TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
*****&&& *****

LÊ THỊ KHÁNH LY

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT MÀU
KẼM FERIT TỪ BÙN ĐỎ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Người hướng dẫn khoa học
PGS. TS LÊ XUÂN THÀNH

HÀ NỘI - 2011


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nỗ lực nghiên cứu em đã hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp của mình.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Xuân Thành,
trưởng bộ môn công nghệ các hợp chất vô cơ, Viện Kĩ Thuật Hóa Học,
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo,
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn
thành khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn hóa vô cơ
trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 và các thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm

Lê Thị Khánh Ly

Lê Thị Khánh Ly

iii

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 3

1.1. Tổng quan lý thuyết chất màu ................................................................3
1.1.1. Bản chất của màu sắc .......................................................................3
1.2. Chất màu được sử dụng trong sơn ................................................. ........5

1.3. giới thiệu về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng phương pháp
sơn phủ ........................................................................................................... 5
1.3.1. Ăn mòn kim loại .....5
1.3.2. Phân loại ăn mòn kim loại ..

6

1.3.3. Cơ sơ ăn mòn điện hóa trong dung dịch điện li 8
1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp sơn phủ

3.1. Xác định cỡ hạt, thành phần hóa học và các dạng khoáng có

trong bùn đỏ

.................................................................................................................17
3.1.1. Xác định cỡ hạt và thành phần hóa học bùn đỏ .............................17

Lê Thị Khánh Ly

iv

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

3.1.2. Xác định các dạng khoáng của bùn đỏ theo phương pháp XRD 19
3.2. Nghiên cứu tổng hợp chất màu Kẽm Ferit từ bùn đỏ 20
3.2.1. Khảo sát sự biến đổi của phối liệu theo nhiệt độ 20
3.2.2. Tổng hợp chất màu Kẽm Ferit

24

3.2.3. Phân tích thành phần và xác định hình thái mẫu 1

24

3.3. Chế tạo sơn phủ và đánh giá đặc tính chống ăn mòn ...........................28

Hình 3.2 Giản đồ XRD của mẫu bùn đỏ .........................................................19
Hình 3.3 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu phối liệu ............................................20
Bảng 3.3 Màu của mẫu 1 nung ở các nhiệt độ khác nhau ..............................21
Hình 3.4 Giản đồ XRD của mẫu 1.a ..............................................................22
Hình 3.5 Giản đồ XRD của mẫu 1.b ..............................................................22
Bảng 3.4 Màu của mẫu 1 khi có chất phụ gia nung ở 900°C trong 1 giờ ......23
Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu 1.d .....................................................................24
Hình 3.7 Phổ EDS của mẫu 1..........................................................................25
Bảng 3.5 Thành phần mẫu 1 ...........................................................................25
Hình 3.8 Ảnh SEM của mẫu 1 với độ phóng đại tăng dần .............................26
Bảng 3.6 Kết quả khảo sát các mẫu sơn trong dung dịch NaCl 3% ...............29
Bảng 3.7 Kết quả khảo sát các mẫu sơn trong axit H2SO4 2% .......................30

Lê Thị Khánh Ly

vi

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SEM: Scanning Electron Microscopy (hiển vi quét điện tử)
XRD: X – Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X)
DSC: Differential Scanning Calorimetry (đo nhiệt vi sai)
Oxh: Chất oxi hóa
Red: Chất khử

chống lại sự ăn mòn. Thực tế tổn thất kinh tế gây ra do kim loại bị ăn mòn
hàng năm ở các nước công nghiệp phát triển là rất lớn chiếm đến khoảng 4%
tổng thu nhập quốc nội, sử dụng sơn để chống ăn mòn là một biện pháp có từ
lâu đời nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao với giá thành rẻ. Công nghệ sản xuất
sơn và chất màu chống ăn mòn cho sơn đang được phát triển mạnh mẽ với
quy mô và sản lượng ngày càng tăng. Từ nhận định trên, rõ ràng việc tổng
hợp chất màu chống ăn mòn kẽm ferit từ bùn đỏ có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn quan trọng.

Lê Thị Khánh Ly

1

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Mục đích của đề tài tốt nghiệp:
Nghiên cứu tổng hợp chất màu kẽm ferit và áp dụng vào sơn chống ăn mòn.
Nội dung của đề tài:
- Xác định đặc tính của bùn đỏ.
- Tổng hợp chất màu kẽm ferit từ bùn đỏ.
- Xác định đặc tính của sản phẩm và áp dụng tạo màu cho sơn.

Lê Thị Khánh Ly

2


3

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Bảng 1.1 Màu của các chất có một dải hấp thụ ở phần phổ trông thấy
khi được chiếu bằng ánh sáng trắng.
Bước sóng của
vạch hấp thụ (nm)

Năng lượng

Màu của ánh

(kJ/mol)

299

400 – 435

sáng bị hấp thụ

Màu của chất


Lục – Lam nhạt

Đỏ

500 – 560

238 – 214

Lục

Đỏ tía

560 – 580

214 – 206

Lục - Vàng

Tím

580 – 595

206 – 200

Vàng

Lam

595 – 605



Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

1.2. CHẤT MÀU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG SƠN
Chất màu được sử dụng trong sơn thường được gọi là “bột màu”. Bột
màu là thành phần quan trọng cấu tạo màu cho màng sơn, bột màu là chất rắn
có độ hạt rất nhỏ, không hòa tan trong dầu hoặc dung môi, bột màu được mài
nghiền đồng đều với chất làm dẻo, có tác dụng chống tia tử ngoại làm cho
màng sơn có màu, chịu nước, chịu khí hậu nâng cao độ mài mòn, tuổi thọ của
sơn, chống ăn mòn …
Vì màng sơn mỏng bột màu dùng trong sơn phải có trọng lượng nhẹ,
che phủ bề mặt tốt, tính chất ổn định và không biến màu …
Bột màu trong sơn thường là các chất vô cơ không hòa tan trong nước,
bao gồm một số kim loại, phi kim loại, chất oxi hóa, hợp chất của lưu huỳnh
và muối, có khi là chất hữu cơ không tan trong nước, chất nhuộm màu hữu cơ
tan trong nước hoặc trong rượu.
1.3. GIỚI THIỆU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SƠN PHỦ
1.3.1. Ăn mòn kim loại
Cụm từ “ăn mòn” được dịch ra từ chữ “corrosion”, nó xuất phát từ từ
ngữ latin “corrodère” có nghĩa là “gặm nhấm” hoặc “phá huỷ”. Có nhiều cách
định nghĩa về ăn mòn kim loại nhưng định nghĩa chung nhất: Ăn mòn là quá
trình phá hủy kim loại dưới tác dụng của môi trường xung quanh để chuyển
kim loại sang dạng bền vững hơn (hợp chất).
Có thể mô tả hiện tượng ăn mòn kim loại:
Me → Men+ + ne
Trong đó:

Ăn mòn mở rộng khắp và ăn mòn cục bộ.
d. Phân loại theo cơ chế ăn mòn
Theo định nghĩa tương đối, sự phá hủy kim loại do tác nhân hóa học của
môi trường ăn mòn gây ra theo hai cơ chế: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học,
trong đó ăn mòn vi sinh được coi là một dạng ăn mòn điện hóa đặc biệt.
Ăn mòn hóa học: Là sự phá hủy kim loại bởi các phản ứng hóa học dị
thể khi bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường gây ăn mòn, khi đó kim loại
bị chuyển thành ion kim loại đi vào môi trường trong cùng giai đoạn.
Ăn mòn điện hóa: Là sự phá hủy kim loại bởi các quá trình tương tác
của môi trường ăn mòn với bề mặt kim loại theo cơ chế điện hóa. Quá trình
phá hủy kim loại theo cơ chế này không xảy ra trong một giai đoạn mà nó
thường xuyên bao gồm nhiều giai đoạn và tại nhiều vị trí khác nhau trên bề
mặt kim loại.

Lê Thị Khánh Ly

6

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Hiện tượng ăn mòn điện hóa phá hủy kim loại là hiện tượng phổ biến
rộng rãi, nó có thể xảy ra ở bất kì nơi nào mà tại đó có kim loại tiếp xúc với
dung dịch chất điện ly và trên bề mặt tiếp xúc 2 pha này có tồn tại lớp kép.
Quá trình ăn mòn điện hóa diễn ra phức tạp, song có thể coi rằng trong quá
trình này kim loại hoạt động như một vi pin.

Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

φM = φ0 + (RT/nF)log[Mn+]
Khi đặt vào hệ một điện thế φ’ khác với giá trị điện thế cân bằng (hoặc
thay đổi thành phần của dung dịch điện li) thì điện thế cân bằng bị phá vỡ,
phản ứng điện hóa xảy ra tạo một cân bằng mới.
Nếu φ’ < φ: thì xảy ra phản ứng khử, kim loại không bị ăn mòn.
Nếu φ’ > φ: thì xảy ra quá trình oxi hóa và kim loại bị ăn mòn.
Như vậy, theo điều kiện nhiệt động, kim loại bị ăn mòn khi thế của kim
loại đó nhỏ hơn so với thế của chất đóng vai trò oxi hóa, lúc này, kim loại bị
ăn mòn tham gia phản ứng anot và tác nhân oxi hóa tham gia phản ứng catot.
Khi ăn mòn kim loại có hydro tham gia thì sự ăn mòn đó được gọi là sự
khử phân cực hidro, còn khi có oxy là sự khử phân cực oxi.
1.3.4. Bảo vệ kim loại bằng phương pháp sơn phủ
Để hạn chế sự phá hủy kim loại, nghĩa là giảm tốc độ ăn mòn kim loại do
môi trường gây ra đến mức nhỏ nhất có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau.
Ngăn cách kim loại tiếp xúc với môi trường bằng các lớp phủ là một
biện pháp có hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn kim loại. Một số lớp phủ thường
được sử dụng như:
- Phủ kim loại lên bề mặt, thường dùng phương pháp:
Phủ bằng phương pháp nhúng vào kim loại nóng chảy: Sử dụng các
kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp Zn (419o), Sn (232o), Pb (327o), Al (658o)
phủ lên các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao.
- Mạ điện: Để bảo vệ kim loại (ví dụ thép) khỏi sự ăn mòn của môi trường
gây ra người ta thường mạ lên thép các kim loại: Zn, Cd, Ni, Cu, Cr, Sn.
- Lớp phủ vô cơ: Có nhiều loại lớp phủ vô cơ nhưng loại thường được
sử dụng và phổ biến nhất là lớp photphat hóa.
Tạo lớp muối photphat các kim loại Mn, Fe hoặc Zn lên trên nền thép

Chất màu cho gốm sứ thường được chế tạo theo phương pháp gốm
truyền thống. Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ
khối dưới đây:
(1) Chuẩn bị

(2) Nghiền,

phối liệu

trộn

(3) Nung

(4)
Sản phẩm

Hình 1.3 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm
Phối liệu tạo màu thường được nghiền trộn kỹ đến một độ mịn thích
hợp trong máy nghiền bi ướt hoặc khô. Phối liệu để tạo các chất màu thường
bao gồm:

Lê Thị Khánh Ly

9

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2


Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Chương 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. CÁC THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT CẦN THIÊT
Thiết bị:
Một số thiết bị chính:
- Lò nung Nebertherm, Đức, Tủ sấy.
- Cân Precisa độ chính xác 0,1mg.
- Các thiết bị chụp phân tích nhiệt, chụp SEM, XRD.
- Cối nghiền, chổi quét sơn và các thiết bị khác.
Hóa chất:
- Bùn đỏ Tân Bình, Thép CT3.
- ZnO, Na2SiF6.
- Nước cất, muối ăn và một số hóa chất khác.
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Phương pháp tổng hợp chất màu
Các nguyên liệu được cân chính xác, trộn với nhau theo tỷ lệ đã định
trước. Phối liệu được nghiền khô với nhau cho đến khi đạt kích thước hạt ≤
0,08mm. Bột phối liệu khô cho vào chén nung có dung tích 30ml, có đậy nắp
và nung ở các nhiệt độ khác nhau với tốc độ nâng nhiệt 10°/phút trong thời
gian 1 giờ.
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt [16]
- Nguyên tắc:

kèm theo các hiệu ứng nhiệt và lúc đó trên đường DTA hoặc đường DSC sẽ
xuất hiện các đỉnh (pic) tại điểm mà mẫu có sự biến đổi.
Phương pháp này cho ta biết sơ bộ về các hiệu ứng nhiệt xảy ra, định
tính và sơ bộ về định lượng các hợp phần có trong mẫu mà chúng ta khảo sát.
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
Phương pháp này dựa vào sự thay đổi trọng lượng của mẫu cần nghiên
cứu khi ta đem nung nóng mẫu đó. Khi mẫu được đốt nóng, trọng lượng của
mẫu bị thay đổi là do mẫu bị phân huỷ nhiệt tạo ra khí thoát ra như hơi nước,
khí CO2 (phân huỷ hợp phần cacbonat,...), SO2 (phân huỷ các hợp phần
sunfua) hay do mẫu bị mất nước vật lý (ẩm – hấp phụ), nước cấu trúc (nước
hiđrat – nước kết tinh trong tinh thể mẫu). Nếu cân liên tục một mẫu bị đốt
nóng, ta có thể biết sự thay đổi về trọng lượng của mẫu ứng với sự thay đổi về
nhiệt độ.

Lê Thị Khánh Ly

12

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Kết hợp hai phương pháp DTA và TGA cho phép xác định sự biến
thiên trọng lượng, hiệu ứng nhiệt tương ứng theo nhiệt độ đốt nóng. Đây là
những thông số cho phép ta xác định được lượng nước hyđrat cũng như xác
lập các phản ứng phân huỷ nhiệt có thể có cũng như dự đoán các thành phần
sau từng giai đoạn tăng nhiệt độ.

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Hình 2.1 Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể
Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng cùng
pha thì hiệu quang trình phải bằng số nguyên lần độ dài bước sóng. Do đó:
2dsin = n
Trong đó:

(2.1)

 - là bước sóng của tia X.
n =1,2,3,...

Đây là hệ thức Vufl- Bragg, là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu
trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, tìm được
2. Từ đó suy ra d theo hệ thức Vufl- Bragg. So sánh giá trị d tìm được với d
chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần
nghiên cứu. Vì vậy, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu
cấu trúc tinh thể của vật chất.
Ngoài ra, phương pháp nhiễu xạ tia X còn sử dụng để tính toán kích
thước gần đúng của tinh thể. Dựa vào kết quả chỉ ra ở giản đồ nhiễu xạ tia X,
ta có thể tính được cỡ hạt tinh thể theo phương trình Scherrer:
D

Lê Thị Khánh Ly

k. λ
β. cos θ

(2.2)

các chùm tia điện tử thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc
vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu được khuếch
đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình dạng bề mặt
mẫu nghiên cứu.
Hiển vi điện tử quét thường được sử dụng để nghiên cứu bề mặt, kích
thước, hình dạng vi tinh thể do khả năng phóng đại và tạo ảnh rất rõ nét và chi tiết.
Máy chụp ảnh SEM với thiết bị và chế độ chụp như sau:
+ Kính hiển vi điện tử quét S - 4800, số hiêu HI - 9022 – 0003

Lê Thị Khánh Ly

15

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

+ Kiểu ảnh JPG
+ Độ phóng đại từ 30 tới 120000 lần
Khi tích hợp với 1 detector thích hợp trên cơ sở chụp SEM, người ta có
thể xác định hàm lượng của các nguyên tố có trong mẫu.
2.4. CHẾ TẠO SƠN CHỐNG ĂN MÒN TRÊN NỀN THÉP CT3 VÀ
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA LỚP SƠN PHỦ
Chế tạo các sơn chống ăn mòn từ các chất màu sử dụng chất kết dính là
nhựa epoxy có mặt chất đóng rắn gốc amin trong dung môi xylen – rượu, với
tỉ lệ thích hợp sao cho thời gian khô khoảng 9 giờ và đánh giá khả năng chống
ăn mòn của lớp phủ theo phương pháp sau:

3.1. XÁC ĐỊNH CỠ HẠT, THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CÁC DẠNG
KHOÁNG CÓ TRONG BÙN ĐỎ
3.1.1 Xác định cỡ hạt và thành phần hóa học bùn đỏ
Theo SEM và EDS:
Các kết quả về cỡ hạt xác định theo phương pháp hiển vi điện tử và
thành phần bùn đỏ xác định theo phương pháp phổ tán xạ năng lượng tương
ứng được chỉ ra ở hình 3.1 và bảng 3.1.

Hình 3.1 Ảnh SEM của bùn đỏ
Theo kết quả ảnh SEM ta thấy rằng phần lớn bùn đỏ có kích thước hạt
tương đối mịn, với đa số hạt cỡ khoảng từ 2 đến 29µm. Cỡ hạt tương đối nhỏ
này sẽ làm cho bùn đỏ khó lắng cũng như khó rửa sạch lượng kiềm kéo theo.
Tuy nhiên đây cũng là ưu điểm của bùn đỏ trong trường hợp sử dụng bùn đỏ
làm nguyên liệu cho việc tổng hợp các vật liệu thông qua các phản ứng rắn rắn, hay khi hòa tan các cấu tử có giá trị từ bùn đỏ.

Lê Thị Khánh Ly

17

Lớp: K33B – Hóa Học


Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Bảng 3.1 Thành phần bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình

(a)