BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ MINH KHÔI

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CAO LANH
PHÚ THỌ ĐỂ SẢN XUẤT CÁC HỢP CHẤT CỦA NHÔM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 62520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ MINH KHÔI

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CAO LANH
PHÚ THỌ ĐỂ SẢN XUẤT CÁC HỢP CHẤT CỦA NHÔM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 62520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS La Thế Vinh
2. PGS.TS Lê Thị Mai Hƣơng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ ........................................................................... x
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 4
1.1. CAO LANH VÀ SỰ HÌNH THÀNH CỦA CAO LANH TRONG TỰ NHIÊN . 4
1.1.1. Khái niệm về cao lanh .......................................................................................... 4
1.1.2.Tiềm năng quặng cao lanh ở Việt Nam ................................................................. 6
1.1.3. Thành phần chính và cấu trúc mạng tinh thể của cao lanh. ................................. 7
1.1.4. Tính chất hóa lý của cao lanh. .............................................................................. 8
1.1.5. Những biến đổi trong cấu trúc của cao lanh khi nung.......................................... 9
1.1.6. Ứng dụng của cao lanh. ...................................................................................... 12
1.2. PHÈN NHÔM SUNFAT VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT .................................. 14
1.2.1. Phèn nhôm sunfat ............................................................................................... 14
1.2.2. Ứng dụng của phèn nhômsunfat......................................................................... 15
1.2.3. Các phương pháp chế tạo phèn nhôm sunfat...................................................... 15
1.3. PHÈN NHÔM CLORUA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO .................... 18
1.3.1. Phèn nhôm clorua ............................................................................................... 18
1.3.2. Ứng dụng phèn nhôm clorua .............................................................................. 18
1.3.3. Các phương pháp chế tạo phèn nhôm clorua ..................................................... 19
1.4. SẢN PHẨM PHỤ SiO2 .......................................................................................... 20
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 24
2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM ........................................................ 24
2.2. THỰC NGHIỆM .................................................................................................... 24

3.2.3. Nghiên cứu chế biến cao lanh bằng hỗn hợp axit H2SO4 và HCl....................... 55
3.3. NGHIÊN CỨU CHẾ BIẾN CAO LANH THEO PHƢƠNG PHÁP NUNG
PHÂN GIẢI BẰNG NaHSO4 VÀ KHSO4 ....................................................................... 59
3.3.1. Nghiên cứu chế biến cao lanh theo phương pháp nung phân giải bằng NaHSO459
3.3.2. Nghiên cứu chế biến cao lanh theo phương pháp nung phân giải bằng KHSO4 84
3.4. SẢN XUẤT CÁC HỢP CHẤT CỦA NHÔM VÀ ỨNG DỤNG CÁC SẢN
PHẨM THU ĐƢỢC SAU TÁCH NHÔM TỪ CAO LANH ......................................... 93
3.4.1. Qui trình chế tạo PAC từ dung dịch sau hòa tách nhôm trong cao lanh ........... 93
3.4.2. Kết tủa nhôm hydroxyt trong dung dịch sau nung phân giải cao lanh bằng phản
ứng pha rắn .......................................................................................................................... 96
3.4.3. Đề xuất công nghệ sản xuất khi nung phân giải cao lanh bằng NaHSO4, KHSO4100
3.4.4. Qui trình chế tạo phèn kali - nhôm sunfat từ dung dịch sau tách nhôm trong cao lanh .................. 102

iv


3.4.5. Thu hồi SiO2 và sử dụng làm chất phụ gia cho sơn vô cơ chịu nhiệt............... 104
3.4.6. Hiệu quả của các quá trình hòa tách và nung phân giải cao lanh bằng các tác
nhân khác nhau .................................................................................................................. 107
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 115
PHỤ LỤC

v


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AEC


Vietnam Standards

DTA

Phân tích nhiệt vi sai

Differential Thermal Analysis

TGA

Phân tích nhiệt trọng lượng

Thermal Gravimetric Analysis

UV-Vis

Phổ ánh sáng tử ngoại – khả kiến

Ultraviolet – Visible Spectrum

XRF

Phổ huỳnh quang tia X

X-Ray Fluorescence

XRD

Nhiễu xạ tia X

Bảng 3.13. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 đến hiệu suất tách nhôm trong cao lanh ....67
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất nung phân giải cao lanh bằng
NaHSO4 ............................................................................................................ 68
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của lượng nước bổ sung đến hiệu suất nung phân giải cao lanh với
tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 là 7/1 .......................................................................... 70
Bảng 3.16. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 đến hiệu suất tách nhôm khi có bổ sung
nước giữa chừng ................................................................................................ 73
Bảng 3.17. Ảnh hưởng của thời gian nung giai đoạn 1 ở 200oC đến hiệu suất nung phân giải
cao lanh với tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 là 6/1 ..................................................... 75
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của thời gian nung giai đoạn 1 ở 200oC đến hiệu suất nung phân
giải cao lanh với tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 là 7/1 ............................................. 76

vii


Bảng 3.19. Quan hệ giữa hiệu suất tách nhôm và thời gian nung giai đoạn 1 với tỉ lệ mol
NaHSO4/Al2O3 là 6/1, nhiệt độ nung 250oC ..................................................... 77
Bảng 3.20. Quan hệ giữa hiệu suất tách nhôm và thời gian nung giai đoạn 1 với tỉ lệ mol
NaHSO4/Al2O3 là 7/1, nhiệt độ nung 250oC ..................................................... 78
Bảng 3.21. Quan hệ giữa hiệu suất nung phân giải cao lanh và thời gian nung giai
đoạn 1 với tỉ lệ mol NaHSO 4/Al2O3 là 6/1, nhiệt độ nung 300 oC............... 79
Bảng 3.22. Quan hệ giữa hiệu suất nung phân giải cao lanh và thời gian nung giai đoạn 1
với tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 là 7:1, nhiệt độ nung 300oC ................................ 80
Bảng 3.23. Ảnh hưởng của thời gian nung giai đoạn 2 ở 350oC đến hiệu suất nung phân
giải cao lanh với tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 là 6/1 ............................................. 81
Bảng 3.24. Ảnh hưởng của thời gian nung giai đoạn 2 ở 350 oC đến hiệu suất tách nhôm
với tỉ lệ mol NaHSO4/Al2O3 là 7/1 ................................................................... 82
Bảng 3.25. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất tách nhôm với tỉ lệ mol KHSO4 /Al2O3
là 4/1 .................................................................................................................. 85
Bảng 3.26. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tách nhôm với tỉ lệ mol KHSO4 /Al2O3

Bảng 3.41. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol NaCO3/ Al3+đến hiệu suất kết tủa nhôm hydroxyt .... 99
Bảng 3.42. Kết quả chế tạo phèn kali – nhôm sunfat ........................................................ 102
Bảng 3.43. Yêu cầu về chất lượng của phèn kép kali -nhôm ............................................ 103
Bảng 3.44. Thành phần hóa học của chất rắn sau khi tách nhôm ...................................... 105

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ
Hình 1.1. Mỏ cao lanh trong tự nhiên.............................................................................................. 6
Hình 1.2. Mẫu cao lanh .................................................................................................................... 6
Hình 1.3. Mạng lưới caolinit ............................................................................................................ 8
Hình 1.4. Giản đồ phân tích nhiệt của cao lanh và các khoáng sét khác [18]............................. 11
Hình 2.1 Nguyên lý của phép phân tích EDX .............................................................................. 34
Hình 3.1. Giản đồ TG/DTA của mẫu cao lanh ............................................................................. 39
Hình 3.2. Giản đồ XRD mẫu cao lanh trước khi nung................................................................. 40
Hình 3.3. Giản đồ XRD mẫu cao lanh nung ở 400oC .................................................................. 40
Hình 3.4. Giản đồ XRD mẫu cao lanh nung ở 600oC .................................................................. 41
Hình 3.5. Giản đồ XRD mẫu cao lanh nung ở 800oC .................................................................. 41
Hình 3.6. Giản đồ XRD của các mẫu cao lanh ............................................................................. 42
Hình 3.7. Cấu trúc của caolinit ...................................................................................................... 43
Hình 3.8. Cấu trúc của montmorillonit.......................................................................................... 43
Hình 3.9. Quan hệ giữa nhiệt độ nung cao lanh và hiệu suất tách Al2O3.................................... 45
Hình 3.10. Giản đồ XRD của chất rắn không tan sau phản ứng của cao lanh và HCl.............. 46
Hình 3.11. Quan hệ giữa nồng độ dung dịch HCl và hiệu suất tách nhôm................................. 47
Hình 3.12. Ảnh hưởng thời gian phản ứng và hiệu suất tách nhôm ............................................ 49
Hình 3.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất tách Al2O3 ........................................... 51
Hình 3.14. Ảnh hưởng của nồng độ axit H2SO4 và hiệu suất tách nhôm ................................... 52
Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng và hiệu suất tách Al2O3..................................... 54
Hình 3.16. Giản đồ TG/DTA của hỗn hợp cao lanh và NaHSO4 theo tỉ lệ mol nhôm oxit trong

Hình 3.40. Giản đồ TG/ DTA của hỗn hợp cao lanh và KHSO4 theo tỉ lệ mol KHSO4
/Al2O3 là 7/1 ...................................................................................................... 84
Hình 3.41. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất tách nhôm với tỉ lệ mol KHSO4/Al2O3
là 4/1(a); 5/1(b); 6/1(c); 7/1(d) ................................................................................... 86
Hình 3.42. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tách nhôm ứng với tỉ lệ mol
KHSO4/Al2O3 là 3/1(a); 4/1(b); 5/1(c); 6/1(d); 7/1(e)............................................... 89
Hình 3.43. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol KHSO4/Al2O3 đến hiệu suất tách nhôm khi bổ sung nước
vào hỗn hợp nguyên liệu đầu...................................................................................... 91
Hình 3.44. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ đục và lượng PAC ......................................... 96
Hình 3.45. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol NaHCO3/ Al3+ đến hiệu suất kết tủa Al(OH)3 ............... 97
Hình 3.46. Quan hệ ảnh hưởng của tỉ lệ mol NH3/Al3+ đến hiệu suất kết tủa Al(OH)3 ............ 98
Hình 3.47. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Na2CO3/ Al3+ đến hiệu suất kết tủa Al(OH)3.................... 99
Hình 3.48. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol NaHCO3/ Al3+(a); NH3/ Al3+(b);Na2CO3/ Al3+(c) đến hiệu
suất kết tủa Al(OH)3 .................................................................................................. 100
Hình 3.49. Giản đồ TG, DTA mẫu sơn có bổ sung 5% SiO2 ................................................... 106
Sơ đồ 1. Biến đổi của cao lanh khi nung ....................................................................................... 12
Sơ đồ 2. Quy trình chế tạo PAC từ cao lanh ................................................................................. 95
Sơ đồ 3. Quy trình nung phân giải cao lanh bằng NaHSO4, KHSO4 ........................................ 101
Sơ đồ 4. Quy trình sản xuất phèn kép từ cao lanh ...................................................................... 104
Sơ đồ 5. Quy trình thu hồi SiO2 từ cao lanh Phú Thọ ................................................................ 107

xi


MỞ ĐẦU

Đối với nước ta, nguồn tài nguyên khoáng sản có vai trò quan trọng trong phát triển
công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Việc khai thác, sử dụng khoáng sản hiện là vấn đề thu hút
sự quan tâm của Chính phủ cũng như các nhà nghiên cứu. Cho đến nay trên địa bàn cả
nước đã phát hiện và đánh giá hàng nghìn mỏ khoáng sản và biểu hiện khoáng sản với

Để góp phần trong việc khai thác và sử dụng tài nguyên hợp lý, tiết kiệm tài nguyên
thiên nhiên chúng tôi lựa chọn đề tài luận án là: ―Nghiên cứu quá trình chế biến cao lanh
Phú Thọ để sản xuất các hợp chất của nhôm”
Mục tiêu của luận án:
- Nghiên cứu chế biến cao lanh Phú Thọ nhằm sử dụng hợp lý và có hiệu quả nguồn
tài nguyên thiên nhiên không tái sinh, góp phần bảo vệ môi trường.
- Sản xuất phèn kép kali - nhôm sunfat, chất keo tụ PAC từ các hợp chất của nhôm đã
được tách từ cao lanh.
- Thu hồi sản phẩm phụ SiO2 và ứng dụng SiO2 làm phụ gia cho công nghiệp sơn vô
cơ chịu nhiệt.
Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu là cao lanh Phú Thọ – một trong những nguồn cao lanh có trữ
lượng lớn và có thành phần vật chất đại diện cho cao lanh nói chung.
- Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lí thuyết kết hợp với thực nghiệm
và các phương pháp phân tích hóa lí hiện đại để chỉ rõ bản chất của quá trình tách nhôm
trong cao lanh Phú Thọ.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã đóng góp:
- Đưa ra được các điều kiện thích hợp cho quá trình hòa tách nhôm trong cao lanh
Phú Thọ bằng axit HCl, H2SO4 và hỗn hợp axit HCl, H2SO4
- Đưa ra được các điều kiện thích hợp cho quá trình nung phân giải cao lanh Phú Thọ
bằng NaHSO4 và KHSO4.
- Chế biến khoáng sản cao lanh thành các sản phẩm có ích của nhôm và silic phục vụ
cho công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt hằng ngày.
Nội dung nghiên cứu:
- Khảo sát và đánh giá nguồn cao lanh Thanh Sơn của tỉnh Phú Thọ
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách nhôm như nhiệt độ nung cao
lanh, nồng độ các chất tham gia phản ứng, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng
theo các tác nhân phản ứng để tách nhôm trong cao lanh…
- Nghiên cứu sản xuất các hợp chất của nhôm từ muối nhôm thu được

Theo Phạm Xuân Yên, Nguyễn Văn Dũng [20, 18] và các cộng sự, cao lanh là quặng
phong hóa tàn dư của các loại đá gốc chứa trường thạch như pecmatit, granit, gabrô, bazan
và rhyolit hoặc các cuội sỏi ở thềm biển thời kỳ đệ tứ trong lịch sử hình thành trái đất hoặc
do đá phun trào axit như keratophia, phenzit.
Phong hóa tàn dư và biến đổi chất trao đổi nhiệt dịch tạo nên các mỏ cao lanh tại mỏ đá
gốc (gọi là mỏ cao lanh nguyên sinh).
Nếu tiếp tục bị phong hóa như: do nước băng hà, gió bão cuốn đi rồi được lắng đọng
lại tại chỗ trũng, lâu ngày tạo nên các mỏ cao lanh thứ sinh (trầm tích). Phần lớn những mỏ
này là mỏ đất sét chịu lửa.
Sự hình thành các mỏ cao lanh và đất sét còn phụ thuộc vào yếu tố địa mạo (diện mạo
của địa hình), yếu tố môi trường: như độ ẩm, nhiệt độ, khí cacbonic, các axit hữu cơ...
Sự phong hóa đá gốc để tạo thành các mỏ cao lanh, đất sét bao gồm nhiều quá trình xảy
ra đồng thời hoặc nối tiếp nhau liên tục trong một thời gian kéo dài hàng triệu năm.
Các quá trình phong hóa được chia làm ba loại: phong hóa vật lý, phong hóa hóa học,
phong hóa sinh học.
Quá trình phong hóa vật lý:
Phong hóa vật lý là hình thức phân hủy đất đá bằng những tác động vật lý như tác động
cơ học, nhiệt học mà không làm thay đổi tính chất, thành phần hóa học của đất đá: như tác
động của gió bão, mưa lụt gây sạt lở, bào mòn, trôi dạt và lắng đọng. Khí hậu nóng lạnh

4


đột ngột gây co giãn, tạo sự nứt nẻ, vỡ vụn, cứ như vậy trải qua thời gian dài, liên tục tạo ra
các mỏ nguyên sinh hoặc thứ sinh.
Quá trình phong hóa hóa học
Phong hóa hóa học là hình thức phân hủy đất đá về cấu trúc, thành phần hóa học do
những quá trình hóa học xảy ra: như quá trình hòa tan, quá trình thủy phân và quá trình
oxy hóa.
Trong khí quyển trái đất có nhiều chất như CO2, SO2, O2, N2, NO, N2O3, H2S, O3, hơi

cây của nhiều loại cây tiết ra một số axit làm phân hủy mặt ngoài của đá.

5


Ba quá trình phong hóa nói trên xảy ra đồng thời, xen kẽ nhau và nối tiếp nhau
thường xuyên tác động vào đá gốc. Quá trình đó diễn ra trong nhiều năm đã tạo nên các mỏ
cao lanh và đất sét.

Hình 1.1. Mỏ cao lanh trong tự nhiên

Hình 1.2. Mẫu cao lanh

1.1.2.Tiềm năng quặng cao lanh ở Việt Nam
Quặng cao lanh ở nước ta được phân bố ở nhiều nơi như: Lào Cai, Yên Bái, Phú
Thọ, Thái Nguyên, Tuyên Quang, Hải Dương,Quảng Ninh, Huế, Quảng Nam, Đà Lạt,
Đồng Nai, Bình Dương, Sông Bé... Tổng tài nguyên và trữ lượng cao lanh ở 67 tụ khoáng,
mỏ và điểm quặng đã được tìm kiếm thăm dò khoảng 267.919.000 tấn trong đó:
- Tổng tài nguyên và trữ lượng cao lanh ở các mỏ nguồn gốc trầm tích và phong hoá là
196.251.000 tấn.
- Tổng tài nguyên và trữ lượng cao lanh trong các mỏ nguồn gốc nhiệt dịch - biến chất
trao đổi là 71.668.000 tấn.
Với số lượng tài nguyên và trữ lượng cao lanh đã tìm kiếm thăm dò nêu trên, cho thấy
Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về nguyên liệu cao lanh [2].
Hiện nay có một số mỏ quặng cao lanh đã được thăm dò, khai thác như sau:
Mỏ Thạch Khoán – Phú Thọ, gồm 4 vùng với tổng trữ lượng đã xác định khoảng 3,2
triệu tấn. Trong số đó, vùng mỏ cao lanh Hữu Khánh là vùng mỏ có giá trị công nghiệp với
hàm lượng quặng thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1.1. Thành phần hóa học cao lanh Hữu Khánh[23]
Thành Phần

SiO2

Fe2O3

Mất khi nung

Hàm lượng %

18 - 49

22 – 65

0,5 – 7,9

0,16 – 22,5

- Các mỏ cao lanh Tấn Mài (Quảng Ninh), Trúc Thôn (Hải Dương), Tuyên Quang đã
được khai thác dùng làm gạch chịu lửa cho Công ty gang thép Thái Nguyên. Cao lanh Tấn
Mài có thành phần hóa học như sau:
Bảng 1.3. Thành phần hóa học cao lanh Tấn Mài
Thành Phần

Al2O3

SiO2

Fe2O3

TiO2


Al2O3

SiO2

Fe2O3

% khối lượng

37,84

45,57

0,46

CaO +
MgO
4,05

Na2O

K2O

0,05

0,92

Mất khi nung
ở 850oC
11,11


Al3+ còn một vị trí bỏ trống [18, 20, 22, 25].
Theo [26] ô mạng cơ sở của caolinit là a ≈5,15 A0; b ≈8,95 A0; c ≈7,4Å

Hình 1.3. Mạng lưới caolinit [57]
Như vậy muốn tách nhôm ra khỏi cao lanh cần phải phá vỡ cấu trúc của nó đặc biệt là
loại bỏ nhóm OH- thì các tác nhân tách sẽ tiến gần nhôm trong mạng lưới tinh thể hơn.
1.1.4. Tính chất hóa lý của cao lanh.
Khoáng caolinit hầu như không trương nở trong nước, độ dẻo kém, khả năng hấp phụ
trao đổi ion yếu (thường từ 5 ÷10 mili đương lượng gam đối với 100g cao lanh khô), khối
lượng riêng của khoáng caolinit khoảng 2,41 ÷ 2,60 g/cm3 [18, 20].

8


Độ cứng của cao lanh từ 1 đến 2,5 theo thang Mosh. Khi ngấm nước, nó có tính dẻo,
nhưng không có hiện tượng co giãn. Nhiệt độ nóng chảy từ 1750 – 17870C.
Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation. Sự trao đổi cation thường được nghiên
cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng rộng hơn so với anion. Các cation trao đổi thường là
Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+, H+. Các anion trao đổi thường là SO42-, Cl-, PO43-, NO3-. Đại
lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương lượng trao đổi trên
100g mẫu. Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC) của cao lanh rất nhỏ, thông
thường CEC chỉ khoảng 3÷15 meq/100gvà AEC khoảng 20,3 meq/100g.
Bề mặt của cao lanh được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề mặt
ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuếch tán bề mặt hay sự giảm kích
thước hạt. CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng
lưới cấu trúc. Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng là tín hiệu cho biết số
ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên bề
mặt ngoài của cao lanh.
Cao lanh có khả năng hấp phụ kém. Độ hấp phụ của cao lanh khoảng từ 1 ÷ 3% và chủ
yếu là hấp phụ bề mặt. Do vậy cao lanh ít có giá trị sử sụng làm chất hấp phụ [25].


(1)

Sự mất hydroxyl (-OH) tiếp diễn được quan sát tới 900°C và góp phần vào sự ôxi hóa dần
dần của metacaolanh [37].
- Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng metacaolanh không phải chỉ là hỗn hợp đơn giản
của silica (SiO2) vô định hình và alumina (Al2O3), mà là một cấu trúc vô định hình phức
tạp trong đó duy trì một số trật tự phạm vi dài hơn do sự chồng đống của các lớp lục giác
của nó [37].
- Khi nung nóng tiếp tới 925-950°C sẽ chuyển hóa metacaolanh thành một
dạng spinen nhôm - silic (Si3Al4O12) theo phản ứng:
2Al2Si2O7 —> Si3Al4O12 + SiO2

(2)

- Khi nung nóng tới khoảng 1050°C, pha spinen (Si3Al4O12) kết nhân và chuyển đổi
thành mulit (3Al2O3.2SiO2) cùng cristobalit (SiO2) có độ kết tinh cao:
3Si3Al4O12 —> 2Si2Al6O13 + 5SiO2

(3)

Theo [104] bằng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, hoá lý, rơnghen, quang phổ
hồng ngoại có thể biểu diễn quá trình nhiệt hoá theo sơ đồ sau:
550 C
Al2Si2O5(OH)4 450
 Al2O3 . 2SiO2 + 2H2O

(4)

- 850 C

- Hiệu ứng tỏa nhiệt thứ nhất nằm trong khoảng 900 - 10000C ứng với quá trình hình
thành spinen;
- Hiệu ứng tỏa nhiệt thứ hai khoảng trên 10000C ứng với sự hình thành và tăng cường
khoáng mulit. Nếu nung đến nhiệt độ cao hơn thì mulit đầu (dạng vảy nhỏ, nằm xen kẽ
nhau giống nỉ, dạ) sẽ tái kết tinh thành mulit thứ cấp có dạnh hình kim.
Theo Phan Văn Tường [21] thì cho rằng từ 5000C trở lên toàn bộ khung oxit của mạng
lưới caolinit vẫn giữ nguyên chỉ có sự chuyển dịch của các cation H+, Al3+, Si4+. Các ion
H+, chuyển dịch vào vùng ―cho‖ và xảy ra phản ứng:
H+ + OH- = H2O

(7)

OH- = H2O + O2-

(8)

Các cation Al3+, Si4+ chuyển vào vùng ―nhận‖ tạo thành khu vực giàu nhôm và khu
vực giàu silic. Điều này cho thấy khi nung cao lanh từ 5000C trở lên sẽ tách nhôm và silic
dễ dàng hơn. Khi tăng nhiệt độ ở các khu vực giàu nhôm xuất hiện tinh thể γ Al2O3 trong
đó chứa một lượng Si4+ tạo nên khoáng spinen Al-Si, tiếp tục tăng nhiệt độ lên sẽ xuất hiện
khoáng mulit từ spinen.
Theo các nghiên cứu [39, 41, 52, 53, 68, 98, 100] cao lanh chuyển về dạng
metacaolanh bắt đầu từ 4200C và cấu trúc có thể vô định hình, khi dùng nhiễu xạ tia X
không phát hiện ra cấu trúc pha của metacaolanh, cho đến nay vẫn chưa có công trình
nghiên cứu nào chỉ ra chính xác cấu trúc của metacao lanh. Theo Sperinck và các cộng sự

11


[98] khi nung cao lanh ở 6000C có thể tách khoảng 80% nhóm OH- trong cao lanh do vậy