ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THÀNH TRUNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI
HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------------

NGUYỄN THÀNH TRUNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI
HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC

Chuyên ngành

: Kĩ thuật Hóa học

Mã số

: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. LÊ THỊ MAI HƢƠNG
GS.TS. NGUYỄN TRỌNG UYỂN

Hà Nội - 2016


Lời cảm ơn
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.
Lê Thị Mai Hương và GS.TS. Nguyễn Trọng Uyển đã giao đề tài và tận tình hướng
dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn khoa Hóa học – Trường Khoa học tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Hoá học đã
tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn Viện trưởng cùng các đồng nghiệp trong Viện
Hóa học Các hợp chất thiên nhiên – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam và các thành viên trong Trung tâm Phát triển công nghệ Sạch và Vật Liệu đã
tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia
đình, các sinh viên khoá 6 và 7 trường Đại học Công nghiệp Hà Nội cùng những
bạn bè đã luôn ở bên động viên, chia sẻ và giúp đỡ về mọi mặt trong suốt thời gian
học tập và nghiên cứu vừa qua.
Một lần nữa xin được trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Trung


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT


PAC

polyalumiumclorua

PFC

polyferric clorua

FC

Sắt III clorua

AS

Nhôm III sunfua

PAS

polyaluminium sunfat

PASS

polyaluminium silicate sunfat

SEM

Scanning Electron Microscopy - SEM

XRD


Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X

Al(OH)3 – 1

Nhôm hiđroxxit trƣớc nghiền

Al(OH)3 – 2

Nhôm hiđroxxit sau nghiền


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................8
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................3
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NHÔM HIDROXIT ................................................................3
1.1.1. Nhôm tri hiđrôxit...............................................................................................3
1.1.2. Nhôm monohiđrôxit ..........................................................................................8
1.1.3. Sự phân huỷ nhiệt của các nhôm hiđrôxit .......................................................13
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CHẤT KEO TỤ ....................................................................15
1.2.1. Chất keo tụ ......................................................................................................15
1.2.2. Một số phƣơng pháp điều chế chất keo tụ ......................................................19
1.3. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÒA TAN ...................................................21
1.4. GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ NGHIỀN ....................................................24
1.4.1. Giới thiệu về phƣơng pháp nghiền ..................................................................24
1.4.2. Một số thiết bị nghiền[2,11,16] .......................................................................25
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........27
2.1. HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ ...............................................................................27
2.1.1. Hoá chất ..........................................................................................................27

2.1.2. Thiết bị ............................................................................................................27
2.1.3. Dụng cụ ...........................................................................................................27
2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU.28
2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ............................................................................28
2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM ..........................................................29
2.2.3. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt ....................................................................29
2.2.5. Xác định nồng độ nhôm (Al3+) bằng phƣơng pháp chuẩn độ complexon ......30
2.2.6. Xác định nồng độ H+ bằng phƣơng pháp chuẩn độ axit - bazo ......................31
2.2.7. Xác định hàm lƣợng Cl- bằng phƣơng pháp chuẩn độ kết tủa ........................31


2.2.7. Xác định hàm lƣợng SO42- ..............................................................................32
2.2.9. Xác định tổng hàm lƣợng Fe3+ ........................................................................33
2.2.10. Xác định tỉ trọng của sản phẩm .....................................................................34
2.2.11. Công thức xác định chỉ số n trong PAC ........................................................34
2.3. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÍ VÀ THÀNH
PHẦN HÓA HỌC CỦA MẪU TRƢỚC VÀ SAU NGHIỀN ..................................34
2.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH NGHIỀN ĐẾN HIĐRÔXXIT
NHÔM .......................................................................................................................35
2.5. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÒA
TÁCH ........................................................................................................................35
2.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tốc độ khuấy ............................................................35
2.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng ....................................................35
2.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ axit .............................................................35
2.5.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian phản ứng ...................................................36
2.6. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO PAC TỪ NHÔM HIĐROXXIT TÂN
RAI ............................................................................................................................36
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................38
3.1. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU ........................38
3.1.1. Kết quả X-ray ..................................................................................................38

3.1.2. Kết quả SEM ...................................................................................................39
3.1.3. Kết quả BET ....................................................................................................39
3.1.4. Kết quả phổ tán xạ Laser .................................................................................40
3.1.5. Kết quả phân tích thành phần hóa học ............................................................41
3.2. KẾT QUẢ KHẢ NĂNG HÒA TÁCH TRONG AXIT HCL VÀ SỰ THAY
ĐỔI BỀ MẶT SAU HÒA TÁCH CỦA NHÔM HIĐROXIT TÂN RAI TRƢỚC
VÀ SAU KHI NGHIỀN............................................................................................41
3.2.1. Kết quả ảnh hƣởng của nhiệt độ và nồng độ đến hiệu suất quá trình hòa tách
............................................................................................................................42
3.2.2. Khảo sát sự thay đổi của bề mặt sau khi hoà tách...........................................44


3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG
HÒA TÁCH TRONG AXIT HCl CỦA MẪU NHÔM HIDROXIT TÂN RAI SAU
KHI NGHIỀN ...........................................................................................................47
3.3.1. Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy ..........................................................................47
3.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian .................................................................................48
3.4. QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO PAC ...........................................................................49
3.4.1. Lựa chọn điều kiện tại giai đoạn 1 ..................................................................49
3.4.2. Lựa chọn điều kiện giai đoạn 2 .......................................................................51
KẾT LUẬN ...............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................54
PHỤ LỤC …………………………..…………………………………………….. 57


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Cấu tạo của Gibbsit .....................................................................................4
Hình 1.2. Mô hình cấu trúc của Gibbsit ......................................................................5
Hình 1.3. Phân bố của nhóm OH trong Gibbsit và khoảng cách giữa chúng .............5

Hình 1.4. Mô hình cấu trúc của Gibbsit ......................................................................5
Hình 1.5. Cấu trúc của Bayerit ....................................................................................7
Hình 1.6. Cấu trúc lớp của Bayerit..............................................................................7
Hình 1.7. Cấu trúc tinh thể của Nordstrandit ..............................................................8
Hình 1.8. Ô mạng cơ sở của Bemit ...........................................................................10
Hình 1.9. Cấu trúc của tinh thể Bemit.......................................................................10
Hình 1.10. Cấu trúc dạng phân tử polyme của Bemit ..............................................10
Hình 1.11. a-Mạch AlO(OH), b-AlO(OH), ..............................................................11
Hình 1.12. Mô hình tinh thể Bemit .........................................................................11
Hình 1.13. Hình dáng tinh thể Diaspor .....................................................................12
Hình 1.14. Cấu trúc của Diaspor ...............................................................................13
Hình 1.15. Cấu trúc của Diaspor ...............................................................................13
Hình 1.16. Máy nghiền bằng phƣơng pháp va đập ..................................................25
Hình 1.17. Máy nghiền bi trụ ngắn ..........................................................................26

Hình 2.1. Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt vật liệu .......................................................28
Hình 2.2. Máy X- Ray ...............................................................................................28
Hình 2.3. Máy chụp SEM .........................................................................................29

Hình 3.1. Kết quả X-ray của mẫu Al(OH)2-2 ...........................................................38
Hình 3.2. Kết quả X-ray của mẫu Al(OH)2-1 ...........................................................38
Hình 3.3. kết quả SEM của mẫu Al(OH)3-1 và Al(OH)3-2. .....................................39
Hình 3.4. Kết quả sự phân bố kích thƣớc hạt của mẫu trƣớc nghiền ........................40
Hình 3.5. Kết quả sự phân bố kích thƣớc hạt của mẫu sau nghiền ...........................40


Hình 3.6. Hiệu suất hòa tách trong HCl 4M theo nhiệt độ .......................................42
Hình 3.7. Hiệu suất hoà tách trong HCl ở 750C theo nồng độ ..................................43
Hình 3.8. Kết quả SEM mẫu có hiệu suất 15% (3M – 750C) ...................................44
Hình 3.9. Kết quả SEM mẫu có hiệu suất 32% (5M – 750C) ...................................45

Hình 3.10. Kết quả SEM mẫu có hiệu suất 50% (5M – 850C) .................................45
Hình 3.11. Kết quả SEM của mẫu mẫu Al(OH)3-1 và Al(OH)3-2 sau hoà tách .......46
Hình 3.12. Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất ............................................47
Hình 3.13. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng...................................48
Hình 3.14. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tách .....................................50
Hình 3.15. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hòa tách ....................................50
Hình 3.16. Sản phẩm bã sau phản ứng ......................................................................52
Hình 3.17. Hình ảnh một số PAC trên thị trƣờng và sản phẩm của luận văn ...........52


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Một số dạng monome, polyme của muối nhôm và muối sắt ....................16
Bảng 1.2. Các sản phẩm keo tụ mới..........................................................................18
Bảng 2.1. Các hóa chất và nguyên liệu đầu sử dụng trong luận văn ........................27
Bảng 2.2. Các dụng cụ sử dụng trong luận văn ........................................................27
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát diện tích bề mặt bằng phƣơng pháp BET ....................40
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của mẫu trƣớc và sau nghiền ...................................41
Bảng 3.3. Tổng hợp kết quả hiệu suất hòa tách trong dung dịch axit HCl ...............43


DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1. Sơ đồ phân huỷ nhiệt của Gibbsit ............................................................14
Sơ đồ 1.2. Sơ đồ phân huỷ nhiệt của tinh thể Bayerit ...............................................15
Sơ đồ 1.3. Sơ đồ phân huỷ nhiệt của gel Bemit ........................................................15
Sơ đồ 1.4. Quy trình điều chế PAC ...........................................................................20
Sơ đồ 2.1. Quy trình công nghệ chế tạo PAC ...........................................................37


MỞ ĐẦU

Hiện nay, vấn đề “môi trƣờng” ngày càng nhận đƣợc sự quan tâm của ngƣời
dân trong xã hội cũng nhƣ chính phủ và các nhà khoa học. Trong đó, xử lí nƣớc là
một trong những những vấn đề ƣu tiên hàng đầu. Vấn đề xử lí nƣớc hiện hữu khắp
mọi nới từ thành thị tới nông thôn, từ miền xuôi đến miền ngƣợc nhƣ làm sạch nƣớc
ở bể bơi; xử lí nƣớc sinh hoạt của gia đình hay đến những vấn đề to lớn hơn nhƣ xử
lí nƣớc thải từ các nhà máy, khu công nghiệp trƣớc khi đổ ra sông, biển... Có nhiều
biện pháp để xử lí nƣớc, một trong những phƣơng pháp hay đƣợc sử dụng là dùng
chất keo tụ để làm sạch nƣớc. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng nhiều do có
nhiều ƣu điểm nhƣ: phƣơng pháp thực hiện đơn giản, quá trình làm sạch nƣớc
nhanh chóng, dễ dàng mua hóa chất, ko cần đầu tƣ thiết bị máy móc phức tạp…
Trong đó, Polyaluminium clorua còn đƣợc viết tắt là PAC, là hóa chất keo đƣợc sử
dụng nhiều trên thị trƣờng. Dòng hóa chất keo tụ mới này có nhiều ƣu điểm hơn so
với các loại hóa chất truyền thống nhƣ khoảng pH hoạt động rộng, ít làm giảm pH
của nƣớc, tốc độ keo tụ nhanh, ít ảnh hƣởng đến môi trƣờng…
Hiện nay trên thị trƣờng Việt Nam có rất nhiều loại PAC, nhƣ PAC Trung
Quốc, PAC - Ấn Độ hay PAC – Việt Nam. Ở miền Bắc nƣớc ta, chỉ có duy nhất
một nhà máy Hóa chất Việt Trì – Phú Thọ sản xuất PAC. Nhà máy sản xuất PAC đi
từ nhômhiđroxit, điều kiện phản ứng là 1550C và 5 atm. Từ điều kiện phản ứng trên
chứng tỏ phản ứng xảy ra khó khan, tốc độ phản ứng chậm. Đo đó, cần nghiên cứu
phƣơng pháp “hoạt hóa nhôm hiđroxit” để cải thiện khả năng phản ứng, giúp giảm
chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm và tăng sức cạnh tranh sản phẩm so loại sản
phẩm nhập ngoại. Một trong số các cách là “hoạt hóa nhôm hiđroxit bằng phƣơng
pháp nghiền đập li tâm”. Tuy nhiên, phƣơng pháp này chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều
ở Việt Nam và cũng chƣa đƣợc áp dụng trên đối tƣợng “Nhôm hiđroxit Tân Rai”.
Do đó, tôi lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIDROXIT NHÔM TÂN RAI
HOẠT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PAC”.

1



Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu và khảo sát một số tính chất hóa lí và khả năng hòa tách trong
axit HCl của mẫu nhôm hidroxit sau khi nghiền. Dựa vào kết quả đó, đề xuất quy
trình công nghệ chế tạo PAC.
Những nội dung nghiên cứu:


Nghiên cứu và khảo sát một số tính chất hóa lí và khả năng hòa tách

trong axit HCl của mẫu nhôm hidroxit sau khi nghiền
o Nghiên cứu và so sánh một số tính chất hóa lí của mẫu trƣớc và sau
khi nghiền;
o Đánh giá hiệu quả hòa tách hòa tách nhôm hiđroxit sau nghiền trong
dung dịch axit HCl;
o Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hòa tách trong axit
HCl của mẫu sau nghiền;


Đề xuất ra quy trình công nghệ chế tạo PAC
 Khảo sát một số yếu tố đến quy trình chế tạo PAC nhƣ nhiệt độ; thời
gian, tốc độ khuấy…
 Đề xuất quy trình công nghệ;
 Đánh giá một số chỉ tiêu của sản phẩm nhƣ: hàm lƣợng Al2O3, khối
lƣợng riêng, chỉ số “n”…

Phương pháp nghiên cứu
 Sử dụng một số phƣơng pháp hóa lí hiện đại nhƣ: SEM, BET, X-ray,
Laser
 Sử dụng một số phƣơng pháp chuẩn độ thể tích để xác định hàm
lƣợng Al3+, Ca2+, Cl-…

 Sử dụng phƣơng pháp khối lƣợng để xác định hàm lƣợng bã rắn, khối
lƣợng riêng sản phẩm…

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NHÔM HIDROXIT
Nhôm hiđrôxit là một sản phẩm công nghiệp, từ nhôm hiđrôxit có thể sản
xuất ra kim loại ở dạng siêu tinh khiết, sản xuất gốm sứ cao cấp, các loại thuốc, các
chất hấp phụ và xúc tác.
Theo cấu trúc, nhôm hiđrôxit đƣợc phân ra thành hai loại: nhôm trihiđrôxit
Al(OH)3 và nhôm mônô hiđrôxit AlO(OH)[19].
1.1.1. Nhôm tri hiđrôxit
Nhôm trihiđrôxit có ba dạng thù hình:
- Gibbsit
- Bayerit
- Nordstrandit.
1.1.1.1. Nhôm hiđrôxit dạng Gibbsit
Gibbsit là một dạng nhôm hiđrôxit quan trọng nhất trong thành phần cơ bản
của bôxit, đồng thời cũng là sản phẩm trung gian của quá trình sản xuất nhôm từ
bôxit.
a. Điều chế
Có nhiều phƣơng pháp điều chế Gibbsit khác nhau đi từ các nguồn nguyên
liệu khác nhau.
- Sục CO2 vào dung dịch natri aluminat ở điều kiện nhiệt độ và pH thích hợp
( nguyên liệu ban đầu có thể là phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O và nhôm kim loại).
- Kiềm hoá muối nhôm nitrat Al(NO3)3.
- Axit hoá dung dịch natri aluminat.
b. Thành phần hoá học

Gibbsit có công thức: Al2O3.3H2O = 2Al(OH)3
Khối lƣợng riêng : 2,3 - 2,43 g/cm3.
c. Cấu trúc của Gibbsit
Ô mạng cơ sở của Gibbsit gồm có 8 ion Al3+ và 24 ion OH-, tƣơng ứng với 8
phân tử Al(OH)3[19].
3


Các hằng số mạng của Gibbsit ,
Å Å : a = 8,54 - 8,7 ; b = 5,06 - 6,09 ; c = 9,21 - 9,76 ;

 = 85016„ - 85026„.
Tinh thể Gibbsit có cấu trúc lớp, trong đó mỗi một lớp bao gồm 2 phiến từ
các ion OH- nằm trên mặt phẳng song song (001), ở giữa chúng là các phiến của ion
nhôm. Do có sự bố trí trên cùng một mặt phẳng (001) nên hình thành mạng lƣới lục
giác, tạo thành bởi các nhóm OH-. Ion nhôm nằm ở trung tâm hình lục giác (Hình
1.1a)

Hình 1.1.a

Hình 1.1.b
Hình 1.1. Cấu tạo của Gibbsit

Trong mạng tinh thể của Gibbsit các ion nhôm chỉ có trong 2/3 số thể tích
lục giác. Mỗi một sự lấp đầy hình lục giác trong không gian có một số sai lệch so
với cấu trúc bát diện hoàn hảo [19]. Các bát diện nối với nhau bằng các đỉnh chung
vào một vòng gồm 6 mặt với thành phần [Al(OH) 6]3-. Cấu trúc mạng tinh thể
Gibbsit gồm 3 lớp từ tập hợp các vòng và các nhóm hiđrôxit . Trong 3 lớp, ion OHcủa lớp này nằm đối diện với lớp kia. (Hình 1.1b). Giữa các lớp đƣợc nối với nhau
bằng liên kết OH. Trong mạng lƣới tinh thể của Gibbsit xuất hiện các tinh thể bó
chặt trong các vòng từ các bát diện [Al(OH) 6]3- (Hình 1.2 và 1.3). Vị trí của

4