Content uploaded by Thang Quang Do
Author content
All content in this area was uploaded by Thang Quang Do on Sep 11, 2015
Content may be subject to copyright.
BCTVTHANG
1
A STUDY OF ZN-NI AND ZN-MN SOFT SPINEL
FERRITES SYNTHESIZED BY CO-PRECIPITATIONTECHNIQUE
Do Quang Thang, Tran Dinh Dung, Nguyen Huu Khanh Hung, Department of
Chemistry, VNUHCM – HCMC University of Science, Vietnam, 2013
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHẢN ỨNG FERIT HÓA
KHI SỬ DỤNG CÁC TÁC CHẤT OXALAT KẾT TỦA ĐỒNG THỜI
ĐỂ TỔNG HỢP FERIT TỪ Zn-Ni & Zn-Mn
Đỗ Quang Thắng, Trần Đình Dũng, Nguyễn Hữu Khánh Hưng
Bộ môn Hoá Vô Cơ, Khoa Hoá, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh
Abstract: The important requirement for the process of ferrite synthesis is the high
yield of the ferrite reaction which take place during the pre-heating period. This
research studies the thermal decomposition process of the oxalate precursors to
increase the efficiency of the ferrite reaction in ferrites synthesis. X-Ray Diffraction
method was used to examine the reaction yield in the different reaction conditions such
as: reactants form, particle size, temperature, heating time, and Zn: M(II) mol ratio.
1 Mở đầu
Vật liệu từ ferit Zn-Ni và Zn-Mn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật do có độ
từ thẩm cao, ổn định, độ tổn hao từ thấp và nhất là điện trở suất rất lớn. Để khắc phục
những nhược điểm của phương pháp gốm khi tổng hợp các ferit, trong những thập niên
gần đây, các phương pháp tổng hợp ferit từ mềm khác đang ngày càng được nhiều nhà
khoa học quan tâm nghiên cứu.
Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu việc sử dụng phương pháp đồng kết
tủa kết hợp với hiệu ứng phân hủy nhiệt để nâng cao hiệu suất phản ứng ferit hóa trong
qúa trình tổng hợp ferit từ.
2 Thực nghiệm
2.1 Phương pháp tạo mẫu nghiên cứu
2.1.1 Điều chế muối oxalat kết tủa riêng lẻ và kết tủa đồng thời
Kết tủa riêng lẻ:
MSO4+ (NH4)2C2O4= MC2O4+ (NH4)2SO4
Kết tủa đồng thời:
MSO4+ ZnSO4+ 2(NH4)2C2O4= 2(M0,5, Zn0,5)C2O4+ 2(NH4)2SO4
Với M Ni, Mn, Zn
Cả hai phản ứng xảy ra nhanh, hoàn toàn ở nhiệt độ phòng tại pH = 5,5 với số
mol oxalat dư 5%.
2.1.2 Điều chế -FeOOH
a. Điều chế cấp hạt rất mịn -FeOOH(1) (G1)
FeSO4+ Na2CO3+ H2OFe(OH)2+ Na2SO4+ CO2(1)
4Fe(OH)2+ O24FeOOH + 2H2O (2)
Giai đoạn (1) tạo mầm kết tinh. Cho Na2CO3từ từ vào dung dịch sắt(II) sulfat ở
nhiệt độ thường, sục khí chậm liên tục trong 24 giờ. Sau đó tiến hành giai đoạn (2)
bằng cách nâng nhiệt độ phản ứng lên 700C trong 12 giờ.
BCTVTHANG
2
b. Điều chế -FeOOH có cấp hạt mịn (G2), thô (G3)
Các -FeOOH có cấp hạt lớn hơn là G2 và G3 được nuôi từ cấp hạt G1 trong
dung dịch sắt(II) sulfat có mặt sắt kim loại tại 700C với thời gian tăng dần để có kích
thước hạt lớn dần.
Mẫu
G2
G3
Thời gian nuôi tinh thể, ngày
2
4
2.1.3 Điều chế các oxid
Nung MnC2O4và NiC2O4trong khí quyển nitrogen ở 6000C trong 4 giờ để thu
được MnO, NiO. Nung G1 trong không khí ở 4000C trong 4 giờ thu được -Fe2O3(1)
(H1).
2.1.4 Trộn mẫu
Các nguyên liệu được trộn theo phần trăm tỷ lệ mol, tạo huyền phù với nước
rồi đem khuấy trộn đều trong 5 phút bằng máy khuấy có ứng suất cắt với tốc độ 14000
vòng/phút. Hỗn hợp sau khi trộn được lọc, sấy lại ở 1200C trong 24 giờ.
2.1.5 Nung mẫu
Chúng tôi tiến hành nung các mẫu ferit Zn-Ni và Zn-Mn tùy theo điều kiện
khảo sát trong không khí bằng lò nung Carbolite hoặc trong môi trường nitrogen bằng
lò nung ống.
2.1.6 Ký hiệu mẫu
Mẫu được ký hiệu bằng một chuổi các ký tự theo quy ước được trình bày trong
Bảng 1.
Bảng 1 Quy ước ký hiệu mẫu
Stt
Ký hiệu
Biểu thị
1
Gx
Hx
Dạng tác chất của Fe(III)
Gx -FeOOH(x) ; Hx -Fe2O3(x) ; x = 1, 2, 3
2
ZnMO
ZnMOx
Dạng tác chất của M(II)
ZnMO Zn oxid và M oxid
ZnMOx Zn oxalat và M oxalat
3
37, 46, 55,
64, 73
Tỉ lệ mol (theo thứ tự) của hai kim loại hóa trị 2 trong mẫu
37 3:7 ; 46 4:6 ; 55 5:5 ; 64 6:4 ; 73 7:3
4
08, 09,10,11
Nhiệt độ nung, 0C100
5
1h, 3h, 5h
Thời gian nung, giờ
6
N
Mẫu được nung trong khí quyển nitrogen
7
*
Biểu diễn cho hổn hợp oxalat kim loại hóa trị hai đồng kết tủa
2.2 Phương pháp phân tích
2.2.1 Phương pháp phân tích thể tích
Phương pháp phân tích thể tích được sử dụng để xác định hàm lượng đa lượng
của các kim loại trong nguyên liệu.
2.2.1 Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ
Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ được sử dụng để xác định hàm
lượng vi lượng của các tạp chất có mặt trong nguyên liệu.
BCTVTHANG
3
2.2.1 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để khảo sát định tính và định lượng
pha của mẫu sau nung khi dùng phương pháp bột với máy phát tia X Shimadzu XD–
5A từ nguồn CuK.
Việc phân tích định lượng pha được tiến hành theo phương pháp chuẩn trong
tại vùng 2= 28340bằng cách thêm từng lượng 3% khối lượng xác định Fe2O3vào
mẫu. Dựng đường chuẩn của IFe2O3/Iferit theo % khối lượng Fe2O3và xác định phương
trình tính % khối lượng Fe2O3theo tỉ số IFe2O3/Iferit. Từ phương trình này và tỉ số
IFe2O3/Iferit của các mẫu cần phân tích, ta tính được % khối lượng Fe2O3có trong mẫu.
Hiệu suất của phản ứng ferit hóa được xác định theo công thức sau:
0
32
)coønlaïi(32
0
32
OFe%
OFe%OFe%
H
trong đó: %Fe2O30% khối lượng Fe2O3có trong mẫu ban đầu
%Fe2O3(còn lại) % khối lượng Fe2O3còn lại trong mẫu sau phản ứng
3 Kết quả và Biện luận
Tại điều kiện nung mẫu hệ ferit kẽm-nikel trong môi trường không khí và hệ
ferit kẽm-mangan trong môi trường nitrogen khi thay đổi các điều kiện phản ứng,
chúng tôi thu được các kết quả như sau:
1. Các mẫu của hệ ferit Zn-Ni và hệ ferit Zn-Mn tạo thành sản phẩm chính là (Zn,
Ni)Fe2O4, (Zn, Mn)Fe2O4và vẫn có các sản phẩm phụ là Mn2O3và Mn3O4nhưng
với cường độ rất thấp.
2. Hiệu ứng phân hủy nhiệt của các tác chất là ion kim loại hóa trị 2 có tác dụng quan
trọng hơn hiệu ứng phân hủy nhiệt của các tác chất Fe(III). Hiệu ứng phân hủy
nhiệt không làm thay đổi đáng kể hiệu suất phản ứng của hệ ferit Zn-Ni nhưng lại
có tác dụng rất lớn đến hiệu suất phản ứng của hệ ferit Zn-Mn.
3. Khi tăng kích thước hạt của -FeOOH thì hiệu suất phản ứng của hệ ferit Zn-Ni
giảm chậm trong khi hiệu suất phản ứng của hệ ferit Zn-Mn lại giảm nhanh.
4. Trong khoảng nhiệt độ nung từ 800 đến 1100oC, nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng rất
lớn đến hiệu suất phản ứng của hệ ferit Zn-Ni nhưng lại ảnh hưởng không nhiều
đến hiệu suất phản ứng của hệ ferit Zn-Mn.
5. Thời gian nung không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất phản ứng ferit hóa. Nhưng
thời gian nung không được kéo dài để tránh hiện tượng thiêu kết và phân hủy của
sản phẩm.
6. Hiệu suất phản ứng ferit hóa càng tăng khi tỉ lệ Zn:Ni càng tăng. Hiệu suất phản
ứng ferit hóa thay đổi không đáng kể khi thay đổi tỉ lệ mol của Zn:Mn.
BCTVTHANG
4
Bảng 2 Điều kiện tiến hành và hiệu suất phản ứng ferit hóa
Hệ ferit Zn-Ni
Hệ ferit Zn-Mn
Mẫu
H (%)
Yếu tố khảo sát
Mẫu
H (%)
H1ZnNiO55093h
G1ZnNiO55093h
H1ZnNiOx55*093h
G1ZnNiOx55*093h
69
67
66
64
Dạng tác chất
H1ZnMnO55103hN
G1ZnMnO55103hN
H1ZnMnOx55*103hN
G1ZnMnOx55*103hN
13
18
90
99
G1ZnNiOx55*093h
G2ZnNiOx55*093h
G3ZnNiOx55*093h
64
58
54
Kích thước hạt của
-FeOOH
G1ZnMnOx55*103hN
G2ZnMnOx55*103hN
G3ZnMnOx55*103hN
99
74
68
G1ZnNiOx55*083h
G1ZnNiOx55*093h
G1ZnNiOx55*103h
27
64
88
Nhiệt độ nung
G1ZnMnOx55*093hN
G1ZnMnOx55*103hN
G1ZnMnOx55*113hN
100
99
95
G1ZnNiOx55*091h
G1ZnNiOx55*093h
G1ZnNiOx55*095h
61
64
69
Thời gian nung
G1ZnMnOx55*101hN
G1ZnMnOx55*103hN
G1ZnMnOx55*105hN
100
99
42
G1ZnNiOx37*093h
G1ZnNiOx46*093h
G1ZnNiOx55*093h
G1ZnNiOx64*093h
G1ZnNiOx73*093h
10
34
64
69
79
Tỉ lệ mol của Zn:M
G1ZnMnOx37*103hN
G1ZnMnOx46*103hN
G1ZnMnOx55*103hN
G1ZnMnOx64*103hN
G1ZnMnOx73*103hN
100
97
99
89
97
BCTVTHANG
5
4 Kết luận
Từ các kết quả trên cho thấy, hiệu suất phản ứng ferit hóa của hệ ferit Zn-Ni
thấp hơn hệ ferit Zn-Mn nhiều ngay cả khi sử dụng phương pháp gốm và phương pháp
đồng kết tủa kết hợp với hiệu ứng phân hủy nhiệt.
Đối với hệ ferit Zn-Mn, kết quả thu được rất khả quan vì cho phép đạt được
hiệu suất phản ứng rất cao. Cần tiếp tục khảo sát độ đồng nhất cũng như các tính chất
từ của sản phẩm ferit. Đây là một hướng đi cần được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phan Thị Hoàng Oanh, Luận án Phó tiến sĩ Khoa học Hóa học: Nghiên cứu sự hình
thành Ferit Zn-Mn bằng phương pháp đồng kết tủa trong môi trường acid, Đại học
Khoa học Tự nhiên Hà Nội, 1996.
2. Nguyễn Thị Quỳnh Viên, Phạm Hoài Tín, Luận văn Tốt nghiệp: Nghiên cứu khả
năng Ferit hóa bằng hiệu ứng phân hủy nhiệt kết hợp với phương pháp gốm trong
giai đoạn nung sơ bộ đối với hệ Fe-Zn và các kim loại hóa trị hai, Đại học Khoa
học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh, 2000.
3. Hồ Quang Cẩm Nghĩa, Luận án Thạc sĩ Khoa học Hóa học: Nghiên cứu phản ứng
Ferit hóa bằng phương pháp gốm kết hợp với hiệu ứng phân hủy nhiệt đối với hệ
Fe(III) và các kim loại hóa trị hai, Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh,
2000.
4. Alex Goldman, Modern Ferrite Technology, Van Nostrand Reinhold, New York,
1990.
5. K. Rama Krishna1, K. Vijaya Kumar, Structural and Electrical Conductivity Studies
in Nickel-Zinc Ferrite, Advances in Materials Physics and Chemistry, 2012, 2, 185-
191.
6. B. Jeyadevan, C. N. Chinnasamy, K. Shinoda1, K. Tohji and H. Oka, Mn–Zn ferrite
with higher magnetization for temperature sensitive magnetic fluid, J. Appl. Phys.
93, 8450 (2003).
7. M Azizar Rahman, A K M Akther Hossain, Electrical transport properties of Mn–
Ni–Zn ferrite using complex impedance spectroscopy, Physica Scripta, Volume 89,
Number 2, 2013.
8. Pawan Kumar, S.K. Sharma, M. Knobel, M. Singh. (2010) Effect of La3+ doping on
the electric, dielectric and magnetic properties of cobalt ferrite processed by co-
precipitation technique. Journal of Alloys and Compounds 508, 115-118.
9. P Mathur, A Thakur, M Singh. (2008) A study of nano-structured Zn–Mn soft spinel
ferrites by the citrate precursor method. Physica Scripta 77, 045701.
10.Preeti Mathur, Atul Thakur, M. Singh. (2008) Effect of nanoparticles on the
magnetic properties of Mn–Zn soft ferrite. Journal of Magnetism and Magnetic
Materials 320, 1364-1369.
11. http://www.bnf.com.hk/new_page_2.htm
BCTVTHANG
6