ChemTech

Congnghehoahoc.org

Cao Lanh

Cao lanh, là một loại khoáng sét tự nhiên rất phổ biến trên thế giới, đây là một loại khoáng sét dẻo không trương nở, có màu trắng, vàng hoặc nâu đỏ. Cao lanh được tìm thấy ở rất nhiều mỏ khác nhau trên thế giới, ở Việt Nam cao lanh có ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Yên, Hà Giang, Phú Thọ, Lâm Đồng…với trữ lượng lớn và chất lượng khá tốt.

Cao lanh đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp vật liệu xây dựng, sản xuất gốm sứ, công nghiệp in, làm chất nền, mới đây cao lanh đang được chú ý như một nguồn nguyên liệu có nhiều ưu điểm để sản xuất zeolit làm các chất trao đổi ion, hấp phụ, làm các chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi trường.

 Thành phần hóa học

Thành phần chính của cao lanh là khoáng vật kaolinit, có công thức hóa học đơn giản là Al2­­O3.2SiO2.2H2O, công thức lý tưởng là Al4(Si4O10)(OH)8 với hàm lượng SiO2=46,5%; Al2­­O3 =39,5% và H2O=13,96% trọng lượng [1],[24],[27]. Trong cao lanh  còn có các thành phần khác như Fe2O3, TiO2, K2O, CaO, Na2O với hàm lượng nhỏ, trong cao lanh nguyên khai còn có chứa các khoáng khác như haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, α-quart, pyrit, nhưng hàm lượng rất ít.

Trong các loại khoáng sét thì kaolinit có hàm lượng Al2­­O3 thường từ 36,83 ÷40,22%; SiO2 có hàm lượng từ 43,64 ÷46,90%, các oxyt khác chiếm từ 0,76 ÷3,93%, lượng nước hấp phụ bề mặt và lượng mất khi nung từ 12,79 ÷15,37%, đôi khi bằng 10%. Tỷ số mol SiO2/Al2­­O3 thay đổi từ 1,75 ÷ 2,94 nhưng thường trong khoảng  2,1 ÷2,4 [1].

Cấu trúc tinh thể

Kaolinit có cấu trúc lớp 1:1, dạng diocta [16],[28]. Cấu trúc tinh thể của kaolinit được hình thành từ một lưới tứ diện liên kết với một mạng bát diện tạo nên một lớp cấu trúc. Chiều dày của lớp này từ 7,15 ÷7,2Å. Mỗi lớp cấu trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng trục a và b. Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tự ngắt quãng theo hướng trục c

Các tứ diện quay đỉnh chung về phía mạng bát diện. Ở vị trí đỉnh chung của tứ diện và bát diện thì ion OH của mạng bát diện được thay thế bằng ion O2- nằm cạnh mặt chứa những ion OH. Giữa hai mặt đó xuất hiện một lực liên kết giữ chặt các lớp lại làm cho mạng tinh thể kaolinit ít di động, hấp phụ ít nước và không trương nở. Trong cấu trúc của kaolinit cứ 3 vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị chiếm giữ bởi ion Al3+ còn một vị trí bỏ trống. Chính vì vậy  kaolinit thuộc phân nhóm diocta.

Các tính chất đặc trưng cơ bản của cao lanh

Tính chất cơ bản của cao lanh thường được đề cập là tính chất trao đổi ion, tính chất hấp phụ và tính chất xúc tác. Do bề mặt của kaolinit không lớn, thường dao động từ 15 ÷20m2/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của kaolinit. Với khả năng trương nở kém nên không sử dụng kaolinit làm chất xúc tác mà chỉ sử dụng nó với vai trò chất nền.

        *Tính chất trao đổi ion.

Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của mình. Sự trao đổi cation thường được nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng rộng hơn [1] so với anion. Các cation trao đổi thường là Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+, H+. Các anion trao đổi thường là SO42-, Cl, PO43-, NO3.

Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương

lượng trao đổi trên 100g mẫu. Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC) của cao lanh rất nhỏ, thông thường CEC chỉ khoảng  3 ÷15 meq/100g  và AEC khoảng 20,3 meq/100g

Bề mặt của kaolinit được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự giảm kích thước hạt. CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng lưới cấu trúc. Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên bề  mặt ngoài của kaolinit. Hình 1.2 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay bên trong hạt kaolinit.

        *Tính chất hấp phụ

Cao lanh có khả năng hấp phụ kém. Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1÷ 3% và chủ yếu là hấp phụ bề mặt. Do vậy cao lanh ít có giá trị sử sụng làm chất hấp phụ.

Những biến đổi trong cấu trúc cao lanh khi nung

Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc cao lanh khi nung chính là cơ sở cho những ứng dụng của cao lanh trong nhiều ngành công nghiệp vật liệu và hoá chất. Trong cao lanh cũng như nhiều loại khoáng sét khác có chứa một lượng nước nhất định khi còn ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ thường). Nhìn chung, nước trong cấu trúc khoáng sét được chia làm 3 loại:  (1) nước hấp phụ trong lỗ xốp, trên bề mặt và xung quanh các hạt phân tử khoáng rời rạc; (2) nước ở dạng hydrat, nước ở dạng xen kẽ giữa các lớp khoáng; (3) nước nằm trong các khe, hốc giữa các đơn vị cấu trúc dài (các nhóm OH cấu trúc). Nếu khoáng chứa loại (1) sẽ tốn ít năng lượng nhất khi tiến hành loại bỏ nước.

Các phân tử nước trong cao lanh thuộc loại (1), chỉ là nước hấp phụ bề mặt và một số nằm trong lỗ xốp, do đó sẽ dễ dàng mất đi khi cao lanh bị nung nóng từ 100 ¸1500C. Khi cao lanh bị nung đến khoảng nhiệt độ 550 ¸7000C, nước trong cấu trúc (nhóm OH trong mạng lưới) sẽ dần mất hết và kèm theo sự phá vỡ cấu trúc cao lanh. Khi nhiệt độ tăng đến 9000C thì cấu trúc tinh thể cao lanh bị sập hoàn toàn [34].

Việc xác định sự mất dần các nhóm OH ở các vị trí là dựa vào phương pháp nhiệt vi sai (DTA). Ngoài ra bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) người ta xác định được khi nung cao lanh, song song với sự tăng nhiệt độ là sự giảm của trọng lượng (lượng mất khi nung).

Quá trình xử lý nhiệt cao lanh còn dẫn tới các pha khuyết tật, tuy nhiên các pha khuyết tật này lại hoạt động hơn đối với quá trình kết tinh. Sơ đồ sau diễn tả quá trình xử lý cao lanh bởi các nhiệt độ khác nhau

 

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: