3.3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ KẾT KHỐI SẢN PHẨM URÊ
3.3.2. Nghiên cứu về giải pháp bổ sung chất phụ gia tăng cường quá trình tạo hạt
3.3.2.1. Nghiên cứu cơ chế ảnh hưởng của chất phụ gia đến quá trình đóng rắn/kết tinh urê nóng chảy
Ảnh hưởng của chất phụ gia đến quá trình đóng rắn/kết tinh urê từ dịch nóng chảy được thực hiện trên đối tượng nghiên cứu là dịch urê nóng chảy:
Mẫu urê nóng chảy được chuẩn bị theo 2 phương án khác nhau:
+ Phương án 1: mẫu thí nghiệm được bổ sung thêm chất phụ gia theo tỷ lệ 0,5% k.l vào dịch nóng chảy;
+ Phương án 2: mẫu dùng làm đối chứng (không bổ sung chất phụ gia).
Thí nghiệm 10:
- Mẫu dịch nóng chảy được chuẩn bị trên tấm tiêu bản thủy tinh theo phương pháp đã mô tả trong mục 2.3.
- Sau khi đóng rắn/kết tinh 1h, mẫu được phân tích hình thái cấu trúc bằng phương pháp chụp SEM trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét hiệu JEOL 5410 LV của Nhật.
Nhận xét:
- Ảnh SEM trên hình 3.10 cho thấy chất phụ gia được bổ sung vào dịch urê nóng chảy có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình đóng rắn/kết tinh và sự phát triển/hoàn thiện hình thái cấu trúc hạt urê.
+ Trong cùng thời gian (1h) và điều kiện bảo quản như nhau, trong khi ở mẫu đối chứng hình thái cấu trúc thu được là những phần tử chất rắn dạng các đám rối (hình 3.10b) thì ở mẫu thí nghiệm có bổ sung chất phụ gia, hình thái cấu trúc thu được hầu hết đều ở dạng phiến với hình khối và kích thước xác định (hình 3.10a) chứng tỏ đã có sự chuyển hoá rất cơ bản về hình thái cấu trúc của pha rắn với tốc độ nhanh.
+ Kết quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết kết tinh khối; quá trình đóng rắn và kết tinh urê từ dịch nóng chảy xảy ra rất nhanh, pha rắn tách ra với tốc độ cao, tạo thành mầm với số lượng nhiều và kích thước nhỏ. Chất
Hình 3.10. Ảnh SEM mô tả hình thái cấu trúc tinh thể urê kết tinh từ dịch urê nóng chảy có bổ sung (a) và không bổ sung (b) CHĐBM
(a) (b)
hoạt động bề mặt có thể đã có tác dụng giảm năng lượng bề mặt và sau đó là năng lượng trên các góc cạnh của pha rắn mới hình thành [5].
+ Sự giảm năng lượng tự do bề mặt thường xảy ra theo xu hướng hợp nhất các tinh thể nhỏ thành các tinh thể có kích thước lớn hơn kèm theo sự sắp xếp lại trật tự cũng như mật độ của các khuyết tật. Đây là quá trình kết tụ của các phần tử nhỏ – một quá trình quan trọng xảy ra trong giai đoạn kết tinh/già hoá nói chung.
- Như vậy, CHĐBM đóng vai trò như một chất xúc tiến quá trình chuyển pha nên chỉ sau 1h theo dõi ở điều kiện gần như cô lập với tác động của nhiệt độ và độ ẩm không khí môi trường, kết quả thu được giữa hai mẫu thí nghiệm đã khác nhau rất cơ bản. Ở mẫu có dùng CHĐBM, quá trình già hoá/hoàn thiện xảy ra nhanh hơn nên sản phẩm thu được có cấu trúc khá rõ ràng trong khi ở mẫu đối chứng, quá trình già hoá hầu như chưa bắt đầu.
Thí nghiệm 11 :
- Mẫu dịch nóng chảy được chuẩn bị trong chén sứ dung tích 50-100 ml thay vì chuẩn bị trên tấm tiêu bản thủy tinh theo phương pháp đã mô tả trong mục 3.2.
- Sau khi đóng rắn/kết tinh 1h, mẫu được xác định thành phần pha và cấu trúc tinh thể theo phương pháp nhiễu xạ tia X trên thiết bị nhiễu xạ Rơnghen hiệu Brucker D8-Advance (Đức) với góc quét 2θ = 0-81,009 o; tốc độ ghi 0,03o/giây; điện cực anot Cu.
Nhận xét:
- Phổ XRD (X-ray) trên hình 3.11 cho thấy chất phụ gia bổ sung có ảnh hưởng rõ rệt đến thành phần pha và quá trình phát triển tinh thể urê trong thời gian đóng rắn/kết tinh.
+ Tại thời điểm 1h sau khi bắt đầu đóng rắn/kết tinh, pha rắn hình thành trong mẫu đối chứng không bổ sung chất phụ gia vẫn còn đang trong trạng thái chuyển pha từ cấu trúc vô định hình sang cấu trúc tinh thể, ghi nhận bởi pic nhiễu xạ đặc trưng có cường độ rất thấp tại góc 2θ = 24,5 o. Trong khi đó, pha rắn hình thành trong mẫu thí nghiệm có bổ sung chất phụ gia hầu hết đã ở trạng thái pha tinh thể. Các tinh thể đã phát triển và hoàn thiện với mức độ tương đương với tinh thể của mẫu đối chứng sau 36 h (1,5 ngày đêm) theo dõi.
2-Theta - Scale
Urea, syn
Lin (Cps)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
10 20 30 40 50 60 70 80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Không phụgia (72h)
Có phụgia (1h) Không phụgia (1h)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Có phụgia (36h) Không phụgia (36h)
2-Theta - Scale
Urea, syn
Lin (Cps)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
10 20 30 40 50 60 70 80
10 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Không phụgia (72h)
Có phụgia (1h) Không phụgia (1h)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Có phụgia (36h) Không phụgia (36h)
d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367
+ Tại thời điểm 36h kể từ thời điểm bắt đầu đóng rắn/kết tinh, tinh thể của mẫu thí nghiệm có bổ sung chất phụ gia tạo hạt đã phát triển và hoàn thiện với mức độ tương đương với tinh thể của mẫu đối chứng sau 72h (so sánh với kết quả khảo sát ở phần 3.1)
- Như vậy, kết quả nghiên cứu trong thí nghiệm 11 đã hỗ trợ để giải thích cho giả thiết khoa học về vai trò của CHĐBM trong thành phần chất phụ gia bổ sung: có thể đã có tác dụng giảm năng lượng bề mặt và sau đó là năng lượng trên các góc cạnh của pha rắn mới hình thành [5], đóng vai trò như một chất xúc tiến quá trình chuyển pha.
Hình 3.11. Phổ XRD của các mẫu urê có bổ sung và không bổ sung chất phụ gia tạo hạt
+ Khi dịch urê nóng chảy được bổ sung thêm chất phụ gia tạo hạt, quá trình già hoá xảy ra nhanh hơn. Chỉ sau khoảng thời gian ~ 1 h, tương ứng với thời gian mà hạt urê sau tháp tạo hạt di chuyển trên băng tải và các thiết bị định lượng, đóng bao trước khi nằm trong bao gói, độ hoàn thiện tinh thể của urê có bổ sung thêm chất phụ gia (so sánh một cách tương đối theo chiều cao của các pic nhiễu xạ trên hình 3.11) đạt được tương đương với độ hoàn thiện tinh thể của urê đối chứng sau 1,5 ngày đêm. Chính vì thế, khi sản phẩm đã ở trong bao và chịu tác động của lực nén xếp khối, mức độ ảnh hưởng của quá trình già hoá đến khả năng kết khối của sản phẩm sẽ ít nghiêm trọng.
+ Phương pháp luận: nếu quá trình già hóa/phát triển/hoàn thiện cấu trúc tinh thể/hạt urê là nguyên nhân gây nên hiện tượng kết khối của sản phẩm trong một vài ngày đầu sau khi ra khỏi tháp tạo hạt và được bảo quản trong bao 2 lớp thì chính chất phụ gia được bổ sung vào dịch nóng chảy trước khi tạo hạt đã kích thích quá trình già hóa/phát triển/hoàn thiện này xảy ra sớm và triệt để hơn trước khi sản phẩm được đóng bao. Sản phẩm trong bao gói sẽ không vừa phải tự hoàn thiện cấu trúc vừa phải chịu tác động của ứng suất nén nữa nên sẽ hạn chế bị kết khối hơn. Đây được xem như cơ chế tác động của chất phụ gia bổ sung trong quá trình tạo hạt đến tính chất cơ lý của hạt urê sản phẩm tạo thành theo nguyên lý tác động trực tiếp vào nguyên nhân của hiện tượng kết khối.