MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường hiện nay đã trở thành một vấn đề thời sự của toàn cầu trong đó có Việt Nam. Trong các yếu tố gây ô nhiễm môi trường thì ô nhiễm không khí tỏ ra khó kiểm soát nhất. Thành phần khí ô nhiễm chính là các khí CO, NO x và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs (Volatile Organic Compounds). Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như các ancol, ankan, và các hợp chất thơm, được sinh ra từ nhiều quá trình, sản xuất khác nhau là một trong các chất chính gây ô nhiễm môi trường và có hại cho sức khỏe con người.
Để làm giảm phát thải của các chất này, người ta đã sử dụng một số phương pháp như: hấp phụ, oxi hóa nhiệt, oxi hóa có xúc tác… Trong đó, ôxi hóa có xúc tác được coi là phương pháp có nhiều triển vọng. Phương pháp này oxi hóa khá triệt để các chất VOCs tránh được sự hình thành các sản phẩm trung gian không mong muốn như NOx, SOx do nhiệt độ tiến hành phản ứng thấp. So với phương pháp oxi hóa nhiệt phương pháp ôxi hóa xúc tác tiết kiệm năng lượng hơn. Các nghiên cứu chất xúc tác ôxi hóa được tập trung trên hai loại chính: xúc tác kim loại quý và xúc tác oxit.
Các xúc tác kim loại quý tỏ ra có hoạt tính tốt nhất và xúc tác hiệu quả cho phản ứng phân huỷ VOCs tuy nhiên giá thành của các chất xúc tác này tương đối cao. Vì vậy việc tìm ra các chất xúc tác trên cơ sở các kim loại có giá thành thấp nhưng có hoạt tính xúc tác cao đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Trong trường hợp này, oxit là một hướng giải quyết vấn đề: tuy có hoạt tính oxi hóa kém kim loại quý nhưng giá thành thấp và phương pháp điều chế đơn giản. Trong vài năm gần đây, hệ xúc tác có chứa CeO2 thu hút được sự quan tâm đặc biệt do CeO2 có khả năng điều tiết O2 tốt nhờ vào chu trình ôxi hóa khử Ce4+/Ce3+ dễ dàng .Nhiều nghiên cứu đã tiến hành trộn CeO2 với các nguyên tố, oxit khác nhau như MnOx, ZrO2, CuO … Các nghiên cứu này chủ yếu nhằm cải thiện khả năng tích trữ oxi của CeO2.
Trong hướng nghiên cứu đó, hệ xúc tác oxit hỗn hợp CeO2 – Fe2O3 có thể có triển vọng cho hoạt tính xúc tác cao. Việc phối trộn các ion Fe3+ có hóa trị nhỏ hơn Ce4+ được hi vọng sẽ tạo ra nhiều lỗ trống oxi (V) ( Ce14x Fe x3 O2 x / 2 (V ) x / 2 ) tạo nên hoạt tính cao của hệ xúc tác này. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Toluen là một hydrocacbon thơm được sử dụng rộng rãi làm dung môi công nghiệp, chủ yếu được dùng làm dung môi để hòa tan nhiều loại vật liệu. Toluen cũng cũng thuộc nhóm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, là những tác nhân độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
Vì vậy chúng tôi chọn đề tài : “Tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính xúc tác của ôxit hỗn hợp CeO2 – Fe2O3 cho phản ứng ôxy hóa toluen” cho nghiên cứu của mình. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Giới thiệu chung 1. Khái niệm về VOCs Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs là các hợp chất hữu cơ (ngoại trừ metan) có thành phần chứa cacbon và hydro, trong đó nguyên tố hydro có thể bị thay thế một phần hoặc hoàn toàn bởi các nguyên tố khác như O, N, S, halogen, (ngoại trừ các hợp chất cacbonat hay oxit cacbon). Định nghĩa này còn bao hàm cả đặc tính vật lý của các hợp chất VOCs: có áp suất bão hoà lớn hơn 10Pa (0.075mmHg) ở điều kiện nhiệt độ là 20oC và áp suất khí quyển.
Mốt số chất thông dụng như: axeton, etyl axetat, butyl axetat, benzen, toluen, PAH (poli aromatic Hidrocacbon-hợp chất thơm đa vòng). Các nguồn phát thải VOCs Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) có thể được tìm thấy trong hầu hết các dung môi pha loãng, các chất tẩy nhờn, trong dầu nhờn và trong thành phần nhiên liệu lỏng. Một số các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thường được sử dụng được trình bày trong bảng 1. trong đó bao gồm metan, etan, tetracloetan, metylclorit, và một số các hydrocacbon chứa clo và flo.
Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là các chất khí gây ô nhiễm thường được phát thải ra từ hai ngành công nghiệp chủ yếu là hóa chất và hóa dầu. Quá trình giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi bắt nguồn từ sự thất thoát trong quá trình tồn chứa ( các bể chứa, bồn chứa), từ các hệ thống thông hơi trong quá trình sản xuất, thất thoát từ các hệ thống thiết bị và đường ống, từ các dòng nước thải không qua xử lý và từ các hệ thống trao đổi nhiệt. Việc kiểm soát quá trình phát thải các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là một trong những cam kết chính và cũng là một mối quan tâm chính của các ngành công nghiệp trên đối với môi trường. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 : Một số hợp chất dễ bay hơi thông thường Số thứ tự Tên hợp chất 1 Axetandehit 2 Axeton 3 Benzen 4 Cacbon tetraclorit 5 Etyl axetat 6 Etylen glycol 7 Focmandehit 8 Heptan 9 Hexan 10 Isopropyl ancol 11 Metyl etyl xeton 12 Metyl clorit 13 Monometyl ete 14 Naphtalen 15 Styren 16 Toluen 17 Xylen 1.
Ảnh hƣởng của VOCs đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời Về khía cạnh môi trường, việc hạn chế và kiểm soát sự phát thải các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là rất cấp thiết bởi chúng gây nên quá trình biến đổi khí hậu, quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và tất cả các sinh vật sống nói chung. Lấy một ví dụ, theo như báo cáo của viện khoa học quốc gia Ấn Độ, quá trình giải phóng hợp chất cloflometan và các 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hợp chất có chứa clo vào bầu khí quyển đã làm tăng quá trình hấp thụ và phát xạ các bức xạ hồng ngoại. Nếu như quá trình giải phóng nhiệt từ trái đất bị làm chậm lại sẽ ảnh hưởng và tác động đến nhiệt độ và khí hậu của trái đất. Các nghiên cứu cho thấy các hợp chất VOCs đã được xác định là có khả năng gây ung thư.
Các VOCs có thể tồn lưu một thời gian từ vài ngày đến vài tháng trong bầu khí quyển và có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người qua đường hô hấp hoặc tiếp xúc trực tiếp với da, ví dụ như : Các hợp chất vòng thơm, hay các hợp chất chứa halogen: gây khó chịu ở da và đường hô hấp; Toluen, clorofom, metyl clorofom: gây các rối loạn tim mạch ; Toluen, diclometan, clorofom: gây rối loạn thần kinh. Các hydrocacbon khi được kết hợp với NOx dưới tác động của ánh sáng mặt trời sẽ xảy ra quá trình ôxi hóa quang hóa sẽ tạo thành một màn sương quang hóa có tác động xấu đối với môi trường. Giới thiệu một số chất điển hình * Benzen Là chất lỏng dễ bay hơi, tạo hỗn hợp với không khí có thể gây nổ. Benzen được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất các hợp chất hữu cơ, dùng làm dung môi hòa tan mỡ, cao su, vecni, tẩy xương, da sợi, vải len dạ, tẩy dầu mở bám trên các dụng cụ, vật liệu.
Benzen xâm nhập vào cơ thể người qua da (tiếp xúc trực tiếp) và qua phổi. Khi xâm nhập chừng 75-90%, benzen sẽ được cơ thể thải ra trong vòng nửa giờ, phần còn lại tích lũy trong mỡ, tủy xương, não sau đó được đào thải rất chậm ra ngoài. Phần benzen được tích lũy sau này có thể gây các biểu hiện sinh lý: gây ra sự tăng tạm thời của bạch cầu, gây rối loạn oxi hóa khử của tế bào dẫn đến tình trạng xuất huyết trong cơ thể. Nếu bị hấp thụ nhiều trong cơ thể sẽ bị nhiễm độc cấp tính với các hội chứng khó chịu, đau đầu, nôn, có thể tử vong vì suy hô hấp.
Nếu thường xuyên tiếp xúc với benzen có thể gây độc mãn tính, lúc đầu là rối loạn tiêu hóa, ăn kém ngon, xung huyết, niêm mạc miệng, rối loạn thần kinh, đau đầu, chuột rút, cảm giác kiến bò, thiếu máu nhẹ, xuất huyết trong. Benzen có thể tích lũy lâu dài trong tủy xương, có thể sau hai năm mới phát bệnh kể từ khi nhiễm benzen. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com * Toluen Toluen hay còn gọi là metyl benzen hay phenyl metan, là một chất lỏng trong suốt, không hòa tan trong nước. Toluen là một hidrocacbon thơm được sử dụng rộng rãi làm dung môi công nghiệp, chủ yếu được dùng làm dung môi để hòa tan nhiều loại vật liệu như: sơn, chất hóa học, cao su, mực in, chất kết dính.
Trong ngành hóa sinh, người ta dùng để tách hemoglobin từ tế bào hồng cầu. Toluen là chất dễ bay hơi, dễ cháy nổ. Chỉ cần một lượng nhỏ 1000ppm toluen đã gây ra cảm giác mất thăng bằng, đau đầu. Nếu nồng độ cao hơn có thể gây ảo giác hoặc ngất.
Các quy định đối với việc kiểm soát quá trình phát thải các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi Các quy định đối với việc kiểm soát các chất gây ô nhiễm là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong không khí đã được ban hành một cách rộng rãi trên toàn thế giới. Đối với các tiêu chuẩn quy định chất lượng không khí trong môi trường sống xung quanh được quy định bởi Cục bảo vệ môi trường Hoa kỳ thì nồng độ hydrocacbon cao nhất trong 3 giờ liên tục ở môi trường là 1.24 ppm) và không được phép vượt quá trong khoảng thời gian là hơn 1 năm [5]. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khi được kết hợp với NOx và các hóa chất khác có trong không khí dưới tác động của ánh sáng mặt trời sẽ tạo thành ozon, đây là thành phần chính có trong sương mù quang hóa. Lượng phát thải VOC phải được khống chế sao cho hàm lượng ozon tối đa trong môi trường sống được quy định là 0.
Điều này được nêu trong khoản 1 của đạo luật Hành động vì môi trường bổ sung năm 1990 liên quan đến việc làm sạch chất lượng không khí của Hoa kỳ. Ngoài ra, trong khoản 3 của đạo luật bổ sung cũng quy định phải giảm thiểu quá trình phát tán 189 chất độc gây ô nhiễm không khí mà phần lớn trong số chúng đều là các chất hữu cơ dễ bay hơi .