Đặt vấn đề 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. Sản lượng lúa của Việt Nam năm 2011 đạt kỷ lục 42 triệu tấn tăng khoảng 5% so với năm 2010 do diện tích trồng nhiều hơn và sản lượng cao hơn [7]. Lượng vỏ trấu thu được sau khi xay xát tương đương khoảng 9 triệu tấn. 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 ô nhiễm môi trường. Vỏ trấu được đốt để tạo ra nhiệt năng từ một sản phẩm là chất thải của quá trình xay xát lúa gạo. Thành phần oxit Silic có trong tro trấu sau quá trình đốt cháy rất giàu chiếm khoảng 92-97% và đem lại giá trị kinh tế cho sản xuất silica gel. Silica gel hay gel oxit silic là một loại hóa chất rất phổ biến trong đời sống.
Silica gel thực chất là điôxit silic, ở dạng hạt cứng và xốp (có vô số khoang rỗng li ti trong hạt). Công thức hóa học đơn giản của nó là SiO2. Điều đặc biệt của SiO2 thu hồi từ tro trấu là khả năng phục hồi và tái sinh cao, giá thành rẻ. Silica gel được biết đến là chất hút ẩm, giúp bảo quản các thiết bị, bảo quản lương thực, thực phẩm và nhiều đồ dùng thiết yếu khác.
Ngoài ra, Silic đioxit (SiO2) tổng hợp từ tro trấu có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: 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 [15]. Với nhiều ứng dụng như thế nên việc nghiên cứu thu hồi SiO2 có nhiều ý nghĩa thực tế. Các nghiên cứu về thu hồi SiO2 từ tro trấu cũng 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.
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 “Nghiên cứu khả năng sản xuất Silica Gel từ tro trấu, ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ NaOH đến quá trình thu hồi SiO2 từ tro trấu” nhằm tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình thu hồi SiO2 đạt hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng được nhu cầu sản xuất nghiên cứu… Ngành công nghệ kĩ thuật Hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 1 án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT 1. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu quy trình sản xuất silica gel từ tro trấu. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ NaOH 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. Phân tích thành phần tro trấu, tính chất của sản phẩm. Ngành công nghệ kĩ thuật Hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 2 án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT CHƯƠNG II: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2. Sơ lược về silic đioxit.
Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit: 2. Cấu tạo Silica gel là dạng hạt, có cấu trúc rỗng của Silica được tổng hợp từ oxyt silic. Được phát minh tại đại học John Hopkins, Baltimore, Bang Maryland, Hoa Kỳ trong những năm 1920. Điều chế bằng cách cho natri silicat tác dụng với axit sunfuric: Na2O.3SiO2 + H2SO4→ 3SiO2 + H2O + Na2SO4, kết quả tạo thành dạng sol, rồi sol đông tụ lại thành gel, sau khi rửa, sấy khô và nung ta thu được silica gel.
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 SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung.
Trong tứ diện SiO4, 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. Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn 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 quý không có cấu trúc tinh thể. Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa không khí, nước hay Ngành công nghệ kĩ thuật Hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 3 án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT 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 120000 atm và nhiệt độ 13000C) [3].
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 vô định hình giống như thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt độ không 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. 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 Ngoài ra, nó còn tan trong kiềm và cacbonat kim loại kiềm nóng chảy: SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 2. Điều chế và ứng dụng 2. Điều chế Trong phòng thí nghiệm, SiO2 vô định hình ở dạng bột trắng có thể điều chế bằng cách: Thủy phân tetraclorua silic: SiCl4 H O 2 SiO2 Oxy hóa Silan: SiH4 O2 SiO2 Ngành công nghệ kĩ thuật Hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 4 án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Điện phân Silicat Natri Na2SiO3 (thủy tinh lỏng).
Trao đổi cation: cho Na2SiO3 qua cột có chứa cation dạng H+. Trong sản xuất công nghiệp, phương pháp điều chế Silicagel tốt nhất là dùng Na2SiO3 cho tác dụng với axit hoặc muối của axit đó. Ví dụ như H2SO4 hoặc Na2SO4 nhưng Na2SO4 ít dùng vì phản ứng xảy ra chậm hơn so với H2SO4. 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. Tổng quan về vỏ trấu 2. Nguồn gốc của vỏ trấu Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới, cùng với ngô, lúa mì, sắn và khoai tây.
Sản phẩm thu được từ cây lúa là thóc. Sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài thu được sản phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám và trấu. Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro.
Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40%. Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân, đặc biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long. Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa).
Trấu là nguồn nguyên liệu tự nhiên rất dồi dào và lại rẻ tiền : Theo Bộ Nông Nghiệp, Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới. Sản lượng lúa của Việt Nam năm 2011 đạt kỷ lục 42 triệu tấn tăng khoảng 5% so với năm 2010 do diện tích trồng nhiều hơn và sản lượng cao hơn. Sản lượng lúa tăng sẽ giúp Việt Nam đạt tới khối lượng xuất khẩu kỷ lục năm nay ít nhất 7 triệu tấn gạo trong khi đảm bảo nguồn Ngành công nghệ kĩ thuật Hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 5 án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT cung cấp trong nước [20]. Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau khi xay xát tương đương 9 triệu tấn.
Vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, 2 vùng trồng lúa lớn nhất cả nước. Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông suối để tiêu hủy. Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng. Các ứng dụng của vỏ trấu hiện nay 2.