Hoá học và công nghệ

“Cấu trúc tựa tinh thể” giật giải Nobel Hóa học



Từng bị giới khoa học ghẻ lạnh, một chuyên gia Israel đã được vinh danh vì dám thách thức niềm tin hơn 2 thế kỷ về cấu trúc vật liệu.
Viện Hàn lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao giải Nobel Hóa học 2011 cho tiến sĩ Daniel Shechtman, 70 tuổi, của Viện Công nghệ Israel. Thông cáo đăng trên website chính thức Nobelprize.org viết: “Trong cấu trúc tựa tinh thể (quasicrystals), chúng tôi tìm thấy những mẫu hình đẹp tuyệt vời giống như các bức khảm Ả Rập được tái tạo ở mức độ nguyên tử.
Tuy nhiên, cấu hình được tìm thấy trong cấu trúc tựa tinh thể từng bị xem là không thể xuất hiện trong thực tế và ông Daniel Shechtman phải đấu tranh dữ dội mới xoay chuyển được những niềm tin khoa học được thiết lập từ lâu”. Hội đồng chấm giải khẳng định chủ nhân của giải Nobel Hóa học năm nay đã thay đổi một cách cơ bản cách giới khoa học quan niệm về vật chất rắn. Nói cách khác, ông Shechtman đã tìm ra những cách khác nhau để các nguyên tử có thể kết hợp trong vật liệu rắn.
Bước ngoặt của nền khoa học vật liệu xảy ra vào ngày 8.4.1982, khi một hình ảnh lạ lùng xuất hiện dưới ống kính hiển vi điện tử của chuyên gia Shechtman. Trước đó, đối với toàn bộ vật thể rắn, các nguyên tử được cho là kết hợp trong các tinh thể theo mô hình đối xứng chẵn, lặp đi lặp lại theo một chu kỳ. Theo giới khoa học thời đó, sự tái diễn này là điều kiện tiên quyết để hình thành một tinh thể. Tuy nhiên, ông Shechtman đã rất bất ngờ khi chứng kiến các nguyên tử trong tinh thể mà ông nghiên cứu tập hợp theo đối xứng lẻ và không bao giờ lặp lại. Cấu trúc này bị cho là không thể nào xảy ra, giống như không thể tạo nên một sân bóng đá chỉ với các mảng cỏ hình lục giác.
Khỏi phải nói phát hiện của chuyên gia Israel gây nên chấn động như thế nào trong giới khoa học thời đó. Đa số đều phản bác kết quả nghiên cứu của Shechtman, thậm chí ông bị các đồng nghiệp yêu cầu rời khỏi nhóm nghiên cứu. Tuy nhiên, sự đấu tranh không mệt mỏi của tiến sĩ Shechtman đã dần khiến các chuyên gia cân nhắc lại quan niệm về cấu trúc tự nhiên của vật chất. Để rút ra kết luận cuối cùng, các chuyên gia đã nghiên cứu hoa văn trên những bức khảm thời Trung cổ của đạo Hồi như ở đền thờ Darb-i Imam tại Iran và cung điện Alhambra, Tây Ban Nha. Đến năm 1992, Hiệp hội Tinh thể quốc tế chính thức thay đổi định nghĩa về tinh thể để bao hàm luôn cấu trúc tựa tinh thể của chuyên gia Shechtman.
Sau phát hiện của Shechtman, giới khoa học đã sản xuất được những cấu trúc tựa tinh thể khác trong phòng thí nghiệm cũng như tìm thấy các mẫu khoáng sản có cấu trúc này trong tự nhiên. Hiện tại các chuyên gia đang tiến hành nhiều cuộc thí nghiệm sử dụng cấu trúc tựa tinh thể trong những sản phẩm khác nhau như chảo rán và động cơ diesel.
Nguồn báo thanh niên

hoá......

Vật liệu chống ăn mòn trong nhà máy sản xuất axit H3PO4

(Hóa học ngày nay-H2N2)-Nhà máy sản xuất axit phốtphoric (H3PO4) phải được thiết kế sao cho có thể hoạt động hiệu quả và liên tục. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, từ lúc bắt đầu đốt lưu huỳnh trong lò ở nhiệt độ tới 1500oC, qua nhiều công đoạn sản xuất cho đến các bể chứa, hiện tượng ăn mòn luôn là hiểm họa thường xuyên đe dọa ở mọi chỗ. Vì vậy, nhiều loại vật liệu mới đã liên tục được phát triển để đối phó với nguy cơ này và bảo vệ các thiết bị sản xuất.
Khả năng gây ăn mòn của axit H3PO4 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó nhiệt độ và các tạp chất trong axit là 2 yếu tố quan trọng nhất. Ngoài ra còn những yếu tố khác như tác động mài mòn của các chất rắn có trong axit, tác động của tốc độ và sự chảy rối của dòng axit H3PO4 chạy trong đường ống và các thiết bị. Hơn nữa, do flo có mặt trong quặng phốtphat nên nó cũng hiện diện trong mọi quá trình sản xuất axit phốtphoric. Trong thiết bị phản ứng, axit H3PO4 tác dụng với quặng phốtphat sẽ sinh ra HF - tác nhân quan trọng gây ăn mòn thiết bị. Tuy nhiên, nếu có đủ các thành phần SiO2 và nhôm, flo sẽ kết hợp với chúng tạo thành các chất có hoạt tính ăn mòn thấp hơn so với florua tự do. Clorua trong axit H3PO4, mặc dù với hàm lượng thấp hơn nhiều so với florua, cũng là một tác nhân gây ăn mòn. Nó có thể phá hủy lớp bề mặt thụ động của kim loại, dẫn tới việc tạo ra các hốc lõm trên bề mặt kim loại. Sự có mặt của sunfua (hình thành trong quá trình nung quặng phốtphat) sẽ tạo ra các điều kiện khử trong môi trường axit H3PO4, do đó cũng làm tăng tốc quá trình ăn mòn.
Hơn nữa, các hạt chất rắn trong bùn, ví dụ các tinh thể thạch cao, oxyt silic có thể phá hủy lớp thụ động trên bề mặt kim loại, do đó làm cho tình trạng ăn mòn càng nặng nề hơn.
Nhìn chung, những bộ phận dễ bị ăn mòn trong nhà máy H3PO4 là: Các bộ phận của máy khuấy, bộ lọc, các bể chứa, máy bơm bùn, hệ thống đường ống và van.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng, phương pháp chống ăn mòn tốt nhất là tạo ra một lớp oxyt hay lớp thụ động trên bề mặt của vật liệu. Lớp bảo vệ này cần phải đồng nhất để bảo vệ toàn thể bề mặt vật liệu. Để làm việc này thì nguyên tố crôm là thích hợp nhất. Để bảo đảm có được một lớp thụ động ổn định thì hàm lượng crôm trong đó ít nhất phải là 12%. Các nguyên tố khác như môlipđen và nitơ cũng giúp ổn định và tái lập những lớp thụ động như vậy.
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, để chịu được ăn mòn trong môi trường axit H3PO4 sản xuất theo quy trình đihyđrat thì hợp kim phải có hàm lượng crôm cao (tối thiểu 20%). Nếu axit H3PO4 có hàm lượng clorua cao, hợp kim cần phải có thành phần crôm và molypđen với hàm lượng cao để tránh nguy cơ ăn mòn.
Vào thập niên 1960 người ta đã phát triển các loại thép không gỉ 316L và 317 có hiệu quả chống ăn mòn tốt. Hiện nay chúng được thay thế bằng các loại thép không gỉ austenit chứa 4% hợp kim Mo (ví dụ hợp kim 904L). Các loại thép Duplex và super Duplex cũng được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp axit H3PO4. Hợp kim Alloy 926 được phát triển từ hợp kim 904L khi tăng hàm lượng Mo từ 4,5% lên tới 6,5%. Một số hợp kim gốc niken như Alloy 625 và Alloy C-276 cũng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất axit H3PO4.
ở thiết bị cô axit phốtphoric, việc dừng máy sẽ làm chi phí vận hành tăng cao, vì vậy các chi tiết thiết bị cần liên tục được cải tiến để kéo dài thời gian hoạt động của toàn bộ thiết bị. Ví dụ, người ta thường sử dụng ống graphit trong bộ phận trao đổi nhiệt vì loại ống này có khả năng truyền nhiệt lớn và chịu được ăn mòn. Tuy nhiên ống graphit dễ bị gẫy, vỡ khi đang hoạt động và trong lúc duy tu bảo dưỡng, do đó xu hướng hiện nay là dùng ống kim loại (hợp kim) thay cho ống graphit. Các loại hợp kim dùng để chế tạo ống trao đổi nhiệt là G-3, Sanicro 28, G-30 và Alloy 31. Tuy nhiên, việc sử dụng những hợp kim nói trên cho thiết bị cô H3PO4 có hàm lượng tạp chất cao chỉ nên giới hạn ở nhiệt độ cô dưới 120oC.
Bên cạnh các hợp kim, các vật liệu thay thế khác như thép lót cao su, thép cacbon lót gạch chịu axit, thép cacbon lót nhựa,... cũng được sử dụng trong môi trường axit H3PO4.
Chất dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh
Vào những năm 2006 - 2008, giá niken và các kim loại chịu ăn mòn khác trên thị trường đã không ngừng leo thang. Trong bối cảnh đó, chất dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh (Fibreglas reinforced plastic (FRP) bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất axit phốtphoric và phân lân.
FRP được sử dụng cho bình phản ứng axit phôtphoric và axit sunfuric, các hệ thống rửa khí, đường ống vận chuyển axit H3PO4 và bã gyps.
Trong công nghiệp sản xuất axit H3PO4, FRP đã chứng tỏ tính ưu việt của nó do giá thành ổn định và chi phí duy tu thấp. FRP có thành phần nhựa epoxy vinyl este chịu được ăn mòn hóa học tốt hơn hợp kim Alloy C-276 và càng tốt hơn so với thép không gỉ 2905. FRP cũng chịu được tác động ăn mòn của clorua.
Có một số loại FRP bao gồm sợi thủy tinh E-Glass và nhựa nhiệt rắn. Trong cấu trúc của FRP, ở phần tiếp xúc với axit H3PO4 (hay các chất ăn mòn khác) tỷ lệ của nhựa phải cao để chống ăn mòn có hiệu quả. Các lớp sợi thủy tinh có tác dụng tăng độ cứng và độ bền cho vật liệu. Nếu áp dụng FRP ở điều kiện ướt, nhiệt độ hoạt động cho phép tối đa là 100oC, trừ một số trường hợp đặc biệt cho phép đến 120oC.
ở một số vật liệu FRP loại mới, thành phần lớp chống ăn mòn có thể là nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn. Những loại vật liệu này chịu được nhiệt, chịu ăn mòn hóa học và chịu tác động va đập khá tốt, đồng thời chúng có tỉ trọng thấp nên nhẹ và dễ gia công, xử lý.
Một ưu điểm lớn của vật liệu chất dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh là chi phí thấp hơn nhiều so với các vật liệu hợp kim. Chi phí lắp đặt FRP (giá thành + công) ở Bắc Mỹ năm 2008 là 100 - 150 USD/ ft2, trong khi đó chi phí đối với vật liệu thép hợp kim nhìn chung cao gấp 2-3 lần.

Vũ Trung
Theo Fertilizer International/Vinachem

John NG hay đấy