Luận văn thạc sĩ hus chế tạo xúc tác kim loại trên chất mang cho phản ứng hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone sử dụng axit formic làm nguồn cung cấp hidro

Nghiên cứu chế tạo xúc tác kim loại cho phản ứng hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone sử dụng axit formic làm nguồn cung cấp hidro.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hải Yến
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Anh Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Chế Tạo Xúc Tác Kim Loại Trên Chất Mang Cho Phản Ứng Hiđro Hóa Axit Levulinic Thành Gama – Valerolactone Sử Dụng Axit Focmic Làm Nguồn Cung Cấp Hiđro
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Định nghĩa, thành phần, và nguồn gốc
• 1.2. Sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học và hóa chất
• 1.3. Giới thiệu về axit levulinic
• 1.4. Điều chế axit levulinic từ các dẫn xuất biomass
• 1.5. Ứng dụng của axit levulinic
• 1.6. Giới thiệu về gama - valerolactone
• 1.7. Điều chế GVL từ axit levulinic
• 1.8. Tiềm năng ứng dụng của GVL
• 1.8.1. Ứng dụng làm dung môi
• 1.8.2. Ứng dụng làm nhiên liệu lỏng và phụ gia nhiên liệu
• 1.8.3. GVL sử dụng làm chất đầu sản xuất hóa chất khác
• 1.9. Tổng quan về chuyển hóa biomass thành GVL
• 1.10. Xúc tác và dung môi trong tổng hợp GVL
• 1.11. Nguồn chất khử
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Định hướng nội dung của đề tài
• 2.2. Dụng cụ - Thiết bị
• 2.3. Pha dung dịch
• 2.4. Quy trình chế tạo xúc tác
• 2.5. Chuẩn bị dung dịch đo ICP-MS
• 2.6. Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu
• 2.6.1. Nhiễu xạ tia X
• 2.6.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.6.3. Phổ khối lượng cảm ứng plasma (ICP-MS)
• 2.6.4. Phổ quang điện tử tia X
• 2.7. Chuẩn bị dung dịch xây dựng đường chuẩn GVL và LA
• 2.8. Qui trình thực hiện phản ứng xúc tác hiđro hóa axit levulinic
• 2.9. Định lượng các chất trong hỗn hợp phản ứng
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2. Xác định trạng thái oxi hóa bằng phổ quang điện tử tia X (XPS)
• 3.3. Xác định hàm lượng Au
• 3.4. Kết quả đo TEM
• 3.5. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ GVL và LA
• 3.6. Hydro hóa LA để tạo thành GVL
• 3.7. Đánh giá trạng thái tâm xúc tác sau phản ứng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo xúc tác kim loại cho phản ứng hidro hóa axit levulinic

Nghiên cứu chế tạo xúc tác kim loại cho phản ứng hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone (GVL) đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực hóa học và công nghệ. Axit levulinic (LA) là một hợp chất quan trọng có thể được sản xuất từ sinh khối, và GVL là một sản phẩm có giá trị cao với nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp. Việc phát triển các phương pháp hiệu quả để chuyển đổi LA thành GVL thông qua phản ứng hidro hóa là một thách thức lớn, đòi hỏi sự nghiên cứu sâu sắc về các loại xúc tác và điều kiện phản ứng.

1.1. Định nghĩa và vai trò của axit levulinic trong công nghiệp

Axit levulinic (LA) là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C5H8O3, được sản xuất từ quá trình thủy phân lignocellulose. LA có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm và thực phẩm. Nó có thể được chuyển hóa thành nhiều sản phẩm có giá trị khác nhau, bao gồm GVL, thông qua các phản ứng hóa học khác nhau.

1.2. Gama valerolactone Tính chất và ứng dụng

Gama valerolactone (GVL) là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C5H8O2, được biết đến với tính chất thân thiện với môi trường. GVL có thể được sử dụng làm dung môi, nhiên liệu lỏng và phụ gia cho các sản phẩm hóa học khác. Tính chất hóa học của GVL cho phép nó dễ dàng chuyển hóa thành các hợp chất hữu ích khác, làm cho nó trở thành một ứng viên lý tưởng trong ngành công nghiệp hóa chất.

II. Thách thức trong quá trình hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone

Quá trình hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone gặp phải nhiều thách thức, bao gồm việc lựa chọn loại xúc tác kim loại phù hợp và tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và thời gian phản ứng đều ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất phản ứng là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng hidro hóa

Hiệu suất của phản ứng hidro hóa axit levulinic phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại xúc tác, áp suất khí H2, và nhiệt độ phản ứng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong hiệu suất chuyển hóa LA thành GVL.

2.2. Vấn đề về chọn lọc sản phẩm trong phản ứng hidro hóa

Một thách thức lớn trong quá trình hidro hóa là việc kiểm soát chọn lọc sản phẩm. Phản ứng có thể dẫn đến sự hình thành nhiều sản phẩm phụ không mong muốn, làm giảm hiệu suất và độ tinh khiết của GVL. Do đó, việc phát triển các xúc tác có khả năng chọn lọc cao là rất cần thiết.

III. Phương pháp chế tạo xúc tác kim loại cho phản ứng hidro hóa

Phương pháp chế tạo xúc tác kim loại cho phản ứng hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone bao gồm nhiều bước, từ việc lựa chọn chất mang đến quá trình tổng hợp và tối ưu hóa xúc tác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các chất mang như ZrO2 có thể cải thiện tính chất xúc tác và hiệu suất phản ứng.

3.1. Quy trình chế tạo xúc tác kim loại trên chất mang

Quy trình chế tạo xúc tác kim loại thường bao gồm các bước như chuẩn bị chất mang, kết tủa kim loại, và xử lý nhiệt. Việc lựa chọn chất mang và điều kiện xử lý nhiệt có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của xúc tác, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng.

3.2. Đánh giá tính chất xúc tác bằng các phương pháp phân tích

Các phương pháp phân tích như TEM, XRD và XPS được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của xúc tác. Những thông tin này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của xúc tác và khả năng của nó trong phản ứng hidro hóa axit levulinic.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của gama valerolactone

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng xúc tác kim loại trên chất mang có thể cải thiện hiệu suất chuyển hóa axit levulinic thành gama valerolactone. Các ứng dụng thực tiễn của GVL trong ngành công nghiệp hóa chất và năng lượng đang được mở rộng, với nhiều nghiên cứu đang được thực hiện để khai thác tiềm năng của nó.

4.1. Hiệu suất chuyển hóa axit levulinic thành gama valerolactone

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất chuyển hóa axit levulinic thành gama valerolactone có thể đạt tới 90% khi sử dụng xúc tác kim loại phù hợp. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của GVL trong việc thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch.

4.2. Ứng dụng gama valerolactone trong công nghiệp

GVL có thể được sử dụng làm dung môi, nhiên liệu lỏng và phụ gia cho các sản phẩm hóa học khác. Sự phát triển của GVL như một nguồn năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và triển khai trong nhiều lĩnh vực, từ năng lượng đến dược phẩm.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu chế tạo xúc tác kim loại

Nghiên cứu chế tạo xúc tác kim loại cho phản ứng hidro hóa axit levulinic thành gama valerolactone mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển các nguồn năng lượng bền vững. Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng và cải thiện tính chất xúc tác sẽ là những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của gama valerolactone trong ngành công nghiệp

GVL có tiềm năng lớn trong việc thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu và phát triển GVL như một nguồn năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục được thúc đẩy trong những năm tới.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong chế tạo xúc tác

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các loại xúc tác mới với khả năng chọn lọc cao hơn và hiệu suất tốt hơn trong phản ứng hidro hóa axit levulinic. Điều này sẽ góp phần quan trọng vào việc phát triển công nghệ sản xuất năng lượng bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện nay, hơn 84% nhu cầu năng lượng và nguyên liệu của toàn cầu vẫn phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái tạo (trong đó dầu mỏ chiếm 34%, khí tự nhiên chiếm 28% và than đá chiếm 22%). Sự cạn kiệt nguồn tài nguyên này cùng với sự gia tăng phát thải khí nhà kính là động lực thúc đẩy chuyển dịch sang mô hình tinh chế sinh học. Hằng năm, sinh giới sản sinh khoảng 1,7 x 10^11 tấn sinh khối với 75% là carbohydrate, nhưng chỉ khoảng 3 - 4% được con người khai thác sử dụng. Trong số các hợp chất có nguồn gốc sinh khối, axit levulinic (LA) là một trong 12 hóa chất nền tảng quan trọng nhất để tổng hợp gama-valerolactone (GVL) – một hợp chất đa năng dùng làm dung môi xanh, phụ gia nhiên liệu có mật độ năng lượng cao và tiền chất cho ngành polyme, dược phẩm.

Tuy nhiên, các quy trình hydro hóa LA truyền thống đòi hỏi nguồn khí nén H2 ở áp suất rất cao từ 1,2 đến 5,5 MPa (thậm chí 30 đến 200 bar), tiềm ẩn rủi ro cháy nổ lớn và tiêu tốn năng lượng hóa hơi khi phản ứng ở pha hơi trên 170°C. Luận văn Thạc sĩ Hóa học chuyên ngành Hóa Vô cơ (mã số 60440113) thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2015 đã giải quyết thách thức này bằng cách nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác kim loại quý trên chất mang oxit kim loại để hydro hóa LA thành GVL trong pha lỏng ở 150°C, sử dụng axit formic (FA) làm nguồn cung cấp hydro nội sinh an toàn thay cho khí H2 nén từ bên ngoài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết tinh chế sinh học từ vật liệu lignocellulose (chứa 40 - 50% cellulose, 25 - 35% hemicellulose và 15 - 20% lignin). Thông qua quá trình thủy phân và dehydrat hóa xúc tác axit, lignocellulose được chuyển hóa thành axit levulinic (LA, C5H8O3, khối lượng phân tử 116,11 g/mol, pKa 4,59 ở 25°C, nhiệt độ sôi 246°C).

Cơ sở thứ hai là lý thuyết xúc tác dị thể kim loại quý và phản ứng chuyển dời hydro (transfer hydrogenation). Phản ứng chuyển hóa LA thành GVL (C5H8O2, khối lượng phân tử 100,12 g/mol, nhiệt độ sôi 207 - 208°C, nhiệt thiêu đốt -29,7 kJ/g) xảy ra qua hai giai đoạn: axit formic phân hủy tạo hydro và cacbon dioxit (HCOOH → H2 + CO2), sau đó hydro mới sinh tham gia phản ứng hydro hóa và đóng vòng lacton của LA. Tâm hoạt tính xúc tác phải đáp ứng đồng thời hai chức năng: phân tách FA chọn lọc ở nhiệt độ vừa phải và xúc tác cho phản ứng hydro hóa LA mà không tạo ra sản phẩm phụ bất lợi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo 4 hệ xúc tác chứa 3,0% khối lượng vàng (Au) trên các chất mang khác nhau gồm: 3% Au/MgO (sử dụng 6,46 g Mg(NO3)2·8H2O), 3% Au/Al2O3 (sử dụng 7,52 g tiền chất nhôm), 3% Au/HT3 (2,63 g muối Mg và 1,24 g muối Al) và 3% Au/ZrO2 (sử dụng 3,22 g tiền chất zirconi). Phương pháp bão hòa nồng độ thấp kết hợp kết tủa đồng thời với dung dịch Na2CO3 hoặc NaOH 1M được áp dụng, có bổ sung 5 mL glycerol làm chất khử và già hóa thủy nhiệt ở 140°C trong 12 giờ.

Cấu trúc và pha tinh thể được phân tích bằng nhiễu xạ tia X đa tinh thể XRD (hệ Bruker D8 Advance, bức xạ CuKα λ = 0,15406 nm, 40 kV – 40 mA, góc quét 2θ từ 2° đến 80°). Hình thái hạt và diện mạo bề mặt được đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (JEOL-JEM1010 tại 100 kV). Trạng thái oxi hóa của tâm kim loại được xác định qua phổ quang điện tử tia X XPS (Shimadzu Kratos AXIS-ULTRA DLD, chuẩn hóa pic C1s 284,8 eV). Tải lượng Au thực tế được định lượng bằng phổ khối lượng cảm ứng plasma ICP-MS (Perkin Elmer Elan 9000). Hỗn hợp phản ứng được định lượng bằng sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS (Agilent 6890N-MSD 5975A, cột mao quản HP-5MS 30 m x 0,25 mm) trên dãy chuẩn 5 điểm nồng độ với chất nội chuẩn naphtalen (~40,4 mg).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả XRD và XPS chứng minh glycerol đóng vai trò quyết định trong việc hình thành pha kim loại Au(0). Giản đồ XRD của mẫu Au/ZrO2 có sử dụng glycerol xuất hiện 3 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại góc 2θ = 38,2°, 43,3° và 64,4°, tương ứng với các mặt mạng tinh thể (111), (200), và (220) của Au kim loại lập phương tâm mặt. Phổ XPS xác nhận toàn bộ Au trong mẫu có glycerol tồn tại ở trạng thái oxi hóa Au(0) với năng lượng liên kết Au4f7/2 tại 84,2 eV và Au4f5/2 tại 87,9 eV (độ tách spin-orbital Δ = 3,7 eV). Trong khi đó, mẫu không có glycerol chứa đồng thời 57,11% mol Au(0) và 42,89% mol Au(+3) (pic 86,1 eV và 89,9 eV).

Thứ hai, phân tích ICP-MS xác nhận hàm lượng Au thực tế bám trên bề mặt chất mang rất sát với tính toán lý thuyết 3,0% khối lượng: Au/Al2O3 đạt 2,97%, Au/MgO đạt 2,97%, Au/HT3 đạt 3,09% và Au/ZrO2 đạt 2,92%. Ảnh TEM cho thấy các hạt Au phân tán đồng đều trên nền ZrO2 với kích thước hạt trung bình khoảng 36 nm.

Thứ ba, đường chuẩn định lượng GVL và LA trên thiết bị GC-MS đạt độ tuyến tính rất cao với hệ số tương quan R2 = 0,9996. Thời gian lưu của GVL, LA và naphtalen lần lượt là 6,058 phút, 8,432 phút và 9,988 phút với các pic tách rời sắc nét.

Thứ tư, khi tiến hành phản ứng theo Quy trình 1 (bình thủy tinh 10 mL đun cách dầu ở 150°C, thời gian 6 - 18 giờ), độ chuyển hóa LA và hiệu suất GVL đạt 0% (chỉ xuất hiện lượng vết sau 18 giờ) do chênh lệch áp suất làm rò rỉ khí H2. Ngược lại, khi chuyển sang Quy trình 2 (vial 2 mL đặt trong autoclave ngập 2/3 nước ở 150°C trong 5 giờ), áp suất hơi nước tự sinh bên ngoài đã triệt tiêu độ chênh áp, giữ trọn vẹn hydro trong vial để thực hiện hydro hóa thành công.

Thảo luận kết quả

Hoạt tính xúc tác của hệ Au/ZrO2 có được là nhờ sự kết hợp giữa các hạt nano Au(0) và chất mang ZrO2 vô định hình. Glycerol vừa khử hoàn toàn Au(III) về Au(0), vừa ức chế quá trình kết tinh của pha ZrO2, tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và phân tán tốt các tâm hoạt tính 36 nm. Ở 150°C, Au(0) phân tách chọn lọc axit formic thành H2 và CO2 mà không sinh ra khí CO gây ngộ độc xúc tác. Hydro mới sinh với hoạt tính hóa học cao lập tức tấn công vào nhóm cacbonyl của LA, thúc đẩy quá trình tách nước và đóng vòng tạo GVL ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ thông thường (>170°C).

So với các công bố trước đây sử dụng xúc tác Ru/C hoặc phức đồng thể RuCl2(PPh3)3 dưới áp suất H2 từ 30 đến 100 bar, giải pháp xúc tác Au/ZrO2 dị thể kết hợp axit formic đã khắc phục triệt để khó khăn trong việc tách sản phẩm và loại trừ nguy cơ cháy nổ từ bình khí nén cao áp. Dữ liệu phân tích định lượng được thể hiện rõ ràng qua đồ thị đường chuẩn tuyến tính R2 = 0,9996 và các phổ tách pic XPS Au4f, khẳng định cơ chế chuyển dời hydro diễn ra ổn định và tin cậy.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tối ưu hóa kích thước hạt nano Au xuống dưới mức 10 nm (giảm từ 36 nm hiện tại) bằng cách kiểm soát tốc độ nhỏ giọt dung dịch kiềm và nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc riêng và nâng độ chuyển hóa LA đạt trên 95% trong vòng 3 - 4 giờ phản ứng; chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu vật liệu vô cơ trong thời gian 6 - 9 tháng.
• Phát triển mô hình phản ứng dòng liên tục (continuous flow reactor) có tích hợp hệ thống kiểm soát áp suất tự sinh 5 - 10 bar thay thế cho hệ autoclave gián đoạn 2 mL, phục vụ mục tiêu thu hồi liên tục sản phẩm GVL tinh khiết; chủ thể thực hiện là kỹ sư công nghệ hóa học trong vòng 12 tháng.
• Thực hiện khảo sát độ bền nhiệt và khả năng tái sử dụng xúc tác Au/ZrO2 qua tối thiểu 5 chu kỳ phản ứng liên tiếp, đồng thời định lượng hàm lượng kim loại bị rửa trôi (leaching) bằng ICP-MS sau mỗi chu kỳ; phòng thí nghiệm xúc tác đảm nhiệm trong 6 tháng.
• Mở rộng thử nghiệm trực tiếp trên nguồn nguyên liệu dịch thủy phân từ phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, bã mía chứa 40 - 50% cellulose) ở quy mô pilot 10 - 20 lít/mẻ, hướng đến thương mại hóa quy trình sản xuất dung môi xanh; thực hiện bởi các viện nghiên cứu phối hợp cùng doanh nghiệp sinh học trong 18 - 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa Vô cơ, Hóa Dầu và Khoa học Vật liệu: Nắm bắt chi tiết quy trình tổng hợp xúc tác kim loại quý trên chất mang oxit vô cơ bằng phương pháp bão hòa nồng độ thấp và kỹ thuật phân tích cấu trúc hiện đại (XPS, XRD, TEM, ICP-MS).
• Kỹ sư công nghệ hóa chất và lọc hóa dầu: Ứng dụng công nghệ tinh chế sinh học chuyển hóa lignocellulose thành các hợp chất có giá trị gia tăng cao, phục vụ sản xuất phụ gia nhiên liệu xanh.
• Doanh nghiệp sản xuất dung môi công nghiệp và năng lượng tái tạo: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật sử dụng axit formic an toàn, giá rẻ để thay thế khí hydro nén cao áp (30 - 200 bar), giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị chịu áp lực.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học: Bổ sung tài liệu tham khảo cho các học phần Xúc tác dị thể, Hóa học các hợp chất thiên nhiên và phương pháp xây dựng đường chuẩn định lượng sắc ký GC-MS.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao axit formic (FA) được lựa chọn làm nguồn cung cấp hydro thay thế khí H2 nén?
Axit formic là chất lỏng an toàn, dễ lưu trữ và có thể sản xuất từ sinh khối với chi phí thấp. Dưới tác dụng của xúc tác Au/ZrO2 ở 150°C, FA phân hủy thành H2 và CO2 ngay trong bình phản ứng. Hydro mới sinh có hoạt tính cao, giúp phản ứng hydro hóa LA diễn ra êm dịu mà không cần hệ thống bình khí nén cao áp từ 30 đến 200 bar.

2. Glycerol đóng vai trò gì trong quá trình chế tạo xúc tác Au/ZrO2?
Glycerol đóng hai vai trò: khử hoàn toàn ion Au(III) về trạng thái Au(0) kim loại (đạt 100% Au0 trên phổ XPS) và ức chế sự phát triển tinh thể của ZrO2. Nhờ đó, chất mang ZrO2 duy trì cấu trúc vô định hình có bề mặt tiếp xúc lớn, giúp các hạt Au 36 nm phân tán đều và bám dính bền vững.

3. Vì sao Quy trình 1 trong bình thủy tinh 10 mL không tạo ra sản phẩm GVL?
Trong Quy trình 1, phản ứng thực hiện ở 150°C làm áp suất trong bình tăng cao, tạo độ chênh áp lớn với môi trường ngoài dẫn đến hiện tượng rò rỉ khí hydro mới sinh qua đệm làm kín. Do thiếu hụt lượng hydro cần thiết, phản ứng hydro hóa LA không thể diễn ra và hiệu suất GVL chỉ đạt lượng vết sau 18 giờ.

4. Quy trình 2 khắc phục hiện tượng thất thoát hydro bằng cách nào?
Quy trình 2 sử dụng vial 2 mL đặt trong bình autoclave chứa nước ngập 2/3 thân vial. Khi gia nhiệt ở 150°C trong 5 giờ, lượng nước bên ngoài bốc hơi tạo áp suất tự sinh cân bằng với áp suất bên trong vial, loại bỏ chênh lệch áp suất và bảo toàn hoàn toàn lượng hydro sinh ra từ FA để hydro hóa LA thành GVL.

5. Hợp chất Gama-Valerolactone (GVL) có những tiềm năng ứng dụng thương mại nào?
GVL có nhiệt độ sôi 207 - 208°C, nhiệt thiêu đốt -29,7 kJ/g và độ tan vô hạn trong nước. GVL được ứng dụng trực tiếp làm dung môi xanh an toàn thay thế THF/clorofom, làm phụ gia tăng chỉ số octan cho nhiên liệu, hoặc làm tiền chất sản xuất 2-methyltetrahydrofuran (MTHF), axit pentanoic và các monome cho ngành polyme.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hệ xúc tác nano Au trên 4 loại chất mang (ZrO2, Al2O3, MgO, HT3) với hàm lượng Au thực tế đạt 2,92% - 3,09% khối lượng.
• Chứng minh glycerol khử triệt để 100% Au(III) về Au(0) và phân tán các hạt nano Au kích thước 36 nm trên nền chất mang ZrO2 vô định hình.
• Thiết lập phương pháp định lượng đồng thời GVL và LA trên hệ thống GC-MS với chất nội chuẩn naphtalen đạt độ tuyến tính cao R2 = 0,9996.
• Chứng minh tính khả thi của việc dùng axit formic làm nguồn cung cấp hydro nội sinh an toàn để hydro hóa LA thành GVL ở điều kiện êm dịu 150°C.
• Giải quyết triệt để vấn đề rò rỉ hydro bằng kỹ thuật phản ứng trong bình autoclave cân bằng áp suất hơi tự sinh trong thời gian 5 giờ.

Trong giai đoạn 6 - 12 tháng tới, các hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tinh chỉnh kích thước hạt Au dưới 10 nm và vận hành trên hệ phản ứng dòng liên tục. Độc giả và các đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể kết nối trực tiếp với nhóm tác giả tại Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội để trao đổi và chuyển giao công nghệ!

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải trên toàn thế giới đã dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ nhu cầu nhiên liệu. Hiện nay hơn 84% nhu cầu nhiên liệu của loài ngƣời dựa trên việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái tạo đƣợc (dầu 34%, gas 28%, than đá 22%), nhƣng các nguồn nhiên liệu này có hạn và ngày càng trở nên đắt hơn. Hơn nữa quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch để sản xuất nhiệt và điện làm gia tăng các khí gây hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân chính gây biến đổi khí hậu. Nguồn tài nguyên hóa thạch ngày càng giảm dần và sự xuống cấp của môi trƣờng là động lực mạnh mẽ cho việc tìm kiếm các nguồn tài nguyên bền vững và có thể tái tạo đƣợc.

Nhiều nguồn năng lƣợng thay thế khác nhau đã và đang đƣợc phát triển chẳng hạn nhƣ năng lƣợng nhiệt điện, năng lƣợng gió, năng lƣợng địa nhiệt điện, năng lƣợng mặt trời. Tuy nhiên, quá trình khai thác, sử dụng các nguồn năng lƣợng này có thể mất nhiều thời gian hơn so với dự kiến. Vì vậy, việc phát triển các quá trình chuyển hóa tài nguyên sinh khối thành nhiên liệu và nguyên liệu sẽ là xu hƣớng tiếp cận chủ đạo trong vài thập kỉ tới. Sinh khối là một nguồn tài nguyên thay thế phong phú và tái tạo đƣợc, nó là nguồn tài nguyên tốt nhất để thay thế cho tài nguyên hóa thạch để phát triển nguồn nhiên liệu bền vững và nguyên liệu đầu cho công nghiệp hóa chất.

Đặc điểm quan trọng nhất của một chất đƣợc coi là chất đầu bao gồm khả năng sử dụng nó để sản xuất năng lƣợng và các sản phẩm chứa carbon, có thể tái tạo đƣợc, an toàn để lƣu trữ và dễ dàng di chuyển với số lƣợng lớn, nhiệt độ nóng chảy thấp, nhiệt độ sôi và điểm chớp cháy cao, độc tính thấp hoặc không có độc tính và dễ dàng bị phân hủy sinh học. Gama -valerolactone (GVL) đƣợc coi là một trong những chất tốt nhất có thể đáp ứng các yêu cầu trên. GVL có thể chuyển hóa đƣợc thành nhiên liệu lỏng, phụ gia nhiên liệu, dung môi xanh, phụ gia thực phẩm và làm chất trung gian cho các ngành công nghiệp hóa chất và dƣợc phẩm. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Một trong những phƣơng pháp quan trọng nhất đƣợc sử dụng cho quá trình sản xuất GVL là phản ứng hydro hóa axit levulinic (LA) thu đƣợc từ quá trình thủy phân - dehydrat hóa các hợp chất carbonhydrat trong môi trƣờng tính axit.

Phản ứng hydro hóa LA trong pha hơi diễn ra ở áp suất khí quyển và cho hiệu suất chuyển hóa thành GVL cao. Tuy nhiên phản ứng trong pha hơi tiêu tốn năng lƣợng rất lớn cho sự hóa hơi của chất phản ứng. Hydro hóa LA trong pha lỏng phổ biến hơn tuy nhiên phản ứng thƣờng đòi hỏi áp suất khí H2 cao(1,2-5,5 MPa). Trong pha lỏng, phản ứng hydro hóa LA có thể xảy ra dƣới sự xúc tác của các hệ xúc tác đồng thể hoặc dị thể.

Vì vậy, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Chế tạo xúc tác kim loại trên chất mang cho phản ứng hiđro hóa axit levulinic thành gama-valerolactone sử dụng axit focmic làm nguồn cung cấp hiđro”. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Định nghĩa, thành phần, và nguồn gốc Sinh khối đƣợc định nghĩa là nguồn vật chất đƣợc tổng hợp từ các sinh vật sống (thực vật, động vật, và vi sinh vật) nhƣ gỗ, các loại cây và phế phẩm nông nghiệp, các chất thải từ động vật và sản phẩm vi sinh [6]. Mỗi năm sinh vật trên thế giới sản sinh ra khoảng 1,7.1011 tấn sinh khối và 75% trong số đó là cacbohydrat.