kl le hai yen 072152h

i TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP CHẤT MANG CORDIERITE CERAMIC FOAM Người hướng dẫn: T.S NGUYỄN QUỐC THIẾT Người thực hiện: LÊ HẢI YẾN Lớp : 08HH1D Khoá : 12 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2014 ii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học tiến sĩ Nguyễn Quốc Thiết Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền gây q trình thực TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Tác giả LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Quốc Thiết, người thầy trực tiếp hướng dẫn truyền đạt nhiều kiến thức quý báu cho em suốt thời gian thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn bạn công tác Phòng Vật Liệu Xúc Tác – Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng quan tâm giúp đỡ em trình thực luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy Khoa Hóa Vơ Cơ – Trường Đại Học Tơn Đức Thắng nhiệt tình dạy em trình em học trường Sau lời cảm ơn em đến gia đình, bạn bè, người ln chia sẻ, động viên, giúp đỡ em suốt thời gian qua MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .4 DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.1.1 Ơ nhiễm khơng khí 1.1.1.1 Các thành phần gây nhiễm từ khí thải 1.1.1.2 Tình hình nhiễm khơng khí 11 1.1.2 Phương pháp xử lý nhiễm khơng khí 12 1.1.2.1 Xử lý NOx 12 1.1.2.2 Xử lý hydrocacbon 15 1.1.2.3 Xử lý CO .15 1.1.2.4 Xử lý đồng thời ba thành phần ô nhiễm 16 1.2 XÚC TÁC CHỨC NĂNG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 17 1.3 CHẤT NỀN CORDIERITE 20 1.3.1 Giới thiệu Cordierite 20 1.3.2 Một số phương pháp nghiên cứu 21 1.3.3 Ứng dụng làm chất 22 1.4 Lựa chọn xúc tác 23 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 26 2.1 Thiết bị hóa chất 26 2.1.1 Thiết bị 26 2.1.2 Hóa chất 26 2.2 Nội dung nghiên cứu .27 2.2.1 Quy trình điều chế Cordierite foam .27 2.2.2 Quá trình tẩm xúc tác lên cordierite foam .29 2.2.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hỗn hợp tiền chất 31 2.2.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng Al2O3 đến hình thành foam 31 2.2.2.2 Khảo sát thời gian khuấy .32 2.2.2.3 Khảo sát lượng H2O 32 2.2.2.4 Khảo sát nhiệt độ nung 33 2.2.2.5 Khảo sát pH 33 2.2.4 Các phương pháp phân tích hóa lý .33 2.2.4.1 Phương pháp đo độ nhớt .33 2.2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 34 2.2.4.3 Kính hiển vi chụp soi 35 2.2.4.4 Phương pháp phân tích máy Ultramat 6E Siemens: .35 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 40 3.1 Ảnh hưởng lượng Al2O3 đến hình thành foam: .40 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hình thành Foam 42 3.3 Ảnh hưởng thời gian khảo sát đến hình thành foam 44 3.4 Điều chế hệ xúc tác spinel CuCr2O4 mang ceramic foam .45 3.5 Ứng dụng xử lý khí CO 45 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .48 4.1 KẾT LUẬN .48 4.2 KIẾN NGHỊ .48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .49 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Biểu diễn cháy khơng hồn tồn tạo khí CO 16 Hình 1.2 Cấu tạo xử lý chức 18 Hình 1.3 Cordierite Foam dạng lỗ xốp tổ ong 20 Hình 1.4 Một số phương pháp sử dụng điều chế ceramic foam 22 Hình 2.1 Sơ đồ nung điều chế khung xương tổ ong Cordierite Foam 27 Hình 2.2 Sơ đồ điều chế khung gốm xương tổ ong Cordierite 28 Hình 2.3 Chương trình nhiệt độ trinh tổng hợp xúc tác 31 Hình 2.4 Máy nhiễu xạ tia X 35 Hình 2.5 Máy chụp hiển vi Olympus-SZX12 35 Hình 2.6 Máy Ultramat 6E Siemens 36 Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm xác định hoạt tính xúc tác theo phương pháp TPSR.38 Hình 3.1 Giản đồ ba cấu tử MgO – Al2O3 – SiO2 40 Hình 3.2 Phổ XRD so sánh mẫu C1(5,5mol), C3 (6mol), C5 (6,5mol), C7 (5mol) so với phổ XRD chuẩn 41 Hình 3.3 Hình ảnh chụp sơi mẫu .42 Hình 3.4 So sánh phổ XRD mẫu nhiệt độ khác 43 Hình 3.5 Hình ảnh khung xương gốm tổ ong Cordierite Foam 44 Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu xúc tác CuCr2O4/Ceramic foam .45 Hình 3.7 Giản đồ TPSR mẫu trắng 46 Hình 3.8 Giản đồ TPSR mẫu CuCr2O4/Ceramic foam 46 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Ảnh hưởng hàm lượng Al2O3 Error! Bookmar Bảng 2.2 Ảnh hưởng thời gian khuấy Error! Bookmar Bảng 2.3 Ảnh hưởng lượng H2O Error! Bookmar Bảng 2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung Error! Bookmar Bảng 2.5 Ảnh hưởng pH Error! Bookma Bảng 3.1 Ảnh hưởng thời gian khuấy độ nhớt Error! Bookma LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển sản xuất công nghiệp Xe cộ tăng nhanh, vấn đề xử lý khí thải ngày cần thiết cấp bách quốc gia giới dang quan tâm Với nhiều tác động xấu làm biến đổi khí hậu như: mưa axit, hiệu ứng nhà kính, nguy phá hủy tầng ozon, mà chất bảo vệ chủ yếu CO, SOx, NOx, HC Theo thống kê tổ chức bảo vệ sức khỏe giới, năm hoạt động thải bầu khí 250 triệu bụi, 200 CO, 150 triệu dioxit lưu huỳnh, Hiện nay, nước ta ngày hình thành nhiều khu cơng nghiệp, bên cạnh phương tiện giao thơng tăng lên đến mức báo động, khí thải từ khu công nghiệp từ phương tiện giao thông làm cho môi trường ngày nghiêm trọng Riêng Tp Hồ Chí Minh có khoảng 700 nhà máy, 30.000 sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp hàng trăm sở đầu tư nước Đa số sở chưa có hệ thống xử lý khí thải hồn chỉnh Theo thống kê chưa đầy đủ lượng khí nhiễm thải hàng năm khoảng 1017 bụi, 10580 SO2, 390 SO3, 194600 CO2, 260 CO, 7554 NO2, 137 hydrocacbon 78 andehit Trong số lượng nhà máy thuộc công nghiệp luyện kim khu vực không nhiều phân bố địa bàn rộng có xu hướng phát triển Các nhà máy loại gây ảnh hưởng xấu đến mơi trường khơng khí Đối với nhà máy luyện thép nguồn gây nhiễm khơng khí chủ yếu khói thải từ lị hồ quang, lượng khí thải ước tính với lưu lượng 50.000 m3/h cho lị hồ quang, khí thải chứa chủ yếu bụi với hệ số ô nhiễm 20-30 kg/tấn sản phẩm, CO với hệ số ô nhiễm 7-10 kg/ sản phẩm Như với toàn nhà máy thép công ty thép miền Nam thải vào môi trường hàng năm lượng chất ô nhiễm là: 2.840 – 4.260 tấn/năm bụi; 994 – 1.420 tấn/ năm CO Khói thải từ lị đúc nấu kim loại dạng thủ cơng; khói thải từ nguồn có chứa chất nhiễm SO2, CO, NO2, bụi, CxHy Đứng trước tình trạng nhiễm mơi trường ngày nghiêm trọng vấn đề làm khí thải từ nhà máy phần quan trọng việc xử lý môi trường Hiện nay, việc khử độc khí thải xúc tác hiệu điều khiến cho nhà khoa học quan tâm phải tìm chất thích hợp, rẻ tiền, có thời gian sử dụng lâu dài Trong đó, phương pháp oxy hóa hồn tồn dùng xúc tác phương pháp xữ lý khí hiệu mà phương pháp khác không thực Tuy nhiên phương pháp hiệu nồng độ khí thải lỗng hay ngưỡng cho phép chút Trên giới Việt Nam nghiên cứu nhiều vấn đề xữ lý khí thải nhắm cải tạo môi trường, nhiều nghiên cứu tập trung điều chế loại chất mang xúc tác có diện tích tiếp xúc lớn như: vật liệu mao quản trung bình diện tích hình học lớn khối monolith, Cordierite Ceramic Foam, dùng để mang chất xúc tác, nhắm hạ nhiệt độ giúp cho trình oxi hóa chất khí làm nhiễm mơi trường như: CO, NOx, xảy cách dễ dàng nhiệt độ thấp Trong vài năm qua, việc nghiên cứu, sản xuất ứng dụng vật liệu gốm có nhiều lỗ xốp phát triển cách đáng kể Điều chủ yếu đặc tính loại vật liệu có diện tích bề mặt lớn, tỷ trọng thấp, nhiệt riêng thấp có tính chịu nhiệt cao Những đặc tính cần thiết ứng dụng công nghiệp làm chất mang xúc tác, vật liệu lọc kim loại nóng chảy, khí nóng, trao đổi ion, vỏ chịu lửa lị nung, hệ thống cách nhiệt, trao đổi nhiệt vật liệu cấy ghép xốp y sinh Nội dung đề tài chúng tơi xin trình bày q trình điều chế Ceramic Foam sở cordierite ứng dụng Cordierite Ceramic Foam làm chất mang xúc tác xử lý khí thải CO Cordierite loại vật liệu thuộc hệ cấu tử MgO – Al2O3 – SiO2 Thành phần hóa học cordierite 2MgO.2Al2O3.5SiO2 Cordierite loại vật liệu phổ biến, có độ bền nhiệt bền cao Các nghiên cứu tổng hợp cordierite chủ yếu từ nguồn nguyên liệu tự nhiên Kaoline, bột Talc, Aluminium oxit tự nhiên Đồng thời, cordierite loại vật liệu phổ biến sử dụng làm chất cho xúc tác xử lý khí thải trình đốt cháy nhiên liệu Vì vậy, nghiên cứu này, ứng dụng hệ xúc tác xử lý khí thải nghiên cứu đề tài trước mang hệ chất mang ceramic foam (bọt gốm), nhằm tận dụng lợi độ xốp, độ bền nhiệt, độ thơng thống khí vật liệu Và sử dụng oxit kim loại phức hợp dạng spinel CuCr2O4 mang lên xương gốm cordierite ứng dụng hệ xúc tác xử lý khí thải CO 48 CHƯƠNG 4.1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Khảo sát tổng hợp khung xương tổ ong Cordierite Ceramic Foam với: 9,036g Kaoline (7/6 mol); 7,59g bột Talc (2/3 mol); 2,8g Al2O3 (5/6 mol) Hỗn hợp khuấy liên tục 24giờ – 48 Chương trình nung sản phẩm: nung từ nhiệt độ phòng đến 550oC với tốc độ nung 1oC/phút giữ giờ, sau nung tới 1250oC với tốc độ nung 3oC/phút giữ Khảo sát lượng nước thích hợp sử dụng hỗn hợp hỗn hợp : H2O = : 1,25 Nồng độ PVA phù hợp để giúp xúc tác có độ bám dính tốt Cordierite Ceramic Foam 4% Xúc tác CuCr2O4 mang xương Cordierite Ceramic Foam thích hợp để xử lý khí thải chứa CO 4.2 KIẾN NGHỊ Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng thành phần Al2O3 đến hình thành Cordierite Foam để giúp giảm nhiệt độ nung thêu kết 1250oC, đưa khoảng nhiệt độ thêu kết Cordierite Ceramic Foam xuống thấp Điều chế Cordierite Ceramic Foam nhiều mẫu có kích thước lỗ xốp khác nhau, so sánh khả ứng dụng làm chất mang xúc tác mẫu tạo thành Sử dụng Cordierite Ceramic Foam làm chất lĩnh vực xử lý khí thải cơng nghiệp, ứng dụng công nghệ sinh học, xử lý nước thải 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Nguyễn Đức Khiển Nghiên cứu chế tạo hộp xúc tác chống nhiễm khí thải xe giới, làm môi trường đô thị (thuyết minh đề tài), Sở Khoa học Công nghệ Môi trường.1997 Walter J, Energy and Air pollutants in Belgium, Catalysis and automotive Pollution Control II, Elsevier.1991.99.5÷15 Phạm Xuân Yên, Kỹ thuật sản xuất gốm sứ, NXB Khoa học kỹ thuật.1995 Bộ mơn Silicat, Hóa lý Silicat, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,1980 Nguyễn Hữu Phú Xúc tác công nghiệp hóa học bảo vệ mơi trường, 1996 Suresh T New Developments in Catalytic Converter Durability Catalysis and automotive Pollution Control II, Elsevier.1991.pp.481- 509 G.S.TS.Trần Ngọc Chấn Ơ nhiễm khơng khí xử lý khí thải NXB Khoa học kỹ thuật, 2007 G.L.Vaneman, Comparasion of Metal Foil and Ceramic Monolith Automotive Catalytic Converters, Catalysis and Automotive Pollution Control II, Elsevier.1991.pp.105-115 Nguyễn Văn Phước Kỹ thuật xử lý chất thải công nghiệp NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh 2010 10 Lưu Cẩm Lộc, L., Nguyễn Quốc Thiết, Lê Thị Ngà, Hoàng Quang Vinh, Phạm Thanh Hà, Chế tạo nghiên cứu tính chất xúc tác xử lý khí thải xe máy, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng TP.HCM, Tạp chí hóa học, 1999, 37 (4), 30-6 11 Lê Quang Linh, Điều chế cordierite phương pháp hóa học, Đồ án tốt nghiệp 50 12 Trần Ngọc Quyển, Nghiên cứu tổng hợp gốm cordierite từ cao lanh Lâm Đồng talc Phú Thọ, Tạp Chí Khoa học, Đại học Huế, 2008 TIẾNG ANH Beers, A E.; Hoek, I.; Nijhuis, T.; Downing, R.; Kapteijn, F.; Moulijn, J., Structured catalysts for the acylation of aromatics, Topics in catalysis, 2000, 13 (3), 275-80 Gatica, J M.; Vidal, H., Non-cordierite clay-based structured materials for environmental applications, Journal of Hazardous Materials, 2010, 181 (1–3), 9-18 Heck, R M.; Gulati, S.; Farrauto, R J., The application of monoliths for gas phase catalytic reactions, Chemical Engineering Journal, 2001, 82 (1), 14956 Tomašić, V., Application of the monoliths in DeNOx catalysis, Catalysis Today, 2007, 119 (1–4), 106-13 Votruba, J.; Sinkule, J.; Hlaváček, V.; Skřivánek, J., Heat and mass transfer in monolithic honeycomb catalysts—I, Chemical Engineering Science, 1975, 30 (1), 117-23 Hegedus, L L., Temperature excursions in catalytic monoliths, AIChE Journal, 1975, 21 (5), 849-53 Heck, R M.; Gulati, S.; Farrauto, R J., The application of monoliths for gas phase catalytic reactions, Chemical Engineering Journal, 2001, 82 (1–3), 149-56 Brockmeyer, J.; Aubrey, L., Application of ceramic foam filters in molten metal filtration, Application of Refractories: Ceramic Engineering and Science Proceedings, Volume 8, Issue 1/2, 1987, 63-74 Haugen, H.; Will, J.; Köhler, A.; Hopfner, U.; Aigner, J.; Wintermantel, E., Ceramic TiO2-foams: characterisation of a potential scaffold, Journal of the European Ceramic Society, 2004, 24 (4), 661-8 51 10 Duan, G.; Zhang, C.; Li, A.; Yang, X.; Lu, L.; Wang, X., Preparation and characterization of mesoporous zirconia made by using a poly (methyl methacrylate) template, Nanoscale research letters, 2008, (3), 118-22 11 Adler, J., Ceramic diesel particulate filters, International Journal of Applied Ceramic Technology, 2005, (6), 429-39 12 Studart, A R.; Gonzenbach, U T.; Tervoort, E.; Gauckler, L J., Processing routes to macroporous ceramics: a review, Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89 (6), 1771-89 13 Carty, W M.; Lednor, P W., Monolithic ceramics and heterogeneous catalysts: honeycombs and foams, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 1996, (1), 88-95 14 Sarkar, S K.; Kim, Y H.; Kim, M S.; Min, Y K.; Yang, H M.; Song, H.- Y.; Lee, B.-T., Fabrication and Characterization of Porous TCP coated Al2O3 Scaffold by Polymeric Sponge Method, Journal of the Korean Ceramic Society, 2008, 45 (10), 579-83 15 Andersson, L.; Jones, A C.; Knackstedt, M A.; Bergström, L., Permeability, pore connectivity and critical pore throat control of expandable polymeric sphere templated macroporous alumina, Acta Materialia, 2011, 59 (3), 1239-48 16 Moreira, E.; Innocentini, M.; Coury, J., Permeability of ceramic foams to compressible and incompressible flow, Journal of the European Ceramic Society, 2004, 24 (10), 3209-18 17 Vogt, U.; Gorbar, M.; Dimopoulos-Eggenschwiler, P.; Broenstrup, A.; Wagner, G.; Colombo, P., Improving the properties of ceramic foams by a vacuum infiltration process, Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30 (15), 3005-11 52 18 Patcas, F C.; Garrido, G I.; Kraushaar-Czarnetzki, B., CO oxidation over structured carriers: A comparison of ceramic foams, honeycombs and beads, Chemical Engineering Science, 2007, 62 (15), 3984-90 19 Andersson, L Shaping Macroporous Ceramics: templated synthesis, X-ray tomography and permeability Stockholm, 2011 20 Sepulveda, P.; Binner, J., Processing of cellular ceramics by foaming and< i> in situ polymerisation of organic monomers, Journal of the European Ceramic Society, 1999, 19 (12), 2059-66 21 F.A.Costa Oliveira, S D., M.Fatima Vaz, J.Cruz Fernandes Behaviour of open-cell cordierite foams under compression, Journal of the European Ceramic Society, 2006, 179–86 22 M Scheffler, P C., Cellular Ceramics, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim., 2005 23 M.R Nangrejo, X B., Mohan J Edirisinghe, Preparation of silicon carbide-silicon nitride composite foams from pre-ceramic polymers, Journal of the European Ceramic Society, 2000, 1777-85 24 Yalamaỗ, E.; Akkurt, S., Additive and intensive grinding effects on the synthesis of cordierite, Ceramics International, 2006, 32 (7), 825-32 25 Tamborenea, S.; Mazzoni, A.; Aglietti, E., Mechanochemical activation of minerals on the cordierite synthesis, Thermochimica Acta, 2004, 411 (2), 219-24 26 Bejjaoui, R.; Benhammou, A.; Nibou, L.; Tanouti, B.; Bonnet, J.; Yaacoubi, A.; Ammar, A., Synthesis and characterization of cordierite ceramic from Moroccan stevensite and andalusite, Applied Clay Science, 2010, 49 (3), 336-40 27 Rodrigues Neto, J B.; Moreno, R., Rheological behaviour of kaolin/talc/alumina suspensions for manufacturing cordierite foams, Applied Clay Science, 2007, 37 (1–2), 157-66 53 28 Benito, J.; Turrillas, X.; Cuello, G.; De Aza, A.; De Aza, S.; Rodríguez, M., Cordierite synthesis A time-resolved neutron diffraction study, Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32 (2), 371-9 29 Tang, B.; Fang, Y.; Zhang, S.; Ning, H.; Jing, C., Preparation and characterization of cordierite powders by water-based sol-gel method, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 2011, 18 (3), 221-6 54 55 56 Hình: Phổ XRD mẫu C1 (5,5 mol)– 1250oC 57 Hình: Phổ XRD mẫu C1 (5,5 mol) – 1200oC 58 Hình - Phổ XRD mẫu C1 (5,5 mol) 59 Hình – Phổ XRD mẫu C3 (6 mol) 60 Hình Phổ XRD mẫu C5 (6,5 mol) 61 Hình - Phổ XRD mẫu C7 (5 mol) 62 Hình – Phổ XRD mẫu xúc tác CuO-Cr2O3/Ceramic foam ... phân tử carbon monoxide, VOC NOx có khí thải Bộ trung hịa khí sử dụng hai lớp xúc tác, làm giảm khí thải oxy hóa chúng Cả hai bao gồm cấu trúc ceramic tráng phủ lớp kim loại, thường platinum,... ngỏ Hầu hết xe giới phương tiện giao thông cá nhân phân bố rộng khắp vùng miền, nên việc triển khai công tác kiểm tra siết chặt giới hạn khí thải gặp nhiều khó khăn tốn Thêm vào đó, giới hạn khí... biện pháp xử lý ba thành phần nhiễm khí thải động xăng: CO, NOx, hydrocacbon 1.1.2.1 Xử lý NOx Có hai phương pháp để loại bỏ oxit nitơ: 13 a Phương pháp 1: Hấp phụ oxit nito (NOx) Ứng dụng phương