Điều chế chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi cho quá trình nhiệt phân nhựa thải

Nghiên cứu điều chế chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi cho quá trình nhiệt phân nhựa thải, góp phần bảo vệ môi trường và tái chế hiệu quả.

• Tác giả: Lã Ngọc Vy
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thị Trúc Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Chất Xúc Tác Từ Cao Lanh Quảng Ngãi Cho Nhiệt Phân Nhựa Thải
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình sản xuất và tái chế nhựa thế giới
• 1.2. Cracking hidrocacbon cao phân tử
• 1.3. Vật liệu xúc tác cho quá trình cracking
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Điều chế vật liệu xúc tác từ cao lanh tự nhiên
• 2.2. Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP MS)
• 2.3. Phổ hồng ngoại (IR)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng của vật liệu xúc tác
• 3.2. Hoạt tính xúc tác của vật liệu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi cho nhiệt phân nhựa thải

Chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi đang trở thành một giải pháp tiềm năng cho quá trình nhiệt phân nhựa thải. Với sự gia tăng lượng rác thải nhựa, việc tìm kiếm các phương pháp tái chế hiệu quả là rất cần thiết. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về quá trình nhiệt phân và vai trò của chất xúc tác trong việc nâng cao hiệu suất tái chế nhựa.

1.1. Tình hình sản xuất và tái chế nhựa trên thế giới

Trên thế giới, ngành sản xuất nhựa đang phát triển mạnh mẽ với sản lượng hàng triệu tấn mỗi năm. Tái chế nhựa cũng đang được chú trọng, với nhiều công nghệ mới được áp dụng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.2. Tình hình nhựa thải và tác động môi trường

Lượng nhựa thải ngày càng gia tăng, gây ra nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường. Việc xử lý nhựa thải bằng nhiệt phân là một trong những giải pháp khả thi để giảm thiểu tác động này.

II. Vấn đề và thách thức trong việc tái chế nhựa thải

Mặc dù có nhiều công nghệ tái chế, nhưng việc xử lý nhựa thải vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí cao, hiệu suất thấp và ô nhiễm môi trường vẫn tồn tại. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra những thách thức chính và cách thức giải quyết chúng.

2.1. Chi phí và hiệu suất trong quá trình tái chế

Chi phí cao và hiệu suất thấp là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến việc áp dụng công nghệ tái chế. Cần có các giải pháp tối ưu hóa để giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất.

2.2. Ô nhiễm môi trường từ nhựa thải

Nhựa thải không chỉ gây ô nhiễm đất và nước mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả là rất cần thiết.

III. Phương pháp điều chế chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi

Việc điều chế chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi được thực hiện qua nhiều bước, từ việc thu thập nguyên liệu đến quá trình xử lý hóa học. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết các phương pháp điều chế và tính chất của chất xúc tác.

3.1. Quy trình điều chế chất xúc tác

Quy trình điều chế bao gồm các bước như xử lý nhiệt, kết tủa và tinh chế. Mỗi bước đều có vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất xúc tác có hiệu suất cao.

3.2. Tính chất và hiệu suất của chất xúc tác

Chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi có nhiều tính chất vượt trội, giúp nâng cao hiệu suất trong quá trình nhiệt phân nhựa thải. Các thử nghiệm cho thấy hiệu suất thu hồi dầu cao hơn so với các chất xúc tác khác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chất xúc tác trong nhiệt phân nhựa thải

Chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi không chỉ có tiềm năng trong nghiên cứu mà còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra các ứng dụng cụ thể và lợi ích của việc sử dụng chất xúc tác này.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp tái chế

Chất xúc tác có thể được áp dụng trong các nhà máy tái chế nhựa, giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn bảo vệ môi trường.

4.2. Kết quả nghiên cứu và triển vọng tương lai

Kết quả nghiên cứu cho thấy chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi có thể cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt phân. Triển vọng trong tương lai là phát triển các công nghệ mới để tối ưu hóa quá trình này.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chất xúc tác từ cao lanh

Nghiên cứu về chất xúc tác từ cao lanh Quảng Ngãi cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý nhựa thải. Kết luận này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ tái chế nhựa tại Việt Nam.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả cho thấy chất xúc tác từ cao lanh có hiệu suất cao trong quá trình nhiệt phân nhựa thải, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện chất lượng và hiệu suất của chất xúc tác, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các sản phẩm polymer nhân tạo trong đời sống sinh hoạt và sản xuất công nghiệp đang tạo ra áp lực lớn đối với môi trường toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo các số liệu khảo sát môi trường được tác giả viện dẫn, lượng rác thải nhựa trung bình do một người Việt Nam thải ra môi trường đạt 30 kg/người/năm, và chỉ số này đã tăng lên mức 35 kg/người/năm vào năm 2005. Thành phần hóa học chủ yếu của các loại rác thải này là polyetilen (PE) và polypropilen (PP) – những hợp chất polymer có độ bền hóa học cao, khả năng chống thấm nước tốt và đặc biệt bền vững trước các tác nhân phân hủy sinh học tự nhiên, đòi hỏi thời gian từ hàng trăm đến hàng nghìn năm để phân hủy hoàn toàn. Bên cạnh đó, các sản phẩm nhựa thương phẩm còn chứa nhiều chất phụ gia nguy hại như chất hóa dẻo triorthocresylphosphat (TOCP), phthalates, các hợp chất kim loại nặng (chì, cadmi) và hệ phẩm màu công nghiệp, gây ô nhiễm đất, nước và không khí nếu bị chôn lấp hoặc đốt bỏ thủ công.

Trước thách thức trên, công nghệ tái chế hóa học thông qua quá trình nhiệt phân cracking chuyển hóa các mạch hydrocacbon cao phân tử thành nhiên liệu lỏng (phân đoạn dầu tương đương dầu DO hoặc phân đoạn xăng) được xem là giải pháp kỹ thuật có tiềm năng ứng dụng cao, vừa giải quyết bài toán môi trường, vừa thu hồi giá trị năng lượng. Tuy nhiên, quá trình nhiệt phân thuần túy đòi hỏi nhiệt độ rất cao (450–1200 °C) và hiệu suất thu hồi dầu không cao do xảy ra các phản ứng phụ tạo khí và cốc hóa. Do đó, việc nghiên cứu các hệ xúc tác dị thể nhằm hạ thấp nhiệt độ phản ứng, rút ngắn thời gian xử lý và gia tăng độ chọn lọc thu hồi dầu nhiên liệu là yêu cầu cấp thiết. Nhằm giảm giá thành sản xuất xúc tác, việc tận dụng nguồn khoáng sét tự nhiên dồi dào tại Việt Nam làm nguyên liệu nguồn mang ý nghĩa thực tiễn rõ rệt. Khóa luận tập trung khai thác nguồn khoáng cao lanh tại tỉnh Quảng Ngãi để tổng hợp và biến tính thành các vật liệu xúc tác cho phản ứng cracking nhiệt phân nhựa thải.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 2 nội dung chính:

1. Chế tạo vật liệu xúc tác từ nguồn cao lanh tự nhiên Quảng Ngãi.
2. Ứng dụng vật liệu xúc tác điều chế được vào quá trình nhiệt phân nhựa thải.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Điều chế chất xúc tác từ cao lanh tự nhiên bằng phương pháp biến tính hoạt hóa axit kết hợp tẩm muối niken nitrat.
2. Điều chế vật liệu zeolit Y từ nguyên liệu nguồn cao lanh tự nhiên qua phương pháp thủy nhiệt và biến tính trao đổi ion.
3. Xác định đặc trưng cấu trúc hóa lý của các mẫu xúc tác chế tạo được bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
4. Khảo sát hoạt tính xúc tác thông qua việc đánh giá thời gian, nhiệt độ phản ứng và hiệu suất thu hồi dầu nhiên liệu trong quá trình nhiệt phân nhựa phế phẩm PP và rác thải chai nhựa thực tế so với quá trình nhiệt phân không xúc tác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mẫu khoáng sét cao lanh tự nhiên lấy tại Quảng Ngãi; nhựa phế phẩm polypropilen (PP) do Công ty Nhựa Gia Hân cung cấp; và mẫu rác thải chai nhựa thu gom thực tế tại Việt Nam.
• Phạm vi nghiên cứu: Khóa luận thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 5 năm 2014. Các thực nghiệm cracking được giới hạn khảo sát trong hệ phản ứng nhiệt phân tầng cố định ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ phản ứng 30–50 g nhựa).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết về phản ứng cracking nhiệt và cracking xúc tác các hydrocacbon cao phân tử. Cracking nhiệt phân diễn ra theo cơ chế gốc tự do ở nhiệt độ cao, bao gồm các giai đoạn đứt mạch ngẫu nhiên tạo các gốc tự do trung gian, sau đó các gốc tự do này tiếp tục phân hủy (phản ứng phân cắt vị trí beta) hoặc chuyển hóa hydro tạo thành các ankan, anken mạch ngắn hơn và khí nhẹ. Ngược lại, cracking xúc tác diễn ra trên các tâm axit bề mặt của chất xúc tác (chủ yếu là tâm axit Lewis và tâm axit Brønsted) theo cơ chế ion cacboni. Quá trình cracking xúc tác trải qua 3 giai đoạn cơ bản:

• Giai đoạn 1: Tạo thành ion cacboni thông qua việc phân tử parafin hấp phụ trên trung tâm axit Lewis của chất xúc tác và tách hydride hoặc nhận proton từ tâm Brønsted. Điện tích dương không bao giờ tồn tại ổn định ở cacbon bậc 1.
• Giai đoạn 2: Biến đổi ion cacboni và đồng phân hóa cấu trúc. Độ bền của ion cacboni tuân theo quy tắc: ion bậc 3 > ion bậc 2 > ion bậc 1.
• Giai đoạn 3: Phản ứng đứt mạch tại vị trí liên kết beta so với nguyên tử cacbon mang điện tích dương, sinh ra một phân tử trung hòa có mạch cacbon ngắn hơn và một ion cacboni mới tiếp tục chuỗi phản ứng cho đến khi giải hấp.

Về mặt vật liệu, cao lanh có thành phần khoáng chính là kaolinit với công thức lý thuyết là $Al_2O_3 \cdot 2SiO_2 \cdot 2H_2O$ hay $Al_4Si_4O_{10}_8$ (chứa 46,5% $SiO_2$, 39,5% $Al_2O_3$ và 13,96% $H_2O$), có cấu trúc lớp dạng mạng lưới bát diện nhôm và tứ diện silic. Khi nung ở nhiệt độ khoảng 650–700 °C, kaolinit bị mất nước cấu trúc để chuyển hóa thành metacaolanh vô định hình có hoạt tính hóa học cao, thích hợp cho việc hòa tan tạo gel aluminosilicat hoặc hoạt hóa axit. Trong khi đó, zeolit Y là vật liệu aluminosilicat tinh thể thuộc họ cấu trúc faujasite, xây dựng từ các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) là vòng kép 6 cạnh (D6R) kết nối với các lồng sodalit, tạo nên hệ thống mao quản không gian 3 chiều đồng đều kích thước 7–15 Å và tỷ lệ mol $SiO_2/Al_2O_3$ trung bình từ 2 đến 5. Zeolit Y có tính axit bề mặt cao sau khi biến tính từ dạng $Na^+$ sang dạng $H^+$, diện tích bề mặt trong phát triển và khả năng chọn lọc hình dạng vượt trội.

Phương pháp điều chế xúc tác được tiến hành theo hai hướng:

• Hướng thứ nhất: Điều chế xúc tác bằng hoạt hóa axit và tẩm kim loại. Cao lanh Quảng Ngãi được sơ tuyển, rây kích thước hạt dưới 1 mm, nung ở 650 °C trong 3 giờ để tạo metacaolanh. Metacaolanh được khuấy trong dung dịch HCl 2N (mẫu C2NB10) hoặc HCl 4N (mẫu C4NB10) trong 6 giờ, lọc rửa đến pH = 7 và làm khô. Tiếp đó, 10,0 g bột rắn sau hoạt hóa được trộn với 5,0 g chất kết dính bentonit, 3,89 g $Ni(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$ (nhằm đưa 1,0 g NiO tương đương 0,013 mol NiO vào xúc tác) và 50 ml nước cất, khuấy ở 80 °C trong 2 giờ tạo khối dẻo, ép tạo viên và nung ổn định ở 650 °C trong 3 giờ.
• Hướng thứ hai: Tổng hợp zeolit Y từ cao lanh tự nhiên. Metacaolanh sau khi xử lý bằng HCl 2N được tính toán phối trộn với thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$) và $NaOH$ dựa trên kết quả phân tích nguyên tố Al, Si từ phổ ICP-MS. Hỗn hợp phản ứng được thiết lập theo tỷ lệ mol gel: $6SiO_2 : Al_2O_3 : 9Na_2O : 249H_2O$. Hỗn hợp được khuấy 1 giờ, già hóa ở nhiệt độ phòng trong 72 giờ và kết tinh thủy nhiệt trong nồi áp suất ở 100 °C trong 24 giờ. Sản phẩm zeolit NaY được lọc, rửa sạch đến pH = 8, sấy ở 120 °C. Tiếp theo, mẫu được trao đổi ion 3 lần với dung dịch $NH_4Cl$ 1N (mỗi lần khuấy 8 giờ, già hóa 16 giờ, kiểm tra độ sạch ion $Cl^-$ bằng thuốc thử $AgNO_3$) để chuyển đổi cấu trúc sang dạng H-zeolit, sau đó tẩm $Ni(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$, tạo hình viên bán cầu và nung hoạt hóa ở 650 °C trong 3 giờ, thu được xúc tác ký hiệu ZY2N.

Hệ thống thiết bị và phương pháp phân tích hóa lý:

• Phân tích huỳnh quang tia X (XRF) trên máy BRUKER và phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS) trên máy AGILENT nhằm xác định thành phần định lượng các nguyên tố Silic, Nhôm và tỷ lệ Si/Al trong mẫu cao lanh nguyên liệu.
• Nhiễu xạ tia X (XRD) dựa trên định luật Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$) và công thức Scherrer xác định thành phần pha tinh thể và cấu trúc khoáng của các mẫu vật liệu.
• Quang phổ hồng ngoại (FT-IR) trên máy BRUKER trong dải số sóng 4000–400 $\text{cm}^{-1}$ để nhận diện các liên kết dao động đặc trưng của khung aluminosilicat và vòng kép D6R.
• Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt Nitơ (BET) xác định diện tích bề mặt riêng của các mẫu xúc tác.
• Hệ thống phản ứng nhiệt phân cracking nhựa gồm cột phản ứng nhiệt phân bằng thép/thủy tinh chịu nhiệt, lò nung WISD có điều khiển nhiệt độ, hệ thống cấp khí mang $N_2$ (lưu lượng 50 ml/phút), cột chứa xúc tác tầng cố định và hệ thống sinh hàn làm lạnh ngưng tụ thu hồi pha dầu lỏng. Tốc độ gia nhiệt của hệ thống được duy trì ở 3,75 °C/phút; nhiệt độ khảo sát cực đại đặt ở 450 °C.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và bức tranh thực tiễn liên quan đến công nghệ vật liệu và môi trường. Tác giả mở đầu bằng việc phân tích tình hình sản xuất và tái chế nhựa trên thế giới. Sản lượng nhựa toàn cầu tăng trưởng bình quân 3,5%/năm, đạt trên 150 triệu tấn/năm với mức tiêu thụ bình quân đầu người tại các nước công nghiệp từ 60–100 kg/người. Đi đôi với sản lượng sản xuất là lượng phát sinh rác thải khổng lồ: năm 1997 nước Mỹ thải ra 21,5 triệu tấn nhựa phế thải (chiếm 9,9% tổng chất thải rắn), trong khi Tây Âu phát sinh 17,505 triệu tấn nhựa thải vào năm 1994. Tác giả dẫn chứng kinh nghiệm thu gom và tái chế nhựa tại các quốc gia tiên tiến như Nhật Bản (năm 2001 thu hồi 28% sản phẩm PET; năm 1996 thu gom 1,03 triệu tấn nhựa phế thải nhờ Luật thu gom và tái chế bao bì năm 1995), các nước Châu Âu (năm 1995 tỷ lệ thu gom bao bì đạt 80% theo luật ban hành năm 1992), và Hàn Quốc (nâng tỷ lệ tái chế từ 15,4% năm 1994 lên 47% năm 2000, đồng thời giảm tỷ lệ chôn lấp từ 81,4% xuống 47%).

Về mặt hóa học, chương tổng quan phân tích chi tiết cấu trúc phân tử, phản ứng trùng hợp và tính chất lý hóa của hai nhóm polymer phổ biến nhất trong rác thải nhựa là polyetilen (PE) và polypropilen (PP). Tác giả phân loại rõ các biến thể PE theo tỷ trọng và nhánh: LDPE (tỷ trọng 0,910–0,925 $\text{g/cm}^3$, nhiệt độ nóng chảy 108–115 °C, độ kết tinh 55–65%), LLDPE (0,915–0,925 $\text{g/cm}^3$), HDPE (0,941–0,965 $\text{g/cm}^3$, độ kết tinh cao 74–95%), VLDPE (0,880–0,915 $\text{g/cm}^3$), MDPE (0,926–0,940 $\text{g/cm}^3$) và UHMWPE (khối lượng phân tử từ 3,1 đến 5,67 triệu). Đối với PP, văn bản nêu rõ dạng homopolymer và copolymer, đồng thời cung cấp bảng thống kê chi tiết các phụ gia màu vô cơ và hữu cơ thông dụng (muội than, oxit sắt, titan dioxit, đỏ cadmi, chì molipdat, vàng crom, phthalocyanin...).

Nội dung tiếp theo của chương tập trung vào cơ chế phản ứng cracking hydrocacbon cao phân tử, phân biệt ranh giới giữa cracking nhiệt (450–1200 °C, cơ chế gốc tự do) và cracking xúc tác (420–550 °C, áp suất 0,27 MPa, cơ chế ion cacboni). Tác giả làm rõ các phương pháp tổng hợp xúc tác (đồng kết tủa, tẩm chất mang, trộn cơ học, nóng chảy), tiêu chuẩn kỹ thuật của xúc tác cracking công nghiệp (hoạt tính, độ chọn lọc, độ bền cơ - nhiệt, khả năng kháng độc và tái sinh ở 540–680 °C qua phản ứng đốt cháy cốc bề mặt) cũng như các dạng hình học (dạng bụi, vi cầu 50–150 $\mu\text{m}$, cầu lớn 3–6 mm, dạng trụ 3–4 mm). Cuối chương, tác giả đi sâu vào khoáng sét cao lanh (tỷ lệ mol $SiO_2/Al_2O_3$ tự nhiên 1,85–2,94; khả năng trao đổi cation; ứng dụng làm chất mang xúc tác FCC) và cấu trúc tinh thể zeolit Y (thuộc họ faujasite, vòng kép D6R, lồng sodalit, công thức ô mạng cơ sở $Na_{56}[(AlO_2){56}(SiO_2){136}] \cdot 250H_2O$, kích thước mao quản lớn 7–15 Å), tạo tiền đề cho việc chuyển hóa khoáng sét thành zeolit có hoạt tính cao.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết toàn bộ hóa chất, trang thiết bị, quy trình chế tạo xúc tác và phương pháp kiểm tra thực nghiệm. Bảng hóa chất liệt kê đầy đủ nguồn gốc nguyên vật liệu gồm: cao lanh Quảng Ngãi, thủy tinh lỏng $Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$ (Trung Quốc), $NH_4Cl$, $NaOH$, $HCl$, bentonit, $Ni(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$, nhựa PP sạch (Công ty Gia Hân) và rác thải chai nhựa (Việt Nam). Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu gồm máy ICP-MS AGILENT, máy nhiễu xạ tia X và phổ hồng ngoại FT-IR BRUKER, máy đo XRF BRUKER, lò nung điều khiển nhiệt WISD và hệ thống thiết bị nhiệt phân chuyên dụng chế tạo tại Việt Nam.

Quy trình công nghệ chế tạo xúc tác được tác giả mô tả tuần tự và định lượng chính xác:

1. Chế tạo mẫu xúc tác từ cao lanh hoạt hóa axit (C2NB10 và C4NB10): 10,0 g cao lanh Quảng Ngãi sơ chế qua rây được nung ở 650 °C trong 3 giờ để tạo metacaolanh. Tiến hành phản ứng với 30 ml dung dịch HCl 2N (cho mẫu C2NB10) hoặc dung dịch HCl 4N (cho mẫu C4NB10) có khuấy liên tục trong 6 giờ. Sau khi lọc, rửa bằng nước cất đến pH trung hòa (pH = 7) và sấy ổn định, 10,0 g chất rắn được phối trộn với 5,0 g bentonit, 3,89 g $Ni(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$ và 50 ml nước cất. Hỗn hợp được khuấy kỹ ở 80 °C trong 2 giờ đến trạng thái khối dẻo, đem ép viên và nung ở 650 °C trong 3 giờ.
2. Chế tạo mẫu zeolit Y (ZY2N) từ cao lanh: Dựa trên số liệu đo phổ ICP-MS của 10,0 g cao lanh tự nhiên ban đầu ($m_{Al} = 1,02732$ g tương ứng $n_{Al} = 0,038$ mol; $m_{Si} = 2,37567$ g tương ứng $n_{Si} = 0,085$ mol), tác giả tính toán lượng phối liệu bổ sung để đạt tỷ lệ mol gel quy chuẩn ($6SiO_2 : Al_2O_3 : 9Na_2O : 249H_2O$). Lượng thủy tinh lỏng bổ sung được xác định là 8,236 g $Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$ và lượng kiềm bổ sung là 11,36 g $NaOH$. Mẫu metacaolanh hoạt hóa axit HCl 2N được trộn đều với lượng hóa chất trên, khuấy 1 giờ, ủ già hóa trong 72 giờ và kết tinh thủy nhiệt trong nồi áp suất ở 100 °C trong 24 giờ. Kết tủa được rửa sạch đến pH = 8 và sấy khô ở 120 °C trong 3 giờ. Nhằm chuyển Na-zeolit sang H-zeolit, mẫu được trao đổi ion 3 chu kỳ liên tiếp với 100 ml dung dịch $NH_4Cl$ 1N (khuấy 8 giờ, già hóa 16 giờ mỗi chu kỳ, kiểm tra bằng $AgNO_3$ đến khi hết kết tủa AgCl). Cuối cùng, bột zeolit Y được phối trộn với 1,592 g $Ni(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$ và 50 ml nước cất, khuấy 2 giờ ở 80 °C, vê viên và nung ở 650 °C trong 3 giờ.

Quy trình kiểm tra hoạt tính xúc tác được chuẩn hóa với các thông số vận hành: nạp 50 g nhựa PP phế phẩm (hoặc 30 g chai nhựa thải với 3 g xúc tác), duy trì tốc độ nâng nhiệt 3,75 °C/phút, dòng khí trơ $N_2$ bảo vệ đạt lưu lượng 50 ml/phút, nhiệt độ phản ứng cực đại 450 °C. Pha hơi thoát ra khỏi cột phản ứng được ngưng tụ thành dầu lỏng, thu hồi định kỳ theo thời gian để ghi nhận thể tích, nhiệt độ cột phản ứng và khối lượng dầu.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích cấu trúc vật liệu và hoạt tính xúc tác cracking qua các bộ số liệu thực nghiệm:

• Phân tích nguyên liệu nguồn cao lanh Quảng Ngãi: Phép đo ICP-MS xác định hàm lượng nhôm Al đạt 102,95 g/kg, tỷ lệ mol Si/Al đạt xấp xỉ 2,312; trong khi phân tích huỳnh quang tia X (XRF) cho tỷ lệ mol Si/Al = 3,424. Các giá trị này nằm hoàn toàn trong giới hạn đặc trưng của khoáng sét tự nhiên Việt Nam, khẳng định cao lanh Quảng Ngãi đủ điều kiện làm nguyên liệu nguồn để sản xuất xúc tác cracking.
• Hình thái và cấu trúc pha tinh thể: Các viên xúc tác sau tạo hình và nung đều có dạng bán cầu, đường kính khoảng 4,5 mm, đạt độ cứng cơ học cần thiết cho vật liệu xúc tác làm việc trong hệ phản ứng. Mẫu C2NB10 và C4NB10 có màu nâu hồng, mẫu ZY2N có màu xám vàng.
  • Giản đồ XRD của mẫu C2NB10 ghi nhận sự xuất hiện của pha Goosecreekite $[Ca_2(H_2O)][Si_{12}Al_{14}O_{72}]$ tại các góc $2\theta = 19,8^\circ; 22,43^\circ; 27,5^\circ$ cùng pha alpha-quartz $[Si_2O_4]$ tại các góc $2\theta = 20,9^\circ; 26,5^\circ; 36,6^\circ; 39,49^\circ$.
  • Giản đồ XRD của mẫu C4NB10 ngoài hai pha goosecreekite và alpha-quartz còn xuất hiện thêm pha cancrinite $[Na_6(CO_3)_{1.2}(H_2O)2][Si_6Al_6O{24}]$ tại các góc $2\theta = 24,9^\circ; 27,8^\circ; 37,2^\circ; 43,2^\circ$.
  • Giản đồ XRD của mẫu ZY2N ghi nhận sự hiện diện của pha goosecreekite ($2\theta = 19,8^\circ$), alpha-quartz và đặc biệt là pha Na-P1 $[Na_6(H_2O){12}][Si{10}Al_6O_{32}]$ tại vị trí $2\theta = 28,1^\circ$. Tỷ lệ pha alpha-quartz trong ZY2N tăng lên làm tăng tỷ lệ Si/Al chung, song phần lớn silic vẫn tồn tại ở dạng oxit $SiO_2$ tự do mà chưa thế hoàn toàn vào khung mạng aluminosilicat.
• Đặc trưng phổ hồng ngoại (IR):
  • Mẫu C2NB10 và C4NB10 thể hiện các đám phổ: dao động hóa trị nhóm OH bát diện liên kết cation $Al^{3+}$ tại 3622,58 $\text{cm}^{-1}$; dao động hóa trị nhóm OH phân tử nước hấp phụ tại 3446,64 $\text{cm}^{-1}$ (C2NB10) và 3449,68 $\text{cm}^{-1}$ (C4NB10); dao động biến dạng H-O-H kết tinh tại 1627,41 $\text{cm}^{-1}$ (C2NB10) và 1630,79 $\text{cm}^{-1}$ (C4NB10); dao động hóa trị Si-O tứ diện tại 1038,50 $\text{cm}^{-1}$ (C2NB10) và 1036,21 $\text{cm}^{-1}$ (C4NB10); cùng dao động biến dạng Si-O tại 473,48 $\text{cm}^{-1}$ và 473,01 $\text{cm}^{-1}$.
  • Mẫu ZY2N thể hiện các đỉnh: nước hấp phụ tại 3454,04 $\text{cm}^{-1}$; biến dạng H-O-H tại 1635,87 $\text{cm}^{-1}$; dao động hóa trị Si-O tứ diện tại 998,99 $\text{cm}^{-1}$; dao động liên kết Si-O tứ diện tại 763,43 $\text{cm}^{-1}$ và biến dạng Si-O tại 478,74 $\text{cm}^{-1}$. Đặc biệt, phổ IR của ZY2N xuất hiện pic hấp thụ tại 550,92 $\text{cm}^{-1}$ (nằm trong dải 550–600 $\text{cm}^{-1}$), là pic nhận diện đặc trưng cho dao động của vòng kép 6 cạnh (D6R) cấu thành khung mạng tinh thể zeolit Y.
• Diện tích bề mặt riêng BET: Kết quả đo ghi nhận diện tích bề mặt riêng giảm dần theo thứ tự: ZY2N ($19\text{ m}^2\text{/g}$) > C2NB10 ($12\text{ m}^2\text{/g}$) > C4NB10 ($7\text{ m}^2\text{/g}$).

Về thử nghiệm hoạt tính xúc tác cracking:

• Quá trình nhiệt phân không xúc tác (50 g nhựa PP): Diễn ra trong 100 phút, nhiệt độ phản ứng biến thiên trong vùng 446–450 °C (dao động đến 470 °C). Tổng thể tích dầu thu được là 47,84 ml, khối lượng dầu đạt 40,805 g, tỷ trọng dầu đo được $d = 0,8529\text{ g/ml}$, hiệu suất chuyển hóa đạt 81,61%. Đáng chú ý, trong 30 phút đầu kể từ khi giọt dầu đầu tiên xuất hiện, lượng dầu thu được chiếm tới 88,46% tổng lượng sản phẩm lỏng.
• Quá trình nhiệt phân nhựa PP có xúc tác (50 g nhựa PP):
  • Thời gian phản ứng hoàn toàn ở cả ba mẫu xúc tác đều rút ngắn xuống còn 80 phút (giảm 20 phút so với không dùng xúc tác).
  • Nhiệt độ vùng phản ứng bắt đầu sinh dầu giảm từ 30 đến 50 °C: mẫu ZY2N bắt đầu sinh dầu ở 388 °C, C2NB10 ở 402 °C, và C4NB10 ở 415 °C.
  • Hiệu suất thu hồi dầu: Xúc tác ZY2N đạt hiệu suất cao nhất lên tới 98% (thể tích dầu thu được lớn nhất); mẫu C2NB10 đạt hiệu suất 94%; mẫu C4NB10 đạt hiệu suất 86%. Trong 30 phút đầu, tỷ lệ thể tích dầu sinh ra của mẫu C4NB10 đạt tới 86% tổng lượng dầu nhưng sau đó giảm nhanh chóng, cho thấy hoạt tính xúc tác của mẫu C4NB10 bị suy giảm dần theo thời gian do hiện tượng cốc hóa bám dính tâm hoạt tính.
• Quá trình nhiệt phân chai nhựa thải thực tế sử dụng xúc tác ZY2N (30 g nhựa thải, 3 g xúc tác ZY2N): Phản ứng diễn ra trong 80 phút (từ 13h07 đến 14h17), nhiệt độ cột phản ứng dao động từ 388 đến 460 °C. Tổng thể tích dầu lỏng thu được là 16,16 ml, tổng khối lượng dầu đạt 23,07 g, tỷ trọng sản phẩm lỏng tính toán được là $d = 1,43\text{ g/ml}$. Hiệu suất chuyển hóa từ nhựa phế thải thực tế thành dầu đạt 76,9%.

Kết quả và đóng góp thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm của các quá trình nhiệt phân được tổng hợp và đối chiếu tại bảng số liệu sau:

Thông số đánh giá	Nhiệt phân không xúc tác	Xúc tác C2NB10	Xúc tác C4NB10	Xúc tác ZY2N (trên nhựa PP)	Xúc tác ZY2N (trên nhựa thải)
Khối lượng nguyên liệu nhựa	50 g (PP)	50 g (PP)	50 g (PP)	50 g (PP)	30 g (chai nhựa thải)
Khối lượng xúc tác sử dụng	Không sử dụng	Dạng viên	Dạng viên	Dạng viên	3 g (tỷ lệ 1:10)
Nhiệt độ bắt đầu sinh dầu	446 °C	402 °C	415 °C	388 °C	409 °C
Thời gian phản ứng hoàn toàn	100 phút	80 phút	80 phút	80 phút	80 phút
Thể tích dầu thu hồi ($\Sigma V$)	47,84 ml	64,6 ml	—	Lớn nhất	16,16 ml
Khối lượng dầu thu hồi ($\Sigma m$)	40,805 g	—	—	—	23,07 g
Tỷ trọng dầu lỏng ($d$)	0,8529 g/ml	—	—	—	1,43 g/ml
Hiệu suất chuyển hóa thành dầu	81,61%	94,00%	86,00%	98,00%	76,90%
Diện tích bề mặt riêng BET	Không áp dụng	$12\text{ m}^2\text{/g}$	$7\text{ m}^2\text{/g}$	$19\text{ m}^2\text{/g}$	$19\text{ m}^2\text{/g}$

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

• Hoạt hóa metacaolanh bằng dung dịch axit HCl nồng độ 2N thích hợp hơn so với nồng độ 4N, do nồng độ axit cao (4N) làm suy giảm diện tích bề mặt riêng ($7\text{ m}^2\text{/g}$ so với $12\text{ m}^2\text{/g}$) và xúc tác nhanh bị mất hoạt tính trong quá trình phản ứng.
• Phương pháp tổng hợp zeolit Y trực tiếp từ khoáng sét cao lanh có bổ sung natri silicat và natri hidroxit theo tỷ lệ mol quy định kết hợp trao đổi ion $NH_4Cl$ và tẩm muối niken nitrat mang lại hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện hoạt tính xúc tác cracking.
• Tận dụng nguồn khoáng sét tự nhiên Quảng Ngãi làm vật liệu nguồn điều chế xúc tác cracking-reforming giúp giải quyết vấn đề rác thải nhựa công nghiệp và sinh hoạt, giảm thiểu chi phí nhập khẩu xúc tác hóa dầu.

Đóng góp mới của đề tài so với các nghiên cứu trước:

• Tác giả đã chứng minh thành công khả năng sử dụng nguồn khoáng cao lanh tự nhiên tại mỏ Quảng Ngãi để tổng hợp trực tiếp vật liệu zeolit Y và vật liệu biến tính niken, thay vì phải sử dụng các nguồn hóa chất Silic và Nhôm tinh khiết đắt đỏ.
• Xác lập được quy trình công nghệ điều chế xúc tác dạng viên bán cầu có độ bền cơ học tốt, đồng thời xác nhận sự hình thành cấu trúc vòng kép 6 cạnh D6R đặc trưng của zeolit Y qua tín hiệu hồng ngoại 550,92 $\text{cm}^{-1}$.
• Đạt được hiệu suất chuyển hóa nhựa polypropilen thành dầu nhiên liệu lên tới 98% và trên rác thải chai nhựa thực tế đạt 76,9%, đồng thời giúp hạ thấp nhiệt độ phản ứng từ 30 đến 50 °C và rút ngắn 20% thời gian nhiệt phân so với quy trình không có xúc tác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích thực nghiệm và phạm vi nghiên cứu của văn bản, các hạn chế kỹ thuật được ghi nhận bao gồm:

• Mức độ tinh thể hóa của zeolit Y tổng hợp từ cao lanh chưa triệt để: Giản đồ XRD của mẫu ZY2N cho thấy tỷ lệ pha alpha-quartz còn tương đối lớn, nguyên tố Silic tồn tại chủ yếu ở dạng $SiO_2$ tự do mà chưa tham gia thế hoàn toàn vào cấu trúc mạng lưới aluminosilicat.
• Diện tích bề mặt riêng của các hệ xúc tác chế tạo được vẫn còn thấp (ZY2N chỉ đạt $19\text{ m}^2\text{/g}$, C2NB10 đạt $12\text{ m}^2\text{/g}$ và C4NB10 đạt $7\text{ m}^2\text{/g}$), làm hạn chế mật độ tâm axit tiếp xúc.
• Các khảo sát cracking chỉ mới thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trên hệ phản ứng mẻ tĩnh dung lượng nhỏ (30–50 g), chưa khảo sát trên hệ tầng sôi liên tục.
• Sản phẩm dầu thu được từ rác thải chai nhựa thực tế có tỷ trọng khá cao ($d = 1,43\text{ g/ml}$), phản ánh sự tồn tại của các hợp chất cặn nặng hoặc thành phần phụ gia phức tạp có trong rác thải nhựa tiêu dùng mà đề tài chưa tiến hành phân tích thành phần phân đoạn chi tiết bằng sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS).

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

• Tiếp tục tối ưu hóa các thông số già hóa và kết tinh thủy nhiệt (nhiệt độ, thời gian, áp suất, tỷ lệ kiềm) để nâng cao độ tinh khiết pha của zeolit Y và loại bỏ hoàn toàn pha tạp alpha-quartz.
• Áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao diện tích bề mặt riêng và độ xốp của vật liệu xúc tác.
• Triển khai phân tích định tính và định lượng các phân đoạn hydrocacbon trong sản phẩm dầu lỏng thu được nhằm đánh giá chi tiết chỉ số chất lượng thương phẩm của nhiên liệu.
• Mở rộng thử nghiệm cracking trên các nguồn nhựa phế thải hỗn hợp khác nhau (PE, PET, PS) và khảo sát chu kỳ tái sinh xúc tác bằng phương pháp đốt cốc ở 540–680 °C.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp này cung cấp nguồn tư liệu thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Hóa Vô cơ, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa dầu và Khoa học Môi trường đang theo đuổi hướng đề tài biến tính khoáng sét tự nhiên hoặc công nghệ tái chế chất thải polymer.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

• Phương pháp tính toán phối liệu hóa chất: Thuật toán quy đổi hàm lượng nguyên tố Al và Si từ dữ liệu phân tích ICP-MS của khoáng sét tự nhiên sang lượng cân cụ thể của thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$) và $NaOH$ để thiết lập gel aluminosilicat theo tỷ lệ mol chuẩn $6SiO_2 : Al_2O_3 : 9Na_2O : 249H_2O$.
• Quy trình thực nghiệm đa bước: Các thông số chi tiết về chế độ xử lý nhiệt metacaolanh (650 °C, 3 giờ), điều kiện hoạt hóa axit HCl, quy trình trao đổi ion 3 chu kỳ với dung dịch $NH_4Cl$ 1N và kỹ thuật tẩm muối niken nitrat tạo viên xúc tác tầng cố định có độ bền cơ học cao.
• Dữ liệu phổ học đối chiếu: Toàn bộ hệ thống thông số nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hồng ngoại (FT-IR) chi tiết nhận diện các pha khoáng goosecreekite, cancrinite, Na-P1 và đặc biệt là dao động vòng kép D6R của zeolit Y tại số sóng 550,92 $\text{cm}^{-1}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng các phương pháp hóa lý nào để kiểm tra cấu trúc của vật liệu xúc tác?
Nghiên cứu sử dụng 5 phương pháp phân tích: phổ huỳnh quang tia X (XRF trên máy BRUKER) và phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS trên máy AGILENT) để định lượng thành phần nguyên tố Al, Si; phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để nhận diện các pha tinh thể goosecreekite, alpha-quartz, cancrinite, Na-P1; quang phổ hồng ngoại (FT-IR trên máy BRUKER) trong vùng 4000–400 $\text{cm}^{-1}$ để xác định các liên kết dao động và vòng kép D6R; và phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt Nitơ (BET) để đo diện tích bề mặt riêng.

2. Tỷ lệ phối liệu gel và điều kiện thủy nhiệt để tổng hợp zeolit NaY từ cao lanh Quảng Ngãi được tiến hành như thế nào?
Từ kết quả ICP-MS của 10,0 g cao lanh ($n_{Al} = 0,038\text{ mol}$; $n_{Si} = 0,085\text{ mol}$), tác giả bổ sung 8,236 g $Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$ và 11,36 g $NaOH$ để đạt tỷ lệ mol gel $6SiO_2 : Al_2O_3 : 9Na_2O : 249H_2O$. Hỗn hợp được khuấy 1 giờ, ủ già hóa ở nhiệt độ phòng trong 72 giờ (3 ngày) và tiến hành kết tinh thủy nhiệt trong nồi áp suất ở 100 °C trong 24 giờ, sau đó lọc rửa đến pH = 8 và sấy ở 120 °C trong 3 giờ.

3. Tín hiệu phổ hồng ngoại nào khẳng định sự hình thành khung mạng zeolit Y trong mẫu ZY2N?
Phổ hồng ngoại của mẫu ZY2N xuất hiện pic hấp thụ cực đại tại số sóng 550,92 $\text{cm}^{-1}$ (nằm trong vùng đặc trưng 550–600 $\text{cm}^{-1}$). Đây là dao động biến dạng của các liên kết T-O-T (với T là Si hoặc Al) trong vòng kép 6 cạnh (D6R) – đơn vị cấu trúc thứ cấp điển hình tạo nên lồng sodalit và khung mạng tinh thể zeolit Y.

4. Vì sao hoạt hóa cao lanh bằng dung dịch HCl 2N lại cho kết quả xúc tác tốt hơn dung dịch HCl 4N?
Thực nghiệm cho thấy mẫu C2NB10 (dùng HCl 2N) đạt diện tích bề mặt riêng BET là $12\text{ m}^2\text{/g}$ và hiệu suất thu hồi dầu đạt 94%, trong khi mẫu C4NB10 (dùng HCl 4N) có diện tích bề mặt riêng giảm chỉ còn $7\text{ m}^2\text{/g}$ và hiệu suất thu hồi dầu chỉ đạt 86%. Nồng độ axit 4N quá cao làm phá hủy sâu cấu trúc khung khoáng sét, dẫn tới hoạt tính xúc tác của mẫu C4NB10 bị suy giảm nhanh chóng sau 30 phút phản ứng đầu tiên.

5. Hiệu quả chuyển hóa và các thông số kỹ thuật khi ứng dụng xúc tác ZY2N trên rác thải chai nhựa thực tế đạt được là bao nhiêu?
Khi tiến hành nhiệt phân 30 g rác thải chai nhựa với 3 g xúc tác ZY2N ở 450 °C (tốc độ gia nhiệt 3,75 °C/phút, dòng $N_2$ 50 ml/phút), phản ứng hoàn tất sau 80 phút (từ 13h07 đến 14h17), thu được 16,16 ml dầu lỏng có khối lượng 23,07 g và tỷ trọng $d = 1,43\text{ g/ml}$, tương ứng hiệu suất chuyển hóa rác thải nhựa thành dầu đạt 76,9%.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Lã Ngọc Vy đã chứng minh tính khả thi khoa học và hiệu quả kỹ thuật của việc sử dụng nguồn khoáng cao lanh tự nhiên Quảng Ngãi để chế tạo xúc tác cracking hydrocacbon. Bằng các giải pháp hoạt hóa axit kết hợp tẩm muối niken nitrat và thủy nhiệt hóa tổng hợp zeolit Y, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các hệ xúc tác dị thể dạng viên bán cầu có độ bền cơ học cao. Việc ứng dụng xúc tác ZY2N vào quá trình nhiệt phân đã giúp hạ nhiệt độ phản ứng từ 30 đến 50 °C, rút ngắn 20% thời gian nhiệt phân và nâng hiệu suất thu hồi dầu nhiên liệu lên 98% đối với nhựa polypropilen và 76,9% đối với rác thải chai nhựa thực tế. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng nguồn tài nguyên khoáng sét nội địa vào công nghệ tái chế chất thải rắn, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thu hồi năng lượng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HOC SU PHAM THANH PHO HO CHi MINH KHOA HOA SSP = KHOA LUAN TOT NGHIEP DIEU CHE CHAT XUC TAC TU VAT LIEU NGUON CAO LANH QUANG NGAI SU DUNG CHO QUA TRINH NHIET PHAN NHUA THAI | a G—_— TP. HO-CHI-MINH | GVHD : Th.S Nguyễn Thị Trúc Linh Họ và tên sinh viên: Lã Ngọc Vy MSSV: 36106056 Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ TP. HCM, tháng 5 năm 2014 GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: Lã Ngọc Vy NHAN XET CUA HOI DONG KHOA HOC SCS EEE EEE EES SSE ESE SCRE CR REC RR ee eee ee eee eee eee SSS SSS SSS SSCS SESS ESC SESE SSSR SPCR CRP ee Hee ee eee eee eee SESS SSE SEES SSS ESSE SESS SHEESH ESHEETS EEE HESS ESTHET RECHERCHES SPSS ESSE SEES EEE SSE EEE SHEESH SHEE ESE EEE ESSE EEE HEHE SESH EERE EHE HR H eee e ee SPSS EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE ESE EEE EE HEHEHE RHEE EEE RH HHH RHR eRe eee SPSS EEE EEE SESE ESE ESE SHEESH SEES EHEC ESHER REESE RHE eee ee eee eee eee SPSS SESE EEE EEE SEES EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EERE CH CHEER Hee ee ee eee ee ee ee "“e®«+*«*«.*w *w*««%«*%*%**%**%%*%**%%%%%%%%%%%%%%%*%%%*%%%%w%*%%%%%%%%%%*%%%%%%%%%%*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*%%%%%%*%*%*%%w SSCS ESRC EE REE KER CEE CHEESES SEES ESE SESE SEES CEES EER CCR CREE CCR Cee ee ee ee eee ee ee ee .#%«%«®%%%®%%*%*%%*%%%%%%%%%Y%%Y%%%®%%%%%%%%%*%%%%Y%%%%%%%%*%%%®%%%%%%%%%%%%%%%%*%®*%%%%*%%*%%*%%%%%%*%%%%%*%%%%%%%%*%%%%® SSS CSS ESSE SSS SESS SESS SSS SESE SSS SSS SESE SESS ESSE ESSE SESS SSE SESS SSE ESTES HSH ESHER e SESE SSS SSSR ESSERE CREP eee eee ee SESS SESE EES EEE ESSE ESSE EEE SHEE EEE EEE EEE ESSE EEE ESHEETS ESE HER HHH ee Sbadn itn Ng je waster Ps ruc Khoa luận tốt nghiệp GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: Lã Ngọc Vy MỤC LỤC LÊN GA N ÔN G2 G0 t0 GGGGAGG0G00002200G0G0A3G024 4a l ED a i aca ac aceite 2 CHUNG 1: TING CIN ¿c-itccaaici-a-a-eacei 3 1.1 Tinh hinh san xuat va tái chế nhựa trên thế giới.1 Tình hình sản suất nhựa trên thế giới.2 Tình hình tái chế nhựa trên thế giới .-- -- 2-5 zezvervrcrsere 3 L1 TẾ niên Kết NI ca exeniokeddikieneeiadeeiiiioiaeeneeeeeeee 5 1.2 Cracking hidrocacbon cao phân tử.1 Sơ lược về phản ứng cracking. ---s- set Su x4 3332243111 E4e3erAszkssrxrsrxeie 8 1.3 Vật liệu xúc tác cho qua trinh cracking.

- 2© s«+sx++xes+vxee 10 li MÁ CO 0200202020 c0 (0100062000 1A2026xscoay l5 3⁄1 TH diều câu W2 4602020000000 eis 15 95550 Tie el coe Nala cai casas as ieee abscess 15 55:3 Chi Chana sisi acinus 16 LÁT G2206 26661662s66265600091440ã054406335666600/3XG0 050) l6 1.1 Khái nhiệm về zeoli.1Ỉ 1 aaeaiiee-eeee 17 xa“.4 Các cách chế tao Zeolit.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .2 Nội dung nghiên cứu của để tài.414410 21 CHƯƠNG2:THUCNGHĐ&---.22c22cccc- 22 3ì Hồa chất về ti Ù sissies sae 22 1.14 Tế CÀ ¿2220502022 222661031466Gxaxti316244ksi6ikesg2ssexe 22 113 Đang sg, IẾ Noo caess 22 Khóa luận tốt nghiệp 19 Diên GIÁ 4606100003100 0000100593000010600102U56 6264/2444 24 2.1 Điều chế vật liệu xúc tác từ cao lanh tự nhiên .2 Điều chế zeolit Y từ cao lanh tự nhiên.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc.1 N4 6 X HN cu eae cai 28 2.2 Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP MS).Đu đu HA Mộ HA E24 22)626664623226vudauoli 29 2.4 Phô hồng ngoại (IR). 2-2 ESZSEEEEZCE£CSE7EEZvervzzrrzrcrvzcr 30 CHƯƠNG 3: KÉT QUÁ VÀ THẢO LUẬN.1 Đặc trưng của vật liệu xúc tác.1 Cao lanh tự nhiên. - - Q Q0 HH ng ng ng.2 Mẫu C2NB10 và C4NBIO o.cccccesssecesseessssessuesnssnesnesecenssnssnsensenseneenssee 31 kh: An.2 Hoạt tính xúc tác của vật liệu.1 Nhiệt phân nhựa không xúc tác.3 Nhiệt phân nhựa thải bằng xúc tác zeolit Y.- 5-52 s5 csscez 43 KÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ .- 2° ¿S2 CS S2S3CEEE25732E232E2ep1c2xerr. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO.- 2° + St ÉEE14 EE1EE151EE2157112E112253e230.

47 i Khóa luận tốt nghiệp GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: Lã Ngọc Vy DANH MỤC HÌNH VỆ Hình 1.1: Công thức cấu tạo polyetilen.1: Công thức cấu tạo polypropilen.1: Cấu trúc khung mạng của zeolit Y.2- 2 2+tsevZ2zzvrvervrsrszee 18 Hinh 2.1: Hé thong nhiét phan mhya.cosccsssesscesssessessveesoresntevessnesnvesvenensenensanes 23 Bibra 22/2" been eh Che Ne ss aaa 28 Hình 3.1: Hình dạng và kích thước của xúc tác sau khi tạo viên.2: Giản đồ XRD của các mẫu C2NBI10 sau khi hoạt hóa HC] 2N .3: Giản đồ XRD của các mẫu C4NBI10 sau khi hoạt hóa HCI 4N .4: Phổ IR của các mẫu C2NB10 và C4NBI0.5: Sản phẩm của mẫu ZEYN .5- Sách gecevkxerseee 35 Hình 3.6: Giản đồ XRD của mẫu ZEYN. 2 52 s2 sex yzcvvzcvzcxzrrvrre 36 Hình 3.7: Phổ IR của mẫu Z“Y2N.8: Đồ thị biểu điễn lượng dâu sinh ra theo thời gian nhiệt phân.9: Mối quan hệ thẻ tích với nhiệt độ.- ---- 2 s2 sec 3xx 40 Hình 3.10: Mối quan hệ phần trăm thể tích theo thời gian.11: Đồ thị biểu diễn biến thiên nhiệt độ cột nhiệt phân theo thời gian.12: Đồ thị biểu diễn lượng dầu sinh ra theo thời gian nhiệt phân.13: Mối tương quan giữa thê tích dầu và nhiệt độ nhiệt phân nhựa thải. 45 ‹- Khóa luận tốt nghiệp GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: Lã Ngọc Vy DANH MUC BANG BIEU Bảng! .I: Một số chất màu thông dụng cho nhựa PP.2: Trình bảy các điều kiện tổng hợp zeolit X, zeolit Y, mordenit.1: Danh mục các loại hóa chất sử dụng.-- 5-56 Sv+vsecrsret 22 Bảng 2.2: Danh mục các loại dụng cụ thiết bị đã sử dụng.1: Bang trinh bay két qua đo ICP-MS và XRE.2: Tan số dao động của các nhóm chức của mẫu C2NB10 và C4NB10.3: Tần số dao động của các nhóm chức của mẫu ZY2N.4: Kết quả nhiệt phân nhựa không xúc tác .5:So sánh các quá trình nhiệt phân sử dụng xúc tác khác nhau. 4I Báng 36: KỆ QUÁ nh ĐÀÂN s20 0226666020606 00166 66566 4) Bảng 3.7: Kết quả nhiệt phân nhựa thải sử dụng xúc tác ZY2N .- 44 DANH MUC CAC CHO VIET TAT PE: Polyetilen LDPE: PE ty trong thap eae LLDPE: PE ty trong thap mach thing HDPE: PE ty trong cao VLDPE: PE ty trong rat thap Ge MDPE: PE ty trong trung binh 1mm UHMWPE: PE có khối lượng phân tử rất cao PP: Polypropilen ”Đg, FCC: FLUIDIZED CATALYTIC CRACKING I0.

PET: Polyethylene Terephthalate Khóa luận tốt nghiện GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: LA NGOC VY LOI CAM ON Lời đầu tiên của khóa luận, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Trúc Linh, người đã tận tình chỉ bảo giúp em vượt qua các trở ngại về kiến thức để từng bước hoàn thành đề tài nghiên cứu. Những lời góp ý của cô, không chỉ có những lời động viên mà còn có những lời la rầy, khuyên răn, tất cả đều chứa đựng tắm lòng chân thành của một nhà giáo. Những điều đó làm em vững tin hoản thành tốt khóa luận tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hóa trường Đại học Sư phạm Thành phố Hỗ Chí Minh, các thầy cô không chỉ đã tạo cho em nên tảng vững chắc giúp em hoàn thành khỏa luận mà còn là hành trang giúp em tự tin hơn trên bước đường tương lai.

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ba mẹ, em trai và bạn Nguyễn Thành Công, những người đã giúp em mọi mặt trong học tập cũng như trong cuộc sống. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè đã ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình để em hoàn thảnh khóa luận này. Xin chân thành cảm ơn! TpHCM ngày tháng năm 2014 Lã Ngọc Vy a Khóa luận tôt nghiệp Ị GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: LA NGOC VY MO DAU Theo khảo sat của cơ quan môi trường, trung bình một năm, một người Việt Nam thải ra môi trường 30 kg sản phẩm có nguồn gốc từ nhựa. Con số này không chỉ đừng ở đó, đến năm 2005 là 35 kg/ l người/ I năm.

Những số liệu sơ bộ trên cho thấy thực trạng sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc từ nhựa ở nước ta hiện nay là rất lớn. Nó đã trở thành một thói quen không thẻ thiếu, “ăn sâu” vào hoạt động mua bán của nhiều người. Thành phần hóa học chính của sản phẩm có nguồn gốc từ nhựa là polyetilen, polypropilen có độ thấm nước nhỏ, tính đàn hồi và độ bền hóa học cao. Đặc điểm này dẫn tới đặc trưng rất khó phân hủy của các sản phẩm trên.

Theo các nhà khoa học, khi thải ra môi trường phải mắt hàng trăm năm tới hàng nghìn năm mới bị phân hủy hoàn toàn. Ngoài hai thành phần chính trên, người ta còn thêm vào các phụ gia như chất hóa đẻo, kim loại nặng, phẩm màu.]à những chất cực kì nguy hiểm. Ngày nay công nghệ chuyển hóa rác thải nhựa thành dầu nhiên liệu đang được quan tâm nghiên cứu. Trong quá trình chuyên hóa chất lỏng, mạch hidrocacbon cao phân tử trong nhựa PE, PP sẽ cracking do quá trình nhiệt phân tạo thành từ rác, điều đó giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, vừa có thể thu được lợi nhuận từ rác.

Việc nghiên cửu các chất xúc tác phù hợp sử dụng cho quá trình nhiệt phân nhựa thải nhằm tăng hiệu suất thu hôi, giảm lượng chất thải độc hại, giảm chỉ phí giá thành sản phẩm luôn là vấn đề mới, đặc biệt là sử dụng xúc tác được điều chế từ nguồn vật liệu của Việt Nam. Thực tế, Việt Nam là đất nước có nguồn cao lanh rất phong phú, phân bố rộng rãi trên khắp lãnh thổ. Nghiên cứu sử dụng cao lanh làm vật liệu nguồn trong tổng hợp xúc tác sẽ tận dụng được nguồn tài nguyên quốc gia cho phát triển công nghiệp và cải thiện môi trường. Chính vì những lý do trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đẻ tài: “Điều chế chất xúc tác từ vật liệu nguồn cao lanh Quảng Ngãi sử dụng cho quá trình nhiệt phân nhựa thải'` Khóa luận tốt nghiệp 2 GVHD: NGUYÊN THỊ TRÚC LINH SVTH: LA NGOC VY CHUONG 1: TONG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất và tái chế nhựa thế giới! 1.1 Tình hình sản xuất nhựa trên thế giới Trên thế giới ngành sản xuất và tái chế nhựa là một ngành kinh tế kỹ thuật về gia công chất đang phát triển mạnh mẽ và tăng theo sự phát triển kinh tế.

Hằng năm, thế giới sản xuất hơn 150 triệu tấn nhựa và mức tiêu thụ đầu người ở các nước dao động trong khoảng 60-1 00kg/người. Đối với các nước đang phát triển, mặc dù mức tiêu thụ sản phẩm nhựa tính trên đầu người thấp hơn các nước phát triển, nhưng tổng sản lượng sản xuất và phát triển cũng rất đáng kể. Tính trung bình năm 2000, Trung Quốc đã tiêu thụ 16 triệu tấn plastic, đứng thử 5 trên thế giới chỉ sau Mỹ, Đức, Nhật, Nam Triều Tiên (Ren, 2003). Sản lượng nhựa trên thế giới tăng bình quân hàng năm 3,5%.

Năm 1997 tổng sản lượng nhựa nói chung của thế giới là 127 triệu tấn. Riêng Tây Âu 27,978 triệu tấn (trong đó LDPE chiếm 20,5%, HDPE : 14%).