LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, việc sử dụng xăng E5 không còn xa lạ với nhiều ngƣời. Tính đến ngày 1 tháng 6 năm 2016 xăng A92 không còn bán ở 8 tỉnh thành ở Việt Nam. Trong đó, ethanol có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất xăng E5 phục vụ cho chiến dịch thí điểm không bán xăng A92 lần này, mà thay vào đó là bán xăng E5. Có thể nói việc sản xuất ethanol từ biomass để ứng dụng pha vào xăng là rất quan trọng.
Nhƣng quan trọng hơn để sử dụng ethanol pha vào xăng nhất thiết ethanol phải là ethanol tuyệt đối. Vì vậy, muốn làm đƣợc đều đó ngƣời ta sử dụng nhiều phƣơng thức khác nhau nhằm làm tăng nồng độ ethanol. Một trong phƣơng pháp mang lại hiệu quả cao là sử dụng Zeolit 3A để làm tăng nồng độ ethanol. Tuy nhiên, đây là vật liệu hấp phụ mới chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi, nhƣng hiệu quả kinh tế rất cao.
Đứng trƣớc những yêu cầu cấp thiết và tầm quan trọng của zeolit 3A, tôi đi đến nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp Zeolit 3A từ cao lanh và khảo sát khả năng làm khan cồn” Để hiểu rõ hơn tại sao cần phải tổng hợp Zeolit 3A để phục vụ cho việc tinh luyện ethanol, chúng ta cần hiểu rõ những vấn đề sau: 1. Tính cấp thiết của đề tài: Đáp ứng nhu cầu tìm ra một phƣơng pháp nhằm nâng cao hiệu quả trong việc chƣng cất cồn tinh luyện. Đó là tìm ra một vật liệu hấp phụ có tính chọn lọc cao, giá thành rẻ, đem lại hiệu quả tốt trong việc chƣng cất cồn công nghiệp thành cồn tuyệt đối để sản xuất xăng E5. Tình hình nghiên cứu: hiện nay trên thế giới đã có một vài công trình nguyên cứu việc tạo thành công zeolit 3A.
Zeolit 3A là lựa chọn số một cho việc tạo cồn tuyệt đối. Mục đích nghiên cứu: Từ nguyên liệu cao lanh ta tiến hành tạo zeolit có cấu trúc ổn định, có kích thƣớc mao quản lớn, đồng đều. Sau đó biến tính zeolit mới tổng hợp nhằm thu đƣợc zeolit 3A. Sử dụng zeolit này để khảo sát khả năng làm khan cồn từ cồn công nghiệp.
Trƣờng ĐHBRVT Trang 1 Khoa HH và CNTP Đồ án tốt nghiệp ĐH_Khóa 2012-2016 SVTH: Trƣơng Quốc Thanh 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: Tạo đƣợc zeolit 3A và khảo sát khả năng làm khan cồn. Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng một số phƣơng pháp vật lí, hóa học trong điều kiện cho phép của nhà trƣờng. Sử dụng phƣơng pháp phổ nhiễu xạ rơnghen, ảnh hiển vi điện tử quét SEM.
Cấu trúc đề tài bao gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1. Các phƣơng pháp thực nghiệm tổng hợp zeolit 3A. Kết quả và thảo luận. Trƣờng ĐHBRVT Trang 2 Khoa HH và CNTP Đồ án tốt nghiệp ĐH_Khóa 2012-2016 SVTH: Trƣơng Quốc Thanh CHƢƠNG 1.1 Tổng quát về nguyên liệu cao lanh 1.1 Khái niệm và trữ lƣợng cao lanh ở nƣớc ta Cao lanh là sản phẩm phong hoá từ các nguồn đất chứa các nguồn tràng thạch nhƣ pegmatit, granit, gabro, bazan, rhyolit.
Ngoài ra nó còn có thể đƣợc hình thành do quá trình biến chất trao đổi các đá gốc nhƣ quăcphophia. Cao lanh nguyên sinh (tức cao lanh thô) là cao lanh hình thành ngay tại mỏ đá gốc. Nếu sản phẩm phong hoá tàn dƣ, nhƣng bị nƣớc, băng hà, gió cuốn đi rồi lắng đọng tại các chổ trũng hình thành nên các mỏ cao lanh hay đất sét trầm tích - còn gọi là cao lanh thứ sinh. Nhƣ vậy sự hình thành các mỏ cao lanh là do chịu sự tác dụng qua lại của các quá trình hoá học, cơ học, sinh vật học bao gồm các hiện tƣợng phong hoá, rửa trôi và lắng đọng trong thời gian khá lâu trong lòng đất.
Cao lanh hay đất cao lanh, là một loại đất sét màu trắng, bở, chịu lửa, với thành phần chủ yếu là khoáng vật cao lanhit cùng một số khoáng vật khác nhƣ illit, montmorillonit, thạch anh. sắp xếp thành tập hợp lỏng lẻo, trong đó cao lanh quyết định kiểu cấu tạo và kiến trúc của cao lanh. Cao lanh có nguồn gốc tên gọi từ Cao Lĩnh thổ (tức đất Cao Lĩnh, là đất sét trắng tại Cao Lĩnh), một khu vực đồi tại Cảnh Đức Trấn, Giang Tô, Trung Quốc. Các mỏ đất sét trắng tại đây đƣợc khai thác để làm nguồn nguyên liệu sản xuất đồ sứ Trung Quốc.
Tên gọi cao lanh đƣợc các giáo sĩ dòng Tên ngƣời Pháp du nhập vào châu Âu trong thế kỷ 18 và khi đƣợc phiên âm ngƣợc trở lại tiếng Việt thì nó đã trở thành cao lanh. Ở Việt Nam, trữ lƣợng cao lanh dự báo khoảng 15 triệu tấn, hàm lƣợng Al2O3 trong cao lanh khoảng từ 29-38%. Quặng cao lanh tập trung chủ yếu ở các tỉnh nhƣ Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Quảng Ninh, Tuyên Quang, Lâm Đồng, Đồng Nai. Đáng chú ý là cao lanh Lâm Đồng, đƣợc hình thành do quá trình phong hóa của natri-canxi fenspat, trong đó fenspat kiềm chiếm ƣu thế Trƣờng ĐHBRVT Trang 3 Khoa HH và CNTP Đồ án tốt nghiệp ĐH_Khóa 2012-2016 SVTH: Trƣơng Quốc Thanh (anbit).
Thƣờng phân bố dài khoảng 5 đến 10 km, với bề dày khoảng 5 đến 10 mét. Cao lanh Đà Lạt tập trung ở Prenn, Trại Mát và Bảo Lộc [1].2 Thành phần và tính chất của cao lanh a) Thành phần Cao lanh hình thành do quá trình phân huỷ khoáng vật felspat và các khoáng vật alumosilicat giàu nhôm, có trong thành phần của nhiều loại đá sét nguồn gốc khác nhau. Cao lanh xét theo thành phần hoá, thành phần khoáng cũng nhƣ cấu trúc bao gồm 28 loại đơn khoáng khác nhau, chia thành các nhóm khoáng. Mỗi nhóm khoáng bao gồm các đơn khoáng có cấu trúc hoặc tính chất gần giống nhau.
Ba nhóm khoáng quan trọng nhất đối với ngành công nghiệp gốm sứ là: Nhóm caolinit Đặc trƣng của nhóm caolinit là khoáng caolinit (tên khoáng này đƣợc lấy làm tên cho cả nhóm), là khoáng chủ yếu trong các mỏ cao lanh và đất sét, có công thức hoá học là Al2O3. Thành phần hóa của khoáng này là SiO2: 46. Nếu mỏ cao lanh nào chứa chủ yếu là khoáng caolinit thì có chất lƣợng rất cao và chứa rất ít tạp chất gây màu (hàm lƣợng oxit sắt Fe2O3 < 1%). Nhóm môntmôrilônit (Al2O3.H2O + nH2O) Mạng lƣới tinh thể khoáng này gồm 3 lớp (2 tứ diện [SiO4] và 1 bát diện [AlO6]).
So với caolinit thì khoáng này có lực liên kết yếu hơn, ở đây các nhóm OH- nằm bên trong 3 lớp trên tạo thành gói kiểu kín. Do có sự thay thế đồng hình, nên môntmôrilônit thƣờng chứa các cation Fe2+ , Fe3+, Ca2+, Mg2+ với hàm lƣợng khá lớn. Độ phân tán cao, hạt mịn, kích thƣớc cỡ 0.06 µm có thể chiếm đến 40% (trong đất sét thƣờng cỡ hạt trên chỉ chiếm 5-20%, trong cao lanh từ 0.5%) nên khoáng này có độ dẻo rất lớn. Môntmôrilônit là loại silicat 3 lớp nên khi có nƣớc các phân tử H2O có thể đi sâu vào và phân bố giữa các lớp làm cho mạng lƣới của nó trƣơng nở rất lớn, cũng chính do Trƣờng ĐHBRVT Trang 4 Khoa HH và CNTP Đồ án tốt nghiệp ĐH_Khóa 2012-2016 SVTH: Trƣơng Quốc Thanh cấu trúc của bản thân nó nên khoáng này có khả năng hấp phụ trao đổi ion lớn.
Khối lƣợng riêng môntmôrilônit từ 1. Trong sản xuất gốm khoáng này có tên là bentônit. Đối với gốm mịn khi phối liệu có độ dẻo kém ngƣời ta thƣờng thêm một lƣợng 2 ÷ 5% bentônit để tăng độ dẻo. Nhóm khoáng chứa alkali (còn gọi là illit hay mica): Illit hay mica ngậm nƣớc là những khoáng chính trong nhiều loại đất sét.
Các dạng mica ngậm nƣớc thƣờng gặp là: Muscôvit: K2O. H2O Về mặt cấu trúc các khoáng này có mạng lƣới tinh thể tƣơng tự nhƣ các silicat 3 lớp nên tính chất của chúng rất giống nhau. Trong nhóm này còn có một số khoáng khác có cấu trúc và tính chất tƣơng tự nhƣ illit nhƣ là khoáng hyđrophylit, vermiculit và các dạng thủy mica khác [2]. b) Tính chất của cao lanh Cao lanh có màu trắng, dạng đặc sít hoặc là những khối dạng đất sáng màu, tập vảy nhỏ.
Khi ngấm nƣớc, nó có tính dẻo, nhƣng không có hiện tƣợng co giãn, có khả năng trao đổi cation bằng một nửa illit, hoặc một phần tƣ montmorilonit. Mặt khác, khả năng trao đổi anion của cao lanh lại tƣơng đối cao. Trọng lƣợng riêng: 2,58-2,60 g/cm3, độ cứng khoảng 1, nhiệt độ nóng chảy: 1. Khi nung nóng, cao lanh có hiệu ứng thu nhiệt 510- 600 0C, liên quan đến sự mất nƣớc kết tinh và hiện tƣợng không định hình của khoáng vật.
Hai hiệu ứng toả nhiệt từ 960 đến 1.200oC liên quan đến quá trình mulit hoá của các sản phẩm cao lanh không định hình, với hiệu ứng 1.200oC là quá trình kết tinh của oxyt silic không định hình để tạo thành cristobalit. Trong tự nhiên, cao lanh thƣờng bị nhuộm bẩn bởi oxit sắt, titan, hỗn hợp kiềm, đất hiếm, và các khoáng vật sét khác nhƣ halloysit, hyđromica, illit, montmorilonit. Oxit sắt là chất có hại, quyết định việc phân loại và sử dụng cao lanh trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Trƣờng ĐHBRVT Trang 5 Khoa HH và CNTP Đồ án tốt nghiệp ĐH_Khóa 2012-2016 SVTH: Trƣơng Quốc Thanh Thành phần hạt Nhìn chung kích thƣớc các hạt đất sét và cao lanh nằm trong giới hạn phân tán keo (<60 µm).
Kích thƣớc các loại tạp chất bao gồm thạch anh, tràng thạch, mica thƣờng khá lớn. Thành phần và kích thƣớc hạt có tác dụng rất lớn đến khả năng hấp phụ trao đổi ion, tính dẻo, độ co khi sấy, cƣờng độ mộc cũng nhƣ diễn biến tính chất của khoáng đó theo nhiệt độ nung. Khả năng trƣơng nở thể tích và hấp phụ trao đổi ion Tính chất này của đất sét, cao lanh chủ yếu là do cấu trúc tinh thể của các đơn khoáng của nó quyết định. Các silicat 2 lớp (caolinit): sự hấp phụ trao đổi cation trƣớc hết và chủ yếu xảy ra ở các mặt cơ sở chứa SiO2 bên ngoài của các cạnh tinh thể, đặc biệt là khi có sự thay thế đồng hình của Si4+ bằng Al3+ hay Fe3+.
Các silicat 3 lớp (mônmôrilônit): đại lƣợng hấp phụ trao đổi ion lớn do sự thay thế đồng hình xảy ra đồng thời cả trong lớp tứ diện và bát diện. Khả năng trƣơng nở thể tích lớn do có kiểu cấu trúc dạng vi vảy chồng khít lên nhau, tạo điều kiện cho các phân tử nƣớc dễ bám chắc vào khoảng không gian giữa các gói làm trƣơng nở thể tích cúa nó lên đến 16 lần so với thể tích lúc đầu khan nƣớc. Đặc tính của cao lanh khi có nƣớc Độ dẻo và khả năng tạo hình. Độ dẻo của hổn hợp đất sét và cao lanh khi trộn với nƣớc là khả năng giữ nguyên hình dạng mới khi chịu tác dụng của lực bên ngoài mà không bị nứt.