CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về nước ót Trái Đất hai phần ba bề mặt được bao phủ bởi nước biển và đại dương [1]. Trong nước biển chứa phần lớn hầu hết các nguyên tố hóa học trong đó Na+ và Cl- chiếm phần lớn [2]. Vì vậy ngoài việc khai thác từ các mỏ khoáng, muối ăn còn được tạo ra phần lớn bằng nước biển từ quá trình cô đặc và kết tinh. Nước ót được tạo ra trong quá trình sản xuất muối ăn, thường được coi là chất thải của quá trình này.
Có rất nhiều nguyên tố có giá trị được tìm thấy trong nước ót như: Clo, brom, canxi, natri, megiê… với nồng độ rất cao sẽ làm ảnh hưởng tới môi trường sống của sinh vật và chất lượng muối ở những lần sản xuất tiếp theo. Việc tận dụng nước ót giàu các nguyên tố hóa học đó vào các ngành công nghiệp khác như phân bón, dược phẩm, xây dựng, sản xuất hóa chất…có nghĩa rất lớn [3], [4]. Tùy thuộc vào nồng độ bốc hơi của nước biển ta có thể thu được nước chạt hay nước ót [5]. Trong nước chạt: NaCl chiếm trên 50% các chất hòa tan.
Trong nước ót: NaCl chiếm dưới 50% các chất hòa tan.1: Nước biển – nước chạt – nước ót 1.2 Ứng dụng của việc khái thác nước ót trong sản xuất Việc tách các nguyên tố có giá trị trong nước ót ứng dụng vào các ngành công nghiệp khác như phân bón, công nghệ luyện kim, xây dựng, sản xuất hóa chất… có ý nghĩa rất lớn. Ngoài ra còn giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng muối ở các lần sản xuất sau [6].1 Sản xuất phân bón Do nước ót có hàm lượng lớn các nguyên tố có giá trị như: natri, megiê, canxi, clo, lưu huỳnh… Đây là một trong các nguyên liệu sản xuất phân bón. Dùng phương pháp tách 3 các nguyên tố đó dưới dạng muối kép sẽ thu được sản phẩm có thành phần khoáng đa dạng. Ngoài ra, còn có thể tách các ion Na+, Mg2+, SO42-… dưới dạng muối kép để cung cấp những nguyên tố trung lượng và vi lượng cho cây trồng [7].2 Công nghệ luyện kim Nhu cầu sản xuất vật liệu chịu lửa đáp ứng chongành luyện kim chiếm phần lớn.
Vật liệu chịu lửa được sử dụng trong các lò luyện thép, lò nấu kim loại… Vật liệu chịu lửa hoặc gốm chịu lửa là vật liệu có thể làm việc ở nhiệt độ cao không sợ biến dạng mà không sợ bị biến dạng. Nguyên liệu để sản xuất vật liệu chịu lửa chủ yếu là các oxit kim loại tinh khiết như: Al2O3, ZrO2, MgO, BeO và các vật liệu chất lượng cao khác. MgO là một trong các thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến sự kết khối của Al2O3 và các oxit khác. MgO chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân Mg(OH)2 hoặc MgCO3 ở nhiệt độ 1100-1300oC.
Trên thực hiện ở nhiệt rất cao, sẽ gây tiêu tốn rất nhiều năng lượng trong quá trình sản xuất [8]. Xu hướng điều chế Mg từ nước hiện nay là một trong những phương pháp đơn giản, hiệu quả và ít tốn kém nhất.3 Vật liệu xây dựng Nguyên liệu sử dụng trong vật liệu xây dựng để làm tấm cách nhiệt thường là polymer có nguồn gốc gây ô nhiêm môi trường, hiện nay đang có xu hướng sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên thân thiện với môi trường. Hiện nay các nhà khoa học đã sản xuất thành công vật liệu dạng tấm tiết kiệm năng lượng, khả năng cách nhiệt hiệu quả có thành phần chính là Sepiolite. Sepiolite có hai dạng công thức cấu tạo [9],[10]: Theo Nagy – Bradley (1955): Si12Mg9O30(OH)6 (OH2)4.6H2O Theo Brauner và Preisinger (1956): 4 Si12Mg8O30(OH)4 (OH2)4.8H2O Nguồn khoáng tự nhiên sepiolite trên thế giới tập trung nhiều ở Mỹ, Trung Quốc và một số nước ở Châu Phi với số lượng không lớn.
Vì vậy, để sử dụng lâu dài nguồn nguyên liệu này, việc nghiên cứu tổng hợp sepiolite từ các hóa chất cơ bản được đặt ra. Các nhà khoa học thấy rằng magie là một trong các nguyên liệu quan trọng nhất trong việc tổng hợp sepiolite. Vì vậy nước ót là một trong những nguồn nguyên liệu quan trọng trong việc cung cấp hàm lượng magie.4 Sản xuất hóa chất Nước ót có chứa hầu hết các nguyên tố, việc dùng nước ót để sản xuất các hóa chất cơ bản sẽ đem lại nguồn kinh tế rất lớn và ứng dụng được trong hầu hết các ngành công nghiệp. Ở Anh năm 1953 đã khai thác được khoảng 250.000 tấn magie oxit, nguồn magie cung cấp cho các ngành công nghiệp sản xuất hợp kim nhẹ chế tạo máy bay ở Mỹ điều được khai thác 100% từ quặng, nước ót và nước biển.
Những nước có hàm lượng quặng magie và kali cao như Italia, Thủy Điển, Liên Xô cũng khai thác từ nguồn nước ót, nước biển thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn so với khai thác từ quặng [5]. Ở các nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Canada, Nhật Bản đều khai thác brom một trong các nguyên liệu quan trọng trong ngành polymer từ nước ót và nước biển. Năm 1962, ở Mỹ khai thác được 86.000 tấn, Pháp là 6.100 tấn và Nhật Bản là 2.900 tấn brôm từ nước ót. Tại Nhật Bản, người ta tính toán được rằng cứ 100g muối ăn được sản xuất thì lượng nước ót tạo ra được có hàm lượng muối khoáng như sau [5]: Bảng 1.
1: Hàm lượng muối khoáng có trong nước ót khi thu hoạch 100g muối ăn MgCl2 MgBr2 CaCO3 MgSO4 CaSO4 16.62 Nước ót mang lại giá trị kinh tế rất cao, hàm lượng muối khoáng trong nước ót có giá trị kinh tế lớn hơn nhiều so với lượng NaCl. Do đó, việc tận dụng lại chất thải sau khi sản xuất muối ăn có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế và bảo vệ môi trường.3 Tổng quan về Ammonium sulfate Ammonium sulfate (SA) là hợp chất muối của nhóm amoni và sunfat. Công thức hóa học: (NH4)2SO4.2: Ảnh chụp SEM của Ammonium sulfate [11] Một số tính chất vật lý của Amoni sunfat [12]: Ammonium sulfate có màu trắng, hút ẩm, tan trong nước nhưng không tan trong ethanol, acetone… Khối lượng mol: 132.14 g/mol Khối lượng riêng: 1.77 g/cm3 Điểm nóng chảy: 235°C đến 280°C Ammonium sulfate có thể phản ứng với các dung dịch muối sulfate bão hòa của kim loại để tạo ra các muối như ammonium sulfate kim loại.4 Tổng quan về ethanol Ethanol là một hợp chất hữu cơ, hay còn gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc hay cồn công nghiệp. Ethanol được sản xuất bằng nhiều cách khác nhau như: sản xuất bằng quá trình lên men lúa mì, ngô, sắn… Trong công nghiệp sản xuất bằng quá trình hydrat hóa ethylene có mặt xúc tác acid.
Ethanol được sử dụng làm dung môi và làm tiền chất để sản xuất các hợp chất hóa học quan trọng khác. Một số tính chất vật lý của Ethanol [13]: 6 Ethanol là chất lỏng không màu, có mùi nhẹ, dễ cháy Ethanol tan hoàn toàn trong nước, ngoài ra còn tan trong diethyl ether, chloroform Khối lượng mol: 46.07 g/mol Khối lượng riêng: 0.7894 g/cm3 Chỉ số khúc xạ: 1.3614 Nhiệt độ nóng chảy: -114.5 Tổng quan về muối kép Dùng ammonium sulfate để tách muối kép ra từ nước ót theo tỷ lệ 1:1 thu được sản phẩm có công thức hóa học MgSO4.6H2O đã được chứng minh ở bài báo [11]. Từ đó, thấy được muối kép có các thành phần nguyên tố Mg2+, SO42-, NH42+ điều có các ứng dụng quan trong đối với cây trồng. Mg2+, SO42- có vai trò cung cấp nguyên tố trung lượng cho cây chủ yếu là [14]: - NH42+ có vai trò cung cấp nguyên tố đa lượng cho cây chủ yếu là Nitơ (N) – Đạm [15]: • Làm nhanh quá trình phát triển của cây.
• Giúp tăng kích thước của lá cây làm quá trình quang hợp diễn ra tốt hơn. • Tăng quá trình tổng hợp các chất dinh dưỡng trong cây đạt hiệu suất cao hơn. • Giúp lá cây có màu xanh đậm hơn. - Magie (Mg) • Thúc đẩy quá trình quang hợp, tổng hợp các chất trong cây.
• Đẩy nhanh hấp thu và vận chuyển lân. • Đẩy nhau quá trình ra hoa. 7 • Giúp cân bằng lượng nước trong cây, tăng khả năng chịu hạn. - Lưu huỳnh (S) • Đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các chất dinh dưỡng.
• Đẩy nhanh quá trình chín của hạt và quả.1 Khái niệm độ tan Độ tan là đại lượng thể hiện khả năng hòa tan chất rắn vào dung môi để tạo thành một dung dịch đồng nhất. Dung môi có thể hòa tan hoàn toàn lượng chất tan lớn nhất ở một nhiệt độ xác định. Số gam chất rắn hòa tan hoàn toàn vào lượng dung dịch nhất định để dung dịch trở nên bão hòa ở một điều kiện xác định là độ tan [16].2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hòa tan của chất rắn bao gồm nhiệt độ, hydrat hóa và pH. Trong số này, nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ hòa tan.
Đối với chất rắn thu nhiệt, nhiệt độ càng cao thì độ tan càng cao và ngược lại [16].3: Độ tan của KNO3, CuSO4, NaCl trong dung dịch nước Nguồn: Dữ liệu từ Mullen 1972 [16] 8 Hình 1.3 thể hiện độ tan của các muối vô cơ thay đổi theo nhiệt độ.3 muối NaCl là chất có độ tan không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ. Trong đó KNO3 là chất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ nhiều nhất. Ngoài ra, độ tan của một số chất có thể tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Ví dụ như hệ dung môi chất tan Ca(OH)2 – H2O thể hiện ở hình 1.4: Độ tan của Ca(OH)2 – H2O Nguồn: Dữ liệu từ Myerson và cộng sự 1990 [16] 1.3 Các phương pháp đo độ tan Độ tan là một trong các yếu tố quan trọng của quá trình kết tinh vì lượng chất tan cần thiết cho quá trình kết tinh dựa vào độ tan.
Trong công nghiệp, quá trình kết tinh diễn ra trong dung dịch có chứa nhiều tạp chất làm ảnh hưởng đến việc xác định độ tan dựa trên nguồn dữ liệu có sẵn. Vì vậy cần tiến hành thực nghiệm trong các điều kiện khác nhau để xác định chính xác độ tan. Có hai phương pháp xác định độ tan là phương pháp đa nhiệt và phương pháp đẳng nhiệt [16].1 Phương pháp đẳng nhiệt Phương pháp đẳng nhiệt đo độ tan ở một nhiệt độ cố định và được kiểm soát trong suốt quá trình khuấy. Phương pháp đẳng nhiệt có độ chính xác cao hơn so với phương pháp đa nhiệt nhưng đòi hỏi tiêu tốn nhiều hóa chất và thời gian.
Phương pháp đẳng nhiệt để xác định được nồng độ đòi hỏi phải có đường chuẩn chất tan để phân tích dữ liệu.