3.2. KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HIỆN TƯỢNG KẾT KHỐI URÊ
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố khí hậu đến hiện tượng kết khối urê
3.2.2.1. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến quá trình đóng rắn/kết tinh urê từ dịch nóng chảy
dịch nóng chảy Thí nghiệm 6:
- Mẫu nghiên cứu từ dịch nóng chảy (chuẩn bị theo phương pháp trình bày trong mục 2.3) sau khi đóng rắn được bảo quản để tiếp tục quá trình đóng rắn/kết tinh trong tủ môi trường có nhiệt độ ổn định 60oC, tương ứng với độ ẩm của sản phẩm khi đóng bao trên thực tế sản xuất công nghiệp. Độ ẩm được duy trì theo các phương án khác nhau:
+ Phương án 1: mẫu nóng chảy được đóng rắn/kết tinh tiếp tại môi trường có độ ẩm tương đối 70%, tương ứng với độ ẩm tương đối tới hạn của sản phẩm urê;
+ Phương án 2: mẫu nóng chảy được đóng rắn/kết tinh tiếp tại môi trường có độ ẩm tương đối 80%, tương ứng với độ ẩm trung bình phổ biến quanh năm tại các địa phương ở nước ta;
+ Phương án 3: mẫu nóng chảy được đóng rắn/kết tinh tiếp tại môi trường có độ ẩm tương đối 90%, tương ứng với độ ẩm trung bình của các địa phương vào thời điểm không khí ẩm ướt nhất;
Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu urê đóng rắn/ kết tinh tại nhiệt độ 60oC và các độ ẩm môi trường khác nhau lần lượt là 70%, 80% và 90%.
Lin (Cps)
2-Theta - Scale
Urea, syn
0 100 200 300 400 500 600
10 20 30 40 50 60 70 80
d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367 Mẫu a -độ ẩm 70%
Mẫu c -độ ẩm 90%
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
Mẫu b -độ ẩm 80%
Lin (Cps)
2-Theta - Scale
Urea, syn
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
10 20 30 40 50 60 70 80
10 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080
d=3.95367
d=3.95367
d=3.95367 Mẫu a -độ ẩm 70%
Mẫu c -độ ẩm 90%
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
Mẫu b -độ ẩm 80%
- Sau khi để lưu mẫu đóng rắn/kết tinh tiếp trong thời gian 120 phút, tiến hành khảo sát hình thái cấu trúc theo phương pháp SEM trên thiết bị chụp SEM hiệu JEOL 5410 LV (Nhật) và khảo sát thành phần pha theo phương pháp X-ray trên thiết bị nhiễu xạ tia X hiệu D8-Advance Brucker (Đức) với góc nhiễu xạ 2θ = 10-81,009 o, tốc độ ghi 0,03 o/s, điện cực anot bằng Đồng.
Nhận xét:
- Ảnh SEM trên hình 3.4 cho thấy độ ẩm môi trường xảy ra quá trình đóng rắn/kết tinh urê từ dịch nóng chảy có ảnh hưởng rõ rệt đến sự phát triển hình thái cấu trúc tinh thể thu được. Ở độ ẩm 70%, các tinh thể urê có mật độ xuất hiện thấp song có hình thái cấu trúc rõ ràng nhất với hình khối xác định và kích thước lớn (hình 4.4a). Trong khi đó, ở độ ẩm môi trường 90% (hình 4.4c), trên ảnh SEM thu được những đám tinh thể nhỏ với mật độ phân bố cao, cấu trúc chưa rõ ràng. Còn trong ảnh SEM thu được tại độ ẩm môi trường 80% (hình 4.4b), hình thái cấu trúc tinh thể mang tính chất trung gian giữa hai thí nghiệm nói trên.
- Giản đồ XRD trên hình 3.5 cũng cho kết quả hoàn toàn phù hợp với kết quả đã thu được trên ảnh SEM (hình 3.4). So sánh một cách tương đối, mẫu urê đóng rắn/kết tinh tại độ ẩm 70% có độ hoàn thiện tinh thể cao hơn mẫu đóng rắn/kết tinh tại độ ẩm 80%; thể hiện qua cường độ nhiễu xạ và độ
sắc nét của píc tại góc 2θ = 24,5o. Mẫu đóng rắn/kết tinh tại độ ẩm 90% có độ hoàn thiện tinh thể thấp nhất với các tinh thể có kích thước nhỏ (píc tại góc 2θ
= 24,5o có cường độ thấp và độ mở của vạch nhiễu xạ rộng).
- Dựa vào lý thuyết của quá trình tạo hạt u rê trong tháp tạo hạt và kết quả nghiên cứu nói trên, có thể giải thích về cơ chế ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến sự phát triển hình thái cấu trúc của tinh thể urê như sau:
+ Trong thời gian đầu của quá trình đóng rắn/kết tinh urê từ dịch nóng chảy, chỉ có khoảng 86% lượng urê đã đóng rắn hoàn toàn, phần còn lại vẫn đang trong giai đoạn chuyển pha lỏng - rắn [15];
+ Trong môi trường xảy ra quá trình đóng rắn/kết tinh, nếu độ ẩm tương đối của môi trường thấp thì chênh lệch giữa áp suất hơi nước bão hoà trên bề mặt ngoài và bên trong hạt/tinh thể cao, làm tăng động lực khuếch tán hơi nước từ bên trong thể tích ra môi trường bên ngoài. Quá trình chuyển pha lỏng - rắn chuyển dịch theo hướng thúc đẩy nhanh sự hình thành pha rắn và sự phát triển/ hoàn thiện cấu trúc ;
+ Ngược lại, nếu như độ ẩm môi trường cao, khả năng khuếch tán hơi nước từ pha thể tích ra bên ngoài bị hạn chế. Quá trình chuyển pha và phát triển hoàn thiện cấu trúc vì thế mà cũng bị chậm lại.
- Như vậy, khi độ ẩm môi trường càng cao, sự thay đổi hình thái cấu trúc tinh thể urê cũng có nghĩa là quá trình già hóa sau khi đóng rắn/tạo hạt xảy ra càng chậm. Theo nguyên tắc, sản phẩm sẽ thể hiện tính kết khối cao hơn trong quá trình bảo quản sau này. Liên hệ với thực tế, do tính chất đặc thù của khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm tại Việt Nam, không khí tiếp xúc với hạt urê trong và sau khi đóng rắn/kết tinh bao gồm không khí trao đổi nhiệt đi vào tháp tạo hạt, không khí tiếp xúc với urê trong các thiết bị định lượng, băng tải... thường xuyên có độ ẩm cao nên theo kết quả nghiên cứu trong thí nghiệm 6, quá trình già hoá hoàn thiện xảy ra chậm hơn và không triệt để. Vì thế, khi sản phẩm được đóng bao ngay, quá trình già hóa hoàn thiện tiếp tục xảy ra trong khi hạt sản phẩm trong kho sau đó lại phải chịu thêm lực nén của cả khối sản phẩm trong kho chứa nên hiện tượng kết khối xảy ra vì thế mà trở nên nghiêm trọng hơn so với tại một số nước thuộc Đông Âu, Liên xô cũ và Tây Á – những vùng thường xuyên có khí hậu khô và ổn định hơn.
(a) (b) (c)
Hình 3.6. Ảnh SEM mô tả hình thái cấu trúc tinh thể urê ở các nhiệt độ đóng rắn khác nhau: 30 oC (a), 40 oC (b) và 50 oC (c); độ phóng đại 1000 lần