?
   Fe2O3 có khả năng tái sử dụng sau quá trình hấp phụ nhờ tính ổn định về cấu trúc và dễ dàng tái sinh bằng các phương pháp hóa học hoặc nhiệt, giúp giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả xử lý.

Kết luận

• Nghiên cứu đã hoàn thiện quy trình tách sắt dưới dạng muối amoni từ quặng Ilmenit sau phân giải bằng NH4F với hiệu suất tách loại đạt trên 98% ở điều kiện tối ưu.
• Điều chế Fe2O3 bằng phương pháp nung phân giải muối amoni ở 500°C cho sản phẩm có kích thước hạt nano, phù hợp làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng.
• Fe2O3 thu được có khả năng hấp phụ hiệu quả các ion Cu(II), Cr(VI), Zn(II) trong nước với dung lượng hấp phụ cao, ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước thải công nghiệp.
• Các yếu tố như tỉ lệ lỏng-rắn, nồng độ NH4F, nhiệt độ tách loại và thời gian nung ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất tách.
• Đề xuất triển khai ứng dụng quy trình và vật liệu Fe2O3 trong công nghiệp và xử lý môi trường trong vòng 1-2 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực khai thác, chế biến quặng Ilmenit và xử lý nước thải được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm bền vững và thân thiện môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN C\C VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về Fe2O3 1. Cấu tạo và tính chất của Fe2O3 Fe2O3 tạo ra ba dạng thù hình l{  - Fe2O3 dạng thuận từ, dạng  - Fe2O3 l{ dạng sắt từ v{ dạng  - có cấu trúc kiểu coridon; Fe2O3 nóng chảy ở 1565oC v{ thăng hoa ở 2000oC.

Fe2O3 tan trong axít tạo th{nh ion phức [Fe(OH2)6]3+ không m{u; m{u n}u của dung dịch muối sắt (III) l{ do m{u của sản phẩm phản ứng thủy ph}n, tức l{ m{u của ion phức hidroxo – aqua: [Fe(OH2)6]3+ + H2O  [Fe(OH2)5OH]2+ + H3O+ Bên cạnh tính chất chủ yếu l{ tính bazơ, Fe2O3 còn có tính axít tạo th{nh muối ferit m{u v{ng hoặc đỏ, khi nung hỗn hợp Na2CO3 + Fe2O3: o t C Fe2O3 + Na2CO3    2NaFeO2 + CO2  Khi nung với C, hoặc nung trong luồng khí CO, H2 hoặc khí than đ|, Fe2O3 sẽ bị khử th{nh Fe: o t C Fe2O3 + 3C    2Fe + 3CO  o t C Fe2O3 + 3CO    2Fe + 3CO2  o t C Fe2O3 + 3H2    2Fe + 3H2O  α-Fe2O3 được nghiên cứu v{ tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng hematite. Hematite có dạng hình thoi ở trung t}m v{ có cấu trúc lục gi|c giống như hình dạng của những viên corodum (α-Al2O3) trong mạng lưới oxi trong đó ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích b|t diện [11]. Hematite l{ một trong những sản phẩm cuối cùng của sự biến đổi nhiệt của c|c hợp chất sắt (II) v{ sắt (III). Ngo{i phương ph|p xử lý nhiệt thì một loạt c|c phương ph|p kh|c để tổng hợp hematite đ~ được biết đến chẳng hạn như phương ph|p ướt.

Hematite được điều chế bằng c|ch thuỷ ph}n muối sắt trong môi trường axít mạnh (pH=1÷2), ở nhiệt độ (100°C). 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Fe2O3 (Hematit) β-Fe2O3 có từ tính không ổn định l{ một điểm riêng để ph}n biệt nó với c|c dạng α, γ, ε, β-Fe2O3 siêu bền với nhiệt v{ được chuyển đổi th{nh hematite ở nhiệt độ khoảng 500°C. γ-Fe2O3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng kho|ng maghemite.

γ-Fe2O3 không bền với nhiệt v{ được chuyển th{nh hematite ở nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ v{ cơ chế của sự thay đổi cấu trúc phụ thuộc v{o điều kiện thí nghiệm v{ đặc biệt l{ kích thước của c|c hạt maghemite. Trong trường hợp cấu trúc hạt bé thì ε - Fe2O3 l{ chất trung gian trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ-Fe2O3 →α-Fe2O3, cơ chế chuyển đổi th{nh hematite phụ thuộc nhiều v{o mức độ c|c hạt tích tụ. γ-Fe2O3 (maghemite) đ~ thu hút được nhiều sự nghiên cứu do nó có tính từ v{ được sử dụng l{m chất xúc t|c.

ε -Fe2O3 có thể được xem l{ chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit, cấu trúc của nó được biết đến v{o năm 1988 bởi Tronc et al. ε-Fe2O3 có hình dạng trực thoi với 8 tế b{o đơn vị. ε-Fe2O3 được tổng hợp bằng phương ph|p sol-gel hoặc đun nóng dung dịch kali ferricyanide với hypochlorite natri v{ kali hydroxit, sau đó nung kết tủa ở 400°C. Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe2O3 →α-Fe2O3 nằm trong khoảng từ 500°C ÷ 750°C.

Kích thước của c|c hạt ε -Fe2O3 điều chế theo những phương ph|p kh|c nhau l{ khoảng 30÷80nm. Fe2O3 được hình th{nh trong qu| trình 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] nhiệt ph}n của FeO(OH) ở 170°C trong ch}n không. Năm 1975 Howe v{ Gallagher đ~ biết được cơ chế mất nước v{ cấu trúc của oxit sắt. Họ thấy rằng c|c oxit có cấu trúc khuyết tật đều có tất cả c|c đặc tính của c|c hợp chất ban đầu.

Bốn mô hình ph}n phối c|c anion chỗ trống trong mạng tinh thể oxit đ~ được đưa ra. Sắt oxit có cấu trúc dạng ống thì được giữ lại trong qu| trình mất nước, ion sắt (III) có số phối trí l{ 4. Hematite l{ một cấu trúc rất giống với goethite dựa trên lớp đóng gói bằng anion (O3). Hexit l{ chất sắt oxit ổn định nhiệt nhất v{ do đó nó rất phong phú trong c|c hệ thống tự nhiên.

Hầu hết c|c biến đổi nhiệt của c|c oxit sắt kh|c nhau dẫn đến hematit [11]. Các phương pháp sản xuất Phương ph|p tổng hợp có ảnh hưởng quan trọng đến kích thước, hình dạng, ph}n bố v{ diện tích bề mặt của sản phẩm tạo th{nh cũng như ứng dụng của nó. Hiện nay có rất nhiều phương ph|p để tổng hợp hạt oxit, có thể chia th{nh 3 phương ph|p cơ bản: - Phương ph|p Vật lý: nghiền bi, bốc bay nhiệt trong lò ủ, thủy nhiệt, bốc bay nhiệt trong ch}n không, phản ứng pha rắn, nguội nhanh… - Phương ph|p Hóa học: đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, hóa siêu }m… - Phương ph|p Hóa lý: ngưng tụ, điện hóa, điện hóa siêu }m, nhiệt ph}n… Ứng với mỗi điều kiện sản xuất, mục đích sử dụng kh|c nhau m{ người ta sử dụng c|c phương ph|p kh|c nhau tạo ra những sản phẩm có đặc trưng riêng về hình th|i v{ tính chất. Trong luận văn n{y chúng tôi giới thiệu một số phương ph|p phổ biến: Phương pháp đồng kết tủa: Trong phương ph|p kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng th|i b~o hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ.

C|c mầm kết tụ đó sẽ ph|t triển thông qua qu| trình khuyếch t|n của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của c|c mầm cho đến khi mầm trở th{nh hạt nano. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần ph}n t|ch hai giai đoạn hình th{nh mầm v{ ph|t triển mầm. Trong 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] qu| trình ph|t triển mầm, cần hạn chế sự hình th{nh của những mầm mới. C|c phương ph|p sau đ}y l{ những phương ph|p kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, ph}n ly nhiệt.

Phương ph|p đồng kết tủa l{ một trong những phương ph|p thường được dùng để tạo c|c hạt oxyd sắt. Có hai c|ch để tạo oxit sắt bằng phương ph|p n{y đó l{ hydroxit sắt bị ô xi hóa một phần bằng một chất ôxi hóa n{o đó v{ gi{ hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ phần hợp thức Fe+2 v{ Fe+3 trong dung môi nước. Phương ph|p thứ nhất có thể thu được hạt nano có kích thước từ 30nm – 100nm.[4] Phương ph|p thứ hai có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2nm – 15nm. Bằng c|ch thay đổi pH v{ nồng độ ion trong dung dịch m{ người ta có thể có được kích thước hạt như mong muốn đồng thời l{m thay đổi điện tích bề mặt của c|c hạt đ~ được hình th{nh.

Phương pháp solgel: Phương ph|p sol-gel được thực hiện theo quy trình sau: Dung dịch Sol (dung Gel (dung (Hợp chất Xerogel Tinh thể dịch keo dịch keo hữu cơ + (keo khô) bột lỏng) đặc) nước) Qu| trình tạo sol bao gồm sự hòa tan c|c ion kim loại hoặc c|c oxit kim loại kiềm, c|c muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu hoặc c|c muối kim loại vô cơ trong dung môi nước tạo th{nh thể huyền phù, sol sẽ hình th{nh khi c|c huyền phù trở nên chất keo lỏng. Sol sau đó chuyển đổi th{nh gel thông qua sự ngưng tụ. Gel sấy khô sẽ chuyển th{nh Xerogel, nhằm t|ch nước v{ nhiệt ph}n c|c chất hữu cơ. Giai đoạn tiếp theo l{ nung xerogel để tạo th{nh tinh thể bột.

Ưu điểm của phương ph|p n{y l{ có thể sử dụng nhiều loại vật liệu kh|c nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra c|c hạt có kích thước tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn… Tuy nhiên, phương ph|p n{y còn tồn tại nhiều hạn chế: do sự kh|c biệt về tốc độ thủy ph}n của c|c chất ban đầu có thể dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại c|c pha tinh thể không mong muốn.Khi tổng hợp vật liệu 15 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] bằng phương ph|p sol – gel, cần chú ý đến c|c yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như: bản chất dung môi, pH, nhiệt độ v{ nồng độ c|c chất tham gia phản ứng. Phương pháp đốt cháy gen – polime: Phương ph|p tổng hợp đốt ch|y (CS – Combustion synthesis) trở th{nh một trong những kỹ thuật quan trọng điều chế c|c vật liệu gốm mới (về cấu trúc, chức năng), vật liệu composit, vật liệu có kích thước nanomet. Trong số c|c phương ph|p hóa học sử dụng để chế tạo vật liệu oxit hay hỗn hợp oxit, phương ph|p đốt ch|y có thể tạo ra tinh thể bột nano oxit v{ oxit phức hợp ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn v{ có thể đạt ngay đến sản phẩm cuối cùng m{ không cần phải xử ly nhiệt thêm, do vậy hạn chế được sự tạo pha trung gian v{ tiết kiệm được năng lượng. Qu| trình tổng hợp đốt ch|y xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại v{ hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa c|c hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử… Những đặc tính n{y l{m cho tổng hợp đốt ch|y th{nh một phương ph|p hấp dẫn cho sản xuất c|c vật liệu mới, do thiết kế công nghệ đơn giản, chi phí thấp, dễ vận h{nh so với c|c phương ph|p truyền thống.

Trong phương ph|p đốt ch|y gel polime, để ngăn ngừa sự t|ch pha cũng như tạo sự đồng nhất cao cho sản phẩm, người ta thường dùng t|c nh}n tạo gel l{ c|c polime hữu cơ. Một số polime hữu cơ được sử dụng ngo{i vai trò t|c nh}n tạo gel còn l{ nguồn nhiên liệu như polivinyl alcol, polietylen glycol, polyacrylic axit. Trong phương ph|p n{y, dung dịch tiền chất gồm dung dịch c|c muối kim loại (thường l{ muối nitrat) được trộn với polyme ho{ tan trong nước tạo th{nh hỗn hợp nhớt. L{m bay hơi nước ho{n to{n hỗn hợp n{y thu được khối xốp nhẹ v{ đem nung ở khoảng 300 – 9000C thu được c|c oxit phức hợp.

Phương pháp xử lý nhiệt: Thường được sử dụng chế tạo bột oxit sắt từ muối sắt. C|c muối sắt thường l{ những chất thải công nghiệp mạ điện, tr|ng phủ kẽm hay chất thải của công nghiệp sản xuất rutin từ quặng ilmenit bằng 16 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] axit vô cơ. Với phương ph|p n{y cần tìm điều kiện xử lý nhiệt phù hợp với từng loại nguyên liệu để thu c|c sản phẩm sắt oxit phù hợp nhu cầu xử dụng. Ưu điểm của phương ph|p n{y không tốn nước, không cần xử lý nước thải sau qu| trình như phương ph|p đồng kết tủa, khí tho|t ra sau qu| trình nung có thể thu hồi, tiến h{nh đơn giản.

Tuy nhiên phương ph|p n{y cần tiêu tốn nhiều năng lượng tùy thuộc v{o điều kiện nung của từng sản phẩm.