S ơ l ược tình hình phát triển ngành vật liệu xây dựng
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành vật liệu xây dựng đã tiến hóa từ những vật liệu đơn giản như đất, rơm rạ, đá và gỗ đến những sản phẩm hiện đại và phức tạp hơn Chất lượng vật liệu ngày càng được nâng cao, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của xã hội và đảm bảo tính thân thiện với môi trường Lịch sử cho thấy con người đã biết sử dụng những nguyên liệu tự nhiên để xây dựng nhà cửa, cung điện, thành quách và cầu cống từ rất sớm.
Cách đây khoảng 5.000 năm, công nghệ “đất hóa đá” đã được áp dụng trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong việc xây dựng Kim tự tháp Ai Cập, một trong những kỳ quan vĩ đại của nhân loại Đến nay, công trình này vẫn được công nhận là một tác phẩm tuyệt mỹ, chứng minh sự khéo léo và sáng tạo của tổ tiên chúng ta trong việc ứng dụng công nghệ.
"Đất hóa đá" tạo ra những viên gạch khổng lồ được xếp chồng lên nhau Trong nền văn minh Ai Cập cổ đại, người ta đã sử dụng đất sét trộn với đá nhỏ làm chất độn, kết hợp với nước có chứa hàm lượng Na+ để xây dựng.
Ca++ và Mg++ được phối trộn và đổ vào khuôn, sau đó được đầm chặt để tạo thành các khối đá Công nghệ “đất hóa đá” hiện đại ngày nay được phát triển dựa trên các nghiên cứu về Kim tự tháp Ai Cập.
Khoảng năm 2500 trước Công nguyên, người Lưỡng Hà đã sáng chế ra gạch bằng cách trộn rơm với bùn, tạo hình bằng khuôn gỗ và phơi khô Đến thế kỷ 12, ở Anh, Đức và nhiều nước châu Âu khác, người ta xây dựng nhà bằng khung gỗ và trát bằng hỗn hợp đất sét và rơm, nhiều ngôi nhà trong số đó vẫn còn tồn tại đến ngày nay Kỹ thuật truyền thống này vẫn được áp dụng trong việc bảo tồn các tòa nhà cổ ở châu Âu và một số quốc gia khác.
Trước Thế chiến II, gần 1/3 dân số thế giới sống trong những ngôi nhà làm từ đất, với hơn 2 triệu tòa nhà tại Đức Vào những năm 1970, Ấn Độ có khoảng 80 triệu ngôi nhà đất, cùng với số lượng lớn ở Châu Phi và Trung Quốc Sau chiến tranh, do thiếu vật liệu xây dựng và sự phát triển của tư duy xây dựng hiện đại, kỹ thuật xây dựng bằng đất sét đã bị lãng quên Để nâng cao mức sống, con người đã nghiên cứu và sáng tạo ra nhiều loại vật liệu mới Trong thập niên 70, các nhà khoa học toàn cầu đã phát triển nhiều sản phẩm xây dựng như gạch, bê tông cường độ cao, tấm cách nhiệt và các sản phẩm composite chịu lửa, sử dụng các thương hiệu độc quyền từ Châu Âu và Châu Mỹ.
Vật liệu xây dựng đã trải qua nhiều cải tiến đáng kể theo thời gian để phù hợp với kiến trúc hiện đại Từ những vật liệu truyền thống như rơm trộn bùn đất, hiện nay đã được thay thế bằng gạch xỉ vôi, gạch đặc, và các loại ngói sản xuất thủ công Các vật liệu hiện đại như bê tông cốt thép và thép xây dựng dần thay thế các vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo đơn giản trong các kết cấu chịu lực Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, kỹ thuật sản xuất vật liệu đã đạt trình độ cao với nhiều công nghệ tiên tiến như nung vật liệu gốm bằng lò Hoffman và sản xuất cấu kiện bê tông dự ứng lực Tại Việt Nam, các công trình xây dựng bằng gỗ và gạch đá như đá thành nhà Hồ và đất Cổ Loa thể hiện sự tinh xảo và công phu trong kiến trúc.
Ngành công nghiệp vật liệu xây dựng Việt Nam đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ sau chiến thắng thực dân Pháp năm 1954 và sự ra đời của ngành xây dựng vào năm 1958 Trong hơn 50 năm qua, từ những vật liệu truyền thống như gạch, ngói, đá, cát, xi măng, hiện nay ngành này đã mở rộng với hàng trăm loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả vật liệu thông dụng và cao cấp Các sản phẩm vật liệu xây dựng hiện nay có chất lượng tốt, đa dạng về mẫu mã, kích thước và màu sắc, đáp ứng nhu cầu xây dựng trong nước và hướng tới xuất khẩu.
Vấn đề vật liệu xây dựng mới
Ngày nay, vật liệu xây dựng truyền thống như đá ong, đá sò và đá xẻ đang dần bị thay thế bởi các loại vật liệu hiện đại như bê tông và sắt thép Việc nghiên cứu và cải tiến các tính năng của vật liệu xây dựng đương đại là cần thiết để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao Đồng thời, cần thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu xây dựng và hóa phẩm mới, hiện đại để nâng cao hiệu quả và bền vững trong xây dựng.
Vật liệu xây dựng cần có độ bền cơ học và khả năng chống chịu tốt trước điều kiện môi trường khắc nghiệt, đồng thời tạo ra môi trường vi khí hậu thuận lợi cho con người, hạn chế sử dụng năng lượng nhân tạo và thân thiện với môi trường Công nghệ sản xuất gạch nung và bê tông hiện nay gây ảnh hưởng xấu đến môi trường, như chặt phá rừng, mất đất canh tác và gia tăng khí thải CO2 Bên cạnh đó, gạch nung và bê tông có khả năng cách âm, cách nhiệt kém, không tạo điều kiện vi khí hậu tốt cho người sử dụng và không thể tái tạo Do đó, nhiều quốc gia đang nghiên cứu và sử dụng vật liệu xây dựng mới, thân thiện với môi trường, từ các nguồn nguyên liệu dồi dào như đất đồi, phế thải công nghiệp, nông nghiệp và rác thải.
Tình hình sản xuất vật liệu xây dựng nước ta hiện nay
Sản xuất gạch đất sét nung quy mô lớn đã giúp đáp ứng nhu cầu xây dựng trong nước và xuất khẩu, nhưng cũng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như tiêu hao đất sét, giảm diện tích đất canh tác, và cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể tái tạo Thay vì sản xuất gạch thông dụng, chúng ta nên chuyển hướng sang sản xuất các sản phẩm trang trí cao cấp hơn để tăng giá trị kinh tế và giảm nhập khẩu Hơn nữa, quá trình sản xuất gạch còn gây ô nhiễm môi trường do việc sử dụng than và lâm sản làm chất đốt, thải ra khí độc hại như CO2 và SO2, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và làm suy giảm môi trường sống, từ đó góp phần vào biến đổi khí hậu.
Hình1.1 Khai thác đất ruộng để sản xuất gạch
Hình1.2 Một nhà máy gạch tuynel thiếu đất để sản xuất
Theo Bộ Xây Dựng, hơn 90% gạch xây dựng tại Việt Nam là gạch đất sét nung Dù Chính phủ đã triển khai nhiều biện pháp để giảm thiểu việc sử dụng loại gạch này, vẫn còn hơn 10.000 lò gạch truyền thống đang hoạt động trên toàn quốc.
Đoàn kiểm tra liên ngành do Sở Xây dựng Hà Nội dẫn đầu vừa công bố rằng trên địa bàn Hà Nội hiện có nhiều lò sản xuất gạch thủ công, tập trung chủ yếu ở các huyện phía Bắc và Nam thành phố Cụ thể, Sóc Sơn có 293 lò, Phúc Thọ 147 lò, Chương Mỹ 163 lò, và Mỹ Đức cũng có nhiều lò sản xuất.
Tại Việt Nam, các lò gạch thủ công truyền thống, đặc biệt là lò đơn không có ống khói, chiếm khoảng 20% tổng số lò gạch, gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Cụ thể, các khu vực như Thạch Thất có 144 lò, Đan Phượng 100 lò, Phú Xuyên 70 lò, Ba Vì 51 lò, Ứng Hoà 50 lò và Sơn Tây 10 lò đang góp phần vào tình trạng ô nhiễm này.
Chủ trương phát triển vật liệu xây dựng không nung tại Việt Nam đang được nhiều tổ chức và cá nhân nghiên cứu và sản xuất, nhằm thay thế các vật liệu truyền thống Các loại vật liệu xây dựng không nung bao gồm gạch xi măng – cốt liệu, gạch nhẹ như gạch AAC và gạch từ bê tông bọt, cùng với các loại gạch khác như đá chẻ và gạch silicát Gạch silicat và gạch khối đất ép đã xuất hiện từ những năm 1970, trong khi gạch khối bê tông và gạch AAC phục vụ các thị trường lớn tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Nhiều vật liệu tự nhiên không nung như đá ong và đá vụn cũng đã được sử dụng lâu đời Hiện tại, cả nước có 59 dây chuyền sản xuất gạch không nung, với sản lượng hàng năm đạt hơn 3,1 tỷ viên, tuy nhiên, thị phần của gạch không nung chỉ chiếm khoảng 10% trên thị trường.
Gạch nung đã tồn tại từ lâu trong xây dựng và việc loại bỏ loại vật liệu này khỏi đời sống của người dân là một thách thức xã hội lớn.
Công nghệ và thiết bị sản xuất gạch không nung tại Việt Nam hiện nay thường có chi phí cao và quy trình phức tạp Điều này dẫn đến giá thành gạch không nung tăng cao, khiến gạch nung vẫn giữ vị thế ưu thế trên thị trường.
Hiện tại, Việt Nam chưa ban hành quy định về xây dựng, kết cấu kiến trúc và đơn giá cho gạch không nung, chủ yếu là gạch block Do đó, các nhà thiết kế chưa chỉ định sử dụng loại gạch này, dẫn đến việc chỉ một số công trình như khách sạn Hilton, khách sạn Horison, Trung tâm hội nghị Quốc tế và tòa nhà Keangnam áp dụng gạch block theo yêu cầu của các nhà thiết kế và chủ đầu tư nước ngoài.
Gạch không nung hiện tại chỉ sử dụng một số loại đất và chưa tận dụng được nguyên liệu sẵn có tại địa phương, cũng như phế thải rắn xây dựng, điều này cản trở sự phát triển của loại gạch này ở Việt Nam Việc thiếu công nghệ sản xuất gạch không nung từ vật liệu đơn giản, rẻ tiền và ít ảnh hưởng đến đất canh tác là một thách thức lớn Cần có thiết bị sản xuất hiệu suất cao với giá thành hợp lý để phù hợp với nền kinh tế quốc dân Nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng mới, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường đang được nhiều nhà khoa học trong nước chú trọng Hiện nay, nhiều công nghệ sản xuất như gạch xi măng cốt liệu, gạch papanh, gạch không nung tự nhiên và gạch bê tông nhẹ đã được áp dụng, với 59 cơ sở sản xuất gạch không nung đang hoạt động tại Việt Nam.
Tại Việt Nam, ngoài các nghiên cứu về sản xuất gạch không nung của Công ty
Cổ phần Công nghiệp Thương mại Huệ Quang gần đây đã hợp tác với tiến sỹ Vũ Duy Thoại từ Công ty Cổ phần Đầu tư VJO, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên, để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sản xuất gạch không nung từ phế phẩm nông nghiệp, thân thiện với môi trường Gạch được sản xuất từ rơm rạ, cỏ cây nghiền nhỏ, trộn với tro bay, nước và xi măng theo tỉ lệ nhất định, sau đó được ép và phơi khô trong một tuần để sử dụng như gạch thông thường Sản phẩm này đã được cấp bằng sáng chế số 9198 bởi Cục sở hữu trí tuệ vào ngày 31/3/2011 Ngoài ra, nhóm nghiên cứu vật liệu xây dựng thuộc Viện khoa học Vật liệu ứng dụng cũng đã phát triển công nghệ sản xuất gạch không nung từ đất đồi, sử dụng chất kết dính geopolyme hệ Alumosilicat.
NaOH, thủy tinh lỏng và Al(OH)3 kỹ thuật là một geopolyme, đóng vai trò chất xúc tác để đóng rắn vật liệu, với 5% chất xúc tác và thời gian sấy 30 phút ở 100 oC đạt mác 100 – 200 theo TCVN Đất đồi, giàu ôxit như SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, rất phổ biến ở Việt Nam và thường được khai thác cho san lấp và sản xuất vật liệu xây dựng thô sơ Việc phát triển vật liệu mới từ đất đồi không chỉ nâng cao hiệu quả khai thác mà còn bảo vệ nguồn tài nguyên đất canh tác và giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Luận văn này nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng từ đất đồi tại một số tỉnh phía Bắc và sử dụng chất kết dính vô cơ (polyme phốt phát nhôm) có khả năng phản ứng hóa học với ôxit trong đất đồi, tạo bề mặt hạt đất có hoạt tính cao Qua lực ép cơ học, các hạt nguyên liệu kết dính tạo thành khối bền vững, với quá trình khoáng hóa và đóng rắn ở nhiệt độ 200 – 300 oC trong 2-3 giờ, hoặc kết hợp với phụ gia như tro bay và bentonit, cho ra vật liệu có khả năng chịu nước và cơ tính tương đương gạch xây dựng hiện nay.
Tổng quan về k eo polyme vô c ơ
Khái niệm polyme vô cơ
Polyme vô cơ là loại vật liệu có phân tử lượng lớn, thuộc nhóm hợp chất cao phân tử Chúng được hình thành từ các monome, tức là các hợp chất hoặc đơn chất có phân tử bé, thông qua các phương pháp đa tụ hoặc trùng ngưng.
Polyme vô cơ có thể chia làm 3 nhóm:
- Polyme rắn có liên kết dạng ion
- Các hợp chất đơn kim loại
- Hợp chất có tính chất keo liên kết theo kiểu cộng hóa trị giữa các nguyên tử Loại này tồn tại phổ biến ở dạng lỏng
Cũng có một số tác giả quan niệm khác, cho rằng polyme vô cơ chỉ nên chia làm 2 nhóm:
Polyme đồng nhất được hình thành từ một loại nguyên tử thông qua liên kết cộng hóa trị Chúng được phân loại là polyme vô cơ, mặc dù nguồn gốc có thể xuất phát từ các nguyên tố vô cơ, kim loại hoặc phi kim loại.
Polyme không đồng nhất được hình thành từ các nguyên tử khác nhau và có thể tồn tại dưới dạng muối rắn như polyme sunfat và polyphotphat Ngoài ra, chúng cũng có thể xuất hiện dưới dạng lỏng trong các dung dịch keo của hydroxit kim loại, photphat kim loại hóa trị cao, hoặc silicat kim loại hóa trị thấp và cao.
Vật liệu polyme vô cơ có thể được hình thành từ nhiều nguyên tố khác nhau trong các nhóm của bảng tuần hoàn Mendeleev Các nguyên tố gần với cacbon bao gồm B, H, Si, P, Ge, As, Se, Sb, Te, và Bi Năng lượng liên kết của polyme đồng nhất đạt khoảng 80 kcal/mol, tương đương với năng lượng liên kết của nhiều loại vật liệu khác.
C-C) còn năng lượng liên kết của các polyme không đồng nhất thường lớn hơn so với các polyme đồng nhất.
Tính chất của polyme vô cơ
Polyme mạch thẳng và mạch vòng được hình thành từ các monome, tạo ra các phân tử lớn Khi kích thước phân tử và độ dài mạch tăng lên, tính uốn dẻo và khả năng chịu uốn của vật liệu cũng tăng theo Điều này xuất phát từ cấu trúc phân tử lớn và dài, với nhiều mối nối giữa các nguyên tử.
Các polyme có hai đặc tính quan trọng: các phân tử lớn tham gia vào chuyển động nhiệt và có khả năng tạo mạng không gian trong cấu trúc Chuyển động nhiệt có thể xảy ra trong cả phân tử lớn và các bộ phận nhỏ của chúng, trong khi sự uốn khúc của phân tử lớn cũng góp phần vào chuyển động từng phần Độ sít đặc của vật liệu ảnh hưởng đến độ giãn nở của polyme; độ sít đặc càng cao thì độ giãn nở càng nhỏ, dẫn đến khả năng thấm dung môi vào vật liệu giảm, từ đó nâng cao độ bền nhiệt và bền hóa của polyme.
Trong phân tử polyme mạch nhánh, các nhánh thường cuộn tròn lại, tạo thành một phân tử lớn với cấu trúc phân tử nhỏ do sự gấp khúc bên trong Tuy nhiên, hiện tượng này dẫn đến việc polyme trở nên kém bền.
1.4.1.4 Tính cơ nhiệt Đây là một tính chất rất quan trọng của polyme vì nó phản ánh đặc trưng cấu trúc của polyme.
Khi nhiệt độ thay đổi và có lực tác dụng lên vật liệu, các phân tử sẽ biến dạng rõ rệt nhưng vẫn chưa thoát khỏi cấu trúc lớn, dẫn đến độ giãn nở cao Nhiệt độ giòn của polyme là mức cần thiết để gây ra biến dạng, trong khi polyme ở nhiệt độ cao hơn sẽ có biến dạng dẻo nhờ vào tính chất uốn khúc của chúng Khi đạt đến nhiệt độ thủy tinh hóa, năng lượng chuyển động nhiệt đủ lớn khiến các phân tử bắt đầu chuyển động, và nếu nhiệt độ vượt quá mức này, các phân tử sẽ chuyển động tự do, tạo ra trạng thái dẻo và biến dạng thuận nghịch Đây chính là nhiệt độ giới hạn để gia công polyme thành sản phẩm.
Trong trạng thái biến dạng thuận nghịch, năng lượng nhiệt cao sẽ dẫn đến sự biến dạng dẻo toàn bộ khối vật liệu, khiến nó chuyển sang trạng thái chảy lỏng, và cuối cùng là quá trình phân hủy polyme.
Ứng dụng Polyme vô c ơ trong chế tạo vật liệu xây dựng
Polyme vô cơ sở hữu các tính chất vượt trội như độ bền cơ học, bền nhiệt, bền hóa và khả năng chống chịu tốt trước những điều kiện môi trường khắc nghiệt Do đó, nghiên cứu và ứng dụng polyme vô cơ trong công nghệ chế tạo vật liệu xây dựng đang trở thành một hướng đi triển vọng.
Trên thế giới, nhiều nước phát triển đã nghiên cứu và ứng dụng thành công vật liệu xây dựng từ polyme vô cơ, bao gồm vật liệu cách nhiệt, chống thấm, gạch xây dựng và gạch trang trí với độ bền cao Các polyme vô cơ cũng được sử dụng trong xây dựng đường giao thông, mang lại nền đường có khả năng chịu nén tương đối tốt Tuy nhiên, các sản phẩm này vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam hoặc có mặt nhưng với giá thành cao, gây khó khăn cho việc áp dụng rộng rãi.
Nghiên cứu ứng dụng polyme vô cơ trong vật liệu xây dựng hứa hẹn mang lại lợi ích lớn, đánh dấu sự phát triển của khoa học vật liệu trong nước Những thành công trong nghiên cứu này không chỉ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về vật liệu xây dựng mà còn thay thế các vật liệu truyền thống đang dần không còn phù hợp với yêu cầu kiến trúc Hơn nữa, việc tận dụng nguồn nguyên liệu phong phú trong nước sẽ giúp giảm chi phí xây dựng Các nghiên cứu có thể tập trung vào một số sản phẩm từ polyme vô cơ để phát triển trong tương lai.
Gạch polyme vô cơ không nung được sản xuất từ nguyên liệu đất đồi kết hợp với chất độn và phụ gia, qua quy trình nén ép và sấy khô hoặc phơi tự nhiên Sản phẩm này nhẹ hơn gạch nung, có độ cứng và bền hóa tốt, đồng thời quy trình chế tạo đơn giản giúp giảm giá thành, tạo ra tính cạnh tranh cao Gạch polyme vô cơ không nung thích hợp cho xây dựng nhà ở, lát nền, ốp tường và các công trình chịu môi trường mặn.
Ngói màu được sản xuất từ polyme vô cơ với nguyên liệu chính là đất sét và các phụ gia, trải qua quy trình phối trộn, tạo hình, sấy khô và sơn màu bằng sơn vô cơ Sản phẩm cuối cùng là một loại vật liệu composite vô cơ cốt polyme, sở hữu các tính chất cơ lý hóa vượt trội, bền màu, nhẹ và tiện lợi trong sử dụng Giá thành sản phẩm cũng rất hợp lý nhờ vào đặc trưng của nguyên liệu.
Xây dựng đường giao thông bằng polyme vô cơ là một giải pháp hiện đại, sử dụng nguyên liệu từ đất tạp, cát, đá dăm và phụ gia kết dính với tỷ lệ phù hợp Quá trình thi công bao gồm trải, đầm nén và lu, nhờ vào khả năng đóng rắn tự nhiên tại chỗ Sản phẩm thu được có độ chịu nén tốt và khả năng chống chịu hiệu quả với các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như nắng, mưa, nóng, lạnh Loại nền đường này không chỉ sử dụng nguyên liệu sẵn có mà còn là sự thay thế hoàn hảo cho các loại đường đất thô sơ dễ bị lầy lội và đường nhựa có chi phí cao.
Sản xuất sản phẩm gốm không nung bao gồm việc phối trộn nguyên liệu đất sét với phụ gia theo tỉ lệ hợp lý, sau đó tạo hình bằng các phương pháp như đúc khuôn, in hoặc nén, và cuối cùng là sấy khô để thu được sản phẩm Để đảm bảo chất lượng vật liệu, cần tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng về thành phần và khả năng liên kết giữa các thành phần trong vật liệu.
C ơ sở hóa lý keo Polyme photphat nhôm
Khi nghiên cứu về đặc điểm liên kết trong polyme trên cơ sở phốtpho – ôxi – nhôm, J R Wazer [11] đã cho thấy chúng có dạng sau:
Andrianov [12] cho biết việc kết hợp các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử vô cơ và hữu cơ xung quanh nguyên tử kim loại có thể tạo ra các polime với tính chất khác nhau Nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung thêm một hoặc nhiều nguyên tố vào thành phần của polime có thể thay đổi cấu trúc mắt xích, từ đó làm biến đổi các tính chất của polime Nghiên cứu này tập trung vào sự thay đổi cấu trúc mạch polime thông qua việc bổ sung các nguyên tố kim loại hóa trị 3 Bài viết sẽ giới thiệu về đặc điểm cấu trúc và sự biến đổi của hệ polime photphat nhôm.
Các vật liệu phốt phát nhôm được hình thành từ sự tương tác giữa các nguyên tử oxi trong P2O5 và Al2O3 tại đỉnh các tứ diện Trong một số loại vật liệu, nguyên tử Al có thể xuất hiện với các liên kết bậc 4, 5 hoặc 6.
Gần đây, nhiều tác giả đã nghiên cứu sâu về cấu trúc của phốt phát nhôm dạng mạch thẳng và mạng hai chiều, đặc biệt là các vật liệu được tổng hợp không có nước Những phát hiện này đã dẫn đến sự hình thành các tính chất khác biệt so với các vật liệu tổng hợp trong hệ có chứa nước Mặc dù có nhiều chất nền hữu cơ được sử dụng trong quá trình tổng hợp phốt phát nhôm, hiện tại chỉ có hai cấu trúc dạng màng là [Al3P4O16] 3-.
Hợp chất Al2P3O12Hx (3-x) với x = 1-2 đã được tổng hợp, bao gồm bốn dạng cấu trúc mạch thẳng của photphat nhôm kiểu tứ diện, trong đó nguyên tử Al ở trung tâm Hai dạng trong số đó có cấu trúc tương tự với tỷ lệ [AlP2O8Hx] (3-x) (x=1, 2), trong khi hai dạng còn lại có cấu trúc tương tự với tỷ lệ [Al3P5O20H] 5- Ngoài ra, cũng đã xác định hai dạng photphat nhôm mạch thẳng có cấu trúc tám mặt với nguyên tử Al ở trung tâm Một dạng có công thức [Al(H2PO4)3] được hình thành từ việc bốc hơi dung dịch keo, còn dạng khác có công thức [Al(PO4)2(OH)] 4- được tạo ra thông qua quá trình thủy phân.
Hình1.3 Cấu trúc polime photphat nhôm a) dạng tứ diện AlO4, PO4 b) dạng bát diện AlO6, PO4
Nghiên cứu về phức chất monome photphat và photphonat của nhôm đã chỉ ra rằng Cassidy đã tách được phức dạng lập phương [Al4(PO4)4] từ etanol, trong đó mỗi nguyên tử Al nằm trong một tứ diện liên kết với 3 ion photphat và 3 nhóm ethoxy Năm 1996, Mason đã điều chế hai phức alkylaluminophosphate khác nhau, một trong số đó có chứa vòng bốn cạnh.
Al2O4P2 và phức Al4O12P4 có cấu trúc lập phương, trong đó Yang [15] đã điều chế phức photphonat nhôm lập phương với các trung tâm photpho mang nhóm butyl Các nghiên cứu này tạo nền tảng cho việc phát triển dung dịch phốt phát và photphonat chứa nguyên tử Bo và Gali ở trung tâm.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về cơ chế hình thành zeolit và rây phân tử photphat nhôm đã thu hút sự chú ý lớn Vai trò của chất nền hữu cơ cũng đang được xem xét Vật liệu tổng hợp phốt phát nhôm chủ yếu là axit photphoric và oxit hoặc hyđroxyt nhôm, trong khi quá trình tạo khoáng nhôm bằng axit photphoric đã được ghi nhận trong nghiên cứu khoa học đất Các ion photphat thường hình thành liên kết cộng hoá trị với nguyên tử nhôm thông qua cầu nối ôxi, nhờ vào sự thay thế các ion hyđroxyt và sự bẻ gãy các liên kết Al-O-Al trong khoáng.
Cấu trúc của khoáng có thể được xác định thông qua quá trình hòa tan, khi các phân tử phốt phát nhôm thoát ra và được ghi nhận thực nghiệm Nghiên cứu cho thấy rằng các polime kết hợp tồn tại dưới dạng gel photphat nhôm, bền trong môi trường axit và bị kết tủa thành hạt nhỏ vô định hình trong môi trường kiềm Những polime này đóng vai trò như "sự chuyển dịch giữa các axit và phức hòa tan", với xu hướng tạo mắt xích khi tỷ lệ Al:P lớn hơn 1:1 Kniep đã tách được tinh thể lớn Al(H2PO4)3 từ dung dịch đậm đặc với tỷ lệ (Al:P=1:5) Độ bền của phốt phát nhôm mạch thẳng được ghi nhận nhờ vào cấu trúc poly photphat và vòng meta photphat, giúp tránh sự khép vòng do khử điện tích âm của nhóm P2O5 Các dạng dung dịch có khối lượng phân tử cao hơn tồn tại ở dạng mạch không phân nhánh trước khi kết tủa, ngăn cản việc hình thành phốt phát đậm đặc Điều kiện độ axit ban đầu cũng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp phốt phát nhôm, với giá trị pH thay đổi trong suốt quá trình Polime photphat nhôm ban đầu có thể coi là tiền thân cho các loại cấu trúc khác nhau, với khả năng tạo ra cấu trúc từ 1D đến 3D, được chứng minh bằng thực nghiệm thông qua sự thủy phân và ngưng tụ ở mạch đầu tiên.
C ơ sở hóa lý chế tạo keo phốt phát nhôm
Phốt phát nhôm được điều chế thông qua phản ứng giữa axit phốt phoric (H3PO4) và oxit nhôm (Al2O3) hoặc hydroxit nhôm (Al(OH)3) ở nhiệt độ từ 60°C đến 70°C trong thiết bị có khuấy trộn Sản phẩm cuối cùng của phản ứng phụ thuộc vào tỷ lệ giữa P/Al, dẫn đến sự hình thành các muối phốt phát khác nhau bằng cách thay thế một, hai hoặc ba hydro trong axit phốt phoric.
Al(OH)3 + 3H3PO4 = Al(H2PO4)3 + 3H2O (4)
2Al(OH)3 + 3H3PO4 = Al2(HPO4)3 + 6H2O (5)
Kiểu mạch thẳng của pôlyme phốt phát nhôm có tỷ lệ P/Al từ 1,0 đến 2,0, với giá trị tối đa 2,0 chỉ xuất hiện ở polyme ban đầu Trong quá trình thủy phân, tỷ lệ P/Al giảm do mất các nhóm phốt phát, và mức độ thủy phân cao dẫn đến việc cắt đứt nhóm phốt phát, tạo thành màng hoặc khung cứng Tỷ lệ P/Al thấp hơn sẽ thúc đẩy sự hình thành pôlyme phốt phát nhiều chiều, trong khi tỷ lệ P/Al bằng 1 tạo ra cấu trúc khung cứng Do đó, trong quá trình điều chế pôlyme phốt phát nhôm, nên duy trì tỷ lệ P/Al từ 1 đến 2 để đạt được các cấu trúc mạch thẳng, màng và khung Cấu trúc này có tính keo dính cao, dễ tan trong nước tạo thành hệ đồng thể Khi nhiệt độ tăng, quá trình chuyển pha và khóa mạch diễn ra, tạo ra cấu trúc khung của aluminophotphat và thực hiện quá trình đóng rắn.
Keo nhôm phốt phát được sử dụng làm chất liên kết trong nghiên cứu vật liệu xây dựng không nung, yêu cầu tính kết dính cao với phối liệu để tạo ra liên kết bền Tỷ lệ P/Al tối ưu là 1, giúp keo có các tính chất liên kết tốt nhất Hiện tại, chỉ có hai dạng cấu trúc màng được tổng hợp là [Al3P4O16] 3- và [Al2P3O12Hx] (3-x) (x=1-2) Phương pháp tổng hợp keo từ các phản ứng hóa học có thể tạo ra ba dạng: dihydrophosphate nhôm, hydrophosphate nhôm và phốt phát nhôm Nếu keo chỉ là Al(H2PO4)3, sau khi đóng mẫu và sấy khô, nước trong keo sẽ bay hơi, để lại Al(H2PO4)3.3H2O, trong đó vật liệu dihydro phosphate chuyển thành một dạng khoáng.
Al2O3.3P2O5.6H2O, khoáng này làm cho vật liệu có cường độ cao.
S ơ l ược về phụ gia
Phụ gia Bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên thành phần chính là montmorilonit (MMT), có công thức đơn giản nhất là Al2O3.4SiO2.nH2O
Bentonit có khả năng thay thế đồng hình các ion trong cấu trúc tứ diện và bát diện, như ion Si 4+ có thể được thay thế bởi Al 3+ hoặc Fe 3+, trong khi ion Al 3+ ở bát diện có thể bị thay thế bởi Zn 2+ hoặc Mg 2+ Sự thay thế này tạo ra điện tích âm trong mạng tinh thể khoáng sét, và sự thiếu hụt điện tích được bù đắp bởi các cation dương như Na+ và K+ trên bề mặt các lớp.
Hình1.4 Cấu trúc không gian mạng lưới của Montmorilonit
Bentonit nổi bật với các tính chất đặc trưng như khả năng hấp phụ nước, khả năng trương nở, diện tích bề mặt riêng lớn và đặc biệt là dung lượng trao đổi cation (CEC) cao.
80- 120 meq/100g Ngoài ra, còn có tính kết dính, tính trơ, tính nhớt và dẻo.
Khi tiếp xúc với nước, các phân tử phân cực và cation sẽ bị hấp phụ vào khe trống giữa các lớp khoáng sét, làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, hiện tượng này được gọi là tính trương nở Mức độ trương nở này phụ thuộc vào bản chất của khoáng sét, loại cation trao đổi, sự thay thế đồng hình của các ion trong các lớp và sự hiện diện của các ion cũng như phân tử phân cực trong môi trường phân tán Lượng nước hấp phụ vào giữa các lớp sét còn phụ thuộc vào khả năng hidrat hóa của các cation trao đổi.
Tro bay
Tro bay là phế thải mịn từ quá trình đốt than tại nhà máy nhiệt điện, được chuyển từ buồng đốt sang nồi hơi qua ống khói Đây là loại puzolan nhân tạo chứa silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, manhe oxit và lưu huỳnh oxit, cùng với một lượng nhỏ than chưa cháy không vượt quá 6% trọng lượng Độ mịn của tro bay càng cao thì chất lượng sản phẩm càng tốt Phụ gia tro bay đóng vai trò quan trọng trong cải thiện tính chất của vật liệu xây dựng.
- Giảm phân tầng, tiết nước.
- Có khả năng chốngphản ứng kiềm – silic
- Giảm độ thấm nước về sau, tăng bền trong môi trường nước, môi trường ăn mòn.
Ph ươ ng pháp xá c đị nh thành ph ầ n hóa h ọ c trong nguyên li ệu đầ u [4]
Chuẩn bị mẫu thử
Mẫu đưa tới phòng thí nghiệm có khối lượng không ít hơn 500 g, kích thước hạt không lớn hơn 5 mm, dùng làm mẫu phòng thí nghiệm.
Trộn đều mẫu phòng thí nghiệm và sử dụng phương pháp chia tư để lấy khoảng 100 g, sau đó nghiền nhỏ đến khi lọt qua sàng 0,25 mm Tiếp tục sử dụng phương pháp chia tư để lấy khoảng 50 g và nghiền nhỏ cho đến khi lọt qua sàng 0,1 mm.
Dùng phương pháp chia tư lấy khoảng 12 g đến 15 g làm mẫu phân tích hoá học, phần còn lại bảo quản trong lọ (hoặc túi) kín, dùng làm mẫu lưu.
Nghiền mịn phần mẫu thử này bằng cối mã não đến lọt qua sàng 0,063 mm Sấy mẫu ở nhiệt độ 105 o C ± 5 o C đến khối lượng không đổi.
Phân giải mẫu
Tùy theo yêu cầu xác định thành phần hóa học của mẫu thử, có thể sử dụng chất nung chảy hoặc axit flohydric để phân giải mẫu đất đồi, chuyển đổi thành dạng chất tan trong dung dịch Sau đó, tiến hành xác định các thành phần chất trong mẫu từ dung dịch đã thu được.
2.1.2.2 Phân giải mẫu bằng hỗn hợp kiềm cacbonat
Cân chính xác 0,5 g mẫu thử đến 0,0001 g và cho vào chén bạch kim đã chuẩn bị sẵn 3 g đến 4 g hỗn hợp nung chảy Trộn đều và phủ lên bề mặt một lớp mỏng khoảng 3 mm của hỗn hợp nung chảy nữa.
Nung chảy chất trong chén ở nhiệt độ từ 950 o C đến 1000 o C trong khoảng 30 đến 35 phút cho đến khi tan chảy Sau đó, lấy chén ra khỏi lò nung và để nguội Chuyển toàn bộ khối nung chảy vào bát sứ, sau đó dùng dung dịch HCl (tỉ lệ 1:1) và nước cất nóng để rửa sạch chén bạch kim Đậy bát sứ bằng mặt kính đồng hồ và từ từ thêm 30 ml HCl đậm đặc để hòa tan mẫu Khi mẫu đã tan hoàn toàn, sử dụng nước cất nóng để rửa thành bát và mặt kính, đồng thời khuấy đều dung dịch.
2.1.2.3 Phân giải mẫu bằng axit flohydric để xác định kim loại kiềm
Cân khoảng 0,25 g mẫu thử chính xác đến 0,0001 g vào chén bạch kim, tẩm ướt mẫu bằng vài giọt nước, thêm tiếp vào chén 0,5 ml dung dịch axit sunfuric (1 + 1) và
Trộn 15 ml dung dịch HF và lắc nhẹ, sau đó làm bay hơi trên bếp điện cho đến khi khô Để nguội, thêm 5 ml đến 10 ml axit flohydric và tiếp tục bay hơi cho đến khi ngừng bốc khói trắng Sau khi để nguội, dùng nước cất nóng và dung dịch HCl (1 + 1) để chuyển chất trong chén vào cốc thủy tinh, đồng thời rửa sạch chén bạch kim Cuối cùng, thêm 5 ml HCl (1 + 1) vào cốc và đun sôi nhẹ dung dịch trong 5 đến 10 phút.
Xác định hàm lượng mất khi nung (MKN)
Mẫu thử được nung ở nhiệt độ 850 o C ± 50 o C đến khối lượng không đổi Từ sự giảm khối lượng mẫu thử tính ra lượng mất khi nung.
Cân chính xác 1 g mẫu với độ chính xác 0,0001 g và cho vào chén sứ đã nung Tiến hành nung chén mẫu ở nhiệt độ 850 o C ± 50 o C cho đến khi đạt khối lượng không đổi, thời gian nung khoảng 1,5 đến 2 giờ.
Lấy chén ra và để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng trước khi cân Lặp lại quá trình nung ở nhiệt độ đã chỉ định trong 15 phút, sau đó làm nguội và cân cho đến khi đạt được khối lượng ổn định (m2).
Lượng mất khi nung (MKN), tính bằng phần trăm theo công thức:
Trong quá trình thử nghiệm, khối lượng chén và mẫu trước khi nung được ký hiệu là m1 (tính bằng gam), trong khi khối lượng chén và mẫu sau khi nung được ký hiệu là m2 (cũng tính bằng gam) Lượng mẫu thử được ký hiệu là m và cũng được đo bằng gam.
Chênh lệch cho phép giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,20 %.
Xác định hàm lượng silic dioxit (SiO 2 )
2.1.4.1 Xác định hàm lượng silic dioxit (SiO 2 ) chủ yếu theo phương pháp khối lượng 2.1.4.1.1 Nguyên tắc
Cô cạn dung dịch mẫu thử (2.1.5.2.2) để tách nước của axit silisic Nung kết tủa ở
Nhiệt độ xử lý đạt khoảng 1000 o C ± 50 o C, sau đó sử dụng dung dịch axit flohydric để tách silic dưới dạng silic tetraflorua Phương pháp này cho phép xác định lượng silic dioxit chủ yếu có trong mẫu thử.
Cô cạn dung dịch mẫu thử trên bếp cách cát hoặc bếp cách thuỷ ở nhiệt độ 100 đến 110 o C đến khô, sau đó dùng đũa thuỷ tinh dằm nhỏ các cục muối thành kích thước không lớn hơn 2 mm Tiếp tục cô mẫu ở nhiệt độ trên từ 1 đến 2 giờ Sau khi để nguội, thêm vào bát 15 ml axit clohydric đậm đặc và để yên trong 10 phút, rồi thêm 90 ml đến 100 ml nước cất đun sôi Đun trên bếp điện đến sôi và khuấy cho tan muối, sau đó tráng mặt kính đồng hồ và thành bát bằng nước cất đun sôi, cuối cùng lấy bát ra và để nguội đến 50 o C ÷ 60 o C.
Lọc dung dịch nóng trong bát sứ qua giấy lọc không tro chảy vào bình định mức 500 ml Sử dụng dung dịch axit clohydric 5% đã được đun nóng để rửa kết tủa và thành bát, thực hiện quá trình lọc gạn 3 lần Sau đó, chuyển kết tủa vào giấy lọc, dùng giấy lọc không tro chảy để lau sạch đũa thủy tinh và thành bát Tiếp tục rửa kết tủa bằng nước cất đun sôi cho đến khi không còn ion clo, có thể kiểm tra bằng dung dịch.
Để tiến hành phân tích silic, đầu tiên, chuyển giấy lọc có kết tủa chứa silic vào chén bạch kim Sau đó, đốt cháy giấy lọc trên bếp điện cho đến khi thành than Tiếp theo, đặt chén vào lò nung ở nhiệt độ khoảng 1000 °C trong khoảng 1 đến 1,5 giờ Cuối cùng, lấy chén ra và để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng trước khi tiến hành cân.
Nung lại chén ở nhiệt độ 1000 o C ± 50 o C trong 15 phút, làm nguội và cân chén đến khi thu được khối lượng không đổi (m1)
Để thực hiện quá trình tẩm ướt kết tủa, hãy cho vào chén vài giọt nước cất, sau đó thêm 0,5 ml dung dịch axit sunfuric H2SO4 (1 +1) và 10 ml dung dịch axit flohydric 40% Tiếp theo, làm bay hơi chất trong chén trên bếp điện cho đến khi khô, rồi thêm 10 ml axit flohydric nữa và tiếp tục bay hơi trên bếp điện cho đến khi khô kiệt, cho đến khi ngừng bốc khói trắng.
Cho chén vào lò nung và duy trì nhiệt độ 1000 °C ± 50 °C trong 30 phút Sau đó, làm nguội chén trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng và tiến hành cân Lặp lại quá trình nung trong 15 phút, sau đó làm nguội và cân cho đến khi đạt được khối lượng không đổi (m2).
Nung cặn còn lại trong chén bạch kim với 2 g ÷ 3 g kali pyrosunfat cho đến khi tan hoàn toàn Sau đó, để nguội và chuyển khối nung chảy vào cốc thủy tinh 250 ml, rửa sạch chén bạch kim Tiếp theo, thêm nước cất vào cốc đến khoảng 50 ml và cho thêm 2 ml đến 3 ml dung dịch axit clohydric (1 + 1) Đun nóng dung dịch cho đến khi tan, để nguội và gộp dung dịch này với dung dịch trong bình định mức 500 ml, sau đó định mức bằng nước cất và lắc đều.
Dung dịch này để xác định các thành phần: SiO2 hoà tan, Fe2O3, Al2O3, CaO, MgO, TiO2có trong mẫu thử - gọi là "dung dịch A".
Hàm lượng silic dioxit (SiO2), tính bằng phần trăm, theo công thức:
Trong nghiên cứu này, m1 đại diện cho khối lượng chén bạch kim và kết tủa trước khi xử lý bằng axit flohydric, tính bằng gam M2 là khối lượng chén bạch kim và kết tủa sau khi xử lý bằng axit flohydric, cũng tính bằng gam Cuối cùng, m là lượng cân mẫu thử, được tính bằng gam.
Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,40 %.
2.1.4.2 Xác định hàm lượng silic dioxit hoà tan (SiO 2 ) bằng phương pháp so màu 2.1.4.2.1 Cách tiến hành
Lấy 25 ml "dung dịch A" vào bình định mức dung tích 100 ml Thêm nước đến khoảng 50 ml và thêm 10 ml dung dịch amoni molibdat 5 %, lắc đều Sau 20 phút, thêm vào bình 10 ml dung dịch axit clohydric (1 + 1), lắc đều Sau đó 10 phút, thêm tiếp vào bình 5 ml dung dịch khử (2.1.2.3), thêm nước cất tới vạch, lắc đều.
Sau khi xử lý dung dịch bằng dung dịch khử trong 30 phút, tiến hành đo mật độ quang hoặc độ hấp thụ của mẫu ở bước sóng từ 800 nm đến 820 nm Dung dịch mẫu trắng được sử dụng làm dung dịch so sánh Dựa vào giá trị mật độ quang đo được, xác định lượng silic dioxit có trong 25 ml dung dịch A thông qua đồ thị chuẩn.
Để xây dựng đồ thị chuẩn, chuẩn bị 6 bình định mức 100 ml và cho vào từng bình dung dịch silic dioxit tiêu chuẩn (SiO2 = 0,04 mg/ml) theo thứ tự 0 ml, 1 ml, 2 ml, 4 ml, 6 ml, và 7 ml Thêm nước cất đến khoảng 50 ml, sau đó cho vài giọt chỉ thị phenolphthalein 0,1% Nhỏ từ từ axit clohydric (1 + 1) cho đến khi mất màu hồng, sau đó thêm 2 ml dung dịch axit clohydric (1 + 1) dư và lắc đều Cuối cùng, cho vào 100 ml dung dịch amoni molibdat 5% và tiếp tục thực hiện các bước tương tự như trên.
Từ hàm lượng SiO2 trong từng bình và giá trị mật độ quang tương ứng, xây dựng đồ thị chuẩn.
Hàm lượng silic dioxit (SiO2) hoà tan, tính bằng phần trăm, theo công thức:
Trong đó: m1: là khối lượng SiO2tìm được từ đồ thị chuẩn, tính bằng gam; m: là lượng cân mẫu thử, tính bằng gam.
Chênh lệch cho phép giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,10 %.
2.1.4.3 Xác định tổng hàm lượng silic dioxit (SiO 2 )
Hàm lượng silic dioxit trong mẫu thử bao gồm tổng hàm lượng silic dioxit chủ yếu, được xác định bằng phương pháp khối lượng (2.1.4.1), và hàm lượng silic dioxit hòa tan, được xác định bằng phương pháp so màu (2.1.4.2).
Xác định hàm lượng sắt oxit (Fe 2 O 3 ) theo ph ương pháp chuẩn độ phức chất 29 2.1.6 Xác định hàm lượng nhôm oxit (Al 2 O 3 )
Chuẩn độ sắt (III) được thực hiện bằng dung dịch EDTA trong môi trường có pH từ 1,5 đến 2, sử dụng chỉ thị axit sunfosalisilic Quá trình này kết thúc khi màu dung dịch chuyển từ tím đỏ sang vàng rơm.
Lấy 25 ml "dung dịch A" cho vào cốc dung tích 250 ml Thêm vào cốc 1 giọt đến
Để thực hiện quy trình, bạn cần 2 giọt dung dịch hydropeoxit 30 %, đun sôi nhẹ trong 5 phút, sau đó thêm 2 ml dung dịch axit sunfosalisilic 10 % Tiếp theo, thêm nước cất cho đến khi đạt thể tích khoảng 100 ml Sử dụng dung dịch axit clohydric (1 + 1) và dung dịch natri hydroxit 10 % để điều chỉnh pH xuống 1,5 ÷ 2,0, khi đó dung dịch sẽ chuyển sang màu tím thẫm Đun nóng dung dịch trên bếp điện đến 60 o C - 70 o C và tiến hành chuẩn độ bằng dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M khi còn nóng cho đến khi màu dung dịch chuyển từ tím đỏ sang vàng rơm Cuối cùng, ghi lại thể tích EDTA tiêu thụ (V).
Hàm lượng sắt (III) oxit (Fe2O3), tính bằng phần trăm, theo công thức:
0,0007985: là khối lượng Fe2O3tương ứng với 1 ml dung dịch EDTA 0,01 M, tính bằng gam;
V: là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ, tính bằng mililít; là hệ số nồng độ dung dịch EDTA 0,01 M (4.2.26); m: là lượng cân mẫu thử, tính bằng gam.
Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,20 %.
2.1.6 Xác định hàm lượng nhôm oxit (Al 2 O 3 )
Để tách nhôm khỏi các nguyên tố ảnh hưởng, sử dụng kiềm mạnh Tiến hành tạo phức nhôm với EDTA dư ở pH 5,5, sau đó chuẩn độ lượng EDTA dư bằng dung dịch kẽm axetat với chỉ thị xylenon da cam Sử dụng natri fluorua để giải phóng EDTA khỏi phức complexonat nhôm, và sau đó chuẩn độ lượng EDTA được giải phóng bằng dung dịch kẽm axetat tiêu chuẩn, từ đó tính toán hàm lượng nhôm.
Lấy 100 ml dung dịch A vào cốc thuỷ tinh 250 ml, sau đó thêm 30 ml dung dịch NaOH 30% Khuấy đều và đun sôi trong 2 phút, sau đó để nguội và chuyển vào bình định mức 250 ml, thêm nước cất đến vạch mức và lắc đều Tiến hành lọc dung dịch qua giấy lọc khô, phễu khô vào bình nón khô để thu được dung dịch lọc dùng cho việc xác định nhôm, gọi là dung dịch C.
Để thực hiện thí nghiệm, đầu tiên dùng pipet lấy 100 ml dung dịch C vào cốc, sau đó thêm 20 ml dung dịch EDTA 0,025 M và 2 giọt chỉ thị phenolphtalein 0,1% Tiếp theo, điều chỉnh pH dung dịch về khoảng 7 bằng dung dịch axit clohydric (1:1) và natri hydroxit 10% Sau khi thêm 20 ml dung dịch đệm pH 5,5, đun sôi hỗn hợp trong 2-3 phút Sau khi lấy cốc ra, để nguội đến 60-70 độ C, thêm vài giọt chỉ thị xylenon da cam 0,1% và sử dụng dung dịch kẽm axetat 0,025 M để chuẩn độ cho đến khi màu hồng xuất hiện.
Thêm 20 ml dung dịch natri florua 3% vào cốc và đun sôi trong 3 phút cho đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng Sau đó, để nguội dung dịch xuống 60 oC ÷ 70 oC, sử dụng dung dịch kẽm axetat 0,025 M để chuẩn độ EDTA vừa được giải phóng khỏi phức với nhôm, cho đến khi màu dung dịch chuyển từ vàng sang hồng Ghi lại thể tích kẽm axetat 0,025 M đã tiêu thụ (VZn).
Hàm lượng nhôm oxit (Al2O3), tính bằng phần trăm theo công thức:
0,0012745: là số gam nhôm oxit tương ứng với 1 ml dung dịchkẽm axetat 0,025 M; k: là tỷ số nồng độ giữa dung dịch kẽm axetat 0,025 M là dung dịch EDTA 0,025 M;
K2: là hệ số nồng độ của dung dịch EDTA 0,025 M;
VZn: là thể tích dung dịch kẽm axetat 0,025 M tiêu thụ khi chuẩn độ lượng EDTA được giải phóng ra khỏi phức, tính bằng mililít;
M: là lượng cân mẫu thử, tính bằng gam.
Chênh lệch cho phép giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,35 %.
Xác định hàm lượng titan dioxit (TiO 2 )
Diantipyrin metan kết hợp với ion titan (IV) trong môi trường axit mạnh tạo ra một phức chất màu vàng, với cường độ màu tỷ lệ thuận với nồng độ titan trong dung dịch Để xác định nồng độ titan, người ta đo mật độ quang (độ hấp thụ) của dung dịch tại bước sóng khoảng 400 nm.
Lấy 25 ml "dung dịch A" vào bình định mức 100 ml Thêm vào bình 15 ml dung dịch axit clohydric (1 +1), 5 ml dung dịch thioure 5 %, lắc đều, để yên dung dịch cho đến khi dung dịch hết màu vàng của sắt chuyển sang không màu, thêm tiếp vào bình
Pha chế 15 ml dung dịch diantipyrin metan 2 %, sau đó thêm nước cất đến vạch và lắc đều Sau 60 phút, tiến hành đo mật độ quang của dung dịch ở bước sóng 400 nm Dung dịch so sánh sử dụng là dung dịch có đầy đủ các thuốc thử nhưng không có mẫu dung dịch Từ giá trị mật độ quang đo được, sử dụng đồ thị chuẩn để xác định lượng titan dioxit có trong 25 ml dung dịch.
Để xây dựng đồ thị chuẩn, hãy lấy 6 bình định mức 100 ml và lần lượt cho vào mỗi bình một thể tích dung dịch tiêu chuẩn titan làm việc với nồng độ TiO2 là 0,04 mg/ml theo thứ tự đã quy định.
Pha loãng các dung dịch với thể tích 0 ml, 2 ml, 4 ml, 6 ml, 8 ml và 12 ml, sau đó thêm 15 ml dung dịch HCl (1 + 1) và 5 ml dung dịch thioure 5% Khuấy đều và để yên cho đến khi dung dịch chuyển từ màu vàng của sắt sang không màu Tiếp theo, thêm 15 ml dung dịch diantipyrin metan 2% và bổ sung nước cất đến vạch quy định, sau đó lắc đều Cuối cùng, đo mật độ quang của dung dịch tại bước sóng 400 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình không chứa dung dịch tiêu chuẩn titan làm việc.
Từ lượng titan dioxit có trong mỗi bình và giá trị mật độ quang tương ứng xây dựng đồ thị chuẩn.
Hàm lượng titan dioxit (TiO2), tính bằng phần trăm, theo công thức:
Trong đó: m1: là lượng titan dioxit tìm được từ đồ thị chuẩn, tính bằng gam; m: là lượng cân mẫu thử, tính bằng gam.
Chênh lệch cho phép giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,10 %.
Xác định hàm lượng canxi oxit (CaO)
Tách sắt, nhôm và titan khỏi dung dịch chứa canxi và magie bằng amoni hydroxit Để chuẩn độ lượng canxi, sử dụng dung dịch EDTA tiêu chuẩn ở pH lớn hơn 12 với chỉ thị fluorexon; tại điểm tương đương, dung dịch sẽ chuyển từ màu xanh huỳnh quang sang màu hồng.
Lấy 100 ml dung dịch A vào cốc chịu nhiệt 250 ml và thêm khoảng 2 g amoni clorua Đun nóng dung dịch đến khoảng 70 o C đến 80 o C, sau đó nhỏ từ từ dung dịch amoni hydroxit 25 % để hoàn tất quá trình kết tủa sắt, nhôm, và titan.
Đun sôi nhẹ dung dịch trên bếp từ 10 đến 15 phút để kết tủa và loại bỏ amoni hydroxit dư Sau đó, lọc dung dịch khi còn nóng qua giấy lọc vào bình định mức 250 ml Sử dụng dung dịch amoni nitrat 2% đã được đun nóng từ 60°C đến 70°C để rửa kết tủa cho đến khi loại bỏ hoàn toàn ion Cl- (thử bằng AgNO3 0,5%) Cuối cùng, thêm nước cất đến vạch và lắc đều để thu được "dung dịch B" dùng để xác định canxi - magie.
Dùng pipet lấy 100 ml "dung dịch B" vào cốc thuỷ tinh, thêm tiếp 20 ml dung dịch kali hydroxit 25 %, 2 ml dung dịch kali xianua 5 % và một ít chỉ thị fluorexon 1
Đặt cốc lên nền màu đen và sử dụng dung dịch EDTA 0,01 M để chuẩn độ dung dịch trong cốc cho đến khi màu sắc chuyển từ xanh huỳnh quang sang hồng Ghi lại thể tích dung dịch EDTA đã tiêu thụ (V1).
Làm song song một thí nghiệm trắng gồm đầy đủ các dung dịch thuốc thử nhưng không có dung dịch mẫu Ghi thể tích EDTA tiêu thụ (V0)
Hàm lượng canxi oxit (CaO), tính bằng phần trăm, theo công thức:
0,00056: là khối lượngcanxi oxit (CaO) tương ứng với 1 ml dung dịch EDTA 0,01 M, tính bằng gam;
K1: là hệ số nồng độ của dung dịch EDTA 0,01 M;
V1: là thể tích dung dịch EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độdung dịch mẫu, tính bằng ml;
V0: là thể tích dung dịch EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ mẫu trắng, tính bằng ml; m: là lượng cân mẫu thử, tính bằng gam.
Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,20 %.
Xác định hàm lượng magie oxit (MgO)
Chuẩn độ tổng lượng canxi và magie trong mẫu bằng dung dịch EDTA tiêu chuẩn theo chỉ thị eriocrom T đen ở pH = 10,5.
Để xác định hàm lượng magie oxit, cần đo hiệu số thể tích EDTA tiêu thụ trong quá trình chuẩn độ tổng lượng canxi và magie ở pH = 10,5, sau đó tiến hành chuẩn độ riêng canxi ở pH > 12.
Sử dụng pipét để lấy 100 ml dung dịch B vào cốc thủy tinh, sau đó thêm 200 ml dung dịch đệm pH = 10,5 Tiếp theo, cho vào cốc 2 ml dung dịch kali xianua 5% và 2-3 giọt chỉ thị eriocrom T đen 0,1%.
Chuẩn độ tổng lượng canxi và magie bằng dung dịch EDTA 0,01 M cho đến khi dung dịch chuyển từ màu đỏ nho sang xanh nước biển, ghi lại thể tích EDTA tiêu thụ (V2) Đồng thời, thực hiện một thí nghiệm trắng với đầy đủ các dung dịch thuốc thử nhưng không có dung dịch mẫu, và ghi lại thể tích EDTA tiêu thụ (V3).
Hàm lượng magie oxit (MgO), tính bằng phần trăm, theo công thức:
V2: là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ tổng lượng canxi và magie, tính bằng mililít;
V3: là thể tích dung dịch EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ tổng lượng canxi và magie trong mẫu trắng, tính bằng mililít;
V1: là thể tích dung dịch EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ riêng canxi trong dung dịch mẫu, tính bằng mililít;
V0: là thể tích dung dịch EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ riêng canxi trong mẫu trắng, tính bằng mililít;
M: là lượng cân mẫu thử, tính bằng gam;
0,000403: là khối lượng magie oxit tương ứng với 1 ml dung dịch EDTA 0,01
K1: là hệ số nồng độ của dung dịch EDTA 0,01 M;
Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,20 %.
Xác định hàm lượng Kali oxit (K 2 O) và Natri oxit (Na 2 O)
Hòa tan mẫu thử để tạo dung dịch và loại bỏ các nguyên tố cản trở như Fe, Al, Ti bằng cách kết tủa trong môi trường kiềm amoniac, sau đó thu lấy dung dịch lọc Tiến hành xác định hàm lượng các oxit kim loại kiềm trong dung dịch lọc bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử, sử dụng các nguồn bức xạ đơn sắc ở bước sóng 766,5 nm cho Kali và 589,0 nm cho Natri.
2.1.10.2 Cách tiến hành Đun dung dịch mẫu thử được phân giải bằng axit flohydric đến khoảng 70 o C; nhỏ giọt amoni hydroxit (1+1) đến xuất hiện kết tủa, cho dư từ 1 giọt đến 2 giọt amoni hydroxit nữa, đun dung dịch tới sôi.
Lọc dung dịch khi còn nóng qua giấy lọc vào bình định mức 250 ml Sử dụng nước cất để rửa sạch cốc và kết tủa cho đến khi hết ion clo trong nước rửa, kiểm tra bằng dung dịch bạc nitrat 0,5% Để dung dịch nguội, sau đó thêm nước đến vạch định mức và lắc đều để thu được "dung dịch C".
Lấy 25 ml “ dung dịch C “ vào bình định mức 250 ml, thêm nước tới vạch mức, lắc đều; thu được dung dịch pha loãng 10 lần: “ dung dịch D ”
1 ml dung dịch D chứa: 0,0001 g mẫu (0,1 mg/ml).
Để đo nồng độ Kali trong "dung dịch D" bằng máy quang phổ ngọn lửa hoặc máy quang phổ hấp thụ nguyên tử, sử dụng dung dịch mẫu trắng làm dung dịch so sánh Ghi lại giá trị đo được như trị số điện kế hoặc độ hấp thụ Sau đó, dựa vào đồ thị chuẩn, xác định nồng độ K2O trong dung dịch mẫu thử (Cm).
Để xây dựng đồ thị chuẩn, cần chuẩn bị 6 bình định mức 100 ml Thêm lần lượt 0; 2; 5; 10; 15 và 20 ml dung dịch tiêu chuẩn kali oxit (K2O = 0,01 mg/ml) vào từng bình, sau đó bổ sung nước cất đến vạch định mức và lắc đều Nồng độ kali oxit trong các bình tương ứng sẽ là 0,0000; 0,0002; 0,0005; 0,0010; 0,0015 và 0,0020 mg/ml.
Để đo nồng độ kali trong từng bình bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử, sử dụng dung dịch không chứa kali làm dung dịch so sánh Ghi lại giá trị đo như trị số điện kế hoặc độ hấp thụ cho từng bình Dựa trên nồng độ kali oxit và giá trị đo tương ứng, tiến hành xây dựng đồ thị chuẩn.
Tiến hành tương tự để phân tích Natri oxit từ “ dung dịch D “ và xây dựng đường chuẩn để xác định hàm lượng natri oxit.
Hàm lượng kali oxit (K2O) hoặc natri oxit (Na2O) trong mẫu được tính bằng phần trăm, theo công thức
K2O ( hoặc Na2O) = Cm/C x 100 Trong đó:
C: là nồng độ mẫu thử trong “ dung dịch D “ đem đo trên máy, tính bằng mg/ml;
Cm: là nồng độ kali oxt (hoặc natri oxit) tìm được trên đường chuẩn, tính bằng mg/ml;
Chênh lệch cho phép giữa hai kết quả xác định song song, không lớn hơn 0,10 %.