Đang tải... (xem toàn văn)
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TẠ HOÀNG CHÍNH TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ Fe2O3, ỨNG DỤNG XỬ LÝ KHÍ H2S CHO BIOGAS Chuyên ngành Hoá v[.]
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TẠ HỒNG CHÍNH TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ Fe2O3, ỨNG DỤNG XỬ LÝ KHÍ H2S CHO BIOGAS Chun ngành: Hố vô Mã số: 60.44.0113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Phan Thị Ngọc Bích Thái Nguyên, năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS: Phan Thị Ngọc Bích Các số liệu kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực Tác giả luận văn Tạ hồng Chính XÁC NHẬN CỦA TRƯỞNG KHOA XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HÓA HỌC HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS Nguyễn Duy Lƣơng i Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn chân thành tới TS: Phan Thị Ngọc Bích tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Hóa Học, anh chị em phịng Hóa Vơ Cơ – Viện Hóa Học – Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, thầy cô trường Đại học Sư Phạm Thái Nguyên nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập thực đề tài Cuối xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp, người thân gia đình luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả luận văn Tạ Hồng Chính ii Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Sắt oxit sắt 1.1.1 Sắt 1.1.1.1 Tính chất vật lý 1.1.1.2 Tính chất hóa học [5] 1.1.1.3 Phương pháp điều chế [1, 6] 1.1.1.4 Ứng dụng 1.1.2 Các oxit sắt 1.1.2.1 Sắt(II) oxit 1.1.2.2 Sắt(III) oxit 1.1.2.3 Sắt(II, III) oxit 1.2 Vật liệu MgO 10 1.2.1 Tính chất vật lý 10 1.2.2 Tính chất hóa học 10 1.2.3 Ứng dụng 11 1.2.4 Điều chế 12 1.2.5 MgO hoạt tính 13 1.3 Vật liệu Fe/MgO vật liệu Fe/MgO/bentonite 14 iii Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.3.1 Fe/MgO 14 1.3.2 Fe/MgO/bentonite 15 Khoáng sét bentonite 16 Cấu trúc tinh thể, thành phần hoá học phản ứng trao đổi cation montmorilonite 16 Chế tạo vật liệu xốp vô thông qua việc chế tạo composite chất mang bentonite 17 1.4 Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu 18 1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 18 1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 20 1.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt (TA) 21 1.4.4 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) 21 1.4.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 22 Chƣơng MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 24 2.1 Mục đích nghiên cứu 24 2.2 Nội dung nghiên cứu 24 2.3 Thực nghiệm 24 2.3.1 Dụng cụ hóa chất 24 2.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu 25 2.3.2.1 Tổng hợp vật liệu MgO 25 2.3.2.2 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 26 2.3.2.3 Tổng hợp Fe2O3/MgO/Bentonite 27 2.4 Xác định đặc trưng vật liệu 28 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28 2.4.2 Phương pháp phân tích nhiệt (TA) 28 2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (FESEM 28 2.4.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 29 iv Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4.5 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) 29 2.4.6 Phương pháp xác định diện tích bề mặt 29 2.4.7 Xác định khả loại H2S vật liệu Fe/MgO 29 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 30 3.1.1 Tổng hợp MgO 30 3.1.2 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 36 3.1.2.1.Ảnh hưởng nồng độ Fe đến cấu trúc vật liệu 36 3.1.2.2 Ảnh hưởng thời gian tẩm đến cấu trúc vật liệu 37 3.1.2.3 Thành phần nguyên tố vật liệu 38 3.1.2.4 Đặc trưng SEM vật liệu 39 3.1.2.5 Diện tích bề mặt vật liệu 40 3.2 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite 41 3.2.1 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite phương pháp trộn học 41 3.2.1.1 Điều chế α-Fe2O3 41 3.2.1.2 Tổng hợp Fe/bentonite từ dung dịch FeCl3 (Mẫu FB) 43 3.2.1.3 Chuẩn bị vật liệu Fe/MgO/Bentonite phương pháp trộn học 44 3.2.2 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite phương pháp kết tủa (mẫu F2BM) 45 3.2.2.1 Hình thái vật liệu - ảnh SEM 45 3.2.2.2 Đặc trưng pha tinh thể - giản đồ XRD 48 3.2.2.3 Cấu trúc xốp 48 3.3 Khả loại H2S vật liệu 49 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 v Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ PVA Polivinyl ancol PEO Polyetylen oxit PAM Polyacrylamit PVP Polyvinylpyrolidone MMT Montmorillonite SEM Kính hiển vi điện tử quét XRD Nhiễu xạ tia X EDX Phương pháp hấp phụ BET FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại TA Phương pháp phân tích nhiệt SBET Diện tích bề mặt riêng M1: MgO điều chế từ MgC2O4, nung 6000C, thời gian 4h M1.1: MgO điều chế từ MgC2O4, nung 5000C, thời gian 2h M1.2: MgO điều chế từ MgC2O4, nung 5000C, thời gian 8h M2: MgO điều chế từ Mg(OH)2 M3: MgO thương mại F1MB: Fe/MgO/bentonite phương pháp trộn học F2MB: Fe/MgO/bentonite phương pháp kết tủa dung dịch FB: FeCl3.9H2O/bentonite vi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Kích thước tinh thể trung bình (d) mẫu MgO 32 Bảng 3.2 Diện tích bề mặt (SBET) mẫu MgO 35 Bảng 3.3 Kết EDX 38 Bảng 3.4 Diện tích bề mặt SBET(m2/g) mẫu Fe/MgO (so sánh với MgO ban đầu) 41 Bảng 3.5 Các thông số cấu trúc xốp hai mẫu Fe/MgO/bentonite 49 vii Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: a Cấu trúc tinh thể α-Fe, β-Fe δ-Fe b Cấu trúc tinh thể γ-Fe Hình 1.2: Sắt(II) oxit Hình 1.3: Sắt(III) oxit Hình 4: Sắt(II, III) oxit Hình 1.5: a- Magie oxit, b- Cấu trúc tinh thể MgO 10 Hình 1.6 Mơ hình cấu trúc montmorillonite phản ứng trao đổi cation17 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp vật liệu xốp composite với chất mang bentonite 18 Hình 1.8: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột 19 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét (SEM) 23 Hình 2.1 Sơ đồ trình lỏng- khí xử lý H2S sử dụng vật liệu Fe/MgO 29 Hình 3.1: Giản đồ TA: a Mẫu MgC2O4, b Mẫu Mg(OH)2 31 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu MgO 32 Hình 3.3: Phổ hồng ngoại FT-IR mẫu MgO: M1.1 (a), M2 (b) 34 Hình 3.4: Ảnh SEM ba mẫu vật liệu MgO: M1.1 (a) M2 (b) M3 (c) 35 Hình 3.5: Giản đồ XRD mẫu MgO M1.1(a) mẫu Fe/MgO với nồng độ Fe 6%(b), 15%(c), 25%(d), 30%(e) – (#) pha MgO, (*) pha α-Fe2O336 Hình 3.6: Giản đồ XRD mẫu Fe/MgO-Fe 30% với thời gian tẩm từ 1-4h 37 Hình 3.7: Phổ EDX mẫu Fe/MgO (Fe 6%) 38 Hình 3.8: Ảnh SEM mẫu vật liệu Fe/MgO: FM1 (a), FM2 (b), FM3 (c) 40 Hình 3.9 Giản đồ XRD mẫu α-Fe2O3 với nhiệt độ phản ứng khác 42 Hình 3.10 Giản đồ XRD mẫu α-Fe2O3 với thời gian ủ khác 43 viii Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.11 Giản đồ XRD mẫu Fe/bentonite (a) mẫu trước nung (b) 44 Hình 3.12 Phổ FTIR mẫu FB mẫu F1BM 45 Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu α-Fe2O3 45 Hình 3.14 Ảnh SEM mẫu vật liệu FB 46 Hình 3.15 Ảnh SEM mẫu vật liệu F1BM 46 Hình 3.16 Ảnh SEM mẫu vật liệu F2BM 47 Hình 3.17 Giản đồ XRD mẫu F2BM 48 Hình 3.18 Hiệu suất loại H2S vật liệu Fe/MgO theo qui trình lỏng 50 ix Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Hiện giới xu hướng nghiên cứu quan tâm phát triển vật liệu xúc tác sở muối oxit kim loại Fe ,Co loại chất mang khác (các oxit, cacbon, bentonite) Trong số đó, người ta ý nhiều đến vật liệu sắt hợp chất sắt tổ hợp composite chúng với thành phần khác lý sau: o Với lượng bề mặt diện tích bề mặt lớn, nhiều dạng hợp chất sắt Feo, -FeOOH, -Fe2O3, -Fe2O3, Fe3O4, … có hoạt tính hóa học đặc biệt khả hấp phụ/xúc tác cao o Nguyên liệu rẻ, thân thiện với mơi trường o Khơng khó khăn việc chế tạo Vật liệu xúc tác oxit sắt Fe2O3 sở hợp chất sắt số chất mang oxit MgO, Al2O3, SiO2 , ZrO2 tổng hợp khảo sát khả oxi hóa loại H2S , chất khí độc hại người môi trường xung quanh Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe/MgO thể hoạt tính cao thực trình loại H2S nhiệt độ thường Trên giới, việc sử dụng biogas ngày trở nên phổ biến, nghiên cứu vấn đề xử lý H2S biogas phát triển Ở Việt Nam nghiên cứu ứng dụng công nghệ biogas bắt đầu phát triển mạnh từ sau năm 1995 nghiên cứu loại H2S từ biogas nước ta tình trạng lẻ tẻ, chưa hệ thống Trên sở phân tích trên, chọn đề tài: “Tổng hợp xác định đặc trƣng vật liệu composite sở Fe2O3 , ứng dụng xử lý khí H2S cho biogas” Hai loại vật liệu composite lựa chọn nghiên cứu vật liệu Fe/MgO vật liệu Fe/MgO khoáng sét bentonite Bình Thuận Bentonite loại khoáng sét phổ biến, thường sử dụng làm chất mang chế tạo nhiều loại vật liệu composite Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Sắt oxit sắt 1.1.1 Sắt Kí hiệu hóa học: Fe (Z=26) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Sắt thuộc phân nhóm VIIIB, chu kỳ IV bảng hệ thống tuần hồn ngun tố hóa học Sắt thuộc nhóm ngun tố họ d, lớp sắt ngồi có 14e xây dựng dở dang nên bền Vì sắt nhường electron lớp ngồi số electron lớp sát để có số oxi hóa +2, +3, +6 Số oxi hóa thường gặp +2, +3 1.1.1.1 Tính chất vật lý Sắt kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn, dát mỏng, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Dưới 8000C sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút trở thành nam châm (tạm thời) Sắt nguyên tố phổ biến trái đất, chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ trái đất Trong thiên nhiên sắt có đồng vị bền 54Fe, 56Fe , 57Fe 58 Fe tonóng chảy = 1536oC, tosơi = 2800oC, tỷ khối d = 791 g/cm3 [5] Sắt có dạng thù hình tồn bền vững nhiệt độ xác định (α-Fe, βFe δ-Fe tồn điều kiện thường, γ-Fe áp suất cao) Những dạng α, ß δ có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối (hình 1.1a), dạng γ có kiến trúc tinh thể lập phương tâm diện (hình 1.1b) [1,5] (a) (b) Hình 1.1: a Cấu trúc tinh thể α-Fe, β-Fe δ-Fe b Cấu trúc tinh thể γ-Fe Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.1.2 Tính chất hóa học [5] Sắt kim loại có hoạt tính hóa học trung bình Khi tham gia phản ứng hóa học nguyên tử sắt nhường 2e phân lớp 4s nhường thêm số electron phân lớp 3d chưa bão hòa (thường 1e) Tính chất sắt tính khử nguyên tử sắt bị oxi hóa thành ion Fe+2, Fe+3, tùy thuộc vào chất oxi hóa tác dụng với sắt Ở điều kiện thường ẩm, sắt khơng tác dụng với ngun tố khơng kim loại điển O2, S, Cl2, Br2 có màng oxit bảo vệ Nhưng đun nóng, phản ứng xảy mãnh liệt kim loại trạng thái chia nhỏ VD: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 3Fe + 2O2 → Fe3O4 Ở dạng bột mịn đun nóng sắt tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại Fe + 5CO → Fe(CO)5 Sắt bền với kiềm trạng thái dung dịch nóng chảy Sắt tan dung dịch HCl, H2SO4 loãng: 2HCl + Fe → FeCl2 + H2↑ Còn dung dịch H2SO4 đặc, sắt bị oxi hóa đến Fe (III): 2Fe + 6H2SO4(đ) → Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O Với HNO3 loãng nồng độ vừa phải sắt bị hịa tan: Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O Khi nồng độ HNO3 lớn, hòa tan bị chậm lại sắt trở nên trơ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn Đối với khơng khí nước, sắt tinh khiết bền Ngược lại sắt có chứa tạp chất bị ăn mòn dần tác dụng đồng thời ẩm, khí CO khí O2 khơng khí tạo nên gỉ sắt 2Fe + 3/2 O2 + nH2O → Fe2O3.nH2O Gỉ sắt tạo nên bề mặt lớp xốp giịn khơng bảo vệ sắt q trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn Ở nhiệt độ thường sắt thụ động với axit HNO3 đặc H2SO4 đặc Sắt đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối chúng Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 +Cu Ở nhiệt độ nóng đỏ sắt phản ứng mạnh với nước Fe + H2O → FeO + H2, 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 1.1.1.3 Phƣơng pháp điều chế [1, 6] Cách 4000 năm loài người biết luyện sắt từ quặng Ngày này, sắt sản xuất quy mơ cơng nghiệp lị cao Ngun liệu cho trình bao gồm quặng sắt, than cốc, chất chảy khơng khí Các phản ứng diễn ra: C + O2 → CO2 CO2 + Cnóng đỏ→ 2CO Fe2O3 + 3CO → 2Fe + CO2↑ Sắt luyện thường bị lẫn tạp chất, sắt tinh khiết thường điều chế phương pháp sau: Dùng H2 tinh khiết để khử oxit sắt tinh khiết Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O Nhiệt phân sắt Pentacacbonyl Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Fe(CO)5 → Fe + 5CO Sắt tinh khiết điều chế phương pháp điện phân dung dịch muối Fe(II), với dương cực Fe-Cr, âm cực sắt tinh khiết Điện phân dung dịch muối sắt 2FeSO4 + 2H2O → 2Fe + O2 + 2H2SO4 Tác dụng với kim loại mạnh Mg + FeSO4 → Fe + MgSO4 1.1.1.4 Ứng dụng Sắt kim loại sử dụng nhiều chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại toàn giới Sự kết hợp với giá thành thấp đặc tính tốt chịu lực, độ dẻo , độ cứng làm cho trở thành khơng thể thay Đặc biệt ứng dụng sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, khung cho cơng trình xây dựng Thép hợp kim tiếng sắt, ngồi cịn có số hình thức tồn khác sắt như: - Gang thô: Chứa 4-5% cacbon chứa loạt chất S, P, Si đặc trưng nó: bước trung gian từ quặng sắt sang thép số loại gang đúc - Gang đúc; Chứa 2-3% cacbon lượng nhỏ mangan Các chất có gang thơ có ảnh hưởng xấu đến thuộc tính vật liệu lưu huỳnh photpho chẳng hạn bị khử đến mức chấp nhận Nó có điểm nóng chảy khoảng 1420-1470K , thấp so với hai thành phần làm cho sản phẩm bị nóng chảy cacbon sắt nung nóng Nó rắn, cứng rễ vỡ Làm việc với đồ vật gang, chí nóng trắng, có xu hướng phá vỡ hình dạng vật - Thép cacbon chứa từ 0.5%-1.5% cacbon, với lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, photpho silic Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Sắt non chứa 0.5% cacbon Nó sản phẩm dai, rễ uốn, khơng rễ nóng chảy gang thơ Nó có cacbon Nếu mài thành lưỡi sắc, đánh tính chất nhanh - Các loại thép hợp kim chứa lượng khác cacbon kim loại khác, Cr, Va, Ni, W Nhiều hợp chất sắt có ý nghĩa quan trọng thực tế FeCl3 dùng làm chất đông tụ làm nước, làm chất cầm máu, làm chất xúc tác hóa học hữu Các muối ferit kim loại hóa trị hai dùng kỹ thuật máy tính Các oxit sắt nguồn điều chế nhiều hợp chất sắt mà nguồn nguyên liệu ngành luyện kim đen 1.1.2 Các oxit sắt Oxit sắt tồn tự nhiên số dạng, có magnetit (Fe3O4), hematit (α – Fe2O3) maghemit (γ-Fe2O3) phổ biến Trong oxit, sắt dạng hóa trị hai - sắt(II) oxit, hóa trị ba – sắt(III) oxit hóa trị hỗn hợp hai ba – sắt(II, III) oxit hay oxit sắt từ 1.1.2.1 Sắt(II) oxit FeO oxit sắt có màu đen (hình 1.2), phân tử gam 81,8g/mol, nhiệt độ nóng chảy 1420°C [12] Hình 1.2: Sắt(II) oxit Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chất lấy từ nguồn oxit sắt màu đen Nó tạo phản ứng hóa học mơi trường khử; Fe2O3 dễ dàng bị khử thành FeO theo phản ứng sau 900°C: Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2 Phản ứng xảy dễ dàng đất sét đỏ chứa Fe2O3 có chứa thêm nhiều tạp chất hữu Trong vật liệu gốm: FeO vật liệu gốm hình thành phản ứng khử oxit sắt (III) lò nung Khi sắt ba bị khử thành sắt hai men khó oxy hố trở lại FeO chất trợ chảy mạnh, thay cho oxit chì hay oxit canxi Hầu hết loại men có độ hoà tan sắt hai nung chảy cao trạng thái rắn có oxit sắt kết tinh men làm nguội, môi trường oxy hoá hay khử 1.1.2.2 Sắt(III) oxit Hematit α – Fe2O3 oxit bền sắt điều kiện thường (hình 3) Nó sản phẩm cuối chuyển hóa oxit sắt khác, ion O 2được xếp nút mạng hình lục giác cịn ion Fe3+ nằm lỗ trống bát diện [5] Hình 1.3: Sắt(III) oxit Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Maghemit, γ-Fe2O3 tồn trạng thái nửa bền có mối quan hệ với α – Fe2O3 Fe3O4 γ-Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel khuyết, ion O2được xếp nút mạng hình lập phương ion Fe3+ xếp ngẫu nhiên lỗ trống bát diện tứ diện [5] Hiện phương pháp tổng hợp trạng thái rắn tỏ khơng thích hợp để điều chế oxit sắt nano nhiệt độ cao làm tăng kích thước hạt Nhiều phương pháp tổng hợp phát triển nhằm điều chế oxit sắt nhiệt độ thấp phương pháp sol-gel, thủy nhiệt, nhiệt phân dung môi không nước… Với mục đích sử dụng khác mà người ta tạo sản phẩm có đặc trưng riêng hình thái tính chất Phương pháp truyền thống để điều chế γ-Fe2O3 tổng hợp Fe3O4, sau oxi hóa với nhiệt độ < 250oC γ-Fe2O3 khơng bền nhiệt độ cao, dễ chuyển oxit bền α – Fe2O3 Ở 130oC Fe3O4 chuyển thành γ-Fe2O3 khoảng 480oC đến 540oC γ-Fe2O3 chuyển α – Fe2O3 [10] Khi sử dụng ancol lauryl làm dung môi, người ta thu γ-Fe2O3 đơn pha khoảng nhiệt độ 300oC đến 400oC Ảnh hưởng dung mơi đến kích thước, hình thái học từ tính tinh thể nano γ-Fe2O3 khảo sát Kết cho thấy sử dụng dung môi ancol lauryl thu hạt γFe2O3 hình sợi có kích thước hạt nhỏ độ bão hòa từ cao dùng axit lauric [1] Người ta tổng hợp thành cơng tinh thể γ-Fe2O3 có kích thước 13nm oxi hóa Fe(CO)5 có mặt axit oleic trimetyl amin Một số polime polyetylen oxit (PEO), polyacrylamit (PAM), polyvinylpyrolidone (PVP) sử dụng để tổng hợp oxit nano γ-Fe2O3 [4] Tuy nhiên, γ-Fe2O3 đơn pha tạo thành dùng PEO Khi nhiệt phân tiền chất γ-FeO(OH) 240oC người ta thu γ-Fe2O3 nung 680oC, γ-Fe2O3 chuyển hồn tồn pha α – Fe2O3 kích thước < 16nm tạo thành phân hủy phức chất sắt với trioctylamin 300 oC phân hủy Fe(CO)5 octyl etyl axit oleic axit lauric [12] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Các kết cho thấy hiệu phương pháp phân hủy nhiệt việc tổng hợp oxit sắt Tuy nhiên, có mặt lượng dư chất hoạt động bề mặt làm ảnh hưởng đến diện tích bề mặt hạt oxit tạo thành Hơn nữa, việc tái sử dụng dung mơi độc hại có hoạt tính bề mặt gây bất lợi hoạt tính sinh học sản phẩm Oxit nano α – Fe2O3 tổng hợp từ axit stearic muối nitrat 125oC Khi nung mẫu 300oC – 500oC hạt α – Fe2O3 có kích thước tăng từ 8.9 – 25 nm [1] Các hạt α – Fe2O3 tạo thành từ dung dịch chứa polyme PVA có bổ sung đường sucrose có diện tích bề mặt riêng (35 m2/g) lớn gấp 1.5 lần so với điều chế từ dung dịch chứa EDTA (20 m2/g) Khi sử dụng phương pháp sol-gel dùng etylen glicol monometyl, nung nhiệt độ 400oC – 700oC người ta thu α – Fe2O3 Khi tổng hợp α – Fe2O3 phương pháp thủy nhiệt, người ta dùng poli vinyl ancol (PVA) để làm giảm kết bám hạt oxit sắt Ảnh hưởng nồng độ Fe(NO)3 PVA đến kích thước hạt khảo sát 1.1.2.3 Sắt(II, III) oxit Sắt(II, III) oxit hay oxit sắt từ oxit sắt có màu đen (hình1 4) Trong sắt thể hóa trị II III với cơng thức Fe3O4 hay viết thành [FeO x Fe2O3], tỷ trọng 5.17 g/cm3, điểm nóng chảy 1597oC Hình 4: Sắt(II, III) oxit Fe3O4 có cấu trúc spinel, số phân tử ô sở Cấu trúc spinel xem tạo từ mặt phẳng xếp chặt ion O 2- với Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn lỗ trống tứ diện lỗ trống bát diện lấp đầy ion kim loại Fe2+ Fe3+ [5] Oxit sắt từ tạo nhờ phản ứng: → 3Fe + 2O2 Fe3O4 Dựa đặc tính vật lý, hóa học, nhiệt học học Fe3O4 ứng dụng sinh học làm tác nhân tăng độ tương phản chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, phân tách chọn lọc tế bào, tạo hiệu ứng tăng thân nhiệt cục xử lý tế bào bệnh dẫn truyền thuốc hướng đích 1.2 Vật liệu MgO 1.2.1 Tính chất vật lý Magie oxit MgO (còn gọi magnesia) dạng bột trắng (hình 1.5a ), có khả hút ẩm, nhiệt độ nóng chảy lớn 2500 oC, khơng tan nước (8,4.10-4% 18oC) Nó có trọng lượng phân tử 40,3 g/mol Tỷ trọng 1.5g/cm3, điểm sôi 36000C Hệ số giãn nở nhiệt : 0,026 , MgO rễ ràng tạo pha ơtecti với oxit khác nóng chảy nhiệt độ thấp Độ giãn nở nhiệt thấp có khả chống rạn men hai đặc tính quan trọng MgO Cấu trúc tinh thể MgO thuộc dạng lập phương đơn giản tương tự tinh thể muối ăn NaCl [3] (hình1.5b) Hình 1.5: a- Magie oxit, b- Cấu trúc tinh thể MgO 1.2.2 Tính chất hóa học Trong khơng khí, magie bị oxi hóa tạo thành lớp magie oxit ngồi Nếu đốt magie khơng khí tạo thành magie oxit, phản ứng phát nhiều 10 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... chọn đề tài: ? ?Tổng hợp xác định đặc trƣng vật liệu composite sở Fe2O3 , ứng dụng xử lý khí H2S cho biogas” Hai loại vật liệu composite lựa chọn nghiên cứu vật liệu Fe/MgO vật liệu Fe/MgO khống sét... 2.3.1 Dụng cụ hóa chất 24 2.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu 25 2.3.2.1 Tổng hợp vật liệu MgO 25 2.3.2.2 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 26 2.3.2.3 Tổng hợp Fe2O3/ MgO/Bentonite... vật liệu 40 3.2 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/ MgO/Bentonite 41 3.2.1 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/ MgO/Bentonite phương pháp trộn học 41 3.2.1.1 Điều chế α -Fe2O3 41 3.2.1.2 Tổng hợp