Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới
PGS.TS. La Thế Vinh – Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo em tận tình trong suốt quá
trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học,
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã hết lòng quan tâm giúp đỡ em trong
suốt thời gian 4 năm học tập.
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Lãnh đạo và các cán bộ phòng Bộ môn
Công nghệ các hợp chất vô cơ – Viện Kỹ Thuật Hóa học – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội cùng các cán bộ trong Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt
Nam, Trung Tâm Công Nghệ Hóa Học Việt Nam – Belarus đã tận tình chỉ
bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Con xin cảm ơn gia đình, tôi cảm ơn bạn bè và người thân đã luôn tạo
điều kiện và động viên khuyến khích trong suốt quá trình học tập.
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp dù cố gắng nhưng em
vẫn không tránh khỏi sai sót. Vì vậy, em kính mong nhận được sự chỉ bảo của
các thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên quan tâm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2013
Sinh viên
Vũ Thị Diệp

Khóa luận tốt nghiệp

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa

Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU………………………….3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG…………………………4
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan cao lanh .................................................................................... 6
1.1.1. Khái niệm ................................................................................................ 6
1.1.2. Tính chất vật lý ........................................................................................ 7
1.1.3. Tính chất hóa học .................................................................................... 8
1.1.4. Trạng thái tự nhiên................................................................................ 11
1.1.5. Ứng dụng ............................................................................................... 11
1.2. Nhôm sunfat ............................................................................................. 13
1.2.1. Tính chất hóa lý ..................................................................................... 13
1.2.2. Ứng dụng ............................................................................................... 15
1.2.3. Các phương pháp chế tạo nhôm sunfat ................................................ 16
CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 20
2.1.1. Phân tích cấu trúc, tính chất của cao lanh ........................................... 20
2.1.1.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) ............................................ 20
2.1.1.2. Phương pháp phân tích nhiệt ( DSC) ................................................. 22
2.1.1.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope)
......................................................................................................................... 24
2.1.2. Phân tích hàm lượng nhôm hòa tách được bằng phương pháp phân tích
thể tích ............................................................................................................. 25
2.1.2.1. Nguyên tắc của phân tích thể tích ...................................................... 25

2.1.2.2. Các phương pháp phân tích thể tích .................................................. 25

Khóa luận tốt nghiệp

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

2.1.2.3. Phương pháp chuẩn độ tạo phức xác định nhôm trong cao lanh ...... 26
2.1.3. Nghiên cứu quá trình hòa tách nhôm bằng phản ứng của cao lanh với
dung dịch axit sunfuric trong một số điều kiện khác nhau ............................. 26
2.2. Thực nghiệm…………………………………………………………….27
2.2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm………………………………………27
2.2.1.1. Hóa chất…………………………………………………………….27
2.2.1.2. Dụng cụ và thiết bị.............................................................................27
2.2.1.3. Pha chế dung dịch chuẩn…………………………………………...27
2.2.2. Xây dựng thí nghiệm động học………………………………………..28
2.2.2.1. Mô tả thực nghiệm…………………………………………………..28
2.2.2.2. Tiến hành thí nghiệm………………………………………………..29
2.2.3. Phương pháp phân tích……………………………………………….29
2.2.3.1. Cơ sở phương pháp…………………………………………………29
2.2.3.2. Phương pháp tiến hành……………………………………………..30
2.2.3.3. Công thức tính toán…………………………………………………30
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Giản đồ XRD của mẫu cao lanh ở các nhiệt độ khác nhau……………..32
3.2. Khảo sát sự biến đổi thành phần, cấu trúc của cao lanh theo nhiệt độ bằng
phương pháp phân tích nhiệt (DTA)………………………………………...35

3.3. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt………………………………...36
3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 sử dụng phân hủy……………39
3.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung…………………………………41
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng……………………………43
KẾT LUẬN………………………………………………………………….46
KIẾN NGHỊ…………………………………………………………………47
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………...48

Khóa luận tốt nghiệp

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

MỞ ĐẦU
Nhu cầu sử dụng nhôm của thế giới tăng liên tục trong khi trữ lượng
quặng boxit (nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhôm hiện nay) là có hạn. Tình
trạng này đã khuyến khích việc tìm các kĩ thuật mới để sản xuất nhôm từ các
nguyên liệu khác như cao lanh hoặc các loại đất sét có trữ lượng vô tận.
Trên thế giới xu hướng nghiên cứu sản xuất nhôm từ nguyên liệu cao
lanh đang rất được quan tâm và diễn ra hết sức sôi nổi.
Việt Nam là một trong những nước có nhu cầu nhập khẩu nhôm vào
loại lớn nhất thế giới, mỗi năm nước ta nhập khoảng 70000 tấn nhôm kim
loại. Trong khi đó nước ta có nguồn nguyên liệu chứa nhôm như quặng boxit
và cao lanh tuy không nhiều nhưng đủ để sản xuất trong nước trong một thời
gian dài. (Theo báo cáo khoa học của Viện Hóa học – Tổng công ty Hóa chất
Việt Nam năm 2000) trữ lượng quặng boxit đã được thăm dò là 2,7 tỉ tấn, dự

báo quặng boxit nguyên khai khoảng 6,7 tỉ tấn.
Trước tình hình đó một vấn đề được đặt ra là đề xuất phương án nghiên
cứu sản xuất nhôm đi từ nguồn nguyên liệu là các quặng thiên nhiên có sẵn ở
các địa phương để giảm chi phí nhập khẩu nhôm. Tuy nhiên, sau khi khảo sát
quặng boxit ở các tỉnh phía bắc do tồn tại ở dạng điaxpo rất khó hòa tan chưa
có công nghệ phù hợp để đi từ nguyên liệu này. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài :
“Nghiên cứu khả năng tách nhôm trong cao lanh bằng dung dịch axit
sunfuric”.
Mục đích của đề tài :
- Nắm được phương pháp phân tích nguyên liệu, sản phẩm của quá trình
nghiên cứu khả năng tách nhôm trong cao lanh bằng dung dịch axit sunfuric.

Khóa luận tốt nghiệp

1

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

- Tìm điều kiện công nghệ tối ưu cho quá trình hòa tách nhôm trong
cao lanh bằng dung dịch axit sunfuric.
Nội dung nghiên cứu :
- Phân tích thành phần hóa học, cấu trúc pha của mẫu cao lanh.
- Phân loại kích thước hạt và nghiên cứu khả năng hòa tách nhôm
trong mẫu cao lanh lựa chọn (cao lanh Thanh Sơn – Phú Thọ).


Khóa luận tốt nghiệp

2

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Các chữ viết tắt.
BĐM

: Bình định mức

DSC

: Phép đo nhiệt lượng quét vi sai (differential scanning
calorimetry)

DTA

: Phân tích nhiệt vi sai (differential thermal analyis)

EDTA

: Etilen điamin tetraxetat


FEG

: Súng phát xạ trường (FEG-fieldemissiongun)

HVĐTQ

: Hiển vi điện tử quét

KHP

: Biphtalat kali KHC8H4O4

PAC

: Poli aluminum clorua

PE

: Poli etilen

PVC

: Poli vinylclorua

SEM

: Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)

TEM


: Kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron
microscope)

TGA

: Phân tích nhiệt trọng lượng (thermogravimetry analysis)

XRD

: Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)

2. Các ký hiệu.
N

: Số tâm phát xạ

D

: Độ dài khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song



: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ

Λ

: Bước sóng

Β


: Độ rộng tại vị trí nửa pic

D

: Kích thước tinh thể trung bình với góc nhiễu xạ 2

Khóa luận tốt nghiệp

3

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG
1. Danh mục các hình vẽ và đồ thị.
STT

KÝ HIỆU

NỘI DUNG

TRANG

1

Hình 1.1


Cao lanh trong tự nhiên.

6

2

Hình 1.2

Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt

9

cao lanh.
3

Hình 1.3

Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh.

10

4

Hình 2.1

Máy nhiễu xạ tia X (vật thật).

20


5

Hình 2.2

Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột.

21

6

Hình 3.1

Giản đồ XRD mẫu cao lanh ở nhiệt độ

32

thường.
7

Hình 3.2

Giản đồ XRD mẫu cao lanh ở nhiệt độ 600oC.

33

8

Hình 3.3

Cấu trúc nguyên tử của tinh thể khoáng vật


33

Kaolinite và Montmorilinite.
9

Hình 3.4

Sơ đồ rút gọn về cấu trúc nguyên tử của tinh

34

thể khoáng vật Kaolinite và Montmorilinite.
10

Hình 3.5

Giản đồ phân tích nhiệt của cao lanh.

35

11

Hình 3.6

Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng bởi 0,038 –

37

0,041mm với độ phóng đại 500 và 2000 lần.

12

Hình 3.7

Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng bởi 0,038 –

37

0,041mm với độ phóng đại 5000 lần.
13

Hình 3.8

Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng bởi 0,041 –

37

0,22mm với độ phóng đại 200 và 500 lần.
14

Hình 3.9

Ảnh SEM mẫu cao lanh sàng bởi 0,041 –

38

0,22mm với độ phóng đại 2000 lần.
15

Hình 3.10


Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ

40

axit đến hiệu suất tách Al2O3.

Khóa luận tốt nghiệp

4

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

16

Hình 3.11

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ

42

nung đến hiệu suất tách Al2O3.
17

Hình 3.12


Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian

44

phản ứng đến hiệu suất tách Al2O3.
2. Danh mục các bảng.
STT
1

KÝ HIỆU
Bảng 3.1

NỘI DUNG

TRANG

Bảng thành phần hóa học mẫu cao lanh Phú

32

Thọ.
2

Bảng 3.2

Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng của kích

38


thước hạt đến hiệu suất tách Al2O3.
3

Bảng 3.3

Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ

40

axit đến hiệu suất tách Al2O3.
4

Bảng 3.4

Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ

41

nung đến hiệu suất tách Al2O3.
5

Bảng 3.5

Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian

43

phản ứng đến hiệu suất tách Al2O3 của mẫu
cao lanh nung trong 1h.
6


Bảng 3.6

Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian

44

phản ứng đến hiệu suất tách Al2O3 của mẫu
cao lanh nung trong 2h.

Khóa luận tốt nghiệp

5

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan cao lanh
1.1.1. Khái niệm
1.1.1.1. Nguồn gốc
Cao lanh có nguồn gốc tên gọi từ Cao Lĩnh thổ (tức đất Cao Lĩnh, là
đất sét trắng tại Cao Lĩnh), một khu vực đồi tại Giang Tô, Trung Quốc. Các
mỏ đất sét trắng tại đây được khai thác để làm nguồn nguyên liệu sản xuất đồ
sứ Trung Quốc. Tên gọi kaolinh được các giáo sĩ dòng Tên người Pháp du
nhập vào châu Âu trong thế kỷ 18 và khi được phiên âm ngược trở lại tiếng

Việt thì nó đã trở thành cao lanh.

Hình 1.1: Cao lanh trong tự nhiên.
Cao lanh hay đất cao lanh là một loại đất sét màu trắng, bở, chịu lửa,
với thành phần chủ yếu là khoáng vật kaolinit cùng một số khoáng vật khác
như illit, montmorillonit, thạch anh ...
Trong công nghiệp, cao lanh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau chẳng hạn như sản xuất đồ gốm sứ, vật liệu chịu lửa, vật liệu mài, sản
xuất nhôm, phèn nhôm, đúc, chất độn sơn, cao su, giấy, xi măng trắng ...

Khóa luận tốt nghiệp

6

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

1.1.1.2. Phân loại
Có nhiều kiểu phân loại cao lanh khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc
phát sinh, mục đích sử dụng, độ chịu lửa, độ dẻo, độ xâm tán, hàm lượng các
ôxit nhuộm màu…
Theo nguồn gốc phát sinh, có thể chia cao lanh thành hai dạng là phát
sinh từ các nguồn sơ cấp và phát sinh từ các nguồn thứ cấp. Cao lanh sơ cấp
sinh ra từ quá trình phong hóa hóa học hay thủy nhiệt của các loại đá có chứa
fenspat như rhyolit, granit, gơnai. Cao lanh thứ cấp được tạo ra từ sự chuyển
dời của cao lanh sơ cấp từ nơi nó sinh ra vì xói mòn và được vận chuyển cùng

các vật liệu khác tới vị trí tái trầm lắng. Một số cao lanh cũng được sinh ra tại
nơi tái trầm lắng do biến đổi thủy nhiệt hay phong hóa hóa học đối với acco
(arkose), một dạng đá trầm tích mảnh vụn với hàm lượng fenspat trên 25%.
Theo nhiệt độ chịu lửa, cao lanh được phân thành loại chịu lửa rất cao
(trên 1750°C), cao (trên 1730°C), vừa (trên 1650°C) và thấp (trên 1580°C).
Theo thành phần Al2O3 + SiO2 ở trạng thái đã nung nóng cao lanh được
phân thành loại siêu bazơ, bazơ hoặc axit.
1.1.1.3. Thành phần
Thành phần chính trong cao lanh là SiO2, Al2O3, H2O… ngoài ra còn có các
thành phần Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O, Na2O và các khoáng khác như :
Hiđrômica, halôxit, montmorilônit, feldpar, limonit, quartz, anatase, rutil, pyrite.
1.1.2. Tính chất vật lý
Cao lanh có cấu trúc 2 lớp 1:1 (tương tự như dickit, nacrit, halloysit)
với công thức chung là Al2Si2O5(OH)4.nH2O (n = 0 - 2) thành phần gồm SiO2,
Al2O3, H2O ngoài ra còn có một lượng nhỏ tạp chất Fe, Ti, K và Mg. Cao lanh
có màu trắng, trắng xám, dạng đặc sít hoặc là những khối dạng đất sáng màu, tập
vảy nhỏ, tinh thể đơn vị dạng hình lục lăng liên kết thành các tấm nhỏ, mỏng,
đường kính khoảng 0,2 - 12µm, khối lượng riêng khoảng 2,1 - 2,6 g/cm3, độ cứng

Khóa luận tốt nghiệp

7

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội


1 - 2,5, có khả năng trao đổi cation khoảng 2 - 15 meq/100g và phụ thuộc
nhiều vào kích thước của hạt, nhưng các phản ứng thay thế cation xảy ra với
tốc độ rất lớn.
Khi ngấm nước, nó có tính dẻo, nhưng không có hiện tượng co giãn.
Đây là tính chất được biết đến sớm nhất của cao lanh, người ta dùng nó ở
dạng hồ quánh để định hình và nung thiêu kết để tạo ra các đồ gốm sứ.
Nhiệt độ nóng chảy của cao lanh : 1750 - 17870C. Khi nung nóng, cao
lanh có hiệu ứng thu nhiệt, pic ở 510 - 6000C liên quan đến sự mất nước kết
tinh và hiện tượng không định hình của khoáng vật. Hai pic toả nhiệt từ 960
đến 1000 và 12000C liên quan đến quá trình mulit hoá của các sản phẩm cao
lanh không định hình, với pic 12000C là quá trình kết tinh của oxit silic không
định hình để tạo thành cristobalit.
1.1.3. Tính chất hóa học
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 cao lanh không lớn,
thường dao động từ 15 – 20 m2/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của
cao lanh. Với khả năng trương nở kém nên không sử dụng cao lanh 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 so với anion. Các cation trao đổi thường là Ca 2+, 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 100 g 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.

Khóa luận tốt nghiệp


8

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.2.Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt cao lanh.
Bề mặt của cao lanh 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 khuếch
tán 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 cao lanh. Hình
1.2 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay bên trong hạt cao lanh.
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 dụng
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


Khóa luận tốt nghiệp

9

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

dạng hyđrat, 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 900 0C thì cấu trúc tinh thể
cao lanh bị sập hoàn toàn.
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).

Hình 1.3: Vị trí các nhóm OH trong cao lanh.
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 :


Khóa luận tốt nghiệp

10

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

2 Al2Si2O5(OH)4
2 Al2Si2O7
3 Al4Si3O12

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

550 - 6500C
925 - 9500C
> 10500C

2 Al2Si2O7 + 4 H2O
Al4Si3O12 + SiO2
2 Al2Si2O13 + 5 SiO2

1.1.4. Trạng thái tự nhiên
Quặng cao lanh nước ta được phân bố ở nhiều nơi như : Lào Cai, Yên
Bái, Phú Thọ, Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hải Dương, Quảng Ninh, Đà Lạt,
Đồng Nai, Sông Bé. Trong đó những mỏ quặng cao lanh đã được thăm dò,
khai thác là :
- Các mỏ cao lanh Tấn Mài (Quảng Ninh), Trúc Thôn (Hải Dương),
Tuyên Quang đã được khai thác dùng làm gạch chịu lửa cho công ty gang

thép Thái Nguyên.
- Mỏ Bảo Lộc hiện đạt công suất khai thác, tuyển rửa là 35000 tấn/năm.
- Mỏ Thạch Khoán, Phú Thọ gồm 4 vùng với tổng trữ lượng đã xác
định khoảng 3,2 triệu tấn.
- Mỏ Trại Mật, Lâm Đồng, với tổng trữ lượng đã thăm dò là 11 triệu tấn.
Ngoài ra, một số mỏ quy mô nhỏ ở các địa phương như Yên Bái, Phú
Thọ, Hải Dương, Đồng Nai, Sông Bé đã được sử dụng để khai thác cao lanh
làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ dân dụng, gốm sứ kỹ thuật, phèn nhôm...
1.1.5. Ứng dụng
Cao lanh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như :
công nghiệp gốm sứ, giấy, sơn, cao su, sợi thuỷ tinh, chất dẻo, vật liệu xây
dựng, gạch chịu lửa, làm xúc tác cho công nghệ lọc dầu… Nhờ có khả năng
hấp thụ đặc biệt không chỉ các chất béo, chất đạm mà còn có khả năng hấp thụ
cả các loại virut và vi khuẩn. Vì vậy, cao lanh được ứng dụng cả trong các
lĩnh vực y tế, dược phẩm, mỹ phẩm....

Khóa luận tốt nghiệp

11

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Công nghiệp sản xuất giấy : trong công nghiệp giấy, cao lanh được sử
dụng làm chất độn tạo cho giấy có mặt nhẵn hơn, tăng độ kín, giảm độ thấu
quang và làm tăng độ ngấm mực in tới mức tốt nhất. Loại giấy thông thường

chứa 20% cao lanh, có loại chứa tới 40%. Thông thường, một tấn giấy cần
250 - 300 kg cao lanh. Chất lượng cao lanh dùng làm giấy được xác định bởi
độ trắng, độ phân tán và mức độ đồng đều của các nhóm hạt.
Công nghiệp sản xuất đồ gốm : công nghiệp sản xuất sứ, gốm sứ dân
dụng, sứ mỹ nghệ, dụng cụ thí nghiệm, sứ cách điện, sứ vệ sinh… đều sử
dụng chất liệu chính là cao lanh ; chất liệu kết dính là sét chịu lửa dẻo, có màu
trắng. Chất lượng cao lanh đòi hỏi rất cao và phải khống chế các oxit tạo mầu
(Fe2O3 và TiO2). Hàm lượng Fe2O3 không được quá 0,4 - 1,5% ; TiO2 không
quá 0,4 - 1,4% ; CaO không quá 0,8% và SO3 không quá 0,4%.
Sản xuất vật liệu chịu lửa : trong ngành sản xuất vật liệu chịu lửa,
người ta dùng cao lanh để sản xuất gạch chịu lửa, gạch nửa axit và các đồ
chịu lửa khác. Trong ngành luyện kim đen, gạch chịu lửa làm bằng cao lanh
chủ yếu được dùng để lót lò cao, lò luyện gang, lò gió nóng. Các ngành công
nghiệp khác cần gạch chịu lửa với khối lượng ít hơn, chủ yếu để lót lò đốt, nồi
hơi trong luyện kim mầu và công nghiệp hóa học, ở nhà máy lọc dầu, trong
công nghiệp thủy tinh và sứ, ở nhà máy xi măng và lò nung vôi.
Chế tạo sợi thuỷ tinh : một lĩnh vực khác cũng sử dụng cao lanh tăng nhanh
hàng năm đó là dùng làm nguyên liệu vào của sản xuất sợi thuỷ tinh. Trong thành
phần của cao lanh có chứa cả silica và alumina, chất có trong thành phần của sợi
thuỷ tinh. Cao lanh được sử dụng đồng thời với một lượng nhỏ sắt và titan.
Nguyên nhân tăng nhu cầu sử dụng cao lanh trong lĩnh vực này bởi vì hạn chế khi
sử dụng nguyên liệu amiăng loại chất gây hại cho sức khoẻ.
Lĩnh vực chất độn : cao lanh được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực làm
chất độn giấy, nhựa, cao su, hương liệu… Cao lanh có tác dụng làm tăng độ

Khóa luận tốt nghiệp

12

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa



Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

rắn, tính đàn hồi, cách điện, độ bền của cao su, tăng độ cứng và giảm giá
thành sản phẩm của các chất dẻo như PE, PP, PVC...
Trong sản xuất da nhân tạo (giả da) : cao lanh có tác dụng làm tăng độ
bền, độ đàn hồi.
Trong sản xuất xà phòng : cao lanh có tác dụng đóng rắn khi sản xuất,
hấp thụ dầu mỡ khi sử dụng. Lĩnh vực sản xuất xà phòng yêu cầu cao lanh có
độ hạt dưới rây 0,053mm lớn hơn 90% ; không lẫn cát, không lắng cặn trước
8 giờ, hàm lượng Fe2O3 ≤ 2 - 3%, TiO2 ≤ 1%, chất bazơ trao đổi ≤ 0,8 - 2%
và cacbonat ≤ 15 - 20%.
Trong sản xuất thuốc trừ sâu : sử dụng cao lanh có độ khuếch tán lớn,
sức bám tốt, trơ hóa học, hợp chất sắt thấp, độ hạt 22m từ 40 - 75%.
Trong tổng hợp zeolit : cao lanh là nguyên liệu chính để tổng hợp zeolit :
loại chất được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như hấp phụ, trao đổi ion,
làm chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi trường.
Trong các lĩnh vực khác, cao lanh được sử dụng làm nguyên liệu sản
xuất xi măng trắng, các chất tráng trong xây dựng, nguyên liệu trong sản xuất
nhôm, phèn nhôm…
1.2. Nhôm sunfat
1.2.1. Tính chất hóa lý
Nhôm sunfat khô là chất bột màu trắng với tỷ trọng 2710 kg/m3,
Vasilev, Gitis và Seitlin đã đo tỷ trọng và độ nhớt của dung dịch (dung dịch là
nước) nhôm sunfat trong khoảng nhiệt độ 100C  t  950C và khoảng nồng độ
0,049  C  0,305kg/kg. Tỷ trọng của dung dịch thay đổi tương đối theo hàm số :
 = 1001,7 + 1271,60C – 0,663t

Sai số trung bình bình phương bất kỳ : SOP = 1,5 kg/m3.

Khóa luận tốt nghiệp

13

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Trong dung dịch, trong khoảng nhiệt độ từ -12 đến 112,20C kết tinh ở
dạng Al2(S)4)3.16H2O. Với nhiệt độ -120C trong thành phần nhôm sunfat
27,2% hình thành điểm ơtecti.
Trong môi trường oxy hóa, môi trường khử và môi trường trung hòa khi
đốt nóng, Al2(S)4)3.16H2O phân huỷ theo cấp độ. Trong khoảng 50 - 600C quan
sát thấy 16 hyđrat nhôm sunfat, trong khoảng 80 - 900C phần đó chuyển hoá thành
12 hyđrat. Sự chuyển hoá thành hecxanhyđrat kết thúc tại nhiệt độ 1300C.
Khi đốt nóng nhanh tới 1500C Al2(SO4)3.16H2O tan thành nước tinh
thể. Sự nóng chảy của tinh thể hyđrat trong bình kín xảy ra ở nhiệt độ thấp
hơn 860C. Tinh thể hyđrat với 12 mol nước khi đốt nóng trong không khí
không bị nóng chảy. Cao hơn 1500C hecxanhyđrat nhôm sunfat bị phân huỷ
vì hình thành pha rơnghen vô định hình. Trong khoảng 200 - 3000C quá trình
loại nước xảy ra mạnh với sự hình thành tinh thể hyđrat tướng cùng loại. Sự
phân huỷ của nhôm sunfat khô với sự loại bỏ oxit lưu huỳnh bắt đầu từ 6500C
và diễn ra mạnh trong khoảng nhiệt độ 700 - 8000C. Khi đó trong pha cứng
hình thành  - Al2O3. Tăng nhiệt độ tới 10000C, SO3 bị loại bỏ hoàn toàn.
Trong môi trường khử, quá trình loại nước của Al 2(SO4)3.16H2O cũng hoàn

thành với nhiệt độ 4500C.
Trong hệ thống Al2(SO4)3 - H2SO4 - H2O với nhiệt độ 25 - 800C hình
thành 4 loại hyđrat nhôm sunfat với thành phần 18, 16, 14, 12 mol nước và ba
loại muối chua : 2Al2(SO4)3.H2SO4.24H2O ; Al2(SO4)3.H2SO4.12H2O và
Al2(SO4)3.3H2SO4 .12H2O.
Trong dung dịch 0 - 65% H2SO4 với nhiệt độ 850C hình thành 16,14, 9
hyđrat nhôm sunfat, hình thành Al2(SO4)3.H2SO4.8H2O và pha bền giả
2Al2(SO4)3.H2SO4 .24H2O. Trong khoảng nhiệt độ 40 - 1000C nhận thấy sự
kết tinh của các muối sau :
- Al2(SO4)3.18H2O

Khóa luận tốt nghiệp

14

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

- Al2(SO4)3.16H2O
- Al2(SO4)3.H2SO4 .24H2O
- Al2(SO4)3.H2SO4.12H2O
- Al2(SO4)3
- Pha bền giả Al2(SO4)3.H2SO4.24H2O
Độ tan của nhôm sunfat phụ thuộc khá lớn vào nồng độ axit sunfuric.
Trong dung dịch axit loãng, độ tan của Al2(SO4)3 lớn hơn so với trong nước
cất nhưng khi tăng nồng độ H2SO4 độ tan giảm đột ngột tới 1% trong dung

dịch H2SO4 60%. Khi tăng nồng độ axit lên cao hơn nữa thì độ tan của nhôm
sunfat tăng trở lại. Trong dung dịch với dung môi là nước nhôm sunfat bị thuỷ
phân với sự hình thành ion hyđroxit nhôm và ion hyđro. Quá trình thuỷ phân
của nhôm sunfat phụ thuộc vào nồng độ muối trong dung dịch, độ pH của môi
trường nhiệt độ và những yếu tố khác. Trong dung dịch sunfat quá trình thuỷ
phân với sự hiện diện của ion SO24 diễn ra sự hình thành thể phức của hyđroxit
nhôm. Tất cả các muối nhôm sunfat cơ bản tan nhiều trong kiềm đặc biệt là
đun nóng tới nhiệt độ sôi. Với axit sunfuric, axit clohyđric và axit nitric có
nồng độ thấp và trung bình, các muối này không tương tác. Tại nhiệt độ sôi
của các axit này có thể quan sát thấy sự tương tác đáng kể. Trong axit đặc tất
cả các muối trên nhìn chung tan hoàn toàn.
1.2.2. Ứng dụng
Nhôm sunfat có công dụng chủ yếu trong công nghiệp giấy, nhuộm,
thuộc da và làm chất keo tụ để làm trong nước. Những công dụng này đều
xuất phát từ chỗ muối nhôm thuỷ phân khá mạnh ở trong nước tạo thành
nhôm hyđroxit. Khi nhuộm vải, hyđroxit đó được sợi vải hấp phụ và giữ chặt
trên sợi sẽ kết hợp với phẩm nhuộm tạo thành màu bền, cho nên có tác dụng
là chất cắn màu. Tác dụng keo tụ làm trong nước là do hyđroxit đó, với bề
mặt rất phát triển, hấp phụ các chất lơ lửng ở trong nước kéo chúng cùng lắng

Khóa luận tốt nghiệp

15

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội


xuống dưới. Trong công nghiệp giấy nhôm sunfat được cho vào bột giấy cùng
với muối ăn. Nhôm clorua được tạo nên do phản ứng trao đổi, bị thuỷ phân
mạnh hơn tạo nên hyđroxit. Hyđroxit này sẽ kết dính những sợi xenlulo với
nhau làm cho giấy không bị nhoè mực khi viết. Các muối của nhôm nói chung
và nhôm sunfat nói riêng được sử dụng khá rộng rãi đặc biệt là trong các việc
xử lý nước.
1.2.3. Các phương pháp chế tạo nhôm sunfat
Nhôm sunfat có thể được sản xuất dưới dạng miếng không xác định
kích thước với khối lượng tới 10 kg hoặc dưới dạng vẩy với thành phần
14 - 16,3% Al2O3. Nhôm sunfat có thể được sản xuất dưới dạng dung dịch
theo yêu cầu của người mua trong khối lượng nhỏ với thành phần 6,7 - 7,7%
Al2O3 hoặc có thể dưới dạng sản phẩm không bão hoà - là hợp chất của nhôm
sunfat và phần bã không tan, điển hình là oxit silic.
1.2.3.1. Điều chế nhôm sunfat từ nhôm hyđroxit
Phương pháp cơ bản trong công nghiệp sản xuất nhôm sunfat sạch hiện
nay là điều chế nhôm sunfat từ nhôm hyđroxit. Phương pháp này được sử
dụng rộng rãi nhờ có những ưu điểm như : đơn giản, có thể cho sản phẩm có
chất lượng cao với hàm lượng oxit sắt nhỏ, chi phí vận chuyển thấp. Nhôm
hyđroxit là bán sản phẩm trong sản xuất đất nhôm oxit. Điều chế nhôm
hyđroxit từ quặng bôxit bằng kiềm theo phương pháp Baier được sử dụng
rộng rãi. Trong phạm vi nhỏ hơn, đất nhôm oxit được sản xuất bằng phương
pháp dung kết nephelin với vôi hoặc sản xuất từ alunit bằng phương pháp
kiềm khử. Hàm lượng nước trong sản phẩm không được vượt quá 12% độ hao
khi nung không tính nước là 34 - 38%. Trong sản xuất nhôm sunfat, hàm
lượng Na2O và K2O cần ở mức thấp vì nếu hàm lượng này cao, mức tiêu thụ
axit sunfuric và nhôm hyđroxit sẽ tăng do sự hình thành muối khó tan
Na2[Al6(SO4)5(OH)10].4H2O làm tăng lượng bã khó tan trong dung dịch.

Khóa luận tốt nghiệp


16

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

1.2.3.2. Điều chế nhôm sunfat từ cao lanh
Cao lanh được phân bố rộng rãi trên nhiều miền khác nhau. Thành phần
của cao lanh gồm oxit nhôm, oxit silic và một số các tạp chất khác. Oxit silic
SiO2 không phản ứng với axit H2SO4 vì vậy bước công nghệ đầu tiên là sunfat
hoá. Hoà tan chọn lọc Al2O3 ra khỏi SiO2, chế biến Al2(SO4)3 và các sản
phẩm khác.
Cao lanh được xếp vào nhóm đất sét đơn khoáng. Đất sét được gọi là
cao lanh nếu trong nó chứa lớn hơn 50% khoáng caolinnhit (Al2SiO5(OH)4).
Đất sét được phân biệt với cao lanh bởi độ mịn hạt cao lanh, tính dẻo và
khả năng thiêu kết tại nhiệt độ cao. Trong đất sét hạt < 2m, hạt cao lanh < 5m.
Thành phần cao lanh có các khoáng sét khác : dikit, galuazit, nakerit và
gitroluda … trong thành phần gọi là tạp chất có cả silic dạng cát, opan, hiếm
hơn là hanxedon. Tạp chất có chứa Fe : hematit, xiđerit… một vài cao lanh
có chứa khoáng gibbxit Al(OH)3, AlOOH mà nhờ đó hàm lượng Al2O3 rất
cao. Thành phần hoá học của cao lanh thay đổi trong diện rộng nên trước khi
đưa vào sản xuất thường sử dụng cao lanh đã qua tuyển.
Phân huỷ cao lanh bằng axit sunfuric
Cao lanh khó tan trong H2SO4, có rất nhiều công trình đã nghiên cứu
quá trình nhiệt hoá cao lanh nhưng chưa có sự thống nhất về cơ chế của quá
trình này. Bằng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, hoá lý, rơnghen, quang

phổ hồng ngoại có thể biểu diễn quá trình nhiệt hoá theo sơ đồ sau :

4505500 C
Al2SiO5(OH)4  Al2O3 . 2SiO2 + 2H2O

(1)

830 - 8500 C

Al2O3 . 2SiO2  .Al2O3 + 2SiO2

(2)

9000 C
3.(  - Al2O3) + 2 SiO2  Al2O3 . 2SiO2

Khóa luận tốt nghiệp

17

(3)

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Năng lượng phá huỷ mạng tinh thể của cao lanh theo phản ứng (1) là

280 kJ/mol. Đến 4500C cao lanh không có sự chuyển hoá hoá học nào nên
khó phân huỷ bằng axit H2SO4 nồng độ loãng trung bình. Khi tăng nhiệt độ
nung tạo ra dạng meta dễ dàng phản ứng với H2SO4. Mức độ tách Al2O3 có
thể đạt 90%. Nếu nhiệt độ tăng 850 - 9000C thì có khả năng hoà tách vào
dung dịch giảm là do tạo thành dạng  - Al2O3 và mulitta (phản ứng 3) khó
tan trong axit H2SO4.
Trong dung dịch H2SO4 oxit SiO2 hoà tan không đáng kể. Nồng độ silic
trong dung dịch Al2(SO4)3 không lớn từ (0,1 - 0,2 g/l). Nếu tăng thời gian
nung 0,5 giờ tại 6000C dẫn đến độ hoà tách của Al2O3 trong cao lanh đến
84,7% bằng H2SO4 20% trong thời gian 0,5 giờ tại 1040C. Nếu nhiệt độ hoà
tách Al2O3 trong cao lanh khoảng 60 - 1040C thì mức độ tách Al2O3 vào dung
dịch sẽ tăng từ 14,8 - 92%.
Nếu tăng nhiệt độ lớn hơn 1040C thì không hợp lý vì thiết bị hoà tách
phải làm thiết bị chịu áp lực.
Phân huỷ cao lanh bằng cách thiêu kết cùng với H2SO4 ở 2000C
Trong trường hợp này không đòi hỏi phải nung phân huỷ cao lanh trước
làm đơn giản quá trình sunfat hoá các bước chuyển hoá hoá học biểu diễn
theo sơ đồ :
0

0

C
300 C
 Al2(SO4)3.nH2O+2SiO2  Al2(SO4)3+2SiO2+nH2O
Al2SiO5(OH)4+H2O 100

Khi có lượng axit H2SO4 dư tạo ra muối nhôm sunfat chua.
Như vậy, cả hai phương pháp sunfat hoá cao lanh có một số nhược
điểm sau :

- Cần phải có một sự chuẩn bị kỹ đối với cao lanh trước khi nung.
- Một lượng bụi lớn trong quá trình nghiền cao lanh đã nung cũng như
khó khăn xuất hiện khi phân huỷ trong axit H2SO4 và việc tách nhôm sunfat

Khóa luận tốt nghiệp

18

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

ra khỏi bã SiO2. Nếu thiêu kết sẽ tổn thất một lượng H2SO4 theo ống khói gây
ra ô nhiễm.
Phương pháp sunfat hoá hai bậc cao lanh (CCCP - 223804)
Phương pháp này cho phép nhận được sản phẩm sau thiêu kết có độ
xốp lớn, có độ bền cơ cao, cho phép dễ dàng tách dung dịch sunfat ra khỏi bã
SiO2, giảm được tổn thất H2SO4.
Bước 1 : Từ cao lanh và dung dịch H2SO4 nồng độ 10 - 15% theo hệ số tỷ
lượng, hoặc dung dịch Al2(SO4)3 làm ra bùn. Với hàm ẩm 50 - 55% thiêu kết tạo
hạt ở trên đĩa tạo hạt 200 - 300oC, sau đó hạt này được nung ở 560 - 580oC.
Bước 2 : Hạt sau khi thiêu kết được nung ở 560 - 580oC và được phân
huỷ tiếp 80 - 90% bằng axit theo tỷ lượng. Nồng độ axit được tính toán từ
điều kiện để thu được dụng dịch nhôm sunfat với hàm lượng 12 – 13,5%
Al2(SO4)3. Từ phương trình (3) ta thấy mức độ hoà tách Al2O3 tại nhiệt độ
nung 300 - 400oC là không đáng kể. Khi tăng nhiệt độ lên làm tăng rất nhanh
mức độ chuyển hoá Al2O3.

Phương pháp chế tạo cụ thể như sau : Cao lanh sau khi khai thác từ mỏ
được cắt thành khối, phơi khô và đưa vào lò nung ở nhiệt độ 600 - 650oC
trong 1 đến 2 giờ. Sau đó để nguội, đập vỡ bằng máy nghiền thô, sau đó
nghiền đến kích thước ≤ 0,2mm. Cao lanh sau khi được hoạt hoá sẽ chuyển
vào hệ phản ứng với axit sunfuric tại nhiệt độ 90 - 950C, thời gian phản ứng
là 1 giờ, sau đó được pha loãng bằng nước cất đến thể tích 250 ml.

Khóa luận tốt nghiệp

19

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ
THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Phân tích cấu trúc, tính chất của cao lanh
2.1.1.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

Hình 2.1: Máy nhiễu xạ tia X (vật thật).
Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của
vật liệu, cho phép xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha
tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao.
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột
hay phương pháp Debye. Trong kỹ thuật này, mẫu được tạo thành bột với

mục đích có nhiều tinh thể có tính định hướng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng
có một số lớn hạt có định hướng thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg.

Khóa luận tốt nghiệp

20

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 2.2: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột.
Phương pháp bột cho phép xác định được thành phần pha và nồng độ
các pha có trong mẫu. Bởi vì mỗi pha có trong mẫu cho một hệ vạch nhiễu xạ
tương ứng trên giản đồ nhiễu xạ. Nếu mẫu gồm nhiều pha (hỗn hợp) nghĩa là
gồm nhiều loại ô mạng thì trên giản đồ tia X sẽ tồn tại đồng thời nhiều hệ
vạch độc lập nhau. Phân tích các vạch màu ta có thể xác định được các pha có
trong mẫu – đó là cơ sở để phân tích pha định tính.
Phương pháp phân tích pha định lượng bằng tia X dựa trên cơ sở của sự
phụ thuộc cường độ tia nhiễu xạ vào nồng độ. Nếu biết mối quan hệ đó và đo
được cường độ thì có thể xác định được nồng độ pha. Các pha chưa biết trong
vật liệu có thể xác định được bằng cách so sánh các số liệu nhận được từ giản
đồ nhiễu xạ tia X thực nghiệm với số liệu chuẩn trong sách tra cứu, từ đó ta
tính được tỉ lệ nồng độ các pha trong hỗn hợp. Đây là một trong những ứng
dụng tiêu biểu của phương pháp bột để phân tích pha định lượng.
Khoảng cách d giữa các mạng tinh thể liên hệ với góc nhiễu xạ cực đại
và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff – Bragg :


n  2d.sin
Trong đó:

- n : bậc nhiễu xạ, n có giá trị nguyên n = 1, 2, 3
-  : chiều dài bước sóng tia X
- d : khoảng cách giữa hai mặt tinh thể

Khóa luận tốt nghiệp

21

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa


Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2

Viện KT Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội

Ngoài ra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X còn có thể định lượng pha
tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao.
Từ giản đồ XRD có thể xác định được kích thước tinh thể qua độ rộng
của vạch nhiễu xạ. Một cách định tính, mẫu có các tinh thể với kích thước hạt
lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ càng bé và ngược lại. Để định lượng có thể tính
toán kích thước hạt trung bình của tinh thể theo phương trình Scherrer :

Dt .b 

k
B cos 


Trong đó : - Dt.b : kích thước hạt tinh thể
-θ
-B

: góc nhiễu xạ (độ)
: độ rộng vạch đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nửa

cường độ cực đại
o

  1,5406 A : bước sóng của tia tới
-k

: hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của hạt

và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ.
2.1.1.2. Phương pháp phân tích nhiệt ( DSC)
2.1.1.2.1. Nguyên tắc
Khi đốt nóng mẫu sẽ xảy ra những biến đổi về khối lượng, thành phần,
cấu trúc và có thể xảy ra một hay nhiều phản ứng hoá học giữa các thành
phần, các nguyên tố trong mẫu ở một nhiệt độ nào đó. Khi những biến đổi đó
xảy ra thường kèm theo các hiệu ứng thu nhiệt hay toả nhiệt. Tất cả những
hiệu ứng trên được xác định và ghi trên các giản đồ. Kết quả ghi trên giản đồ
nhiệt cùng với các phương pháp phân tích, khảo sát khác sẽ giúp ta rút ra
được những kết luận bổ ích về sự biến đổi của mẫu theo nhiệt độ đốt nóng
chúng.

Khóa luận tốt nghiệp


22

Vũ Thị Diệp - K35B Hóa