Luận văn Nghiên cứu điều chế ZnO chất lượng cao từ Quặng kẽm Bắc Kạn bằng phương pháp Amoni

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu điều chế ZnO chất lượng cao từ Quặng kẽm Bắc Kạn bằng phương pháp Amoni

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIấN --------------------- TRẦN NGỌC VƯỢNG NGHIấN CỨU ĐIỀU CHẾ ZnO CHẤT LƯỢNG CAO TỪ QUẶNG KẼM BẮC KẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP AMONI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIấN --------------------- TRẦN NGỌC VƯỢNG NGHIấN CỨU ĐIỀU CHẾ ZnO CHẤT LƯỢNG CAO TỪ QUẶNG KẼM OXIT BẮC KẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP AMONI Chuyờn ngành: Húa vụ cơ Mó số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGHIấM XUÂN THUNG Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN 2
3. Qua cụng trỡnh này, em xin cảm ơn PGS.TS. Nghiờm Xuõn Thung đó tận tỡnh hướng dẫn để cụng trỡnh này được hoàn thành. Em xin cảm ơn tất cả cỏc thầy giỏo, cụ giỏo trong bộ mụn Húa Vụ cơ và cỏc thầy cụ trong khoa Húa Học – Trường ĐH KHTN – ĐH QG Hà Nội . Xin chõn thành cảm ơn tới cỏc đồng nghiệp tại Trung tõm Triển khai Cụng nghệ Viện Cụng nghệ Xạ hiếm nơi tỏc giả đang cụng tỏc và cỏc bạn bố cựng lớp đó động viờn, khớch lệ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tỏc giả hoàn thành luận văn. Cũng nhõn dịp này tụi xin dành những tỡnh cảm và lũng biết ơn sõu sắc tới những người thõn trong gia đỡnh đó luụn chia sẻ động viờn và hỗ trợ tụi. Hà Nội, ngày 20 thỏng 12 năm 2014 Học viờn Trần Ngọc Vượng 3
4. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 PHẦN 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 3 1.1. Tớnh chất lý húa học và cỏc ứng dụng của ZnO................................. 3 1.1.1 Tớnh chất của ZnO .......................................................................... 3 1.1.2 Ứng dụng của bột ZnO ................................................................... 4 1.2. Một số phương phỏp điều chế kẽm oxit ............................................ 8 1.2.1. Phương phỏp thăng hoa oxy húa .................................................... 8 1.2.2. Phương phỏp hoàn nguyờn oxy húa................................................ 9 1.2.3. Phương phỏp Thủy luyện bằng axit vụ cơ. ................................... 10 1.2.4. Phương phỏp thủy luyện kẽm bằng hệ amoniac và tỏc nhõn phối hợp ........................................................................................................ 11 1.2.4.1. Giới thiệu về phương phỏp .................................................... 11 1.2.4.2. Nguyờn tắc lựa chọn cỏc thụng số hũa tỏch quặng chung ...... 11 1.2.4.3. Tinh chế dung dịch ................................................................ 14 1.3. Khỏi quỏt về quặng kẽm vựng Bắc Kạn .......................................... 15 PHẦN 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU 16 2.1. Cỏc húa chất và thiết bị sử dụng trong đề tài ................................... 16 2.1.1. Húa chất ....................................................................................... 16 2.1.2. Thiết bị ........................................................................................ 16 2.2. Cỏc phương phỏp đỏnh giỏ, kiểm tra chất lượng nguyờn liệu và sản phẩm ...................................................................................................... 17 2.2.1. Phương phỏp xỏc định hàm lượng kẽm ........................................ 17 2.2.2. Ph−ơng pháp chuẩn độ xác định Pb bằng Ditizon (HDz) .............. 18 2.2.3. Phương phỏp quang phổ plasma ghộp nối phổ khối (ICP-MS) .... 19 2.2.4. Phương phỏp phõn tớch nhiễu xạ Rơn ghen – XRD ...................... 20 2.2.5. Ph−ơng pháp xỏc định diện tích bề mặt riêng của sản phẩm ZnO . 21 2.2.6. Phương phỏp hiển vi điện tử quột (Scanning Electron Microscopy- SEM) ..................................................................................................... 25 2. 3. Thực nghiệm .................................................................................. 28 2.3.1. Đỏnh giỏ thành phần khoỏng vật học của quặng kẽm oxớt hàm lượng kẽm thấp vựng Bắc Kạn ............................................................... 28 2.3.2. Khảo sỏt cỏc yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hũa tỏch quặng kẽm oxit vựng Bắc Kạn bằng hệ tỏc nhõn amoniac và amoni cacbonat. ......... 28 2.3.2.1. Xỏc định tỷ lệ nguyờn liệu và tỏc nhõn hũa tỏch. ................... 28 2.3.2.2. Khảo sỏt ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới khả năng hũa tỏch ......................................................................... 29 2.3.2.3. Khảo sỏt ảnh hưởng của kớch thước hạt quặng tới khả năng hũa tỏch. ............................................................................................ 29 4
5. 2.3.2.4. Khảo sỏt ảnh hưởng của nhiệt độ tới quỏ trỡnh hũa tỏch. ...... 30 2.3.2.5. Khảo sỏt ảnh hưởng của thời gian tới quỏ trỡnh hũa tỏch. ..... 30 2.3.2.6. Khảo sỏt ảnh hưởng của sự đảo trộn tới quỏ trỡnh hũa tỏch. . 30 2.3.3. Tinh chế dung dịch hũa tỏch. ....................................................... 31 2.3.4. Nghiờn cứu giải phỏp cụng nghệ thu hồi kẽm trong dung dịch sau khi hũa tỏch dưới dạng kẽm oxit chất lượng cao. ................................... 31 2.3.4.1. Nghiờn cứu khả năng thu nhận muối kẽm cacbonat bazơ từ dung dịch phức kẽm - amoniac - amonicacbonat ................................ 31 2.3.4.2. Khảo sỏt ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung tới chất lượng sản phẩm kẽm oxit. ........................................................... 31 PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 33 3.1. Đỏnh giỏ thành phần khoỏng học và thành phần húa học của quặng kẽm oxit vựng Bắc Kạn. ........................................................................ 33 3.2. Nghiờn cứu cỏc yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hũa tỏch quặng kẽm oxit vựng Bắc Kạn bằng hệ tỏc nhõn amoniac và amoni cacbonat . ........ 35 3.2.1. Xỏc định tỷ lệ nguyờn liệu và tỏc nhõn hũa tỏch. .......................... 35 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới khả năng hũa tỏch ................................................................................................. 38 3.2.3. Ảnh hưởng của kớch thước hạt quặng tới khả năng hũa tỏch. ....... 40 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quỏ trỡnh hũa tỏch. ............................ 42 3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian tới quỏ trỡnh hũa tỏch. ........................... 45 3.2.6. Ảnh hưởng của sự đảo trộn tới quỏ trỡnh hũa tỏch ........................ 48 3.3. Nghiờn cứu giải phỏp cụng nghệ điều chế kẽm oxit chất lượng cao từ dung dịch sau khi hũa tỏch.................................................................49 3.3.1.Nghiờn cứu khả năng thu nhận muối kẽm cacbonat bazơ từ dung dịch phức kẽm - amoniac - amonicacbonat ............................................ 49 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung tới chất lượng sản phẩm kẽm oxit. ...................................................................................... 50 KẾT LUẬN .................................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..59 5
6. DANH MỤC BẢNG Stt Kớ hiệu Tờn bảng Kết quả phõn tớch thành phần húa học của mẫu quặng kẽm oxit Bắc 1 Bảng 3.1 Kạn theo phương phỏp phõn tớch quang phổ plasma ghộp nối phổ khối(ICP-MS) Khả năng hũa tan của kẽm oxit trong hệ amoniac – amoni cacbonat 2 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyờn liệu và tỏc nhõn hũa tỏch tới khả năng 3 Bảng 3.3 hũa tỏch kẽm Ảnh hưởng của nồng độ amoniac và amoni cacbonat tới khả năng 4 Bảng 3.4 hũa tỏch kẽm Ảnh hưởng của kớch thước hạt tới khả năng hũa tỏch kẽm 5 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hũa tỏch 6 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hũa tỏch kẽm 7 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của yếu tố đảo trộn tới hiệu suất hũa tỏch kẽm 8 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của thời gian khuấy và xục khớ tới hiệu suất thu hồi 9 Bảng 3.9 muối kẽm Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới chất lượng sản phẩm ZnO 10 Bảng 3.10 Sự ảnh hưởng của thời gian nung tới chất lượng sản phẩm ZnO 11 Bảng 3.11 Kết quả đo bề mặt riờng của sản phẩm ZnO thu được theo phương 12 Bảng 3.12 phỏp amoni Kết quả đo bề mặt riờng của sản phẩm ZnO thu được theo phương 13 Bảng 3.13 phỏp thăng hoa oxy húa. So sỏnh chất lượng sản phẩm ZnO thu được bằng phương phỏp 14 Bảng 3.14 amoni và bằng phương phỏp thăng hoa oxy húa 6
7. DANH MỤC HèNH VẼ Stt Kớ hiệu Tờn hỡnh vẽ Cấu trỳc lục giỏc Wurzite của tinh thể ZnO 1 Hỡnh 1.1 Cấu trỳc mạng tinh thể kiểu lập phương giả kẽm 2 Hỡnh 1.2 Cấu trỳc mạng tinh thể lập phương kiểu NaCl 3 Hỡnh 1.3 Thiết bị ICP-MS 4 Hỡnh 2.1 Mỏy phõn tớch nhiễu xạ tia X Siemens D5005 5 Hỡnh 2.2 Thiết bị ASAP 2010 - Micromeritics và Autochem II 2920- 6 Hỡnh 2.3 Micromeritics Sơ đồ nguyờn lý mỏy chụp SEM 7 Hỡnh 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu quặng kẽm oxit Bắc Kạn 8 Hỡnh 3.1 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ nguyờn liệu và tỏc 9 Hỡnh 3.2 nhõn hũa tỏch tới nồng độ dung dịch kẽm sau hũa tỏch. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ nguyờn liệu và tỏc 10 Hỡnh 3.3 nhõn hũa tỏch tới hiệu suất hũa tỏch kẽm. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ amoniac và 11 Hỡnh 3.4 amoni cacbonat tới nồng độ dung dịch kẽm sau hũa tỏch. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ amoniac và 12 Hỡnh 3.5 amoni cacbonat tới hiệu suất hũa tỏch quặng . Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của kớch thước hạt tới nồng 13 Hỡnh 3.6 độ dung dịch kẽm sau hũa tỏch Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của kớch thước hạt tới hiệu 14 Hỡnh 3.7 suất hũa tỏch quặng Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới nồng độ dung 15 Hỡnh 3.8 dịch kẽm sau hũa tỏch. 7
8. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất hũa 16 Hỡnh 3.9 tỏch quặng. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới nồng độ 17 Hỡnh 3.10 dung dịch kẽm sau hũa tỏch ở nhiệt độ thường. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới nồng độ 18 Hỡnh 3.11 dung dịch kẽm sau hũa tỏch ở nhiệt độ 50°C. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất 19 Hỡnh 3.12 hũa tỏch quặng ở nhiệt độ thường. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất 20 Hỡnh 3.13 hũa tỏch quặng ở nhiệt độ 50°C. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sản phẩm kẽm oxit sau khi 21 Hỡnh 3.14 nung ở 600°C trong khoảng thời gian 120 phỳt Kết quả chụp bề mặt sản phẩm sau khi nung ở 600°C, thời 22 Hỡnh 3.15 gian 120 phỳt độ phúng đại 5000 lần. Kết quả chụp bề mặt sản phẩm sau khi nung ở 700°C, thời 23 Hỡnh 3.16 gian 120 phỳt độ phúng đại 10000 lần. Sơ đồ thớ nghiệm điều chế kẽm oxớt từ quặng kẽm oxớt 24 Hỡnh 3.17 vựng Bắc Kạn bằng phương phỏp thủy luyện với hệ tỏc nhõn amoniac và amoni cacbonat 8
9. DANH MỤC CÁC Kí HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BET Brunauer-Emmet-Teller ICP - MS Inductively coupled plasma mass spectrometry IR Isoprene Rubber HDz Dithizon NR Natural Rubber SEM Scanning Electron Microscopy VCNXH Viện Cụng nghệ Xạ Hiếm V NLNT Viện Năng lượng Nguyờn tử XRD X Ray Diffraction – Nhiễu xạ Rơnghen ZnO amoni Kẽm oxit điều chế theo phương phỏp amoni ZnO TH OXH Kẽm oxit điều chế theo phương phỏp thăng hoa oxy húa 9
10. MỞ ĐẦU Kẽm là kim loại phổ biến đó được khai thỏc và sử dụng từ lõu. Hiện nay người ta chưa phỏt hiện cú kẽm kim loại trong tự nhiờn. Do kẽm cú ỏi lực húa học mạnh với oxy, lưu huỳnh và cỏc nguyờn tố khỏc nờn kẽm thường tồn tại ở cỏc dạng khoỏng tự nhiờn. Trong đú cú 2 nhúm thường gặp là khoỏng vật sunfua và khoỏng vật oxit. Ở nước ta khoỏng vật chứa kẽm phõn bố tương đối rộng nhưng tập trung chủ yếu ở vựng Bắc Kạn, Thỏi Nguyờn. Quặng kẽm Bắc Kạn chưa được thu hồi là nguồn quặng cú hàm lượng Zn tương đối nhỏ và lượng tạp chất lớn. Hiện nay phương phỏp hũa tỏch quặng kẽm chủ yếu là bằng tỏc nhõn axit sunfuric loóng, khả năng hũa tỏch tương đối triệt để nhưng vẫn hũa tan nhiều tạp chất như oxit chất tạp của Fe, Cu, As ... Nếu sử dụng phương phỏp hũa tỏch bằng axit thỡ sẽ tốn kộm húa chất vỡ cỏc tạp chất đồng thời bị hũa tan vào dung dịch cựng với kẽm. Việc loại bỏ cỏc tạp chất này trong dung dịch sau hũa tỏch tương đối phức tạp và tốn kộm, nhất là đối với cỏc loại quặng như quặng kẽm vựng Bắc Kạn. Phương phỏp thủy luyện sử dụng tỏc nhõn amoniac và cỏc tỏc nhõn phối hợp khỏc như cỏc muối amoni cacbonat, sunphỏt, clorua dựa trờn cơ sở kẽm là một kim loại lưỡng tớnh thuục nhúm amoniacat. Khi cho tiếp xỳc nguyờn liệu chứa kẽm ở dạng oxit, muối với dung dịch hũa tỏch sẽ cho phộp hũa tan chọn lọc kẽm trong khi cỏc tạp chất khụng mong muốn như Pb, Fe núi chung bị giữ lại dưới dạng kết tủa và loại bỏ theo phần bó khụng tan. Từ dung dịch hũa tỏch cho phộp thu hồi kẽm dưới dạng 2ZnCO3.3Zn(OH)2 hay ZnCO3 3Zn(OH)2 là những chất rất dễ chuyển húa thành sản phẩm kẽm oxit chất lượng cao hay cỏc hợp chất khỏc của kẽm và cũng rất thuận lợi cho việc thu hồi amoniac tỏi sử dụng cho quỏ trỡnh hũa tỏch. 10