Luận án Nghiên cứu điều chế TiO2 nano từ quặng ilmenit

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ TIO2 NANO TỪ QUẶNG ILMENIT THEO PHƯƠNG PHÁP AMONI HYDRO SUNFAT

Ngành:

Kỹ thuật Hóa học

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào nghiên cứu điều chế titan dioxit (TiO2) nano từ quặng ilmenit bằng phương pháp amoni hydro sunfat, nhằm đáp ứng nhu cầu TiO2 trong nước và khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên ilmenit phong phú của Việt Nam. Hiện nay, Việt Nam đang phải nhập khẩu TiO2 với chi phí cao, trong khi quặng ilmenit khai thác chủ yếu được xuất khẩu dưới dạng thô. Luận án đặt mục tiêu điều chế nano TiO2, thực hiện biến tính bề mặt bằng SiO2 và phân tán trong dung môi gốc nước để đa dạng hóa mục đích sử dụng, đặc biệt trong ứng dụng xử lý môi trường.

Nội dung nghiên cứu bao gồm khảo sát nguồn quặng ilmenit, lựa chọn tác nhân phân giải, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung phân hủy quặng bằng amoni hydro sunfat, hòa tách hỗn hợp sau nung, tách loại tạp chất sắt, kết tinh muối kép và nung phân hủy muối kép để tạo nano TiO2. Đồng thời, luận án cũng khảo sát quá trình biến tính bề mặt và phân tán nano TiO2, cùng với ứng dụng sản phẩm làm vật liệu quang xúc tác xử lý môi trường.

Luận án đã đóng góp ý nghĩa khoa học và thực tiễn bằng việc đưa ra cơ chế phản ứng pha rắn khi nung phân hủy quặng ilmenit bằng amoni hydro sunfat, cơ chế tách loại tạp chất sắt bằng NH4HF2 và cơ chế kết tinh muối kép amoni titanyl sunfat. Các điểm mới nổi bật bao gồm việc lựa chọn amoni hydro sunfat làm tác nhân phân hủy quặng (phương pháp chưa công bố tại Việt Nam), đạt hiệu suất tách sắt cao (99,19%) với sản phẩm phụ có giá trị, và phương pháp điều chế nano TiO2 qua kết tinh muối kép và nung phân hủy giúp tiết kiệm thiết bị. Nghiên cứu biến tính bề mặt TiO2 bằng SiO2 và phân tán trong dung môi gốc nước cũng là một điểm mới, cho thấy hiệu quả quang xúc tác được cải thiện và khả năng phân tán tốt.

Các điều kiện công nghệ tối ưu đã được xác định cho từng giai đoạn: nung phân hủy quặng (kích thước hạt 0,097-0,105mm, tỷ lệ NH4HSO4/ilmenit 4,5:1, thời gian 150 phút, nhiệt độ 275°C, cấp khí 200 lít/giờ), hòa tách (65-75°C, tỷ lệ L/R=2, 90 phút, hiệu suất thu hồi TiO2 94,7%), tách sắt (hiệu suất 99,19%, lượng sắt dư 0,69g Fe2O3/l), kết tinh muối kép (nồng độ TiO2 ~120g/l, H2SO4 300g/l, (NH4)2SO4 280g/l, khuấy 400 vòng/phút, 20°C, già hóa 60 phút). Sản phẩm nano TiO2 thu được sau nung ở 750°C trong 2h có kích thước 20-30nm, độ tinh khiết 99,95%, diện tích bề mặt riêng BET 48,2482 m²/g. Sản phẩm nano TiO2 biến tính bằng SiO2 cho thấy hiệu quả quang xúc tác vượt trội so với TiO2 thương mại P-25, xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn loại B theo QCVN 40:2011/BTNMT. Luận án đã xây dựng quy trình công nghệ điều chế nano TiO2 khép kín, thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế.

Mục lục chi tiết:

• Mở đầu
  • 1. Tính cấp thiết của đề tài
  • Mục tiêu của luận án:
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
  • 2. Nội dung nghiên cứu:
  • 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
  • 4. Điểm mới của luận án
• 5. Bố cục của luận án
• CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
  • 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA TITAN DIOXIT
    • 1.1.1. Giới thiệu chung về titan dioxit
    • 1.1.2. Một số tính chất của nano titan dioxit
    • 1.1.3. Các phương pháp sản xuất titan dioxit
    • 1.1.4. Ứng dụng của titan dioxit
  • 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
    • 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
    • 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
  • 1.3. TIỀM NĂNG NGUỒN QUẶNG ILMENIT VÀ TÌNH HÌNH HÌNH KHAI THÁC QUẶNG ILMENIT Ở VIỆT NAM
    • 1.3.1. Tiềm năng nguồn quặng ilmenit của Việt Nam
    • 1.3.2. Tình hình khai thác quặng ilmenit ở Việt Nam
• CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
  • 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
  • 2.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
    • 2.1.1. Nghiên cứu nung phân hủy quặng ilmenit bằng amoni hydro sunfat
    • 2.1.2. Nghiên cứu hòa tách (NH4)2TiO(SO4)2 và tinh chế dung dịch chứa titan từ hỗn hợp thu được sau khi nung phân hủy quặng
    • 2.1.3. Nghiên cứu kết tinh muối kép (NH4)2TiO(SO4)2 từ dung dịch sau tách sắt
    • 2.1.4. Nghiên cứu quá trình nung (NH4)2TiO(SO4)2 để tạo thành nano TiO2
    • 2.1.5. Nghiên cứu điều chế TiO2 nano dạng dung dịch phân tán trong nước và ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải
      • 2.1.5.1. Nghiên cứu biến tính, phân tán nano TiO2 trong dung dịch nước
      • 2.1.5.2. Nghiên cứu ứng dụng nano TiO2 trong dung dịch nước để xử lý nước thải
  • 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
  • 3.1. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY QUẶNG ILMENIT BẰNG AMONI HYDRO SUNFAT TRONG THIẾT BỊ LÒ NUNG ỐNG
    • 3.1.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt quặng đến hiệu suất nung phân hủy
    • 3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối liệu đến hiệu suất nung phân hủy quặng
    • 3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất nung phân hủy quặng
    • 3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất nung phân hủy quặng
    • 3.1.5. Ảnh hưởng của chế độ cấp khí đến quá trình phân hủy quặng
    • 3.1.6. Cơ chế phản ứng của quá trình nung phân hủy quặng ilmenit bằng amoni hydro sunfat
  • 3.2. NGHIÊN CỨU HÒA TÁCH HỖN HỢP THU ĐƯỢC SAU KHI PHÂN NUNG HỦY QUẶNG ILMENIT BẰNG NH4HSO4
    • 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến hiệu suất thu hồi titan trong quá trình hòa tách
    • 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi titan trong quá trình hòa tách
    • 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi titan trong quá trình hòa tách
  • 3.3. NGHIÊN CỨU TÁCH LOẠI TẠP CHẤT SẮT RA KHỎI DUNG DỊCH MUỐI TITAN
    • 3.3.1. Ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến hiệu suất tách loại (NH4)3FeF6
    • 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NH4HF2 đến hiệu suất tách loại (NH4)3FeF6 trong dung dịch
    • 3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch khi kết tinh đến hiệu suất tách loại (NH4)3FeF6
  • 3.4. NGHIÊN CỨU KẾT TINH MUỐI KÉP TỪ DUNG DỊCH SAU TÁCH SẮT
    • 3.4.1. Nghiên cứu loại bỏ hợp chất chứa flo ra khỏi dung dịch sau tách sắt
    • 3.4.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
      • 3.4.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 trong dung dịch đến quá trình kết tinh (NH4)2TiO(SO4)2
      • 3.4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ của các tác nhân diêm tích đến quá trình kết tinh muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
      • 3.4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình kết tinh muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
      • 3.4.2.4. Ảnh hưởng của chế độ khuấy trộn đến quá trình kết tinh muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
      • 3.4.2.5. Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến quá trình kết tinh muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
  • 3.5. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NUNG PHÂN HỦY MUỐI KÉP THÀNH SẢN PHẨM NANO TiO2
    • 3.5.1. Giản đồ TG/DTA
    • 3.5.2. Ảnh hưởng của chế độ nhiệt đến quá trình nung phân hủy muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
    • 3.5.3. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình nung phân hủy muối kép (NH4)2TiO(SO4)2
  • 3.6. NGHIÊN CỨU PHÂN TÁN NANO TiO2
    • 3.6.1. Ảnh hưởng của SiO2 đến tính chất bề mặt hạt TiO2
    • 3.6.2. Khả năng phân tán của nano TiO2 biến tính bằng SiO2 trong dung môi gốc nước
  • 3.7. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM TiO2 TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
    • 3.7.1. Nghiên cứu tác động quang hóa của mẫu nano TiO2 trong hệ phân tán
      • 3.7.1.1. Lập đường chuẩn của dung dịch xanh metylen (MB)
      • 3.7.1.2. Xác định dung lượng hấp phụ bão hòa của xúc tác nano TiO2
      • 3.7.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/xúc tác
      • 3.7.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen
      • 3.7.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng trong phản ứng phân hủy xanh metylen
      • 3.7.1.6. So sánh hoạt tính quang xúc tác của TiO2 nano của luận án với TiO2 thương mại P25 (TiO2-P25) trong phản ứng phân hủy MB
    • 3.7.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác TiO2 nano trong quá trình oxi hóa nước thải thực trong hệ phân tán và hệ dị thể
  • KẾT LUẬN