Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu Coosite trên cơ sở Fe2O3, ứng dụng xử lý khí H2S cho Biogas

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 Fe 2 O 3 , ỨNG DỤNG XỬ LÝ KHÍ H 2 S CHO BIOGAS Chuyên ngành: Hoá vô cơ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS: Phan Thị Ngọc Bích. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Tác giả luận văn Tạ hoàng Chính XÁC NHẬN CỦA TRƯỞNG KHOA HÓA HỌC TS. Nguyễn Thị Hiền Lan XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Nguyễn Duy Lƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành nhất tới TS: Phan Thị Ngọc Bích đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Hóa Học, các anh chị em trong phòng Hóa Vô Cơ – Viện Hóa Học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô trong trường Đại học Sư Phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia đình đã luôn luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả luận văn Tạ Hoàng Chính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii 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 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 2 1.1. Sắt và các oxit sắt 2 1.1.1. Sắt 2 1.1.1.1. Tính chất vật lý 2 1.1.1.2. Tính chất hóa học [5] 3 1.1.1.3. Phương pháp điều chế [1, 6] 4 1.1.1.4. Ứng dụng 5 1.1.2. Các oxit của sắt 6 1.1.2.1. Sắt(II) oxit 6 1.1.2.2. Sắt(III) oxit 7 1.1.2.3. Sắt(II, III) oxit 9 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 và vật liệu Fe/MgO/bentonite 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 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 và phản ứng trao đổi cation của montmorilonite 16 Chế tạo vật liệu xốp vô cơ thông qua việc chế tạo composite trên chất mang bentonite 17 1.4. Các phương pháp xác định đặc trưng của 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 2. 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 Fe 2 O 3 /MgO/Bentonite 27 2.4 Xác định các đặc trưng của 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 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 năng loại H 2 S của vật liệu Fe/MgO 29 Chƣơng 3 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 của nồng độ Fe đến cấu trúc vật liệu 36 3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian tẩm đến cấu trúc vật liệu 37 3.1.2.3. Thành phần nguyên tố trong vật liệu 38 3.1.2.4. Đặc trưng SEM của vật liệu 39 3.1.2.5. Diện tích bề mặt vật liệu 40 3.2. Tổng hợp vật liệu Fe 2 O 3 /MgO/Bentonite 41 3.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe 2 O 3 /MgO/Bentonite bằng phương pháp trộn cơ học. . 41 3.2.1.1. Điều chế α-Fe 2 O 3 41 3.2.1.2. Tổng hợp Fe/bentonite từ dung dịch FeCl 3 (Mẫu FB) 43 3.2.1.3. Chuẩn bị vật liệu Fe/MgO/Bentonite bằng phương pháp trộn cơ học . 44 3.2.2. Tổng hợp vật liệu Fe 2 O 3 /MgO/Bentonite bằng 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 năng loại H 2 S của vật liệu 49 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 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 S BET Diện tích bề mặt riêng M1: MgO được điều chế từ MgC 2 O 4 , nung ở 600 0 C, thời gian 4h M1.1: MgO được điều chế từ MgC 2 O 4 , nung ở 500 0 C, thời gian 2h M1.2: MgO được điều chế từ MgC 2 O 4 , nung ở 500 0 C, thời gian 8h M2: MgO được điều chế từ Mg(OH) 2 M3: MgO thương mại F1MB: Fe/MgO/bentonite bằng phương pháp trộn cơ học F2MB: Fe/MgO/bentonite bằng phương pháp kết tủa trong dung dịch FB: FeCl 3 .9H 2 O/bentonite Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Kích thước tinh thể trung bình (d) của các mẫu MgO 32 Bảng 3.2 Diện tích bề mặt (S BET ) của các mẫu MgO 35 Bảng 3.3. Kết quả EDX 38 Bảng 3.4 Diện tích bề mặt S BET (m 2 /g) của các mẫu Fe/MgO (so sánh với MgO ban đầu) 41 Bảng 3.5. Các thông số cấu trúc xốp của hai mẫu Fe/MgO/bentonite 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: a. Cấu trúc tinh thể của α-Fe, β-Fe và δ-Fe b. Cấu trúc tinh thể của γ-Fe 2 Hình 1.2: Sắt(II) oxit 6 Hình 1.3: Sắt(III) oxit 7 Hình 1. 4: Sắt(II, III) oxit 9 Hình 1.5: a- Magie oxit, b- Cấu trúc tinh thể MgO 10 Hình 1.6. Mô hình cấu trúc của montmorillonite và 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 của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 23 Hình 2.1 Sơ đồ quá trình lỏng- khí xử lý H 2 S sử dụng vật liệu Fe/MgO 29 Hình 3.1: Giản đồ TA: a. Mẫu MgC 2 O 4 , b. Mẫu Mg(OH) 2 31 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu MgO 32 Hình 3.3: Phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu MgO: M1.1 (a), M2 (b) 34 Hình 3.4: Ảnh SEM của ba mẫu vật liệu MgO: M1.1 (a) và M2 (b) và M3 (c) 35 Hình 3.5: Giản đồ XRD của mẫu MgO M1.1(a) và các mẫu Fe/MgO với nồng độ Fe 6%(b), 15%(c), 25%(d), 30%(e) – (#) pha MgO, (*) pha α-Fe 2 O 3 36 Hình 3.6: Giản đồ XRD của các mẫu Fe/MgO-Fe 30% với thời gian tẩm từ 1-4h 37 Hình 3.7: Phổ EDX của mẫu Fe/MgO (Fe 6%) 38 Hình 3.8: Ảnh SEM của các mẫu vật liệu Fe/MgO: FM1 (a), FM2 (b), FM3 (c) 40 Hình 3.9. Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe 2 O 3 với nhiệt độ phản ứng khác nhau 42 Hình 3.10. Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe 2 O 3 với thời gian ủ khác nhau 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu Fe/bentonite (a) và mẫu trước khi nung (b) 44 Hình 3.12. Phổ FTIR của mẫu FB và mẫu F1BM 45 Hình 3.13. Ảnh SEM của mẫu α-Fe 2 O 3 45 Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu vật liệu FB 46 Hình 3.15. Ảnh SEM của mẫu vật liệu F1BM 46 Hình 3.16. Ảnh SEM của mẫu vật liệu F2BM 47 Hình 3.17. Giản đồ XRD của mẫu F2BM 48 Hình 3.18. Hiệu suất loại H 2 S của các vật liệu Fe/MgO theo qui trình lỏng 50 [...]... được vật liệu xúc tác Fe(III)/MgO và Fe(III)/MgO, Fe 2O3 trên chất mang bentonite có khả năng ứng dụng làm xúc tác trong xử lý cho biogas 2.2 Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu Fe/MgO - Tổng hợp vật liệu Fe/MgO trên chất mang bentonite - Xác định các đặc trưng của vật liệu tổng hợp bằng các phương pháp XRD, SEM, FTIR, TGA, EDX - Sơ bộ xác định khả năng loại H2S của các loại vật liệu tổng hợp được... 1995 trong khi những nghiên cứu loại H2S từ biogas ở nước ta cũng mới ở tình trạng lẻ tẻ, chưa hệ thống Trên cơ sở những phân tích trên, chúng tôi chọn đề tài: Tổng hợp và xác định các đặc trƣng của vật liệu composite trên cơ sở Fe2O3 , ứng dụng xử lý khí H2S cho biogas Hai loại vật liệu composite được lựa chọn nghiên cứu là vật liệu Fe/MgO và vật liệu Fe/MgO trên nền khoáng sét bentonite Bình Thuận... hấp phụ lên trên bề mặt vật liệu rắn Các oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4…) nằm trong số những tác nhân có ái lực mạnh với H2S Các vật liệu trên cơ sở sắt đã và đang là những vật liệu hiệu quả và triển vọng trong các công nghệ xử lý H2S 1.3.1 Fe/MgO Vật liệu này được thông báo là có khả năng loại H2S rất tốt trong các công nghệ ướt (qui trình lỏng - khí) Vật liệu xúc tác sắt trên một số chất mang là các oxit MgO,... tác 1.3 Vật liệu Fe/MgO và vật liệu Fe/MgO/bentonite Việc chế tạo vật liệu thường phải gắn liền với mục đích và công nghệ sử dụng vật liệu Như đã trình bày, các vật liệu trong luận văn này được nghiên cứu tổng hợp hướng đến mục đích ứng dụng xử lý khí H2S cho biogas Các quá trình loại H2S từ biogas bằng phương pháp hóa học, chủ yếu phân thành hai dạng: quá trình rắn – khí (quá trình hay khô) và quá... hành “rút” các polyme ra khỏi vật liệu trong quá trình nung sẽ nhận được vật liệu xốp mong muốn Sơ đồ tổng hợp vật liệu được đưa ra trên hình 1.7 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp vật liệu xốp composite với chất mang bentonite Thông qua con đường này có thể tổng hợp Fe/MgO/bentonite nói riêng hay các vật liệu composite với bentonite nói chung, chúng có các đặc trưng kỹ thuật khác nhau ứng dụng cho các mục tiêu... mang đặc điểm chung của các chất rắn hoạt tính là diện tích bề mặt lớn do sự phân tán cao của các hạt chất rắn Sự phân tán này cũng quyết định độ xốp của vật liệu Nhờ sự phân tán của các hạt vật liệu, một phần đáng kể các ion và nguyên tử cấu tạo nên đơn vị cấu trúc sẽ nằm trên bề mặt và ở cạnh các hạt: gần ¼ số ion O2- có trên bề mặt [16], chúng quyết định các tính chất hóa lý của MgO Đặc trưng và tính... nay trên thế giới một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như Fe ,Co trên các loại chất mang khác nhau (các oxit, cacbon, bentonite) Trong số đó, người ta chú ý nhiều đến các vật liệu trên nền sắt và các hợp chất của sắt hoặc tổ hợp composite của chúng với các thành phần khác vì những lý do sau: o Với năng lượng bề mặt và diện... lập nhau Phân tích các vạch ta có thể xác định được các pha có trong mẫu – đó là cơ sở để phân tích pha định tính Phương pháp phân tích pha định lượng bằng tia X dựa trên cơ sở của sự phụ thuộc cường độ tia nhiễu xạ vào nồng độ Nếu biết mối quan hệ đó và đo được cường độ thì có thể xác định được nồng độ pha Các pha chưa biết trong vật liệu có thể xác định được bằng cách so sánh số liệu nhận được từ... 1.2.3 Ứng dụng Magie oxit là một trong oxit kiềm có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực Những ứng dụng truyền thống của magie oxit: Được sử dụng như là vật liệu chịu lửa trong sản xuất sắt và thép, kim loại màu, thủy tinh hay xi măng Trong nông nghiệp: magie oxit và các hợp chất khác nhau được sử dụng làm phân bón rất cần thiết cho dinh dưỡng thực vật, thức ăn chăn nuôi bổ sung cho gà, gia súc và động... và quá trình lỏng – khí (quá trình ướt) Quá trình lỏng -khí, thực chất là quá trình vận chuyển và biến đổi hóa học của các cấu tử thông qua bề mặt tiếp xúc pha lỏng -khí Còn trong quá trình rắnkhí (quá trình khô), việc loại bỏ H2S được thực hiện bằng cách cho dòng khí đi qua thiết bị chứa tác nhân xử lý H2S là các vật liệu ở dạng rắn Thực chất của quá trình này là: hoặc H2S phản ứng với tác nhân hóa . thống. Trên cơ sở những phân tích trên, chúng tôi chọn đề tài: Tổng hợp và xác định các đặc trƣng của vật liệu composite trên cơ sở Fe 2 O 3 , ứng dụng xử lý khí H 2 S cho biogas . Hai loại vật. HOÀNG CHÍNH TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ Fe 2 O 3 , ỨNG DỤNG XỬ LÝ KHÍ H 2 S CHO BIOGAS Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.0113. 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 Fe 2 O 3 /MgO/Bentonite 27 2.4 Xác định