BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
------------

LÊ TUẤN EM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
THỦY TINH LỎNG TỪ SODA VÀ CÁT

LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

Chuyên Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số: CN 262

CẦN THƠ − 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
------------

LÊ TUẤN EM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ
THỦY TINH LỎNG TỪ SODA VÀ CÁT

LUẬN VĂN ĐẠI HỌC
Chuyên Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số: CN 262
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC


Cần Thơ.
Thời gian: 02/2012 – 05/2012
5. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phước.
6. Mục tiêu của đề tài:
 Tổng hợp thủy tinh tan từ soda và cát.
 Khảo sát các điều kiện tối ưu để điều chế thủy tinh tan.
 Tìm hiểu sự liên hệ tính chất của thủy tinh lỏng với module của chúng.
7. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:
 Tổng hợp thủy tinh tan từ soda và cát.
 Hòa tan thủy tinh tan bằng nước nóng để tạo thành dung dịch thủy tinh
lỏng.
 Khảo sát điều kiện tối ưu điều chế thủy tinh tan có module 1,6 và 2,6.
ii


 Giới hạn của đề tài:
Khảo sát các điều kiện cơ bản như nhiệt độ và thời gian lưu trong sản xuất
thủy tinh tan.
Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài:
Hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn, phòng thí nghiệm, thiết bị, hóa chất,
kinh phí và một số dụng cụ cần thiết khác.
8. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 1,000,000 đồng

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

Lê Tuấn Em

Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN

Ý kiến của Cán Bộ Hướng Dẫn

TÓM TẮT LUẬN VĂN
------o0o------

Sodium silicate hòa tan (hay còn gọi là thủy tinh lỏng là một loại chất lỏng chứa
thủy tinh hòa tan và có tính chất của một chất lỏng) được sử dụng rất phổ biến trong
thực tế. Chúng được sử dụng làm chất bít kín, chất gắn, chất chống kết bông, chất tạo
nhũ và chất đệm. Hầu hết các ứng dụng của thủy tinh lỏng là trong nghành công
nghiệp giấy và bột giấy (chúng tăng cường độ tẩy trắng) và trong nghành công nghiệp
chất tẩy rửa, chúng làm tăng cường hoạt động của chất tẩy rửa và làm giảm độ nhớt
của kem. Do đó việc sản xuất thủy tinh lỏng cũng như cần có một quy trình công nghệ
sản xuất thủy tinh lỏng hợp lý là một trong những yêu cầu vô cùng cấp bách và thiết
thực.
Ngày nay, thủy tinh lỏng được sản xuất bằng công nghệ tiên tiến với nguyên liệu
ban đầu là cát và soda. Đầu tiên là cát và soda được cân theo đúng tỷ lệ và được trộn
đều để tạo thành hỗn hợp phối liệu, sau đó hỗn hợp phối liệu được nung ở nhiệt độ cao
để tạo thành thủy tinh hòa tan, và cuối cùng là hòa tan sodium silicate hòa tan thu được
trong nước và hơi nước nóng thì sẽ thu được dung dịch thủy tinh lỏng.
Do đó để hoàn thiện quy trình sản xuất cũng như tìm ra những thông số tối ưu
trong quy trình sản xuất thủy tinh lỏng thì cần phải khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ
phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ mol trong hỗn hợp phối liệu ban đầu đến quá trình
sản xuất và chất lượng sản phẩm thủy tinh lỏng thu được. Nhưng do thời gian thực
hiện đề tài có giới hạn nên tôi chỉ khảo sát các yếu tố, điều kiện cơ bản ảnh hưởng đến
quy trình sản xuất thủy tinh lỏng có module được sử dụng phổ biến trên thị trường
Việt Nam hiện nay đó là thủy tinh lỏng loại module thấp có module 1,6 và thủy tinh
lỏng loại module cao có module 2,6.

v


MỤC LỤC


1.2.3.

Chỉ tiêu chất lượng của thủy tinh lỏng..................................................13

1.2.4.

Ứng dụng thủy tinh lỏng.......................................................................14

CHƯƠNG 2:
2.1.

Nguyên liệu và hóa chất ..............................................................................16

2.1.1.

Nguyên liệu..........................................................................................16

2.1.1.1

Cát thạch anh (cát trắng) ...............................................................16

2.1.1.2

Soda..............................................................................................20

2.1.1.3

Tiêu chuẩn nguyên liệu sản xuất thủy tinh tan ...............................22


Kết quả.................................................................................................26
vi


3.1.3.
3.2.

Biện luận kết quả..................................................................................29

Khảo sát nhiệt độ.........................................................................................31

3.2.1.

Cách tiến hành......................................................................................31

3.2.2.

Kết quả.................................................................................................31

3.2.3.

Biện luận kết quả..................................................................................35

3.3.

Khảo sát thời gian lưu..................................................................................38

3.3.1.

Cách tiến hành......................................................................................38

Hình 3 – Cấu tạo anion pyrosilicate ..............................................................5
Hình 4 – Cấu tạo silicate chuỗi mạch kép .....................................................5
Hình 5 – Cấu tạo silicate mạch vòng Si 3O96  .................................................6
Hình 6 – Cấu trúc của silicate lớp ................................................................6
Hình 7 – Zeolite và cấu trúc zeolite ..............................................................8
Hinh 8 – Bột màu phát quang .......................................................................8
Hình 9 – Sơ đồ công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng ........................................10
Hình 10 – Quy trình sản xuất thủy tinh lỏng .................................................12
Hình 11 – Khối silica aerogel .......................................................................15
Hình 12 – Cát thạch anh ...............................................................................16
Hình 13 – Sơ đồ biến đổi thù hình của SiO2..................................................17
Hình 14 – Mạng lưới tinh thể thạch anh β.....................................................17
Hình 15 – Cấu trúc mạng tinh thể β-tridymite...............................................18
Hình 16 – Cấu trúc mạng tinh thể β-cristobalite............................................18
Hình 17 – Soda khan ....................................................................................20
Hình 18 – Lò nung Nabertherm ....................................................................23
Hình 19 – Máy nghiền bi..............................................................................24
Hình 20 – Tủ sấy ..........................................................................................24
Hình 21 – Bếp điện.......................................................................................25
Hình 22 – Sản phẩm thủy tinh bị lẫn ion Fe3+ ...............................................26
viii


Hình 23 – Sản phẩm thủy tinh có lẫn ion Cu2+ ..............................................27
Hình 24 – Đồ thị hàm lượng Na2O và hàm lượng SiO2 theo tỷ lệ SiO2/Na2O
ở cùng nhiệt độ phản ứng 1150ºC và thời gian lưu 120 phút.........................29
Hình 25 – Đồ thị pH dung dịch thủy tinh lỏng của các tỷ lệ
ở cùng 1 nồng độ 1%....................................................................................30
Hình 26 – Thủy tinh tan có module bằng 1,6 ở 1075ºC.................................31
Hình 27 – Thủy tinh tan có module bằng 2,6 ở 1150 ºC................................32



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Khái quát về hợp chất silicate
1.1.1. Sơ lược về hợp chất silicate
Silicate là muối của acid silicic. Silicate kim loại kiềm được tạo nên khi nấu chảy
thạch anh trong hydroxide hay carbonate kim loại kiềm. Chúng trong suốt như thủy
tinh, không tan trong nước lạnh nhưng tan trong nước nóng nên còn được gọi là thủy
tinh tan. Dung dịch càng nhớt khi nồng độ của thủy tinh càng cao. Dung dịch đậm đặc
của sodium silicate được gọi là thủy tinh lỏng. Nó được dùng để tẩm vải và gỗ làm cho
những vật liệu này không cháy, dùng làm hồ dán đồ thủy tinh, đồ sứ và dùng để bảo
quản trứng. Ở trong dung dịch, silicate kim loại kiềm bị thủy phân cho môi trường
kiềm. Khi tác dụng với acid, dù là acid rất yếu, chúng giải phóng dễ dàng acid silicic
dưới dạng kết tủa.
Silicate của các kim loại khác được tạo nên khi nấu chảy thạch anh với oxide kim
loại tương ứng. Chúng không tan trong nước. Một số bị acid mạnh phân hủy giải
phóng acid silicic, còn các silicate khác chỉ chuyển sang dạng tan được khi nấu chảy
với carbonate kim loại kiềm.
Silicate thiên nhiên đứng hàng đầu trong các loại khoáng vật, chúng có đến hàng
trăm chất và chiếm phần lớn khối lượng vỏ Trái Đất. Những khoáng vật silicate không
có màu đặc trưng. Nhiều khoáng vật ở dạng trong suốt, cứng, khó nóng chảy và bề
ngoài trông giống đá.

1.1.2. Phân loại hợp chất silicate
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các silicate thiên nhiên và một số silicate nhân
tạo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, nhận thấy tất cả mọi silicate đều được cấu tạo
nên từ nhưng đơn vị cấu trúc chung là nhóm tứ diện đều SiO 44  :

3


Anion ngắn nhất có cấu tạo tương tự anion ( SiO 32 )n là anion disilicate Si 2 O 67
(hay còn gọi là pyrosilicate):

Hình 3 – Cấu tạo anion pyrosilicate
Bởi vậy những khoáng vật như thortveitite (Sc2Si2O7) và hemimorphit
[Zn3Si2O7.Zn(OH)2] cũng thuộc nhóm silicate mạch đơn.
Anion Si 4 O116 được tạo nên bởi sự liên kết giữa hai mạch đơn qua những nguyên
tử O chung:

Hình 4 – Cấu tạo silicate chuỗi mạch kép
Như vậy trong mạch kép có một số nhóm tứ diện có ba nguyên tử O chung.
Thuộc nhóm silicate mạch kép là các khoáng vật loại amphibol như tremolite
[Ca2Mg2(Si4O11)2(OH)2],

anthophyllite

[Mg7(Si4O11)2(OH)2]

và

amiang

[Mg6(Si4O11)(OH)6.H2O]. Khác với pyroxen, trong amphibol thường có các nhóm OH–
nhưng kiến trúc của amphibol tương tự kiến trúc của pyroxen, nghĩa là những mạch
kép cũng liên kết với nhau bằng cation kim loại. Chính vì vậy trong pyroxen cũng như
trong amphibol thường có những cation kim loại khác nhau.

5



cation kim loại khác nữa, thường là cation kim loại kiềm và kiềm thổ. Trong mica,
những lớp alumosilicate mang điện tích âm, chúng liên kết nhau qua những cation K+
nằn giữa các lớp. Lực tĩnh điện giữa các lớp tích điện âm và cation tích điện dương
làm cho mica cứng hơn đá tan và kaolinite. Tuy nhiên mica vẫn giữ kiến trúc lớp rõ rệt
cho nên dễ bóc thành những lớp rất mỏng. Trong thực tế người ta thường dùng những
lớp mica trong suốt để làm cửa của các lò đốt hay lò sấy và làm tấm cách điện trong
các thiết bị máy móc.
Silicate mạng lưới có kiến trúc tương tự như thạch anh, mỗi một tứ diện SiO4
liên kết với bốn tứ diện bao quanh đưa đến thành phần (SiO2)n, nhưng ở đây một số
nguyên tử Si được thay thế bằng nguyên tử Al tạo thành alumosilicate với khung
chung là [(Si, Al)O2]. Khung này tích điện âm nên cần có một số cation kim loại để
trung hòa điện tích. Khác với trường hợp mica, các cation kim loại ở đây được phân bố
đều ở trong khung đó.
Thuộc nhóm alumosilicate mạng lưới là những khoáng vật loại feldspar, các
zeolite và các ultramarine. Feldspar là những đá phún trào, chúng chiếm hơn một nữa
khối lượng vỏ Trái Đất. Những đại diện chính của khoáng vật loại feldspar là:
orthoclase (KAlSi3O8), albite (NaAlSi3O8), trong đó một phần tư số nhóm tứ diện SiO4
được thay thế bằng nhóm tứ diện AlO4 nên công thức được viết là
(Na,K)[(AlO2)(SiO2)3] còn trong anorthite (CaAl2Si2O8), số nhóm tứ diện AlO4 và
SiO4 bằng nhau nên công thức của chúng có thể viết là Ca[(AlO2)2(SiO2)2].

7


1.1.3. Ứng dụng của hợp chất silicate
Zeolite là alumosilicate mạng lưới có ứng dụng quan trọng nhất đối với thực tế.
Có nhiều zeolite nhiên, một số đã được tổng hợp nhân tạo và ngoài ra còn có hàng
chục zeolite tổng hợp không có ở trong thiên nhiên. Chúng có công thức chung là
Mx/n[(AlO2)x(SiO2].zH2O, trong đó n là điện tích của cation kim loại Mn+, thường là
Na+, K+ hay Ca2+ và z là số nguyên tử nước kết tinh. Khác với feldspar, zeolite có kiến

năng đệm pH rất tốt. Một số loại còn có thể hỗ trợ cho việc tổng hợp chất tẩy rửa với
khả năng chống keo tụ và ngăn ngừa sự lắng đọng trong dung dịch keo. Các loại khác
có thể tác động trực tiếp như là chất làm mềm nước và đáp ứng các tiêu chuẩn trong
công nghiệp chất tẩy rửa. Một tính chất quan trọng khác là khả năng ăn mòn thủy tinh
và các kim loại trong quá trình rửa và làm sạch. Trong quá trình sản xuất chất tẩy rửa,
chúng được xem là chất hỗ trợ xử lý quan trọng trong quá trình tích tụ của các hạt chất
tẩy rửa, điều chỉnh mật độ số lượng bột chất tẩy rửa.
Đặc trưng của thủy tinh lỏng là tỷ lệ SiO2/Na2O theo khối lượng. Giá trị đặc
trưng này thường được gọi là module. Tỷ lệ SiO2/Na2O cũng có thể được thể hiện trên
cơ sở phân tử. Việc chuyển đổi giữa module và tỷ lệ phân tử có thể được chuyển đổi
bằng trọng lượng công thức phân tử tương ứng. Trong trường hợp của sodium silicate,
module đã được nhân với hệ số chuyển đổi 1,032 để có được tỷ lệ phân tử.
9


Trong thương mại, sodium silicate là loại hóa chất quan trọng nhất trong số các
silicate kim loại kiềm. Chúng là loại hóa chất được sử dụng với nhiều dạng, mức độ và
thành phần khác nhau. Sodium silicate được bán trên thị trường không chỉ dưới dạng
dung dịch mà còn ở dạng bột mịn và dạng hạt với số lượng lớn. Dạng rắn thì được sử
dụng từ dạng vô định hình tới dạng tinh thể và từ khan cho tới các loại ngậm nước.

1.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình sản xuất thủy tinh lỏng

Hình 9 – Sơ đồ công nghệ sản xuất thủy tinh lỏng
Giai đoạn 1: Sản xuất thủy tinh tan
Cát được trộn đều với soda theo đúng tỷ lệ để tạo thành hỗn hợp phối liệu phản
ứng như mong muốn. Sau đó hổn hợp phối liệu này được nung ở nhiệt độ
1000-1200°C trong vài giờ. Sản phẩm thu được là thủy tinh tan vô định hình (thủy tinh
vụn hay còn gọi là cullet), nó được hòa tan vào nước để tạo ra các dạng silicate khác
nhau.

Thủy tinh lỏng thu được có thể được bán trực tiếp ra thị trường nhưng nếu muốn
thì người ta có thể thay đổi tỷ lệ SiO2/Na2O nhỏ xuống để thích hợp với yêu cầu của
thị trường. Để thực hiện điều này thì người ta thêm vào thủy tinh lỏng có module cao
xút hoặc soda với lượng thích hợp để tăng hàm lượng Na2O lên. Và kết quả là module
của thủy tinh lỏng bị giảm xuống.
Toàn bộ quy trình sản xuất thủy tinh lỏng có thể được tóm gọn trong sơ đồ sau:

11


Soda
Na2CO3

Cát Trắng
SiO2

Lò Nung
1000-1200ºC

Thủy Tinh Vụn
Na2O.nSiO2

Hòa Tan

Lắng Cặn

Thủy Tinh Lỏng
Module Thấp

Thủy Tinh Lỏng


1,6-2,5

6. Cặn không tan trong nước (%)

≤ 0,5

Chỉ tiêu chất lượng silicate cụ thể:
Sodium silicate lỏng loại module cao:


Ngoại quan: chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt, cho phép có màu

trắng đục hoặc ngà vàng


Hàm lượng Na2O: ≥ 10%



Hàm lượng SiO2: ≥ 26%



Tỷ trọng ở 20°C: 1,4-1,6 g/ml



Cặn không tan: ≤ 0,5%


Module: 1,5-1,7.

1.2.4. Ứng dụng thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghành công nghiệp như chất
bít kín trong các khuôn đúc kim loại, chất gắn, chất chống kết bông, chất tạo nhủ và
chất đệm. Đặc biệt là trong các nghành công nghiệp giấy và bột giấy với nghành công
nghiệp chất tẩy rửa.
Trong công nghiệp giấy và bột giấy thủy tinh lỏng có nhiệm vụ vận chuyển các
ion kim loại, đệm pH, làm chất ổn định, là tác nhân hoạt động bề mặt, làm chất trợ lọc
và hạn chế sự ăn mòn. Nó có thể giữ các nhóm peroxide để làm cho bột giấy trắng
hơn.
Trong công nghiệp chất tẩy rửa, nó làm nhiệm vụ phân tán đều hỗn hợp huyền
phù, tạo môi trường kiềm giúp tăng cường hiệu quả giặt tẩy, chất nhũ hóa các hệ dầu
mỡ hữu cơ, hạn chế sự ăn mòn kim loại trong quá trình hoạt động và vệ sinh thiết bị.
Những vật liệu gồm nhiều thành phần khi kết khối lại đòi hỏi một chất kết dính
để đạt được lực liên kết giữa các thành phần đủ lớn. Và nhìn chung chất kết dính có
thể được chia thành ba nhóm: dạng matrix, dạng film và chất kết dính hóa học.
Sodium silicate là độc đáo ở chỗ nó có thể đáp ứng được cả ba khả năng trên. Ví dụ,
như là một chất kết dính matrix, sodium silicate sẽ được sử dụng cùng với xi măng
Portland hoặc xi măng Pouzzolan để tăng thêm cường độ cho chúng.
Film hình thành chất kết dính như keo do sự bay hơi của nước hoặc các dung
môi. Sodium silicate thương mại sẵn có chứa 45-65% nước theo trọng lượng. Mất một
phần nhỏ của nước này, ngay cả trong điều kiện môi trường bình thường cũng có thể
tạo thành film thủy tinh mạnh mẽ và cứng nhắc. Thời gian phơi khô sẽ phụ thuộc vào
module, nồng độ, độ nhớt, độ dày màng của thủy tinh lỏng cũng như nhiệt độ và độ ẩm
của không khí. Có đôi khi người ta làm khô màng thông qua việc bổ sung nhiệt.
Chất kết dính hóa học có chức năng phản ứng với vật liệu thành phần hoặc làm
cho các vật liệu thành phần phản ứng với nhau để tạo thành một khối vững chắc. Ví dụ
14



16

Trích đoạn Cát thạch anh (cát trắng) Biện luận kết quả Khảo sát nhiệt độ Khảo sát thời gian lưu

---