MỞ ĐẦU Trong cuộc sống hằng ngày, lưu huỳnh có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như: - Trong công nghiệp điện: sử dụng trong ắc quy dưới dạng axit sunfuric. - Trong nông nghiệp sử dụng làm phân bón, tác nhân làm tróc vỏ cây. - Trong số ngành công nghiệp khác lưu huỳnh là phụ gia để sản xuất bột giặt, dùng lưu hóa cao su, thuốc diệt nấm và trong sản xuất các phân bón photphat, các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa. - Ngoài những ứng dụng trên lưu huỳnh còn đư ợc làm chất kết dính để gia cố bề mặt, hàn các vi mạch điện tử hay dùng làm vật liệu xây dựng trong các bể chứa axit sunfuric, axit clohyric và axit nitric.
Ngày nay, ngành công nghiệp xây dựng đang không ngừng phát triển trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Để phục vụ cho ngành công nghiệp xây dựng cần phải tìm ra các vật liệu mới. Trong đó chất kết dính đóng vai trò r ất quan trọng, không những trong xây dựng mà còn nhiều lĩnh vực khác. Do vậy trong khóa luận tốt nghiệp này, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu thăm dò khả năng chế tạo chất kết dính vô cơ trên cơ sở lưu huỳnh.
Qua đó xây dựng công thức thành phần chế tạo và kiểm tra chất lượng của chất kết dính vừa chế tạo được. SVTH: NGUYỄN HOÀI NGỌC Trang 1 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN PHẦN I: TỔNG QUAN I. Chất kết dính vô cơ [4] I.1 Định nghĩa [4] Chất kết dính vô cơ là loại vật liệu thường ở dạng bột, khi nhào trộn với nước hoặc các dung môi khác thì tạo thành loại hồ dẻo, dưới tác dụng của quá trình hóa lý tự nó có thể rắn chắc và chuyển sang trạng thái đá.
Do khả năng này của chất kết dính vô cơ mà người ta sử dụng chúng để gắn các loại vật liệu rời rạc (cát, đá, sỏi) thành một khối đồng nhất trong công nghệ chế tạo bê tông, vữa xây dựng, gạch silicat, các vật liệu đá nhân tạo không nung và các sản phẩm xi măng amiang. Có loại chất kết dính vô cơ không tồn tại ở dạng bột như vôi cục, thủy tinh lỏng. Có loại khi nhào trộn với nước thì quá trình rắn chắc xảy ra rất chậm như chất kết dính magie, nhưng nếu trộn với dung dịch MgCl2 hoặc MgSO4 thì quá trình rắn chắc xảy ra nhanh, cường độ chịu lực cao.2 Phân loại [4] Căn cứ vào môi trường rắn chắc, chất kết dính vô cơ được chia làm 3 loại: chất kết dính rắn trong không khí, chất kết dính rắn trong nước và chất kết dính rắn trong Otocla.1 Chất kết dính vô cơ rắn trong không khí [4] Chất kết dính vô cơ rắn trong không khí là loại chất kết dính chỉ có thể rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài trong môi trường không khí. Ví dụ: Thạch cao, thủy tinh lỏng, chất kết dính magie.
Theo thành phần hoá học chúng được chia thành 4 nhóm: - Chất kết dính magie (thành phần chủ yếu là MgO); - Chất kết dính thạch cao (thành phần chủ yếu là CaSO4) SVTH: NGUYỄN HOÀI NGỌC Trang 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN - Thuỷ tinh lỏng là các natri silicat hoặc kali silicat (Na2O.mSiO2) ở dạng lỏng; I. Chất kết dính vô cơ rắn trong nước [4] Chất kết dính vô cơ rắn trong nước là loại chất kết dính không những có khả năng rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài trong môi trường không khí mà còn có khả năng rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài trong môi trường nước. Ví dụ: Các loại xi măng.
Về thành phần hoá học chất kết dính rắn trong nước là một hệ thống phức tạp bao gồm chủ yếu là liên kết của 4 oxit CaO- SiO2- Al2O3- Fe2O3. Các liên kết đó hình thành ra 3 nhóm chất kết dính chủ yếu sau: - Xi măng silicat : các khoáng chủ yếu là canxi silicat (đến 75%). Trong nhóm này gồm có xi măng pooclang và các chủng loại của nó (nhóm chất kết dính chủ yếu trong xây dựng) - Xi măng alumin: Canxi aluminat là các khoáng chủ yếu của nó. Chất kết dính rắn trong Otocla [4] Bao gồm những chất có khả năng trong môi trường hơi nước bão hoà có nhiệt độ 175÷200oC và áp suất 8÷12 atm để hình thành ra “đá xi măng ”.
Chất kết dính này có 2 thành phần chủ yếu là CaO và SiO2. Ở điều kiện thường chỉ có CaO đóng vai trò k ết dính nhưng trong điều kiện otocla thì CaO tác dụng với SiO2 tạo thành các khoáng mới có độ bền nước và khả năng chịu lực cao. Các chất kết dính thường gặp trong nhóm này là: chất kết dính vôi silic; vôi tro; vôi xỉ,. Lưu huỳnh [1],[9] Lưu huỳnh là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu S và số nguyên tử 16.
Nó là một phi kim phổ biến.1 Tính chất vật lý [1] Không mùi, không vị. SVTH: NGUYỄN HOÀI NGỌC Trang 3 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN Lưu huỳnh thường gặp trong tự nhiên dưới dạng chất rắn màu vàng chanh là S tà phương. Nó bền dưới nhiệt độ 95oC nhưng trên 95oC nó bắt đầu chuyển sang dạng thù hình đơn tà.
Phép nghiệm lạnh cho biết lưu huỳnh tà phương cũng như đơn tà đều được tạo thành từ những phân tử S8. Lưu huỳnh tà phương có khối lượng riêng d= 2,07 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy tnc= 112,8 oC.1 : Lưu huỳnh trong tự nhiên ở dạng rắn Khi làm nguội nhanh lưu huỳnh nóng chảy thì thu đư ợc một khối rắn gồm những tinh thể hình kim dễ uốn, đan vào nhau, đó là dạng lưu huỳnh đơn tà. Muốn thấy rõ các tinh thể của nó thì khi lưu huỳnh bắt đầu đông đặc trong chén, ta khoét một lỗ trên mặt đã hóa rắn rồi trút nhanh phần lỏng ra, sẽ có những tinh thể hình kim xuất hiện trên thành chén. Lưu huỳnh đơn tà có khối lượng riêng d= 1,96 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy tnc= 1193oC.
Nó chỉ bền ở nhiệt độ trên 95oC, cho nên ở nhiệt độ thường các tinh thể dục dần và rã ra. Giữa hai dạng thù hình đơn tà và tà phương có một cân bằng chuyển hóa ở 95,6oC: SVTH: NGUYỄN HOÀI NGỌC Trang 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN 95,6𝑂𝑂 𝐶𝐶 𝑆𝑆𝛼𝛼 �⎯⎯� 𝑆𝑆𝛽𝛽 𝑡𝑡à 𝑝𝑝ℎươ𝑛𝑛𝑛𝑛 đơ𝑛𝑛 𝑡𝑡à Hình I.2 : Lưu huỳnh tà phương và lưu huỳnh đơn tà Khi lưu huỳnh nóng chảy ( ở 112,8 oC ) thành một chất lỏng màu vàng, rất linh động, nhưng nếu tăng dần nhiệt độ, thì chất lỏng nâu và nhớt dần. Từ 190oC đến gần 250oC, nó dính như nhựa, lật ngược bình cũng không chảy ra.
Nếu đun nóng nữa thì độ nhớt giảm đi, quá trình biến đổi diễn ra lặp l ại khi đun nóng theo thứ tự ngược lại. Người ta giải thích hiện tượng này như sau: khi nấu nóng tới 160oC, thì lưu huỳnh lỏng gồm những phân tử S8, trên 160oC các vòng S8 bắt đầu bị phá vỡ và biến thành những dây dài. Những dây này kết hợp với nhau thành những dây dài. Những dây dài này kết hợp với nhau thành những mạch dài hơn, dẫn đến tăng độ nhớt của lưu huỳnh.
Nếu tăng nhiệt độ lên trên 250oC, thì các dây dài bị phá hủy thành những dây ngắn hơn, do đó làm giảm độ nhớt của lưu huỳnh. Nếu làm nguội nhanh ( rót vào nước lạnh) lưu huỳnh lỏng (đun nóng khoảng 230oC) thì thu được lưu huỳnh dẻo, có tính chất lý học giống như cao su, có tính đàn hồi do các phân tử mắc nối vào nhau. SVTH: NGUYỄN HOÀI NGỌC Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN Lưu huỳnh là chất rắn kết tinh màu vàng chanh, dòn, cáchđi ện, không tan trong nước nhưng hòa tan trong cacbon disunfua và các dung môi không phân cực khác.
Quá trình nóng chảy của lưu huỳnh: Hình I.3: Sơ đổ biến đổi của lưu huỳnh theo nhiệt độ I. Tính chất hóa học [1] Lưu huỳnh là một phi kim có độ âm điện lớn ( 2.5) chỉ thua halogen, oxy và nitơ. Các trạng thái oxy hóa của S là -2. +2, +4 và +6, đặc trưng nhất là -2, +6.
S vừa có tính oxi hóa và tính khử. Ở nhiệt độ thường kém hoạt động nhưng khi đun nóng nó tương tác với hầu hết các nguyên tố trừ các N2, I2, Au và Pt. Tính oxy hóa: S + 2e- → S2-, E0= -0,44V nên có tính oxi hóa yếu Với H2 đun nóng ở 300oC, S tương tác với H2 tạo dihydro sunfua H2 +S to H2S Với P ở 100oC, S tác dụng với P trắng ( P đỏ ở 250oC) tạo các sunfua: P4S6, P4S7, P4S1O. Tính khử: Với phi kim hoạt động, S thể hiện tính khử Với O2: S cháy trong O2 không khí cho ngọn lửa màu xanh và phát nhiệt S+O to SO + Q 2 2 SVTH: NGUYỄN HOÀI NGỌC Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.
TRẦN TRÍ LUÂN Với halogen: S với F2 ở nhiệt độ thường, với Cl2, Br2 khi đun nóng tạo nên các halogennua của S như SCl4, SF4, S2F2, SF6. Với các hợp chất: KNO3, KClO3, K2Cr2O7, HNO3 đặc, S thể hiện tính khử tạo những hợp chất ứng với trạng thái oxy hóa dương của nó: 3𝑆𝑆 + 2𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑂𝑂3 ↔ 3𝑆𝑆03 + 2𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑆𝑆 + 2𝐻𝐻2 𝑆𝑆𝑂𝑂4 (đ,𝑛𝑛) ↔ 3𝑆𝑆03 + 2𝐻𝐻2 𝑂𝑂 𝑆𝑆 + 2𝐻𝐻𝐻𝐻𝑂𝑂3 (đ,𝑛𝑛) ↔ 𝐻𝐻2 𝑆𝑆𝑂𝑂4 + 2𝑁𝑁𝑁𝑁 I. Ứng dụng [1],[5] Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng công nghiệp dùng sản xuất axit sunfuric. Lưu huỳnh cũng được sử dụng trong ắc quy, bột giặt, lưu hóa cao su, thuốc diệt nấm và trong ảsn xuất các phân bón photphat.
Các sunfit được sử dụng để làm trắng giấy và làm chất bảo quản trong rượu vang và làm khô hoa quả. Do bản chất dễ cháy của nó, lưu huỳnh cũng được dùng trong các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa. Các natri thiosunfat và amoni được sử dụng trong nhiếp ảnh. Magie sunfat , được biết dưới tên gọi muối Epsom có thể dùng như thuốc nhuận tràng, chất bổ sung cho các bình ngâm (xử lý hóa học), tác nhân làm tróc vỏ cây.
Tính chất vật lý[6] Cát là một vật liệu tự nhiên, dạng hạt gồm đá và khoáng sản các hạt mịn. Tùy theo nguồn gốc và địa phương mà cát có thành phần khác nhau, nhưng thành phần chính là oxit silic ( SiO2 ). Cát là chất rắn không tan trong nước, không có khả năng kết dính nên không có tính giữa nước. Kích thước cát hạt cát theo đường kính trung bình nằm trong khoảng từ 0,0625 mm tới 2 mm (thang Wentworth sử dụng tại Hoa Kỳ) hay từ 0,05 mm tới 1 mm (thang Kachinskii sử dụng tại Nga và Việt Nam hiện nay).
Ẩm trong cát bốc hơi nhanh trong không khí với trị số cường độ bay hơi cao.