ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN ANH TUẤN TỔNG HỢP ZEOLIT TỪ TRO RƠM RẠ VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Anh Tuấn TỔNG HỢP ZEOLIT TỪ TRO RƠM RẠ VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Hóa Vô cơ Mã số:60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Triệu Thị Nguyệt Hà Nội – Năm 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Triệu Thị Nguyệt đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô và các cô chú kĩ thuật viên trong bộ môn Hóa Vô cơ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm thực nghiệm. Tôi cũng xin cảm ơn các anh, chị và các bạn trong phòng phức chất đã giúp đỡ tận tình, đóng góp nhiều ý kiến quí báu để bản luận văn này hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân đã tạo mọi điều kiện vật chất và tinh thần cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Hà Nội, Ngày 11 tháng 12 năm 2013 Sinh viên Nguyễn Anh Tuấn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC M ĐẦU. 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN. Sơ lƣợc lịch sử và sự phát triển của Zeolit.
Khái niệm và phân loại zeolit. Khái niệm zeolit. Phân loại zeolit. Cấu trúc của zeolit.
Tính chất của zeolit. Tính chất trao đổi cation. Tính chất hấp phụ. Tính chất chọn lọc hình dạng.
Giới thiệu một số zeolit. Tổng hợp zeolit. Cơ chế kết tinh zeolit. Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp zeolit.
Ứng dụng của zeolit. ng dụng trong c ng nghiệp. ng dụng trong x lí nhi m m i trư ng. ng dụng trong n ng nghiệp.
ng dụng trong y dược. 22 Chƣơng 2: MỤC ĐÍCH VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Mục đích và nội dung nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu.
24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX). Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên t (AAS). Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR).
Phương pháp nhi u xạ tia X (XRD). Ảnh hiển vi điện t quét (SEM). Nguyên liệu và hóa chất. Xác định độ ẩm, độ tro hóa của rơm rạ.
Xác định độ ẩm của rơm rạ. Xác định độ tro hóa của rơm rạ. Kết quả phân tích thành phần tro rơm rạ. Khảo sát khả năng chiết silic từ rơm rạ và tro rơm rạ.
Tổng hợp zeolit. Tổng hợp zeolit A. Tổng hợp zeolit Y. Tổng hợp zeolit ZSM-5.
Nghiên cứu zeolit bằng phƣơng pháp EDX. Nghiên cứu zeolit bằng phƣơng pháp XRD. Giản đồ nhi u xạ tia X của các mẫu zeolit A. Giản đồ nhi u xạ tia X của các mẫu zeolit Y.
Giản đồ nhi u xạ tia X của mẫu zeolit ZSM-5. Nghiên cứu zeolit bằng phƣơng pháp IR. Nghiên cứu zeolit bằng phƣơng pháp SEM. Nghiên cứu khả năng trao đổi ion của zeolit.
63 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1: Sự thay đổi cấu trúc và tính chất hóa lý của zeolit theo tỉ lệ Si/Al Bảng 1.2: Dữ liệu cấu trúc cơ bản của một số zeolit thông dụng Bảng 1.3: Dung lượng trao đổi cation của một số zeolit Bảng 1.4: Kích thước phân tử và đường kính động học của một số phân tử chất bị hấp phụ thường gặp đối với zeolit Bảng 1.5: Kích thước mao quản, đường kính động học và khả năng hấp phụ các chất tốt nhất đối với một số zeolit thông dụng Bảng 1.6: Ảnh hưởng của bản chất nguồn silic tới quá trình kết tinh zeolit ZSM-5 Bảng 2.1: Điều kiện chuẩn đo AAS xác định hàm lượng ion kim loại Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa các thông số mạng và tỉ lệ Si/Al Bảng 3.1: Các hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm Bảng 3.2: Thành phần hóa học trong tro rơm rạ.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ Na/Si đến quá trình chiết silic từ rơm rạ Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình chiết silic từ rơm rạ Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình chiết silic từ rơm rạ Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ Na/Si đến quá trình chiết silic từ tro rơm rạ Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình chiết silic từ tro rơm rạ Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình chiết silic từ tro rơm rạ Bảng 3.9: Kí hiệu các mẫu tổng hợp zeolit A Bảng 3.10: Thành phần nguyên tố trong các zeolit Bảng 3.11: Kết quả XRD của các mẫu zeolit A Bảng 3.12: Kết quả XRD của các mẫu zeolit Y Bảng 3.13: Hàm lượng các cation trong dịch lọc sau trao đổi Bảng 3.14: % ion kim loại trao đổi Bảng 3.15: Dung lượng trao đổi ion của các zeolit tổng hợp được LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Các đơn vị cấu trúc sơ cấp của zeolit – tứ diện TO4: SiO4 và AlO4- Hình 1.2: Các đơn vị cấu trúc thứ cấp của zeolit Hình 1.3: Sự hình thành cấu trúc zeolit A, X, Y từ các kiều ghép nối khác nhau Hình 1.5: Cấu trúc khung mạng faujasit và vòng 12 oxi nhìn theo hướng <111> Hình 1.6: Hệ thống mao quản của zeolit ZSM-5 và mặt cắt nhìn từ mặt [010] Hình 1.7: Giản đồ bão hòa – quá bão hòa của dung dịch tổng hợp zeolit Hình 1.8: Mô tả sự chuyển pha faujusite thành pha ZSM-4 theo thời gian Hình 2.1: Nguyên lí của phép phân tích EDX Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lí bộ ghi nhận phổ EDX Hình 2.3: Sơ đồ làm việc của kính hiển vi điện tử quét Hình 3.1: Phổ EDX của mẫu A-Tro1 Hình 3.2: Phổ EDX của mẫu A-48 Hình 3.3: Phổ EDX của mẫu A-0 Hình 3.4: Phổ EDX của mẫu A-Tro 2 Hình 3.5: Phổ EDX của mẫu Y-1 Hình 3.6: Phổ EDX của mẫu Y-2 Hình 3.7: Phổ EDX của mẫu Y-2N Hình 3.8: Phổ EDX của mẫu ZSM-5 Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu A-Tro 1 Hình 3.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu A-48 Hình 3.11: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu A-0 Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu A-Tro 2 Hình 3.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Y-1 Hình 3.14: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Y-2 Hình 3.15: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Y-2N LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.16: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZSM-5 Hình 3.17: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZSM-5 chuẩn Hình 3.18: Phổ IR của mẫu A-Tro 1 Hình 3.19: Phổ IR của mẫu A-48 Hình 3.20: Phổ IR của mẫu A-0 Hình 3.21: Phổ IR của mẫu Y-1 Hình 3.22: Phổ IR của mẫu ZSM-5 Hình 3.23: Ảnh SEM của các mẫu zeolit A Hình 3.24: Ảnh SEM của mẫu Y-1 Hình 3.25: Ảnh SEM của mẫu ZSM-5 Hình 3.26: Ảnh SEM các mẫu zeolit của các tác giả [3] và [10] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN AAS: Atomic Absorption Spectrometry (Phổ hấp thụ nguyên tử) CEC: Cation Exchange Capacity (Dung lượng trao đổi ion) D4R: Double 4-rings (Vòng kép 4 cạnh) EDX: Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán xạ năng lượng tia X) IR: Infrared (Hồng ngoại) PDF: Powder Diffraction File (Thư viện phổ XRD) SBU: Secondary Building Unit (Đơn vị cấu trúc thứ cấp) SEM: Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) TPABr: Tetra Propyl Amoni Bromua XRD: X-Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X). LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com M ĐẦU Zeolit thuộc nhóm vật liệu vi xốp được phát hiện vào năm 1756 bởi Cronstedt, một nhà khoa học người Thụy Điển. Thuật ngữ rây phân tử được McBain đề xuất năm 1932 khi ông nhận thấy chabazit, một loại zeolit, có tính chất hấp phụ chọn lọc các phân tử nhỏ có kích thước dưới 5Å.Với tính chất đặc biệt này nên sau đó các zeolit được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong công nghiệp hoá dầu.
Hiện nay, zeolit còn được ứng dụng trong nông nghiệp để giải quyết vấn đề gây ô nhiễm do rác thải trong nông nghiệp, cụ thể là rác thải do rơm rạ và trấu. Mỗi năm Việt Nam sản xuất trên 40 triệu tấn lúa. Nông dân có tập quán canh tác lúa hai đến ba vụ trong năm vì vậy nếu trung bình một tấn lúa cho ra 1 - 1,2 tấn rơm rạ thì với sản lượng lúa hiện nay, ước tính lượng rơm rạ thải ra có thể lên đến 40 - 46 triệu tấn/năm. Tuy nhiên, vấn đề xử lý rơm rạ sau mỗi vụ thu hoạch lúa trên thực tế lại chưa có cách làm hiệu quả.
Hiện nay các hộ dân thường đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng. Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng khí thải CO2 phát thải vào môi trường do đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng là lớn nhất, từ 1,2 đến 4,7 triệu tấn/năm nếu tỷ lệ rơm rạ đốt trong khoảng từ 20-80%. Lượng phát thải các loại khí thải khác như CH4 sẽ là 1,0-3,9 ngàn tấn/năm, CO là 28,3-113,2 ngàn tấn/năm. Lượng khí nhà kính phát thải vào môi trường do đốt rơm rạ vùng đồng bằng sông Hồng có thể gây thiệt hại về môi trường tương đương từ 19,05-200,3 triệu USD/năm, tùy thuộc vào tỷ lệ đốt rơm rạ (20-80%) và tùy thuộc vào sự biến động giá mua bán quyền phát thải CO2 trên thị trường thế giới.
Với mục đích hướng nghiên cứu vào lĩnh vực tổng hợp và khảo sát tính chất của zeolit từ nguyên liệu tự nhiên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rơm rạ, trong đề tài này chúng tôi đã tiến hành tổng hợp zeolit từ tro rơm rạ và nghiên cứu tính chất của chúng. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Sơ lƣợc lịch sử và sự phát triển của Zeolit. Zeolit được phát hiện vào năm 1756 bởi Le Bron Bronstedt, một nhà khoáng học người Thụy Điển.
Ông đã phát hiện được zeolit nhờ hơi nước thoát ra khi nung khoáng này. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ sau zeolit mới bắt đầu được nghiên cứu kĩ trong các phòng thí nghiệm.