Chương 1- TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU VỀ TALC 1. Nguồn gốc hình thành talc [33] Talc là một khoáng vật được hình thành từ quá trình biến chất các khoáng vật magie như pyroxen, amphiboli, olivin có mặt của nước và cacbon đioxit. Quá trình này tạo ra các đá tương ứng gọi là talc cacbonat.
Talc ban đầu được hình thành bởi sự hydrat và cacbonat hóa serpentin, theo chuỗi phản ứng sau: Serpentin + cacbon đioxit → Talc + manhezite + nước 2Mg3Si2O5(OH)4 + CO2 Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O Bên cạnh đó, talc cũng được tạo ra thông qua quá trình biến chất tiếp xúc bởi phản ứng giữa dolomit và silica, gọi là skarn hóa dolomit. Dolomit + silica + nước → Talc + canxít + cacbon đioxit 3 CaMg(CO3)2 + 4SiO2 + H2O Mg3Si4O10(OH)2 + 3 CaCO3 + 3CO2 Talc cũng được tạo thành từ magie chlorit và thạch anh có mặt trong đá phiến lục và eclogit qua phản ứng biến chất. Chlorite + thạch anh Kyanite + talc + H2O Trong phản ứng này, tỉ lệ talc và kyanite phụ thuộc vào hàm lượng nhôm trong đá giàu nhôm. Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp thường tạo ra phengite, granate, glaucophan trong tướng phiến lục.
Các đá có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi được gọi là phiến đá trắng. Thành phần hóa học và thành phần khoáng talc [8] + Thành phần hóa học Bột talc có tên gọi hóa học là hydrous magnesium silicate. Talc tinh khiết có công thức hóa học là Mg3Si4O10(OH)2 với tỷ lệ MgO: 31,9% , SiO2: 63,4% và H2O: 4,7%. Tuy nhiên quặng talc trong tự nhiên thường chứa các tạp chất như FeO, Fe2O3, Al2O3, Na2O, K2O, CaO.
hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm. Trong những tạp chất trên người ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit kim loại nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, gây màu mạnh nhất là oxit sắt. Nếu 2 sử dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành phần oxit sắt nhỏ. Màu của talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám.
Nếu oxit sắt lớn thì có màu trắng ngà hoặc phớt hồng. + Thành phần khoáng vật Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch đá giàu magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngoài talc Mg3[Si4O10(OH)2 ] thì quặng talc còn có các khoáng như: dolomite Mg.Ca(CO3)2; manhezite MgCO3; serpentin 4MgO.2H2O; actinolite Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2; manhetite Fe3O4; hemantite Fe2O3… Trong thực tế cùng họ khoáng silicat magie ba lớp có khoáng pyrophillit Al2O3.H2O có một số tính chất vật lý, ứng dụng rất giống talc. Cấu trúc của talc [3, 16] Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và ở dạng cấu trúc lớp: tứ diện –bát diện- tứ diện (T-O-T).1 mô tả cấu trúc tinh thể của talc. Cấu trúc tinh thể talc Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O 2/hyđroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2.Các lớp đều trung hòa điện tích, xen giữa chúng không có cation trao đổi và chúng liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu.
Điều này dẫn đến độ cứng thấp và khuyết tật trong trình tự các lớp của talc. Talc có thể kết tinh trong hai hệ tinh thể khác nhau: một nghiêng và ba nghiêng. Thông số cấu trúc tinh thể tế bào đơn vị hệ một nghiêng và ba nghiêng được trình bày trong bảng 1. Thông số cấu trúc của talc Thông số tế bào đơn vị Một nghiêng Ba nghiêng a( ) 5,28 5,290 b( ) 9,15 9,173 c( ) 18,92 9,460 (0) 90,00 98,68 (0) 100,15 119,90 (0) 90,00 85,27 Z 4 2 Nhóm không gian C2/c Khi các lớp TOT chồng lên nhau thì các vòng sáu tứ diện của chúng không đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh a của ô cơ sở.
Mặt khác, vòng sáu cạnh tứ diện không đối xứng sáu phương, mà ba phương kép do các 4 tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng. Vậy, talc có những loại cấu trúc như 1Tc (một lớp ba nghiêng), 2M (hai lớp một nghiêng) và 2O (hai lớp trực thoi). Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thường tập hợp tạo các lá hay khối sít đặc.
Do lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ. Khi nghiên cứu talc bằng phương pháp phổ nhiễu xạ XRD, tinh thể talc cho các vạch Rơnghen chính dhkl: 9,25; 3,104; 1,525. Về tính chất quang học tinh thể talc có giá trị chiết suất N g = 1,575-1,590; Np = 1,538-1, 545; Ng-Np=0,030-0,050, góc 2v=0-300. Tính chất của talc [2, 3, 33] Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là loại bột mềm nhất (độ cứng 1 Moh), có khả năng giữ mùi thơm lâu và đặc biệt là có độ sạch cao.
Tỷ trọng của bột talc dao động trong khoảng 2,58 - 2,83 g/cm3, talc nóng chảy ở 15000C. Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc không chứa các nhóm hyđroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ nước và trơ về mặt hóa học của talc, dẫn điện, dẫn nhiệt kém. Chính vì vậy talc được sử dụng trong sản xuất bộ phận cách điện tần số cao. Talc không tan trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazơ yếu.
Mặc dù có rất ít khả năng gây phản ứng hóa học nhưng talc có một mối quan hệ rõ rệt với các chất hữu cơ tức là nó ưa các hợp chất hữu cơ. Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 900 0C, thông thường là 920- 10600C nếu nung nóng trong môi trường không khí. Ở khoảng nhiệt độ này talc bị mất nước hóa học tạo thành metasilicat magie.SiO2) + SiO2 + H2O Khi đó SiO2 được tách ra ở trạng thái vô định hình. Ở 1100 0C nó chuyển một phần sang cristobalit kèm theo giãn nở thể tích.
Cristobalit có khối lượng riêng nhỏ và nó sẽ bù trừ sức co khi nung talc. Vì thế thể tích quặng talc khi nung thực tế ổn định. Nhờ tính ổn định thể tích và độ mềm của nó cho phép ta có thể sử dụng quặng talc cưa thành những viên gạch xây lò, buồng đốt nhiên liệu khí. 5 Tạp chất Al2O3 và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm.
Oxit sắt mặc dù xúc tiến quá trình kết khối của gạch forsterite nhưng hạ thấp độ chịu lửa của chúng. FeO có trong nguyên liệu silicat manhê sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500-600 0C. Ở nhiệt độ cao hơn nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat manhê theo phản ứng : 2MgO.SiO2 + Fe2O3 → MgO.Fe2O3 Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến thành 2MgO.SiO2 cho nên phải hạn chế oxit sắt trong nguyên liệu. Nếu trong môi trường chân không thì quá trình phân hủy có thể bắt đầu từ 7000C [ Kronơt, 1964].
Sự phân hủy và tách nước hóa học khoáng talc khoảng 4,8% khối lượng. Tuy nhiên tùy thuộc vào thành phần tạp chất mà nhiệt độ phân hủy và tách nước có thể diễn ra từ 750 0C – 8000C. Các nghiên cứu trước đây của Pask; Warner (1954); Lapin (1952); Gapeep (1965) và một số tác giả khác đều thống nhất rằng calxit; dolomit; clorit; montmorillonit là những khoáng tạp làm thay đổi nhiệt độ và giá trị hiệu ứng phân hủy nhiệt của quặng talc. Khi nung talc đến nhiệt độ cao hơn metasilicat magie hoạt tính phản ứng để tạo ra các khoáng bền hơn như: enstatit- MgO.SiO 2, còn SiO2 sẽ tồn tại ở dạng cristobalit.
Nếu phối liệu chứa các cấu tử khác MgO, Al 2O3, SiO2… thì sản phẩm của quá trình nung khoáng talc có thể cho enstatit, corđierit, spinel… Bảng 1. Tiêu chuẩn chất lượng khoáng talc theo ISO (ISO 3262) [33] Hàm lượng Talc trung Mất khi nung ở Khả năng hòa tan trong HCl, Loại bình % 1000 °C, % tối đa % A 95 4 – 6,5 5 B 90 4–9 10 C 70 4 – 18 30 D 50 4 – 27 30 1. Ứng dụng của talc Với các tính chất của talc như: cấu trúc dạng phiến, mềm, kỵ nước, ưa dầu và có thành phần khoáng. nên Talc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như gốm, sơn, mĩ phẩm, polime …[14, 33] 6 Trong nông nghiệp và thực phẩm: Talc là một tác nhân chống đóng bánh có hiệu quả, là tác nhân phân tán và cố định chất nhờn và do đó giúp thức ăn cho động vật và các loại phân bón cho cây trồng có hiệu quả hơn.
Trong các hỗn hợp và chất hóa học dùng trong nông nghiệp, talc là một chất mang trơ lý tưởng. Talc cũng được sử dụng như một tác nhân phủ chống dính trong một số các thực phẩm phổ biến như kẹo cao su, kẹo ngọt, các loại thịt chế biến sẵn,.Trong sản xuất dầu oliu, talc có vai trò như chất trợ giúp cho quá trình chế biến, tăng năng suất và cải thiện độ trong của dầu. Trong công nghiệp gốm: Talc thuộc nhóm silicat có ứng dụng rộng rãi trong các loại gạch ốp lát, các đồ vệ sinh, các đồ dùng nhà bếp,.các vật liệu chịu lửa và gốm kĩ thuật. Trong các loại gốm xây dựng truyền thống (như gạch và đồ vệ sinh), về cơ bản nó được sử dụng như một chất pha loãng, làm cho nhiệt độ và chu trình nung thích hợp được giảm xuống.
Trong gốm nghệ thuật talc được thêm vào để làm tăng độ trắng và tăng khả năng chịu nhiệt khi nung, tránh nứt vỡ.Trong stoneware, một lượng nhỏ talc được thêm vào để làm tăng độ bền và làm chảy thủy tinh. Là nguyên liệu sản xuất MgO bởi quá trình điện phân nóng chảy. Chế tạo gốm xốp đã được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Tác giả Kiyoshi Okada [17] đã điều chế một loại gốm xốp bằng cách nung hỗn hợp bột talc và các hạt thuỷ tinh với sự có mặt của LiCl.
Tỷ lệ của thành phần bột talc : hạt thuỷ tinh = 7 : 8; 8 : 2; 9 : 1. Sản phẩm tạo thành có độ bền cơ học cao cho phép gia công khoan, cắt dễ dàng. Chandra và các đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột talc đến khả năng thiêu kết của ngói lợp trên cơ sở tro bay. Hàm luợng talc đưa vào lần lượt từ 0 đến 100% theo khối lượng khi có mặt của 10% natri hexametaphotphat.
Khi có mặt bột talc làm giảm nồng độ của silimatit Al 2[OSiO4] và tăng hàm lượng của tinh thể natri magiephotphat dẫn đến cải thiện độ bền nén của ngói lợp. Khi tăng hàm lượng bột talc, độ hấp thụ nước ban đầu giảm xuống và đạt giá trị nhỏ nhất khi có 60% bột talc. Ở trên nồng độ này, quá trình hấp phụ nước bắt đầu tăng trở lại.