Nghiên cứu hiệu quả xử lý CO từ vật liệu CUO cải tiến trên chất mang OMS2 ở nhiệt độ thấp

Khám phá hiệu quả xử lý CO của vật liệu CUO cải tiến trên chất mang OMS2 ở nhiệt độ thấp trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thị Quỳnh Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trung Thành
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Hiệu quả xử lý CO của vật liệu CuO cải tiến trên chất mang OMS-2 ở nhiệt độ thấp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hiệu quả xử lý CO bằng vật liệu CuO cải tiến

Nghiên cứu hiệu quả xử lý CO bằng vật liệu CuO cải tiến trên chất mang OMS-2 ở nhiệt độ thấp là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường. Khí cacbon monoxit (CO) là một trong những chất gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để xử lý CO là cần thiết. Vật liệu CuO cải tiến trên chất mang OMS-2 đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc oxy hóa CO ở nhiệt độ thấp, giúp giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Khí CO và tác hại của nó đối với môi trường

Khí CO được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau, chủ yếu từ quá trình cháy không hoàn toàn. Sự hiện diện của CO trong không khí gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người, bao gồm ngộ độc và tổn thương hệ thần kinh. Việc xử lý CO là một thách thức lớn trong ngành công nghiệp và môi trường.

1.2. Vật liệu CuO và chất mang OMS 2 trong xử lý CO

Vật liệu CuO được biết đến với khả năng xúc tác cao trong phản ứng oxy hóa CO. Chất mang OMS-2, với cấu trúc rây phân tử, giúp tăng cường hiệu quả xúc tác của CuO. Sự kết hợp này tạo ra một hệ xúc tác tiềm năng cho việc xử lý CO ở nhiệt độ thấp.

II. Thách thức trong việc xử lý CO bằng vật liệu CuO cải tiến

Mặc dù vật liệu CuO cải tiến trên chất mang OMS-2 cho thấy hiệu quả cao trong việc xử lý CO, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Đầu tiên, hiệu suất oxy hóa CO còn thấp so với các hệ xúc tác kim loại quý. Thứ hai, việc duy trì hoạt tính xúc tác trong thời gian dài cũng là một vấn đề cần được nghiên cứu.

2.1. Hiệu suất oxy hóa CO còn hạn chế

Hiệu suất oxy hóa CO của vật liệu CuO cải tiến vẫn chưa đạt được mức tối ưu. Nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ phản ứng riêng của CuO/OMS-2 còn thấp, cần cải tiến để nâng cao hiệu quả chuyển hóa CO.

2.2. Độ bền của vật liệu xúc tác

Độ bền của vật liệu CuO/OMS-2 trong quá trình phản ứng oxy hóa CO là một yếu tố quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt tính của xúc tác giảm nhanh chóng sau một thời gian ngắn sử dụng, điều này ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý CO.

III. Phương pháp cải tiến vật liệu CuO trên chất mang OMS 2

Để nâng cao hiệu quả xử lý CO, nghiên cứu đã tập trung vào việc cải tiến cấu trúc của vật liệu CuO trên chất mang OMS-2. Các phương pháp như tẩm và điều chỉnh tỷ lệ Cu:Mn đã được áp dụng để tối ưu hóa hoạt tính xúc tác. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng tỷ lệ Cu:Mn thích hợp có thể nâng cao đáng kể hiệu suất oxy hóa CO.

3.1. Quy trình tẩm vật liệu CuO OMS 2

Quy trình tẩm vật liệu CuO/OMS-2 được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm, giúp tạo ra các hạt nano lưỡng oxit đồng-mangan. Điều này không chỉ cải thiện hoạt tính xúc tác mà còn tăng cường độ bền của vật liệu.

3.2. Tối ưu hóa tỷ lệ Cu Mn trong vật liệu

Nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ Cu:Mn có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác. Tỷ lệ Cu:Mn 6:4 đã cho kết quả tốt nhất trong việc oxy hóa CO, với hoạt tính cao hơn so với các tỷ lệ khác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu CuMnOx (6:4)/OMS-2 có hoạt tính xúc tác cao nhất trong việc oxy hóa CO. Hoạt tính và độ bền của xúc tác này cao hơn 1,74 lần so với CuO/OMS-2. Điều này mở ra cơ hội ứng dụng vật liệu này trong xử lý khí thải chứa CO, góp phần bảo vệ môi trường.

4.1. Đánh giá hiệu quả hoạt tính xúc tác

Các thí nghiệm cho thấy vật liệu CuMnOx (6:4)/OMS-2 có khả năng oxy hóa hoàn toàn CO ở nhiệt độ thấp, giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu này có tiềm năng lớn trong ứng dụng thực tiễn.

4.2. Ứng dụng trong xử lý khí thải

Vật liệu CuMnOx/OMS-2 có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý khí thải, giúp chuyển hóa CO thành CO2 một cách hiệu quả. Điều này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm năng lượng trong quá trình xử lý.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về hiệu quả xử lý CO bằng vật liệu CuO cải tiến trên chất mang OMS-2 ở nhiệt độ thấp đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý khí thải. Việc cải tiến vật liệu xúc tác không chỉ nâng cao hiệu suất xử lý mà còn giảm chi phí, tạo điều kiện cho việc ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu CuMnOx/OMS-2 có hoạt tính xúc tác cao, mở ra cơ hội mới trong việc xử lý CO. Việc cải tiến cấu trúc vật liệu đã giúp nâng cao hiệu suất chuyển hóa CO.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu có thể tiếp tục mở rộng để tìm kiếm các vật liệu xúc tác mới, cải tiến hơn nữa trong việc xử lý CO. Điều này sẽ góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Khí cacbon monoxit (CO) được tạo ra từ nhiều nguồn mà chủ yếu cũng từ quá trình cháy không hoàn toàn của hợp chất chứa cacbon trong điều kiện thiếu oxy. Khí CO được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp như sản xuất hóa chất, luyện kim hay được sử dụng như một loại nhiên liệu [1]. Mặt khác, sự hiện diện của CO trong không khí lại gia tăng sự ô nhiễm môi trường và độc hại cho động vật, kể cả con người. Khi tiếp xúc với khí CO lâu dài hay ở nồng độ cao, cơ thể con người sẽ bị ngộ độc, tổn thương não, tim, cơ và có thể dẫn đến tử vong khi nồng độ CO trong môi trường trên 650 ppm [2].

Do tính chất độc hại và nguy hiểm nên việc loại bỏ CO trong dòng khí thải là rất cần thiết, tuy nhiên, CO rất khó xử lý. Để hạn chế phát thải khí CO vào môi trường từ những nguồn thải cố định và di động, thông thường khí CO được chuyển hóa thành khí CO2 bằng phương pháp oxy hóa xúc tác [3]. Hệ xúc tác được nghiên cứu nhiều nhất là xúc tác kim loại quý, kim loại chuyển tiếp như vàng (Au), bạc (Ag), Platin (Pt), Pallidi (Pd), Rutheni (Ru), oxit đồng, kẽm oxit trên các chất mang như zeolit, mangan oxit, ceri oxit, nhôm oxit… Thực tế cho thấy, hệ xúc tác kim loại quý cho hiệu quả chuyển hóa CO cao hơn so với xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên, giá thành xúc tác kim loại quý khá đắt [4-10].

Để giảm chi phí, nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu cải tiến hiệu quả hệ xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp. Nhìn chung, các nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề trọng tâm như nâng cao hoạt tính, độ bền xúc tác và giảm nhiệt độ đốt cháy CO.Trong các vấn đề quan trọng đó thì vấn đề nghiên cứu giảm nhiệt độ đốt cháy CO (hoặc đốt cháy CO ở nhiệt độ thấp) được đánh giá là một vấn đề then chốt khi ứng dụng các vật liệu này vào trong các công trình xử lý môi trường, bởi: (1) có thể giảm tiêu tốn năng lượng cho quá trình xử lý; (2) nâng cao được độ bền xúc tác (tránh quá trình thiêu kết của xúc tác nhất là các xúc tác có kích thước nanomet) và (3) mở rộng khoảng nhiệt độ có thể xử lý của xúc tác trong thiết bị xử lý môi trường. Trong thời gian qua, một nghiên cứu có giá trị và tiêu biểu nhất có thể kể đến đó là nghiên cứu của X-S Liu và cộng sự về hệ xúc tác nano CuO trên chất mang OMS-2 (một dạng khoáng chất tổng hợp có cấu trúc rây phân phân 1 tử bát diện của oxit mangan). Kết quả thực nghiệm cho thấy, xúc tác CuO/OMS-2 có thể oxy hóa hoàn toàn CO ở nhiệt độ thấp (< 100 oC).

Hiệu quả của xúc tác này cho hoạt tính cao đối với phản ứng oxy hóa CO thành CO2 có thể là do tương tác mạnh của oxit đồng và oxit mangan (chất mang OMS-2) theo cơ chế Mars-Van- Krevelen [10]. Nghiên cứu này đã cho thấy hệ xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp có thể được xem xét để thay thế xúc tác kim loại quý trong quá trình xử lý CO trong khí thải. Tuy nhiên, hiệu suất oxy hóa CO tính trên một đơn vị khối lượng Cu (hoặc tốc độ phản ứng riêng, mmolCO.h-1) có thể nói là thấp. Điều này có thể là do (1) chỉ có các phân tử CO có thể tương tác với các nguyên tử Cu trên bề mặt xúc tác CuO, (2) các tương tác oxit đồng và oxit mangan chỉ xảy ra tại các vị trí tiếp xúc của hạt nano oxit đồng với chất mang OMS-2.

Vì vậy nghiên cứu cải tiến tốc độ chuyển hóa CO trên một đơn vị khối lượng Cu là rất cần thiết. Đề tài “Hiệu quả xử lý CO của vật liệu CuO cải tiến trên chất mang OMS- 2 ở nhiệt độ thấp” được thực hiện nhằm đề xuất một giải pháp thiết kế cấu trúc xúc tác hữu hiệu để có thể nâng cao hiệu suất chuyển hóa CO tính trên một đơn vị khối lượng Cu. Trong nghiên cứu này, xúc tác oxit đồng cải tiến có cấu trúc lưỡng oxit (oxit đồng và oxit mangan) trên chất mang OMS-2 được đề xuất. Nghiên cứu này có thể được xem là một tiền đề để ứng dụng vật liệu xúc tác rắn vào xử lý khí thải chứa CO một cách rộng rãi với chi phí thấp.

Mục tiêu nghiên cứu Nâng cao tốc độ phản ứng riêng của xúc tác oxit đồng cho phản ứng oxy hóa CO thành CO2 ở nhiệt độ thấp. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: dòng khí giả thải có chứa khí CO, vật liệu xúc tác CuO/ OMS-2 và CuO/OMS-2 cải tiến. Phạm vi nghiên cứu: hiệu quả chuyển hóa khí CO của xúc tác CuO/OMS-2 cải tiến đối với dòng khí giả thải có chứa khí CO. Nội dung nghiên cứu - Cải tiến vật liệu xúc tác CuO/OMS-2 (dạng CuMnOx/OMS-2).

2 - Một số đặc trưng của vật liệu xúc tác CuO/OMS-2 và CuMnOx/OMS-2 như cấu trúc tinh thể, nhóm nguyên tử đặc trưng trong cấu trúc vật liệu, diện tích bề mặt riêng, vi cấu trúc của vật liệu, hình thái học vật liệu… - Xác định điều kiện phù hợp cho quá trình oxy hóa CO ở điều kiện phòng thí nghiệm: + Ảnh hưởng của lưu lượng dòng; + Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác; + Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng. - Xác định hoạt tính và độ bền xúc tác của vật liệu CuO/OMS-2 và CuMnOx/OMS-2. - Đánh giá hiệu quả nâng cao hoạt tính và độ bền xúc tác của vật liệu CuMnOx/OMS-2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.

Ý nghĩa khoa học Nâng cao tốc độ phản ứng riêng đối với phản ứng oxy hóa CO của xúc tác CuO/OMS-2 trên một đơn vị khối lượng Cu ở nhiệt độ thấp. Ý nghĩa thực tiễn - Đa dạng hóa vật liệu xúc tác cho xử lý khí CO; - Tạo ra xúc tác rẻ tiền với hiệu quả xử lý cao. Tính mới của đề tài Xúc tác CuO/OMS-2 đã được nghiên cứu để xử lý CO ở nhiệt độ thấp nhưng hiệu quả còn hạn chế, tốc độ phản ứng riêng của CuO/OMS-2 trên khối lượng Cu trong xúc tác thấp [10]. Do đó, nghiên cứu cải tiến xúc tác CuO/OMS-2 tạo điều kiện chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp với tốc độ cao được xem là một hướng phát triển mới và mở rộng việc ứng dụng xúc tác trong xử lý khí CO với chi phí thấp.

3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Giới thiệu khí cacbon monoxit (khí CO) Khí CO là một sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn các nhiên liệu hóa thạch và sinh khối. Ngoài ra, CO còn được sinh ra một cách gián tiếp từ các quá trình oxy hóa quang hóa metan và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác trong tự nhiên. Thực vật thải ra CO trực tiếp vào môi trường như một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất hay từ quá trình oxy hóa quang học các hợp chất hữu cơ trong nước mặt.

CO thường tồn tại ở dạng khí, trong một số điều kiện, nó còn tồn tại ở dạng lỏng và rắn [2]. Tính chất vật lý, hóa học của CO CO là phân tử gồm 2 nguyên tử (C và O), tồn tại ổn định ở dạng khí trong khí quyển. Nó là chất khí không màu, không mùi, không vị, không khó chịu và không ăn mòn, tồn tại ở nhiệt độ và áp suất bình thường. CO có thể cháy trong không khí trong khoảng giới hạn nồng độ rộng, cháy với ngọn lửa màu xanh.

Hỗn hợp khí CO và không khí có thể dễ dàng bị đốt cháy bởi nhiệt trên bề mặt hay ngọn lửa. Khí thải của động cơ chứa hàm lượng lớn khí CO, khí thải được làm mát nhanh chóng đến nhiệt độ không khí xung quanh. Nhờ đó, khí CO phát tán dễ dàng hơn. CO phản ứng hóa học khi nhiệt độ trên 90 °C.

Do đó, cần lưu ý các nguy cơ về cháy nổ và hình thành các hợp chất nguy hại [11]. Tính chất vật lý và hóa học của CO Tính chất Đơn vị Giá trị Khối lượng phân tử g/mol 28,01 Nhiệt độ nóng chảy °C -205 Nhiệt độ sôi °C -192 Tỷ trọng ở 0 °C 1,25 Tỷ trọng ở 25 °C 1,145 Tỷ trọng hơi (không khí = 0,9678 1) 4 Giới hạn cháy % thể tích 12,5 - 74 Nhiệt độ tự bốc cháy °C 610 Độ tan: Trong nước ở 20 °C mL/100 mL 2,3 Tan đáng kể trong etyl axetat, cloroform và axit axetic; tan trong Trong dung môi metanol và etanol gấp 7 lần tan trong nước; tan trong benzen. Hằng số Henry ở 25 °C atm/mol 57978,5 2. Các nguồn tạo ra CO Bên cạnh một lượng nhỏ được tạo ra từ hoạt động thí nghiệm và sản xuất cho ứng dụng công nghiệp, khí CO chủ yếu được sinh ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn các vật liệu chứa cacbon trong tự nhiên và trong hoạt động của con người.

Tổng lượng phát thải CO hàng năm vào môi trường khoảng 2000 – 3000 triệu tấn; trong đó, các hoạt động của con người đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo ra CO thải vào môi trường (khoảng 60%) [2]. Trong hoạt động của con người, CO được sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu như vận hành động cơ, lò hơi, lò đốt công nghiệp, đốt chất thải rắn, chất thải nông nghiệp, nấu nướng trong gia đình…. Quá trình này tạo ra khoảng 40% lượng phát thải hàng năm. Nồng độ CO trong khí thải phụ thuộc vào loại nhiên liệu, lượng oxy được cung cấp, nhiệt độ đốt, thời gian lưu khí ở nhiệt độ cao và sự xáo trộn trong buồng đốt [2].

Trong tự nhiên, khí CO còn phát sinh từ đại dương, hoạt động của núi lửa và thảm thực vật. - Nước bề mặt của đại dương quá bão hòa đối với áp suất riêng phần của khí CO trong không khí. Với điều kiện đó, việc vận chuyển CO trên bề mặt tiếp xúc không khí – biển là đi từ biển vào không khí. Do đó, đại dương được 5 xem như là nguồn phát sinh khí CO trong tự nhiên (khoảng 5% tổng lượng phát thải CO vào môi trường hàng năm) [12].

- Khí thải phát sinh từ núi lửa chứa 0,46% CO tính trên số mol các thành phần khí thải, dữ liệu được đo ở nhiệt độ 1130 °C và áp suất tương đương áp suất khí quyển [13]. - Một số chất thải từ thực vật với thành phần hóa học gồm các nhóm ankyl, vòng thơm, dưới tác động của nhiệt độ môi trường và ánh sáng mặt trời đã bị phân hủy hóa-lý, sản sinh ra CO thải vào môi trường. Chất thải từ thực vật bị phân hủy thải vào môi trường tương đương 4,2 × 1014 ÷ 13,3 × 1014 g CO /năm [14].