Nghiên cứu tổng hợp zeolit từ tro trấu và tính chất của chúng tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp zeolit từ tro trấu và nghiên cứu tính chất của chúng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Thị Huyền
• Người hướng dẫn: PGS. Triệu Thị Nguyệt
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng hợp zeolit từ tro trấu và nghiên cứu tính chất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Vài nét về lịch sử phát triển vật liệu zeolit
• 1.2. Khái niệm và phân loại zeolit
• 1.2.1. Khái niệm về zeolit
• 1.2.2. Phân loại zeolit
• 1.2.2.1. Phân loại theo nguồn gốc
• 1.2.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học
• 1.2.2.3. Phân loại theo đường kính mao quản
• 1.2.2.4. Phân loại theo hướng không gian của các kênh hình thành cấu trúc mao quản
• 1.3. Cấu trúc tinh thể zeolit
• 1.4. Tính chất của zeolit
• 1.4.1. Tính chất trao đổi cation
• 1.4.2. Tính chất hấp phụ
• 1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp zeolit
• 1.4.3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ Si/Al
• 1.4.3.2. Ảnh hưởng của nguồn silic
• 1.4.3.3. Ảnh hưởng của độ pH
• 1.4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian
• 1.4.3.5. Ảnh hưởng của chất tạo cấu trúc
• 1.5. Ứng dụng của zeolit
• 1.5.1. Ứng dụng trong công nghiệp
• 1.5.2. Ứng dụng trong nông nghiệp
• 1.5.3. Ứng dụng trong xử lí ô nhiễm môi trường
• 1.5.4. Ứng dụng trong y dược
• 1.6. Giới thiệu về trấu và tro trấu
• 2. MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (TG – DSC)
• 2.2.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 2.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.5. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3. Nguyên liệu và hóa chất
• 2.3.1. Xác định độ ẩm và độ tro hóa của trấu
• 2.3.2. Xác định hàm lượng oxit kim loại trong tro trấu
• 2.4. Nghiên cứu khả năng trao đổi ion của zeolit
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định độ ẩm và độ tro hóa của trấu
• 3.2. Kết quả xác định hàm lượng oxit kim loại trong tro trấu
• 3.3. Kết quả phân tích nhiệt của tro trấu
• 3.4. Hàm lượng SiO2 trong tro nung
• 3.5. Tổng hợp zeolit A
• 3.6. Tổng hợp zeolit X
• 3.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.6.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.7. Tổng hợp zeolit ZSM – 5
• 3.8. Khả năng trao đổi ion của zeolit
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tổng hợp zeolit từ tro trấu và tính chất

Zeolit là một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và xử lý môi trường. Việc tổng hợp zeolit từ tro trấu không chỉ giúp tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tro trấu chứa hàm lượng silic cao, là nguyên liệu lý tưởng cho quá trình tổng hợp zeolit. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp tổng hợp và tính chất của zeolit từ tro trấu.

1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của zeolit

Zeolit đã được nghiên cứu từ thế kỷ 18 và ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Từ những năm 1960, zeolit đã được tổng hợp để phục vụ cho ngành công nghiệp lọc hóa dầu. Các nghiên cứu gần đây cho thấy zeolit có khả năng hấp phụ và trao đổi ion cao, làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng trong xử lý nước và không khí.

1.2. Tính chất đặc trưng của zeolit

Zeolit có cấu trúc ba chiều với hệ thống lỗ xốp đồng đều, cho phép chúng hấp phụ các phân tử nhỏ. Tính chất trao đổi cation của zeolit cũng rất quan trọng, giúp chúng có khả năng làm mềm nước và xử lý ô nhiễm. Các yếu tố như tỉ lệ Si/Al và nhiệt độ tổng hợp ảnh hưởng lớn đến tính chất của zeolit.

II. Thách thức trong việc tổng hợp zeolit từ tro trấu

Mặc dù việc tổng hợp zeolit từ tro trấu mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, việc kiểm soát chất lượng của tro trấu là rất quan trọng. Tro trấu có thể chứa nhiều tạp chất, ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và tính chất của zeolit. Thứ hai, điều kiện tổng hợp như nhiệt độ và thời gian phản ứng cần được tối ưu hóa để đạt được zeolit có chất lượng tốt nhất.

2.1. Ảnh hưởng của tạp chất trong tro trấu

Tạp chất trong tro trấu có thể làm giảm hiệu suất tổng hợp zeolit. Việc phân tích thành phần hóa học của tro trấu là cần thiết để loại bỏ các tạp chất không mong muốn, đảm bảo chất lượng zeolit cuối cùng.

2.2. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp zeolit

Điều kiện tổng hợp như nhiệt độ, thời gian và pH có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của zeolit. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể khả năng trao đổi ion và tính chất hấp phụ của zeolit.

III. Phương pháp tổng hợp zeolit từ tro trấu hiệu quả

Có nhiều phương pháp tổng hợp zeolit từ tro trấu, bao gồm phương pháp thủy nhiệt, phương pháp khô và phương pháp hóa học. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp thủy nhiệt thường được ưa chuộng vì khả năng tạo ra zeolit có cấu trúc đồng đều và tính chất tốt.

3.1. Phương pháp thủy nhiệt trong tổng hợp zeolit

Phương pháp thủy nhiệt sử dụng nước và nhiệt độ cao để tạo ra zeolit từ tro trấu. Quá trình này giúp tăng cường khả năng trao đổi ion và tính chất hấp phụ của zeolit. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ và thời gian phản ứng là hai yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa.

3.2. Phương pháp khô và hóa học

Phương pháp khô thường đơn giản hơn nhưng có thể không tạo ra zeolit có chất lượng cao như phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp hóa học có thể sử dụng các hóa chất để cải thiện quá trình tổng hợp, nhưng cần phải kiểm soát chặt chẽ để tránh tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của zeolit tổng hợp từ tro trấu

Zeolit tổng hợp từ tro trấu có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý nước và môi trường. Chúng có thể được sử dụng để làm mềm nước cứng, hấp phụ các chất ô nhiễm và làm phân bón nhả chậm. Nghiên cứu cho thấy zeolit có khả năng hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng, giúp cải thiện chất lượng nước.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước

Zeolit có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng và làm mềm nước cứng. Việc sử dụng zeolit trong xử lý nước giúp giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước sinh hoạt.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp

Zeolit có thể được sử dụng làm phân bón nhả chậm, giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng zeolit trong nông nghiệp có thể tăng năng suất cây trồng và cải thiện chất lượng đất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của zeolit từ tro trấu

Việc tổng hợp zeolit từ tro trấu không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này mở ra nhiều triển vọng cho việc sử dụng zeolit trong các lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của zeolit trong đời sống.

5.1. Tương lai của nghiên cứu zeolit

Nghiên cứu về zeolit từ tro trấu sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn và ứng dụng đa dạng hơn trong công nghiệp và nông nghiệp.

5.2. Đóng góp của zeolit trong bảo vệ môi trường

Zeolit có tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng zeolit từ tro trấu không chỉ giúp giảm thiểu rác thải nông nghiệp mà còn tạo ra vật liệu có giá trị, góp phần vào sự phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Zeolit là vật liệu vi mao quản có cấu trúc tinh thể ba chiều với khả năng trao đổi cation, hấp phụ và xúc tác vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp lọc hóa dầu, xử lý môi trường và nông nghiệp. Trên thế giới, tiêu thụ zeolit đạt khoảng 5,5 triệu tấn năm 2010, trong đó zeolit tổng hợp chiếm phần lớn. Ở Việt Nam, với sản lượng lúa trên 43 triệu tấn năm 2013, lượng vỏ trấu thải ra ước tính từ 6 đến 7 triệu tấn mỗi năm, phần lớn chưa được tận dụng hiệu quả, gây ô nhiễm môi trường. Tro trấu chứa hàm lượng silic oxit trên 80%, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp zeolit với chi phí thấp và thân thiện môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào tổng hợp các loại zeolit A, X, ZSM-5 từ tro trấu, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng đến quá trình kết tinh, đồng thời đánh giá khả năng trao đổi ion của zeolit tổng hợp nhằm ứng dụng trong xử lý nước cứng, phân bón nhả chậm và sản xuất chất giặt rửa. Nghiên cứu thực hiện tại Khoa Hóa vô cơ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2014. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị kinh tế của phế phẩm nông nghiệp, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do vỏ trấu gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cấu trúc và tính chất của zeolit, bao gồm:

• Cấu trúc tinh thể zeolit: Zeolit là aluminosilicat tinh thể với các đơn vị sơ cấp TO4 (T = Si, Al) tạo thành mạng lưới ba chiều có hệ thống mao quản đồng đều kích thước từ 3 đến 12 Å. Tỉ lệ Si/Al ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất hóa lý như độ bền nhiệt, khả năng trao đổi cation và tính kỵ nước.

• Phân loại zeolit: Theo nguồn gốc (tự nhiên, tổng hợp), tỉ lệ Si/Al (thấp, trung bình, cao), kích thước mao quản (nhỏ, trung bình, rộng) và hướng không gian của kênh mao quản (một, hai, ba chiều).

• Tính chất trao đổi cation: Zeolit có khả năng trao đổi ion thuận nghịch giữa các cation trong mạng lưới và cation trong dung dịch, phụ thuộc vào kích thước cation, tỉ lệ Si/Al, pH và nhiệt độ môi trường.

• Tính chất hấp phụ và xúc tác: Zeolit hấp phụ chọn lọc các phân tử dựa trên kích thước mao quản và tính phân cực bề mặt. Tính xúc tác thể hiện qua các tâm axit Brønsted và Lewis, được điều chỉnh bằng trao đổi ion và biến tính.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là tro trấu lấy từ Quỳnh Phụ, Thái Bình. Các mẫu tro trấu được nung ở 550°C và 700°C để loại bỏ tạp chất hữu cơ. Thành phần hóa học được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai (TG-DSC), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ hồng ngoại (IR), nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM).

• Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp zeolit A, X, ZSM-5 bằng phương pháp kết tinh thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ mol Na2O:SiO2:Al2O3:H2O được điều chỉnh phù hợp. Chất tạo cấu trúc TPABr được sử dụng cho zeolit ZSM-5.

• Phân tích và đánh giá: Khả năng trao đổi ion của zeolit được khảo sát bằng phương pháp trao đổi ion với các cation Ca2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong dung dịch, hàm lượng ion kim loại còn lại được đo bằng AAS. Sự thay đổi cấu trúc sau trao đổi ion được kiểm tra bằng XRD.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2014, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, tổng hợp zeolit, phân tích tính chất và đánh giá khả năng trao đổi ion.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ ẩm và độ tro hóa của trấu: Độ ẩm trấu đo được là 10,41%, độ tro hóa là 20,20%, phù hợp với các nghiên cứu trước đây, cho thấy trấu là nguyên liệu có hàm lượng silic cao và thích hợp cho tổng hợp zeolit.

2. Thành phần hóa học tro trấu: Tro trấu chứa trên 80% SiO2, cùng các oxit kim loại khác như Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tổng hợp zeolit.

3. Tổng hợp zeolit A: Zeolit A được tổng hợp thành công từ tro trấu nung ở 550°C và 700°C với tỉ lệ mol Na2O:SiO2:Al2O3:H2O = 0,34:0,04:0,04:16, nhiệt độ 100°C trong 5 giờ. Phân tích XRD và IR xác nhận cấu trúc zeolit A chuẩn với kích thước mao quản khoảng 4 Å.

4. Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian đến zeolit X: Nhiệt độ phản ứng từ 60°C đến 100°C và thời gian từ 8 đến 12 giờ ảnh hưởng rõ đến độ kết tinh và kích thước tinh thể. Ở 80°C trong 10 giờ, zeolit X đạt độ kết tinh cao nhất, thể hiện qua các pic XRD sắc nét và hình ảnh SEM cho thấy tinh thể đồng đều kích thước 1-2 µm.

5. Tổng hợp zeolit ZSM-5: Sử dụng TPABr làm chất tạo cấu trúc, zeolit ZSM-5 được tổng hợp ở 170°C với thời gian phản ứng từ 36 đến 72 giờ. Thời gian 72 giờ cho kết quả tốt nhất với cấu trúc tinh thể rõ ràng, mao quản trung bình khoảng 5,5 Å, phù hợp ứng dụng xúc tác.

6. Khả năng trao đổi ion: Zeolit tổng hợp có dung lượng trao đổi cation cao, đặc biệt zeolit A đạt trên 7 meq/g, zeolit X khoảng 6,4 meq/g, zeolit ZSM-5 thấp hơn do tỉ lệ Si/Al cao. Sau hai lần trao đổi ion với Ca2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+, zeolit vẫn giữ cấu trúc ổn định, dung lượng trao đổi ion đạt trên 80% so với lần đầu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tro trấu là nguồn nguyên liệu giàu silic oxit, thích hợp để tổng hợp các loại zeolit phổ biến với hiệu suất cao. Việc nung tro trấu ở 550-700°C giúp loại bỏ tạp chất hữu cơ, tăng hàm lượng SiO2 dạng vô định hình, thuận lợi cho quá trình kết tinh zeolit. Nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và độ kết tinh của zeolit, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.

Khả năng trao đổi ion cao của zeolit tổng hợp từ tro trấu cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước cứng, loại bỏ kim loại nặng và làm phân bón nhả chậm. So sánh với zeolit tổng hợp từ nguồn nguyên liệu khác, zeolit từ tro trấu có tính chất tương đương hoặc vượt trội về khả năng trao đổi ion và độ bền cấu trúc sau trao đổi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện độ kết tinh, biểu đồ dung lượng trao đổi ion so sánh các loại zeolit, và ảnh SEM minh họa kích thước tinh thể.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình nung tro trấu: Đề xuất nung tro trấu ở nhiệt độ 600-700°C trong 5 giờ để đạt hàm lượng SiO2 tối ưu, nâng cao hiệu suất tổng hợp zeolit. Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến nông sản, thời gian 6 tháng.

2. Phát triển quy trình tổng hợp zeolit quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình kết tinh thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ và thời gian đã khảo sát để sản xuất zeolit A, X, ZSM-5 từ tro trấu. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghiệp hóa chất, thời gian 1 năm.

3. Ứng dụng zeolit trong xử lý nước và nông nghiệp: Khuyến khích sử dụng zeolit tổng hợp làm chất làm mềm nước, hấp phụ kim loại nặng và làm phân bón nhả chậm tại các vùng nông thôn và công nghiệp. Chủ thể thực hiện: các cơ sở xử lý nước, nông dân, thời gian 1-2 năm.

4. Nghiên cứu mở rộng về biến tính zeolit: Thực hiện các nghiên cứu biến tính zeolit để tăng cường tính chọn lọc và khả năng xúc tác, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu và xử lý môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, thời gian 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu: Nắm bắt kiến thức tổng hợp zeolit từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tiễn.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và hóa chất: Áp dụng quy trình tổng hợp zeolit từ tro trấu để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, giảm chi phí nguyên liệu.

3. Cơ sở xử lý môi trường và nước thải: Sử dụng zeolit tổng hợp làm chất hấp phụ, trao đổi ion để xử lý nước cứng, loại bỏ kim loại nặng và các chất ô nhiễm.

4. Người làm nông nghiệp và phát triển nông thôn: Ứng dụng zeolit làm phân bón nhả chậm, cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng và giảm ô nhiễm môi trường do phế phẩm nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Zeolit là gì và tại sao lại quan trọng trong công nghiệp?
   Zeolit là vật liệu aluminosilicat tinh thể có hệ thống mao quản đồng đều, khả năng trao đổi ion và xúc tác cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong lọc hóa dầu, xử lý nước và nông nghiệp nhờ tính chọn lọc và bền nhiệt.

2. Tại sao tro trấu được chọn làm nguyên liệu tổng hợp zeolit?
   Tro trấu chứa hàm lượng silic oxit cao (>80%), dạng vô định hình, dễ chiết xuất silic để tổng hợp zeolit. Ngoài ra, sử dụng tro trấu giúp tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng đến chất lượng zeolit như thế nào?
   Nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh, kích thước tinh thể và độ tinh khiết của zeolit. Ví dụ, zeolit X đạt kết tinh tốt nhất ở 80°C trong 10 giờ, zeolit ZSM-5 cần 170°C trong 72 giờ.

4. Khả năng trao đổi ion của zeolit tổng hợp từ tro trấu có hiệu quả không?
   Zeolit tổng hợp từ tro trấu có dung lượng trao đổi cation cao, trên 7 meq/g đối với zeolit A, giữ cấu trúc ổn định sau nhiều lần trao đổi ion, phù hợp ứng dụng xử lý nước và làm phân bón.

5. Zeolit tổng hợp có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào ngoài xử lý nước?
   Ngoài xử lý nước, zeolit còn được dùng làm chất xúc tác trong công nghiệp lọc hóa dầu, phụ gia trong sản xuất chất giặt rửa, phân bón nhả chậm trong nông nghiệp và vật liệu hấp phụ các hợp chất hữu cơ độc hại.

Kết luận

• Tro trấu là nguồn nguyên liệu giàu silic oxit, thích hợp để tổng hợp các loại zeolit A, X, ZSM-5 với hiệu suất cao và chi phí thấp.
• Nhiệt độ nung tro trấu, nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng quan trọng đến cấu trúc và tính chất của zeolit tổng hợp.
• Zeolit tổng hợp từ tro trấu có khả năng trao đổi ion cao, giữ cấu trúc ổn định sau nhiều lần trao đổi, phù hợp ứng dụng xử lý nước và nông nghiệp.
• Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong tận dụng phế phẩm nông nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và nghiên cứu biến tính zeolit để nâng cao hiệu quả sử dụng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai quy trình tổng hợp zeolit từ tro trấu quy mô công nghiệp, đồng thời phát triển các sản phẩm ứng dụng trong xử lý môi trường và nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *****&***** NGUYỄN THỊ HUYỀN TỔNG HỢP ZEOLIT TỪ TRO TRẤUVÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ***---*** NGUYỄN THỊ HUYỀN TỔNG HỢP ZEOLIT TỪ TRO TRẤU 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 2014 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. 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 đề tài. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân, ban Giám đốc trung tâm GDTX Thanh Xuân đã tạo mọi điều kiện vật chất và tinh thần để cho tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Hà Nội, ngày 3 tháng 6 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Huyền TIEU LUAN MOI download : [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN TÀI LIỆU. Vài nét về lịch sử phát triển vật liệu zeolit. Khái niệm và phân loại zeolit.

Khái niệm về zeolit. Phân loại zeolit. Cấu trúc tinh thể zeolit. Giới thiệu về cấu trúc một số zeolit thông dụng.

Tính chất của zeolit. Tính chất trao đổi cation. Tính chất hấp phụ. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp zeolit.

Ảnh hưởng của tỉ lệ Si/Al. Ảnh hưởng của nguồn silic. Ảnh hưởng của độ pH. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian.

Ảnh hưởng của chất tạo cấu trúc [13]. Ứng dụng của zeolit. Ứng dụng trong công nghiê ̣p. Ứng dụng trong nông nghiệp.

Ứng dụng trong xử lí ô nhiễm môi trường. 25 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Ứng dụng trong y dược. Giới thiệu về trấu và tro trấu.

MỤC ĐÍCH, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Mục đích và nội dung nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (TG – DSC). Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS).

Phương pháp phổ hồng ngoại (IR). Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Nguyên liệu và hóa chất .Xác định độ ẩm và độ tro hóa của trấu.

Xác định hàm lượng oxit kim loại trong tro trấu. Nghiên cứu khả năng trao đổi ion của zeolit. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Xác định độ ẩm và độ tro hóa của trấu.

Kết quả xác định hàm lƣợng oxit kim loại trong tro trấu. Kết quả phân tích nhiệt của tro trấu. Hàm lượng SiO2 trong tro nung. Tổng hợp zeolit A.

Tổng hợp zeolit X. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng. Tổng hợp zeolit ZSM – 5.

Khả năng trao đổi ion của zeolit. 62 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] TÀI LIỆU THAM KHẢO. 69 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.2: Các thông số dữ liệu tinh thể học đặc trưng của zeolit A.3: Dung lượng trao đổi cation của một số zeolit.4: Ảnh hưởng của bản chất nguồn silic tới quá trình kết tinh zeolit ZSM-5.1: Điều kiện chuẩn đo AAS xác định hàm lượng ion kim loại.2: Các hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm.Điều kiện chiếu SiO2 từ tro trấu.Các điều kiện tổng hợp zeolit X.1: Thành phần hóa học trong tro trấu (TĐ).2: % SiO2 trong tro nung.3: Kết quả XRD của các mẫu zeolit A.4: Kết quả XRD của các mẫu zeolit X .5: Kết quả XRD của các mẫu zeolit ZSM-5.6: Hàm lượng các cation trong dịch lọc sau trao đổi.7: % ion kim loại trao đổi.8: Dung lượng trao đổi ion của các zeolit tổng hợp được TIEU LUAN MOI download : [e-mail] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.Các đơn vị cấu trúc sơ cấp của zeolit – tứ diện TO4: SiO4 và AlO4- Hình 1. Các đơn vị cấu trúc thứ cấp của zeolit khác nhau.

Các tứ diện TO4 nằm ở giữa các nút (các đỉnh) còn oxi nằm giữa các đường kết nối Hình 1.a) Cấu trúc không gian của bát diện cụt b) Cấu trúc mạng tinh thể của zeolit X,Y Hình 1.Hệ thống mao quản của zeolit ZSM-5 và mặt cắt nhìn từ mặt [010] Hình 1. Mô tả sự chuyển pha faujusite thành pha ZSM-4 theo thời gian Hình 2.Vỏ trấu Hình 2.Trấu đốt (a) và trấu nung (b) Hình 3.Giản đồ TG/DSC của mẫu: a) TĐ, b) TN550, c) TN700 Hình 3.Phổ XRD của mẫu zeolite A từ các nguồn nguyên liệu khác nhau Hình 3.3Ảnh SEM của các mẫu zeolite A được tổng hợp từ: a) TĐ, b) TN550 và c) TN700 Hình 3.Phổ IR của mẫu zeolite A1 Hình 3.Phổ XRD của mẫu zeolite X theo nhiệt độ phản ứng khác nhau Hình 3.Ảnh SEM của zeolit X ở nhiệt độ phản ứngnhau: a) ở 600C (X60) , b) ở 800C (X80), c) ở 1000C ( X100) Hình 3.Phổ XRD của mẫu zeolite X với thời gian phản ứng khác nhau: 8h(X8), 10h( X80) và 12h (X12) Hình 3.Ảnh SEM của zeolit X với thời gian phản ứngkhác nhau: a) 8h , b) 10h, c) 12h Hình 3. Phổ IR của mẫu tổng hợp X80-10 Hình 3.Phổ XRD của mẫu zeolite ZSM- 5 theo thời gian phản ứng khác nhau TIEU LUAN MOI download : [e-mail]ản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZSM-5 chuẩn [55] Hình 3.Ảnh SEM của zeolite ZSM-5 với thời gian phản ứngkhác nhau: a) 36h, b) 48h, c) 60h, d) 72h Hình 3.Phổ IR của mẫu zeolit Z72 Hình 3. % trao đổi ion kim loại của các zeolit tổng hợp Hình 3.Biểu đồ dung lượng trao đổi ion của các zeolit tổng hợp được Hình 3.Phổ XRD của mẫu zeolit A1 trước (a) và sau (b) khi trao đổi ion Ca2+ lần 2.Phổ XRD của mẫu zeolit X 80 trước (a) và sau (b) khi trao đổi ion Ca2+ lần 2.Phổ XRD của mẫu zeolit Z72 trước (a) và sau (b) khi trao đổi ion Ca2+ lần 2.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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) D6R: Double 6-rings (Vòng kép 6 cạnh) 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 TG -DSC : Phân tích nhiệt vi sai XRD: X-Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X). TIEU LUAN MOI download : [e-mail] MỞ ĐẦU Từ những năm đầu thế kỉ XX các nhà khoa học đã rất quan tâm đến một loại vật liệu mới có nhiều tính chất ưu việt, đó chính là zeolit. Zeolit thuộc nhóm vật liệu vi mao quản được nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1756 bởi Cronstedt - một nhà khoáng học người Thụy Điển nhưng phải đến hàng trăm năm sau, đặc biệt là trong mấy thập niên quacác nhà khoa học mới thấy hết được những ứng dụng to lớn của nó. Thuật ngữ rây phân tử - chỉ vật liệu có hệ thống mao quản phát triển, kích thước mao quản đồng đều được McBain đề xuất vào năm 1932 khi ông nghiên cứu về chabazit, một loại zeolit có tác dụng như một rây phân tử có khả năng hấp phụ chọn lọc các phân tử nhỏ có kích thước dưới 5A0.Từ đó đến nay đã có rất nhiều công trình khoa học đã nghiên cứu tổng hợp thành công zeolit và đã ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong công nghiệp lọc hóa dầu, xử lí môi trường…do nó có những tính chất đặc biệt nhưcó hoạt tính xúc tác cao, có bề mặt riêng và khả năng trao đổi cation lớn,có khả năng hấp phụ và độ chọn lọc cao.

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp zeolit từ các nguồn nguyên liệu khác nhau chứa nhôm và silic.Ở Việt Nam cũng như các nước khác trên thế giới các nhà khoa học quan tâm đến việc tổng hợp zeolit đi từ những nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền, có thể sản xuất với số lượng lớn như từ khoáng sét, cao lanh…Tuy nhiên, song song với những yêu cầu trên về nguồn nguyên liệu các nhà khoa học còn tính đến vấn đề bảo vệ môi trường được ưu tiên hàng đầu và nguồn nguyên liệu để tổng hợp zeolit từ vỏ trấu đã đáp ứng được các yêu cầu đó. Việc sử dụng tro trấu làm nguồn cung cấp silic cho quá trình tổng hợp zeolit được nghiên cứuở các nước Châu Á như Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan, Indonesia… Tuy nhiên ở Việt Nam việc sử dụng tro trấu làm nguồn nguyên liệu cung cấp silic cho quá trình tổng hợp zeolit chưa được nghiên cứu nhiều. Do vậy, trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu tổng hợp zeolit từ vỏ trấu – một nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước đề giải quyết vấn đề tận dụng nguồn phế thải nông nghiệp, đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu đặt ra hiện nay với nguồn nguyên liệu ba trong một: 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] sẵn có, rẻ tiền và biếnrác thải nông nghiệp thành vật liệu có giá trị kinh tế cao. Bước đầu luận văn nghiên cứu khả năng trao đổi ion của các zeolit tổng hợp hướng đến ứng dụng của các zeolit này trong vấn đề xử lí làm mềm nước cứng, làm phân bón nhả chậm, làm phụ gia trong sản xuất giặt rửa… Như chúng ta đã biết,Việt Nam là nước thứ 2 trên thế giới về xuất khẩu gạo.Có thể nó Việt Nam là vựa lúa của thế giới.

Theo thống kế của bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, năm 2013 sản lượng lúa của Việt Nam đạt trên 43 triệu tấn. Trung bình mỗi tấn lúa thải ra khoảng 0,12 – 0,15 tấn vỏ trấu, như vậy mỗi năm chúng ta thải ra môi trường tương đương từ 6 – 7 triệu tấn vỏ trấu – một con số không hề nhỏ. Việc tận dụng nguồn phế thải nông nghiệp này làm chất đốt, trộn với đất sét làm bếp lò… chiếm một tỉ lệ khá khiêm tốn. Do đó phần còn lại người dân đổ ra sông, các kênh rạch… gây ô nhiễm môi trường.