Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sự hấp phụ Cuii bằng vật liệu zeolit MCM-41 từ tro trấu

Nghiên cứu sự hấp phụ cuii bằng zeolit MCM-41 từ tro trấu, luận văn thạc sĩ hóa học cung cấp giải pháp hiệu quả cho ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Lê Thị Diệu Linh
• Người hướng dẫn: Cán Bộ Hoàng Văn Đức
• Trường học: Đại Học Huế
• Chuyên ngành: Hóa Thuyết Và Hóa Lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Hấp Phụ Cu (II) Bằng Vật Liệu Zeolit-MCM-41 Được Tổng Hợp Với Nguồn Silic Từ Tro Trấu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ hóa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu hấp phụ Cu(II) bằng zeolit MCM-41 từ tro trấu là một lĩnh vực quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Cu(II) là một kim loại nặng thường xuất hiện trong nước thải công nghiệp, gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc sử dụng zeolit MCM-41, một loại vật liệu có cấu trúc mao quản, để hấp phụ Cu(II) từ nước thải là một giải pháp tiềm năng. Nghiên cứu này không chỉ giúp làm sạch môi trường mà còn mở ra hướng đi mới trong việc tái sử dụng tro trấu - một nguồn nguyên liệu phong phú và rẻ tiền. Theo đó, quá trình hấp phụ được thực hiện thông qua các thí nghiệm thực nghiệm nhằm xác định khả năng hấp phụ của zeolit MCM-41 đối với Cu(II).

II. Tính chất và cấu trúc của zeolit MCM 41

Zeolit MCM-41 có cấu trúc đặc biệt với kích thước mao quản đồng nhất, cho phép nó hấp phụ các ion kim loại nặng hiệu quả. Cấu trúc này được hình thành từ các khung silicat, tạo ra các lỗ rỗng có kích thước khoảng 2-3 nm. Tính chất zeolit như diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi ion cao là những yếu tố quan trọng giúp tăng cường khả năng hấp phụ Cu(II). Nghiên cứu cho thấy rằng, zeolit MCM-41 có thể được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, trong đó tro trấu là một lựa chọn khả thi. Việc sử dụng tro trấu không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị trong xử lý nước thải. Các phương pháp phân tích như XRD và TEM được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của zeolit MCM-41.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm tổng hợp zeolit MCM-41 từ tro trấu và thực hiện các thí nghiệm hấp phụ Cu(II). Các mẫu zeolit được tổng hợp và đặc trưng bằng các phương pháp như XRD, EDX và TEM. Thí nghiệm hấp phụ được thực hiện trong điều kiện khác nhau về pH, nồng độ Cu(II) và thời gian tiếp xúc. Kết quả thu được sẽ được phân tích để xác định khả năng hấp phụ của zeolit MCM-41. Mô hình Langmuir và Freundlich được áp dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Việc sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại giúp đánh giá chính xác hiệu suất hấp phụ của zeolit MCM-41 đối với Cu(II).

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy zeolit MCM-41 có khả năng hấp phụ Cu(II) cao, với dung lượng hấp phụ đạt được lên đến 240,85 mg/g. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ cũng được khảo sát, cho thấy rằng pH tối ưu cho quá trình này là khoảng 5-6. Nồng độ Cu(II) trong dung dịch cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ, với nồng độ cao hơn dẫn đến khả năng hấp phụ tốt hơn. Các mô hình Langmuir và Freundlich đều cho thấy sự phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy zeolit MCM-41 có thể được sử dụng hiệu quả trong xử lý nước thải chứa Cu(II). Nghiên cứu này không chỉ khẳng định khả năng hấp phụ của zeolit MCM-41 mà còn mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng tro trấu làm nguyên liệu trong xử lý ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng zeolit MCM-41 tổng hợp từ tro trấu có khả năng hấp phụ Cu(II) hiệu quả. Việc sử dụng zeolit trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị từ nguồn nguyên liệu sẵn có. Kết quả nghiên cứu mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng zeolit MCM-41 trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong công nghệ xử lý nước thải. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp zeolit và mở rộng ứng dụng của nó trong xử lý các kim loại nặng khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Vật liệu mao quản trung bình (MQTB), 1.1, Giới thiệu vật u mao quản trung bình 'Vật liệu có cấu trúc mao quản là vật liệu mà trong lòng nó có hệ thống mao quản. với kích thước từ vài đến vài chục nano mét. Các mao quản có thể có dạng ống hình trụ (linear, parallel channels), ba chiều (three dimensional pore) hoặc dạng lồng (cage).

Sự có mặt của các mao quản đó làm cho vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt mà những vật liệu đặc khít không có được. Theo IUPAC, vật liệu mao quân được chia thành ba loại dựa vào kích thước mao. Với cách phân loại này, các vật liệu vô cơ rắn xốp chứa các mao quản có đường kính 2 = 50 nm được gọi là vật liệu mao quan trung bình (mesopore); vật liệu có đường kính mao quản nhỏ hơn 2 nm và lớn hơn 50 nm được gọi là vật liệu vi mao quản (micropore) va vật liệu có mao quản lớn (macropore). Phân loại vật liệu MỌTB, Hiện nay, vật liệu MQTB được phân loại theo hai cơ sở: cấu trúc và thành phần.

Phân loại theo cầu trúc. ~ Cấu trúc luc lang (hexagonal): MCM-41, SBA-15,. ~ Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16, ~ Cầu trúc lớp (laminar): MCM-50,. ~ Cấu trúc không trật tự (disorderet): KIT-1, Lạ,.

a Lục lăng b-Lập =3 Hình 1. Các dang edu trúc vat ligu MOTB 10 Phân loại theo thành phần ~ Vật liệu MQTB chứa silie: MCM-41, Al/MCM-41, Tỉ/MCM-41, Fe/MCM-4I, MCM-48, SBA-15, ~ Vật liệu MQTB không chứa silic: ZrOs, TiO, Fe,0s,. Vật liệu mao quản trung bình MCM-41 1. Đặc điểm cấu trúc MCM-41 Nam 1992, các nhà nghiên cứu của công ty dầu mỏ Mobil lần đầu tiên đã sử dụng chất tạo cấu trúc tỉnh thể lỏng để tổng hợp một họ ray phân tử mới mao quản trung bình M41S (đại diện là MCM-41, MCM-48 và MCM-50), Vật liệu MCM-41 là đại diện tiêu biểu của họ vật liệu MQTB được nghiên cứu nhiều nhất.

MCM-41 có hệ mao quản đồng đều với kích thước mao quản cỡ 2-50 nm, hinh lục lăng, một chiều, sắp xếp sít nhau tạo nên cấu trúc tổ ong. Vật liệu MCM-41 Nhóm không gian của MCM-41 là P6mm, thành mao quản là vô định hình và tương đối mỏng (0,6-1,2 nm). Sự phân bố kích thước lỗ là rất hẹp chỉ ra sự trật tự cao của cầu trúc. Chúng có diện tích bŠ mặt riêng lớn khoảng 1000-1200 mẺ/g [33] Hơn nữa, MCM-41 có mao quản trung bình dễ dàng để các phân tử lớn di vio mao quản.

Vì vậy loại vật liệu nảy có khả năng ứng dụng làm chất hấp phụ và xúc tác. Cấu trúc không gian 3 chiéu cia MCM-41 “Tổng hợp và cơ chế hình thành vật liệu MCM-41 'Có bốn thành phần chính cần cho quá trình tổng hợp MCM-4I là: chất hoạt động. 'bề mặt được sử dụng là yếu tố tạo khuôn, nguồn silic, dung môi và chấ tạo môi trường cho dung dịch tổng hợp. Trong quá trình ting hop MCM-41: sir dung chất hoạt động bề mặt là cetyltrimethyl-ammonium bromide (CTAB) làm chất tạo khuôn; sử dụng kết hợp.

natrisilieat làm nguồn silie (từ tro trấu); sử dụng natri hydroxit hoặc tetraetylammoni hydroxit dé tao môi trường bazơ cho hỗn hợp phản ứng. Trong trường hợp tổng hợp. vật liệu aluminosilicat, cần bổ sung vào hỗn hợp phản ứng một nguồn nhôm. phản ứng được giữ ở nhiệt độ 100-150°C trong vòng 24-144 giờ.

Sản phẩm là một chất rắn được lọc, rửa và sấy khô. Cuối cùng, được nung ở 540°C trong không khí để loại 'bỏ khuôn, kết quả thu được vật liệu có cấu trúc xốp. Có rất nhiều cơ chế đã được đưa ra để giải thích quá trình hình thành các loại vật liệu MQTB. Các cơ chế này có một đặc điểm chung là có sự tương tác của các chất định hướng cấu trúc với các tiền chất vô cơ trong dung dịch.

Để tổng hợp vật liệu MQTB cần có ít nhất 3 hợp phần: + Chất ĐHCT đóng vai trò làm tác nhân định hướng cấu trúc vật liệu. + Nguồn vô cơ như silie nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản. + Dung môi (nước, bazơ,.) đóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tỉnh. 2 Chất định hướng cầu trúc + Tiền chất jcat dung ee Hình 1.

Sơ đồ tổng quát hình thành vật ligu MOTB Khi nghiên cứu sự hình thành cấu trúc nhóm vật liệu MQTB M41S, các nhà nghiên cứu của hãng Mobil nhận thấy có sự tương đồng rất đáng chú ý giữa cấu trúc vật liệu M41S và pha tinh thé long. Trên thực tế kích thước lỗ của vật liệu có thể điều chỉnh được trong khoảng từ 15 đến 100 Â bằng cách thay đổi chiều dài mạch của chất hoạt động bẻ mặt hoặc bằng cách. thêm vào hỗn hợp phản ứng các tác nhân hữu cơ hoà tan (nó chui vào bên trong và làm tăng kích thước các mixen). Chính các lý do trên đã đưa đến việc đề xuất cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thé long (Liquid Crystal) [21].

Cơ chế này được biểu diễn như hình 1. Cơ chế định hướng theo cầu tric tinh thể lỏng. Theo co ché, trong dung dịch các chất định hướng cấu trúc tự sắp xếp thành pha. tinh thé long có dạng mixen ống, thành ống là các đầu ưa nước của các phân tử chất định hướng cấu trúc và đuôi là phần kị nước hướng vào trong.

Các mixen ống này đóng vai trò làm tác nhân tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tỉnh thể lỏng dạng lục lăng. Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với đầu. phân cực của chất định hướng cấu trúc thông qua tương tác tĩnh điện (S”T, ST”, trong đó S là chất định hướng cấu trúc, I là tiễn chất vô cơ) hoặc tương tác hiđro (S”I') và hình thành niên lớp màng silicat xung quanh mixen ống, quá trình polime hóa ngưng tụ silicat tạo nên 13 tường vô định hình của vật liệu oxitsilie MQTB. Các dạng silicat trong dung dịch có thể đóng vai trò tích cực trong việc định hướng sự hình thành pha hữu cơ và vô cơ.

Mặt khác, các phân tử chất định hướng cấu. trúc có vai trò quan trọng trong việc thay đổi kích thước mao quản. Thay đổi phần ki nước của chất định hướng cấu trúc có thể làm thay đổi kích thước mao quản mixen, do. đó tạo ra khả năng chế tạo các vật liệu MQTB có kích thước mao quản khác nhau.

Ngoài ra, một số cơ chế khác như cơ ché sip xép silicat gap (Silicate Rod Assembly), eo chế lớp silicat gấp (Silieate Layer Puckering), cơ chế phù hợp mật độ điện tích (Charge Density Matching) [8|. cũng được đẻ ra để giải thích sự hình thành. cau tric MQTB 1. Ung dung c vật u MQTB MCM-41 Nhờ ưu điểm di bề mặt lớn, hệ mao quản đồng đều và độ trật tự cao, vật liệu MCM-41 được dùng làm chất mang cho axit bazơ và các nano kim loại cũng như.

oxit kim loại lên bề mặt của chúng để thực hiện phản ứng xúc tác theo mong muốn, khi kết hợp một oxit hoặc một kim loại có hoạt tính xúc tác cao với một khung có điện tích bề mặt lớn có thể làm các chất xúc tác ở trạng thái phân tán cao nên có thể phát huy tối đa tác dụng của chúng. Ví dụ: Pd-MCM-41 thể hiện tính chất xúc tác chọn. lọc hóa học trong nhiều phản ứng hiđro hóa như chuyển xiclohexen thành xiclohexan. Sử dụng để chế tạo các chất hấp phụ, chuyển hoá phân tử kích thước lớn thường gặp trong tổng hợp hữu cơ mà các vật liệu cấu trúc mao quản nhỏ như Zeolit tỏ ra không phù hợp.

Ví dụ: Ứng dụng MCM-41 hấp phụ dibenzothiophene (một hợp chất chứa lưu huỳnh) từ mẫu dầu [20]. Ứng dụng vật liệu MQTB MCM-4I trong xúc tác di thể tổng hợp hoá chất tình khiết [36]. Mặc dù có nhiều tru điểm, nhưng loại vật liệu này cũng tồn tại một số nhược điểm như độ bằn nhiệt, độ thủy nhiệt chưa cao và lực axit của các tâm xúc tác vẫn còn. yếu hơn so với zeolite [12].

Shylesh và cộng sự [47], thành mao quản của vật MQTB có độ dày không cao và ngoài ra MCM-41 thực chất không phải la tinh thé do không có sự sắp xếp có thứ tự của các nguyên tử trong mạng lưới. Sự kết tỉnh của MCM-41 chỉ có ý nghĩa là sự sắp đặt đều đặn của các kênh mao quản của các nguyên. 4 tố có hoạt tính trong vật liệu hay nói cách khác MCM-41 là vật liệu gid tinh thé [23], vì vậy cấu trúc MQTB dễ bị mắt đi khi gặp điều kiện phản ứng mãnh liệt. Để khắc phục những nhược điểm, các nhà khoa học đã biến tính bề mặt MCM- 41.

Có nhiều hướng biến tính MCM-41 khác nhau đã được nghiên cứu như: phân tán các kim loại hoạt động lên bề mặt mao quản để tạo các tâm xúc tác [§] ,“gắn” các nhóm chức lên bề mặt để tạo các tâm hấp phụ [34, 42] hoặc tỉnh thể hóa nhằm tăng. cường khả năng bền vững cấu trúc và tối ưu hóa khả năng xúc tác.3, Vật liệu MCM-41 biến tính 1. Biến tính bằng kim loại Một trong những biện pháp nhằm tăng độ bẻn đồng thời tạo ra các tâm xúc tác cho. vật liệu là chức năng hóa bể mặt của vật liệu hay còn gọi là biển tính vật liệu Si-MCM- 41 bằng các kim loại chuyển tiếp.

Vật liệu MCM-41 sau khi biến tính bằng kim loại thi chúng trở nên bên nhiệt và bền thủy nhiệt hơn, đồng thời xuất hiện các tâm xúc tác. nhiều phương pháp để biến tính kim loại đó là trực tiếp và gián tiếp. ~_ Phương pháp trực tiếp. Trong phương pháp này, nguồn kim loại được đưa trực tiếp vào trong giai đoạn tổng.

hợp vật liệu mao quản trung bình. Trong quá trình hình thành vật liệu MQTB, kim loại được phân tin vào thành mao quản của vật liệu. ~ _ Phương pháp gián tiếp Phương pháp gián tiếp thường gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 1: Téng hợp vật liệu nền Giai đoạn 2: Phân tán kim loại lên bề mặt của vật liệu nền.

Có nhiều cách khác nhau để đưa kim loại lên bề mặt vật liệu nhưng phổ biến có các phương pháp: Phương pháp tắm, phương pháp ghép, phương pháp trao đổi ion. Cho đến nay đã có nhiều công trình công bố việc biến tính vật liệu mao quản bởi nhiều kim loại khác nhau như: + Vật liệu Mn/MCM-41 được điều chế bằng phương pháp tẩm thể hiện khả năng. hap phụ tốt thuốc nhuộm xanh metylen (MB) [8] 15 + Vật liệu Ti-MCM-4I thể hiện tính oxi hoá cao đối với phản ứng epoxi hoá các. olefin đặc biệt là các olefin có kích thước lớn [37], + Vật liệu M-MCM-4I (M: V, C0) xúc tác cho quá trình oxi hóa etyl benzen va diphenyl benzen [45].

Biến tính bằng hợp chất hữu cơ.