Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ô nhiễm không khí do các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic Compounds - VOCs) phát sinh từ hoạt động công nghiệp và giao thông đang là vấn đề môi trường nghiêm trọng. Nhóm hợp chất thơm BTEX (benzen, toluen, etylbenzen, xylen) có độc tính cao đối với sức khỏe con người; trong đó benzen được Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp vào Nhóm 1 và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US-EPA) xếp vào Nhóm A về tác nhân gây ung thư. Tại Việt Nam, sự gia tăng phương tiện giao thông và các cơ sở công nghiệp, đặc biệt là quá trình tái chế nhiệt phân lốp xe phế thải (End-of-Life Tyres - ELTs), phát thải lượng lớn benzen và toluen ra môi trường. Khí thải từ cơ sở nhiệt phân lốp cao su Minh Tân - Hải Phòng ghi nhận nồng độ benzen đạt khoảng 69,59 ppm (vượt quy chuẩn QCVN 20:2009/BTNMT hơn 44 lần) và toluen đạt khoảng 123,42 ppm.

Phương pháp oxy hóa nhiệt thông thường đòi hỏi nhiệt độ cao (>1000 °C) và tiêu tốn năng lượng, trong khi phương pháp oxy hóa xúc tác cho phép xử lý hoàn toàn VOCs ở dải nhiệt độ thấp hơn (250–500 °C). Các xúc tác kim loại quý (Pt, Pd, Au) có hoạt tính cao nhưng giá thành đắt và dễ bị ngộ độc bởi hợp chất lưu huỳnh. Xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp không chứa kim loại quý (như Mn, Cu, Co, Ni) có chi phí thấp và độ bền cao hơn đối với chất ngộ độc. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào xúc tác đơn oxit dạng bột, chưa tối ưu hóa toàn diện hệ oxit hỗn hợp hai kim loại (bimetallic oxides), chưa đánh giá đầy đủ tác động của hợp chất lưu huỳnh (SO2, H2S) và thiếu các thử nghiệm trên chất mang bền nhiệt (cordierit) cũng như chất mang hấp phụ (than hoạt tính) ở quy mô thực tế. Do đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường của nghiên cứu sinh Trần Thị Thu Hiền đã tập trung nghiên cứu phát triển hệ xúc tác Cu(Co)-MnOx nhằm xử lý hiệu quả benzen và toluen.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng hợp các hệ xúc tác oxit kim loại không quý và đánh giá hoạt tính xúc tác cho quá trình oxy hóa hoàn toàn toluen để lựa chọn hệ xúc tác phù hợp.
  2. Tối ưu hóa thành phần xúc tác thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp, tỷ lệ mol giữa các cấu tử kim loại và ảnh hưởng của các hợp chất lưu huỳnh đến hoạt tính xúc tác.
  3. Tổng hợp xúc tác kim loại không quý trên chất mang cordierit hoặc than hoạt tính (AC) và đánh giá hoạt tính oxy hóa hoàn toàn toluen và benzen trên quy mô phòng thí nghiệm.
  4. Đánh giá hiệu suất xử lý hỗn hợp khí thải chứa benzen và toluen từ quá trình nhiệt phân lốp xe phế thải trên hệ thống quy mô pilot kết hợp giữa khối oxy hóa xúc tác và khối hấp phụ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Các hợp chất VOCs thơm đại diện: benzen ($C_6H_6$) và toluen ($C_7H_8$).
    • Xúc tác kim loại chuyển tiếp dạng bột: $MnO_x$, $NiCoO_x$, $CuMnO_x$, $CoMnO_x$.
    • Xúc tác trên chất mang: $CuMnO_x$/cordierit, $CoMnO_x$/cordierit và vật liệu hấp phụ - oxy hóa $CuMnO_x$/AC.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Quy mô phòng thí nghiệm: Tổng hợp xúc tác dạng bột bằng các phương pháp sol-gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa, bay hơi nhiệt; tổng hợp xúc tác trên chất mang cordierit và than hoạt tính bằng phương pháp tẩm; đánh giá hoạt tính trong hệ phản ứng vi dòng cố định (micro-reactor) kết nối sắc ký khí (GC).
    • Quy mô pilot: Thử nghiệm xử lý dòng khí thải thực tế từ hệ thống nhiệt phân lốp xe phế thải tại cơ sở Minh Tân - Hải Phòng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến quá trình oxy hóa xúc tác VOCs:

Bảng 1: Tổng hợp các nghiên cứu tiêu biểu về xúc tác oxy hóa VOCs

Nhóm xúc tác Tác giả và năm công bố Hệ xúc tác Điều kiện phản ứng Hiệu suất chuyển hóa
Kim loại quý (Quốc tế) Y. Guo và cộng sự (2013) $\text{Pt/eggshell-Ar}$ Toluen, Benzen; dòng khí ẩm và $CO_2$ $T_{90} = 178\ ^\circ\text{C}$ (benzen)
Joung và cộng sự (2014) $30\text{ wt}%\ \text{Pt/CNT}$ $100\text{ ppm toluen, } 100\text{ ppm benzen; GHSV} = 120.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 109\ ^\circ\text{C}$ (toluen), $112\ ^\circ\text{C}$ (benzen)
Barakat và cộng sự (2014) $\text{Pd}_5\text{CeTi}$ $1.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 60.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 250\ ^\circ\text{C}$
Deng và cộng sự (2018) $0,8\text{ wt}%\ \text{Pd-Ceramic-S}$ $1.500\text{ ppm benzen; GHSV} = 90.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{90} = 225\ ^\circ\text{C}$
Bendahou và cộng sự (2008) $0,5\text{ wt}%\ \text{Pd/SBA-15}$ $1.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 600.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 200\ ^\circ\text{C}$
A. Aboukaïs và cộng sự (2016) $\text{Au/CeO}_2$ $2.000\text{ ppm toluen, } 600\text{ ppm } C_3H_6\text{; GHSV} = 60.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 300\ ^\circ\text{C}$
Han và cộng sự (2014) $\text{Au/Fe}_2\text{O}_3$ $1.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 20.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{50} = 200\ ^\circ\text{C}, T_{90} = 260\ ^\circ\text{C}$
Long và cộng sự (2019) $\text{Ag/eggshell}$ $1.000\text{ ppm benzen; GHSV} = 100.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{90} = 257\ ^\circ\text{C}$
Kim loại quý (Việt Nam) Pham và cộng sự (2013) $1%\ \text{Pd/}\gamma\text{-Al}_2\text{O}_3$ $1.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 15.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{98} = 250\ ^\circ\text{C}$
Nhóm nghiên cứu (2015) $\text{PtCu/Ce, PtCu/CeAl}$ $500\text{ ppm CO, } 3.400\text{ ppm xylen; GHSV} = 60.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 200 - 275\ ^\circ\text{C}$
Lê Minh Thắng và cộng sự (2015) $1%\ \text{Au/MnCoCe}$ $9.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 5.700\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 300\ ^\circ\text{C}$ ($250\ ^\circ\text{C}$ khi kết hợp hấp phụ)
Kim loại không quý (Quốc tế) Huang và cộng sự (2018) $\alpha\text{-MnO}_2 + \beta\text{-MnO}_2\text{ (1:1)}$ $500\text{ ppm toluen; GHSV} = 30.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 205\ ^\circ\text{C}$
Du và cộng sự (2019) $\text{Mn}_{0,4}\text{O}_2$ $500\text{ ppm toluen; GHSV} = 22.500\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 210\ ^\circ\text{C}$
Wang và cộng sự (2019) $\text{Mn}_2\text{CeO}_x\text{ nanosheet}$ $500\text{ ppm toluen; GHSV} = 40.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{90} = 215\ ^\circ\text{C}$
Hu và cộng sự (2018) $\text{Cu}_1\text{Mn}_1\text{O, }\text{Cu}_1\text{Mn}_2\text{O}$ $1.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 60.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{90} = 214\ ^\circ\text{C}\ (\text{Cu}_1\text{Mn}_1\text{O}), 224,4\ ^\circ\text{C}\ (\text{Cu}_1\text{Mn}_2\text{O})$
Ye và cộng sự (2017) $\text{CuMnO}_x\text{ (kết tủa khử)}$ $800\text{ ppm toluen; GHSV} = 30.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{90} = 190\ ^\circ\text{C}$ (tỷ lệ $\text{Cu/Mn} = 1,2$)
Liu và cộng sự (2019) $\text{CuMnO}_x\text{-HS (cầu rỗng)}$ $500\text{ ppm toluen; GHSV} = 60.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{90} = 212\ ^\circ\text{C}$ ($\text{Cu/Mn} = 0,57$)
Li và cộng sự (2019) $\text{Co}_1\text{Mn}_1\text{O}_x$ $1.000\text{ ppm benzen; GHSV} = 20.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 210\ ^\circ\text{C}$
Wang và cộng sự (2019) $\text{Co}_{2,75}\text{O}_4\text{ hoa xòe}$ $1.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 33.400\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 239\ ^\circ\text{C}$ ($\text{Co/Mn} = 4$)
Kim loại không quý (Việt Nam) T. Nguyen và cộng sự (2019) $\text{Cu-doped MnO}_2$ m-xylen; $\text{GHSV} = 20.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 200\ ^\circ\text{C}$
Lê Minh Thắng và cộng sự (2017) $10%\ \text{Co}_x\text{Cu}_y\text{O}_z\text{/AC}$ $1.000 - 1.500\text{ ppm toluen; GHSV} = 10.800 - 18.000\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ Khử hấp phụ và oxy hóa ở $180\ ^\circ\text{C}$
Lê Minh Thắng và cộng sự (2018) $10%\ \text{Co}_x\text{Cu}_y\text{O}_z\text{/MCM41}$ $9.000\text{ ppm toluen; GHSV} = 2.850\text{ mL}/(\text{g}\cdot\text{h})$ $T_{100} = 450\ ^\circ\text{C}$

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các oxit kim loại chuyển tiếp đã được nghiên cứu, phần lớn công trình dừng lại ở dạng hạt mịn trong phòng thí nghiệm. Việc ứng dụng trực tiếp bột xúc tác vào quy mô công nghiệp gặp trở ngại do gây tổn thất áp suất và tắc nghẽn dòng khí. Hơn nữa, ảnh hưởng của các hợp chất lưu huỳnh ($SO_2, H_2S$) vốn thường xuyên xuất hiện trong khí thải nhiệt phân lốp xe chưa được làm sáng tỏ trên hệ xúc tác $CuMnO_x$. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách: (1) thiết lập tương quan giữa phương pháp tổng hợp, tỷ lệ phối trộn kim loại ($Cu/Mn, Co/Mn$) với hoạt tính oxy hóa; (2) đánh giá cơ chế tác động của lưu huỳnh; (3) phát triển xúc tác trên chất mang khối cordierit ($2\text{MgO}\cdot 2\text{Al}_2\text{O}_3\cdot 5\text{SiO}_2$) và chất mang than hoạt tính (AC); (4) tích hợp công nghệ hấp phụ và oxy hóa xúc tác để xử lý dòng khí thải thực tế.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình động học

Quá trình oxy hóa xúc tác dị thể đối với VOCs trên bề mặt oxit kim loại chuyển tiếp được mô tả qua 3 mô hình chính:

  • Mô hình Langmuir-Hinshelwood (L-H): Cả phân tử VOC và oxy đều bị hấp phụ cạnh tranh trên các tâm hoạt tính của bề mặt xúc tác trước khi phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm ($CO_2, H_2O$).
  • Mô hình Eley-Rideal (E-R): Một cấu tử phản ứng bị hấp phụ trên bề mặt xúc tác và tương tác trực tiếp với cấu tử còn lại từ pha khí.
  • Mô hình Mars-van Krevelen (MVK): Phản ứng diễn ra theo cơ chế oxy hóa - khử hai giai đoạn. Phân tử VOC hấp phụ phản ứng với oxy mạng lưới (lattice oxygen) của oxit kim loại, làm khử bề mặt xúc tác. Sau đó, oxy từ pha khí tái oxy hóa bề mặt bị khử để khôi phục trạng thái oxy hóa ban đầu. Các hệ xúc tác gốc mangan ($MnO_x, CuMnO_x, CoMnO_x$) trong luận án hoạt động chủ yếu theo cơ chế MVK, trong đó tính linh động của oxy mạng lưới và khả năng chuyển đổi hóa trị giữa các cặp ion ($Mn^{4+}/Mn^{3+}, Cu^{2+}/Cu^+, Co^{3+}/Co^{2+}$) đóng vai trò quyết định.

Hóa chất và phương pháp thực nghiệm

Bảng 2: Danh mục hóa chất và vật liệu sử dụng trong nghiên cứu

Tên hóa chất / Vật liệu Nhà sản xuất / Xuất xứ Độ tinh khiết / Quy cách Khối lượng mol ($M$)
$\text{Ce(NO}_3)_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $434,23\text{ g/mol}$
$\text{Co(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $291,03\text{ g/mol}$
$\text{Cu(NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $241,60\text{ g/mol}$
Dung dịch $\text{Mn(NO}_3)_2\ 50%$ Xilong - Trung Quốc $C = 49 - 51%$ $178,95\text{ g/mol}$
$\text{KMnO}_4$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $158,03\text{ g/mol}$
$\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $126,07\text{ g/mol}$
$\text{MnSO}_4\cdot\text{H}_2\text{O}$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $169,02\text{ g/mol}$
$(\text{NH}_4)_2\text{S}_2\text{O}_8$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $228,19\text{ g/mol}$
$\text{Fe(NO}_3)_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ Xilong - Trung Quốc $\ge 99%$ $270,30\text{ g/mol}$
$\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7\cdot\text{H}_2\text{O}$ (axit citric) Xilong - Trung Quốc $\ge 99,5%$ $210,04\text{ g/mol}$
Dung dịch $\text{HNO}_3\ 65%$ Merck - Đức $d = 1,37\text{ g/mL}; C \ge 65%$ $63,01\text{ g/mol}$
Than hoạt tính (AC) Công ty CP Trà Bắc Dạng hạt -
Gốm Cordierit Đại học Bách khoa Hà Nội Dạng khối tổ ong ($2\text{MgO}\cdot 2\text{Al}_2\text{O}_3\cdot 5\text{SiO}_2$) -

Kỹ thuật phân tích đặc trưng hóa lý

  • Đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ $N_2$ (BET): Xác định diện tích bề mặt riêng ($S_{BET}$), thể tích và đường kính lỗ xốp.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể của oxit kim loại và chất mang (thực hiện tại LIKAT, Đức).
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM/FE-SEM/EDX): Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt và phân bố nguyên tố.
  • Khử theo chương trình nhiệt độ bằng hydro ($TPR-H_2$): Đánh giá khả năng khử và mức độ tiêu thụ hydro của các trạng thái oxy hóa kim loại.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Nhận diện các liên kết bề mặt kim loại - oxy ($M-O$) và nhóm chức.
  • Cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR): Phân tích các tâm thuận từ và trạng thái điện tử của mangan/đồng (thực hiện tại LIKAT).
  • Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES): Định lượng chính xác tỷ lệ kim loại trong mẫu.
  • Phân tích nhiệt trọng trường và nhiệt quét vi sai (TGA/DSC): Đánh giá độ bền nhiệt và quá trình mất khối lượng.
  • Quang phổ quang điện tử tia X (XPS): Phân tích trạng thái hóa trị và phân bố oxy bề mặt ($O_{ads}/O_{latt}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về VOCs, thực trạng phát thải và phương pháp xử lý

Chương này tổng kết lý thuyết về phân loại VOCs theo thang nhiệt độ sôi của WHO (VVOCs, VOCs, SVOCs), tác động sinh học của benzen và toluen đối với cơ thể người, chu trình hình thành quang hóa $NO_x - VOCs$ tạo ozone tầng đối lưu và khói quang hóa chứa PAN. Tác giả phân tích số liệu phát thải tại TP. Hồ Chí Minh, chỉ ra rằng phương tiện giao thông đường bộ chiếm 4.387,6 tấn benzen/năm (xe máy chiếm >90% lượng phát thải). Chương 1 cũng so sánh ưu nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật kiểm soát VOCs (ngưng tụ, hấp thụ, hấp phụ, oxy hóa sinh học, oxy hóa nhiệt và oxy hóa xúc tác), từ đó khẳng định tính tối ưu của công nghệ oxy hóa xúc tác ở nhiệt độ thấp trên vật liệu kim loại chuyển tiếp.

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật đặc trưng xúc tác

Nội dung chương trình bày quy trình tổng hợp chi tiết cho từng hệ mẫu:

  • Tổng hợp $NiCoO_x$ bằng phương pháp sol-gel hỗ trợ axit citric với các tỷ lệ mol $Ni/Co$ lần lượt là 1,5 (NCO-1.5), 1,0 (NCO-1.0) và 0,5 (NCO-0.5), nung tại 450 °C trong 4 giờ.
  • Tổng hợp $MnO_2$ đơn kim loại: pha $\alpha-MnO_2$ ở 120 °C và 150 °C, pha $\beta-MnO_2$ bằng thủy nhiệt và $MnO_2$ bằng sol-gel.
  • Tổng hợp $CuMnO_x$ dạng bột qua 4 phương pháp: sol-gel (SG), thủy nhiệt (HT), đồng kết tủa (CP), bay hơi nhiệt (TE).
  • Tổng hợp $CoMnO_x$ dạng bột bằng phương pháp sol-gel với các tỷ lệ mol $Co/Mn$ khác nhau.
  • Quy trình tẩm xúc tác $CuMnO_x$ và $CoMnO_x$ lên giá mang gốm tổ ong cordierit và than hoạt tính Trà Bắc; mô tả cấu hình hệ phản ứng vi dòng cố định gắn đầu dò GC đo độ chuyển hóa benzen/toluen và hiệu suất tạo $CO_2$ ($Y_{CO_2}$).

Chương 3: Đặc trưng và lựa chọn hệ xúc tác cho phản ứng oxy hóa VOCs

Tác giả tiến hành so sánh hoạt tính oxy hóa hoàn toàn toluen giữa các dạng oxit mangan đơn lẻ ($\alpha-MnO_2, \beta-MnO_2, MnO_2\text{-SG}$) và các hệ oxit hỗn hợp ($NiCoO_x, CuMnO_x, CoMnO_x$).

  • Trong nhóm $MnO_2$ đơn kim loại, mẫu $\alpha-MnO_2$ tổng hợp thủy nhiệt ở 120 °C có diện tích bề mặt lớn nhất và lượng tiêu thụ $H_2$ cao nhất trong phép đo $TPR-H_2$, dẫn đến hoạt tính cao hơn $\beta-MnO_2$.
  • Khi so sánh giữa các hệ oxit hai kim loại, hệ $CuMnO_x$ và $CoMnO_x$ thể hiện hiệu suất vượt trội so với $NiCoO_x$ và các mẫu $MnO_2$ đơn lẻ. Sự tương tác cộng hưởng giữa Cu-Mn và Co-Mn tạo ra nồng độ tâm oxy linh động cao, tăng khả năng khử ở nhiệt độ thấp, giúp quá trình oxy hóa toluen đạt chuyển hóa 100% ở dải nhiệt độ dưới 250 °C.

Chương 4: Nghiên cứu phát triển xúc tác oxit hỗn hợp đồng - mangan (CuMnOx)

Chương 4 khảo sát toàn diện hệ $CuMnO_x$:

  • Ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp: Mẫu $CuMnO_x$ điều chế bằng sol-gel thể hiện hoạt tính cao nhất so với các phương pháp thủy nhiệt, đồng kết tủa và bay hơi nhiệt nhờ độ phân tán kim loại đồng đều và diện tích bề mặt lớn.
  • Tối ưu hóa tỷ lệ mol $Cu/Mn$: Tỷ lệ $Cu/Mn = 1:2$ (mẫu $CuMnO_x12$) đạt hoạt tính tối ưu, chuyển hóa hoàn toàn toluen và benzen ở 250 °C ($T_{100} = 250\ ^\circ\text{C}$).
  • Ảnh hưởng của hợp chất lưu huỳnh: Khảo sát độ bền của $CuMnO_x12$ khi đưa dòng khí chứa hợp chất lưu huỳnh vào hệ phản ứng oxy hóa benzen:
    • Sự có mặt của 800 ppm $SO_2$ làm giảm 20% độ chuyển hóa benzen.
    • Sự có mặt của 2.000 ppm $H_2S$ làm giảm 30% độ chuyển hóa benzen.
    • Ở 250 °C khi có oxy, $H_2S$ bị chuyển hóa thành $SO_2$, gây sunfat hóa một phần bề mặt kim loại thể hiện qua phổ XRD và SEM.
  • Xúc tác $CuMnO_x12$/cordierit: Tải lượng pha hoạt tính 23% ($23%\ CuMnO_x12/\text{cordierite}$) cho độ bền cơ nhiệt tốt, chuyển hóa 100% toluen và benzen ở 350 °C.
  • Vật liệu hấp phụ - oxy hóa $CuMnO_x12$/AC:
    • Mẫu $7%\ CuMnO_x12/\text{AC}$ đạt độ chuyển hóa benzen 46,57% ở 150 °C.
    • Mẫu $25%\ CuMnO_x12/\text{AC}$ đạt độ chuyển hóa benzen 65,79% với hiệu suất $Y_{CO_2} = 89,4%$ ở 150 °C; khi tăng lên 250 °C, độ chuyển hóa benzen đạt 94,41% với $Y_{CO_2} = 100%$.

Chương 5: Nghiên cứu phát triển xúc tác oxit hỗn hợp coban - mangan (CoMnOx)

  • Tối ưu hóa tỷ lệ mol $Co/Mn$: Xúc tác $CoMnO_x$ dạng bột với tỷ lệ mol $Co/Mn = 9:1$ (mẫu $CoMnO_x91$) và tỷ lệ $Co/Mn = 3:1$ ($CoMnO_x31$) cho hoạt tính oxy hóa hoàn toàn benzen và toluen ở 210–250 °C. Cấu trúc dung dịch rắn $Co-Mn$ kích thích chuyển điện tử nhanh giữa $Co^{3+}/Co^{2+}$ và $Mn^{4+}/Mn^{3+}$.
  • Xúc tác $CoMnO_x91$/cordierit: Khi phủ lên chất mang gốm tổ ong cordierit, mẫu chứa 15% pha hoạt tính ($15%\ CoMnO_x91/\text{cordierite}$) đạt độ chuyển hóa 100% đối với cả benzen và toluen ở 350 °C. Thử nghiệm độ bền hoạt tính theo thời gian cho thấy xúc tác duy trì độ ổn định liên tục trong thời gian khảo sát kéo dài mà không bị suy giảm hoạt tính.

Chương 6: Ứng dụng hệ xúc tác trên quy mô pilot xử lý khí thải nhiệt phân lốp xe

Luận án thiết kế và lắp đặt hệ thống pilot xử lý khí thải thực tế tại nhà máy nhiệt phân lốp xe Minh Tân - Hải Phòng. Hệ thống tích hợp hai công đoạn:

  1. Khối oxy hóa xúc tác nhiệt độ cao: Sử dụng module gốm tổ ong $15%\ CoMnO_x91/\text{cordierite}$.
  2. Khối hấp phụ - oxy hóa nhiệt độ thấp: Sử dụng đệm than hoạt tính tẩm xúc tác $7%\ CuMnO_x12/\text{AC}$. Kết quả quan trắc khí thải sau xử lý cho thấy nồng độ benzen và toluen giảm mạnh, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn phát thải môi trường hiện hành của Việt Nam, chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn của quy trình công nghệ kết hợp.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác định được phương pháp sol-gel hỗ trợ axit citric và tỷ lệ phối trộn tối ưu cho hệ oxit hai kim loại không quý: tỷ lệ mol $Cu/Mn = 1:2$ ($CuMnO_x12$) và $Co/Mn = 9:1$ ($CoMnO_x91$). Cả hai hệ xúc tác dạng bột đều đạt hiệu suất oxy hóa 100% benzen và toluen ở nhiệt độ thấp (250 °C).
  2. Làm sáng tỏ cơ chế ức chế và độ bền của xúc tác $CuMnO_x12$ dưới tác động của các hợp chất lưu huỳnh: 800 ppm $SO_2$ làm giảm 20% độ chuyển hóa benzen, trong khi 2.000 ppm $H_2S$ làm giảm 30% độ chuyển hóa; đồng thời xác định quá trình chuyển hóa oxy hóa $H_2S$ thành $SO_2$ ở 250 °C trên bề mặt xúc tác.
  3. Thiết lập cơ sở khoa học cho việc hạ thấp nhiệt độ xử lý VOCs thơm thông qua cơ chế tích hợp: hấp phụ và oxy hóa đồng thời trên vật liệu mao quản tổ hợp $CuMnO_x12/\text{AC}$ ($25%\ CuMnO_x12/\text{AC}$ đạt chuyển hóa 94,41% benzen và $100%\ Y_{CO_2}$ ở 250 °C).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Chế tạo thành công xúc tác cấu trúc khối trên giá mang gốm tổ ong cordierit ($23%\ CuMnO_x12/\text{cordierite}$ và $15%\ CoMnO_x91/\text{cordierite}$), đạt hiệu suất oxy hóa 100% VOCs thơm ở 350 °C, giải quyết triệt để bài toán giảm trở lực dòng khí và tăng độ bền cơ học cho ứng dụng công nghiệp.
  2. Ứng dụng thành công hệ thống pilot xử lý khí thải nhiệt phân lốp xe phế thải sử dụng module kết hợp $15%\ CoMnO_x91/\text{cordierite}$ và $7%\ CuMnO_x12/\text{AC}$, đưa nồng độ benzen từ mức vượt 44 lần quy chuẩn QCVN 20:2009/BTNMT về ngưỡng an toàn môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu tập trung đánh giá ảnh hưởng ngộ độc lưu huỳnh trên mẫu $CuMnO_x12$ dạng bột trong điều kiện phòng thí nghiệm; các cơ chế ngộ độc clo hoặc hơi ẩm nồng độ cao trong thời gian dài chưa được khảo sát chi tiết.
  • Thử nghiệm pilot tập trung vào đối tượng khí thải từ công nghệ nhiệt phân lốp xe phế thải; chưa mở rộng đánh giá trực tiếp trên các nguồn thải công nghiệp phức tạp khác như sơn phủ ô tô hay lọc hóa dầu.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Khảo sát các biện pháp tái sinh xúc tác bị ngộ độc sunfat hóa bề mặt để kéo dài chu kỳ hoạt động của vật liệu.
  • Tối ưu hóa công nghệ tạo hình module xúc tác nguyên khối quy mô lớn hơn nhằm phục vụ thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tái chế cao su, nhựa phế thải.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Môi trường, Hóa học vật liệu xúc tác: Tham khảo quy trình thực nghiệm tổng hợp oxit kim loại chuyển tiếp bằng sol-gel/thủy nhiệt, các kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại ($TPR-H_2$, EPR, XPS, XRD, BET) và phương pháp đánh giá động học oxy hóa VOCs.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Cung cấp hệ thống dữ liệu so sánh chi tiết giữa xúc tác kim loại quý và kim loại không quý, cơ chế phản ứng MVK và tương tác oxit hai thành phần.
  • Kỹ sư môi trường và nhà quản lý công nghệ tại các khu xử lý chất thải rắn/tái chế lốp xe: Tham khảo thông số thiết kế, điều kiện vận hành hệ thống tích hợp oxy hóa xúc tác - hấp phụ để xử lý các dòng khí thải chứa hàm lượng VOCs thơm cao vượt tiêu chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn xúc tác gốc mangan kết hợp với đồng và coban thay vì kim loại quý?

Xúc tác kim loại quý (Pt, Pd, Au) có hoạt tính cao ở nhiệt độ thấp nhưng chi phí đắt đỏ, nguồn nguyên liệu hạn chế và rất dễ bị đầu độc bởi các hợp chất lưu huỳnh. Các oxit kim loại chuyển tiếp ($Mn, Cu, Co$) có chi phí thấp, nguồn cung dồi dào, độ bền nhiệt tốt và khả năng kháng ngộ độc cao hơn. Sự phối trộn Cu-Mn và Co-Mn tạo ra tương tác cộng hưởng điện tử giữa các cặp ion hóa trị ($Mn^{4+}/Mn^{3+}$, $Cu^{2+}/Cu^+$, $Co^{3+}/Co^{2+}$), tăng cường mật độ oxy linh động mạng lưới theo cơ chế Mars-van Krevelen, giúp đạt hiệu quả oxy hóa hoàn toàn VOCs tương đương kim loại quý ở dải nhiệt độ 210–250 °C đối với dạng bột.

2. Tỷ lệ mol kim loại tối ưu của các hệ xúc tác trong luận án là bao nhiêu?

  • Hệ đồng - mangan ($CuMnO_x$): Tỷ lệ mol tối ưu là $Cu/Mn = 1:2$ (ký hiệu $CuMnO_x12$), tổng hợp bằng phương pháp sol-gel.
  • Hệ coban - mangan ($CoMnO_x$): Tỷ lệ mol tối ưu là $Co/Mn = 9:1$ (ký hiệu $CoMnO_x91$).

3. Hợp chất lưu huỳnh ảnh hưởng như thế nào đến hoạt tính của xúc tác CuMnOx12?

Khi đưa các hợp chất lưu huỳnh vào dòng khí phản ứng oxy hóa benzen trên xúc tác $CuMnO_x12$:

  • Nồng độ 800 ppm $SO_2$ làm giảm 20% độ chuyển hóa benzen.
  • Nồng độ 2.000 ppm $H_2S$ làm giảm 30% độ chuyển hóa benzen.
  • Ở 250 °C khi có mặt oxy trong dòng nạp, $H_2S$ bị xúc tác oxy hóa chuyển đổi thành $SO_2$, gây sunfat hóa cục bộ bề mặt hoạt tính của xúc tác.

4. Tải lượng pha hoạt tính tối ưu khi phủ lên chất mang cordierit và than hoạt tính là bao nhiêu?

  • Trên chất mang gốm tổ ong cordierit: Tải lượng tối ưu là 23% đối với $CuMnO_x12$ ($23%\ CuMnO_x12/\text{cordierite}$) và 15% đối với $CoMnO_x91$ ($15%\ CoMnO_x91/\text{cordierite}$), cho phép chuyển hóa hoàn toàn 100% benzen và toluen ở 350 °C.
  • Trên chất mang than hoạt tính (AC): Mẫu $25%\ CuMnO_x12/\text{AC}$ đạt chuyển hóa 65,79% benzen ($Y_{CO_2} = 89,4%$) ở 150 °C và 94,41% benzen ($Y_{CO_2} = 100%$) ở 250 °C. Mẫu $7%\ CuMnO_x12/\text{AC}$ được chọn làm vật liệu hấp phụ kết hợp trong hệ pilot.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Trần Thị Thu Hiền đã nghiên cứu phát triển thành công các hệ xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp không chứa kim loại quý $CuMnO_x$ và $CoMnO_x$ với hoạt tính cao trong quá trình oxy hóa hoàn toàn benzen và toluen ở nhiệt độ thấp. Công trình đã tối ưu hóa phương pháp chế tạo, xác định tỷ lệ thành phần kim loại thích hợp ($Cu/Mn = 1:2$ và $Co/Mn = 9:1$), làm rõ động học tác động của hợp chất lưu huỳnh và chế tạo thành công xúc tác cấu trúc khối trên chất mang gốm tổ ong cordierit cũng như than hoạt tính. Việc tích hợp module xúc tác $15%\ CoMnO_x91/\text{cordierite}$ và $7%\ CuMnO_x12/\text{AC}$ trong hệ thống pilot đã giải quyết hiệu quả bài toán xử lý khí thải chứa VOCs thơm độc hại từ dây chuyền nhiệt phân lốp xe phế thải tại cơ sở công nghiệp, đóng góp thiết thực cho công tác kiểm soát ô nhiễm không khí.