Những năm gần đây, các vật liệu rây phân tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xúc tác công nghiệp, đặc biệt là Zeolit. Nó càng ngày càng thay thế vị trí các loại xúc tác trước đây, vì thế đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Bìa viết này giúp chúng ta hiểu rõ hơn các đặc điểm cấu tạo, tính chất và ứng dựng thực tế của zeolite.
Page 1 ZEOLITE VÀ ỨNG DỤNG Những năm gần đây, các vật liệu rây phân tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xúc tác công nghiệp, đặc biệt là Zeolit. Nó càng ngày càng thay thế vị trí các loại xúc tác trước đây, vì thế đ thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Hình 1: Cấu trúc của Zeolite được chụp qua kính hiển vi điện tử trong tự nhiên Zeolit là một loại vô cơ được tìm thấy trong tự nhiên (khoảng 40 cấu trúc zeolit khác nhau và một số được tổng hợp từ nhiều nguyên liệu khác nhau như đi từ Si, Al riêng lẻ, cao lanh (200 loại zeolit tổng hợp) chúng được ứng dụng rộng ri trong nhiều lĩnh vực khoa học cũng như công nghiệp với vai trò chính là chất xúc tác, chất hấp phụ và trao đổi ion. Chúng còn được sử dụng để tách và làm sạch khí, tách ion phóng xạ từ các chất thải phóng xạ và đặc biệt là xúc tác cho nhiều quá trình chuyển hoá hydrocacbon. Chính nhờ những đặc tính nổi trội của nó so với các loại xúc tác khác như: bề mặt riêng lớn, có thể điều chỉnh được lực axit và nồng độ tâm axit, cấu trúc tinh thể xốp với kích thước mao quản đồng đều phù hợp với nhiều loại phân tử có kích Page 2 cỡ từ 5A o - 12A o và khả năng biến tính tốt. Do đó Zeolit được đánh giá là loại xúc tác có độ bền, hoạt tính và chọn lọc cao. I – CẤU TẠO ZEOLITE Zeolit là một loại chất rắn xốp, được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể bao gồm: Khung 3 chiều được hình thành bởi các liên kết TO4 (T là Si, Al…). Mỗi nguyên tử Oxi được dùng chung cho 2 nguyên tử T. Các mao quản, lỗ trống với kích thước phân tử có thể chứa các cation bù điện tích, nước, muối và các phân tử khác. Hình 2: Mô phỏng cấu trúc Zeolite Đường kính của mao quản và lỗ xốp phụ thuộc vào cấu trúc của từng loại zeolit khác nhau và thường nằm trong khoảng từ 3 – 1.3 A o . Diện tích riêng bề mặt lớn nhất: 800m2/g. Thể tích riêng xốp lớn nhất: 0.35 cm3/g. Công thức tổng quát của các Zeolite: Me 2 /nO.Al 2 O 3 .xSiO 2 .yH 2 O n: hoá trị của cation Me x: tỉ số SiO2/Al2O3 y: số phân tử H2O Page 3 Trong cấu trúc Zeolit không tồn tại liên kết Al-O-Al mà chỉ có dạng liên kết Si-O-Si và Si-O-Al nên tỉ lệ Si/Al ≥ 1. Nền tảng cơ bản tạo nên Zeolite là sodalit - các bát diện cụt có đỉnh là Al 3+ hoặc Si 4+ Mỗi ion này là tâm của tứ diện mà 4 đỉnh là O 2- hoặc OH - . Tuỳ theo việc lắp ghép khác nhau mà ta được các loại Zeolite khác nhau. Ví dụ: (a) (b) Hình 3: Zeolite A (a) và Zeolite X(Y) (b) II – PHÂN LOẠI ZEOLITE Phân loại zeolit: Có nhiều cách để phân loại nhưng người ta thường phân loại theo nguồn gốc, theo thành phần hóa học và theo đường kình mao quản. II. 1 - Phân loi theo ngun gc: Zeolit tự nhiên: thường kém bền và do thành phần hoá học biến đổi đáng kể nên chỉ có một vài loại Zeolít tự nhiên có khả năng ứng dụng thực tế như: Analcime, chabazite, hurdenite, clinoptilonit và chúng chỉ phù hợp với những ứng dụng mà không yêu cầu tinhkhiết cao. Zeolit tổng hợp: ZeolítA, ZeolítX, ZeolítY, ZeolítZSM-5, ZSM-11 Zeolít tổng hợp có thành phần đồng nhất và tinh khiết, đa dạng về chủng loại nên được ứng dụng rất rộng ri trong công nghiệp cũng như trong nghiên cứu. Page 4 II. 2 - Phân loi theo thnh phn ha hc: Zeolit giàu Al: Là loại zeolit có tỉ lệ SiO 2 /Al 2 O 3 ≥ 2 Zeolit Silic trung bình: tỉ lệ SiO 2 /Al 2 O 3 = 4 – 5 có thể tới 10 Zeolit giàu silic: tỉ lệ SiO 2 /Al 2 O 3 = 20 – 200 Rây phân tử: Là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể hoặc tương ứng aluminosilicat tinh thể nhưng không chứa nhôm. Kị nước và không có khả năng hấp thụ ion. Zeolit biến tính: Zeolit sau khi d được tổng hợp s được người ta dùng các phương pháp biên tính làm thay đổi thành phần hóa học II. 3 - Phân loi Zeolít theo kích thước mao quản Việc phân loại Zeolít theo kích thước mao quản rất thuận tiện cho việc nghiên cứu ứngdụng Zeolít, theo cách này ta chia Zeolít ra làm 3 loại: Zeolít có mao quản rộng: đường kính mao quản từ 7A đến 8A Zeolít mao quản trung bình: từ 5A đến 6A Zeolítmaoquản hẹp: dưới 5A Page 5 Bảng 1: Công thức cấu tạo một số Zeolite Page 6 III - TÍNH CHẤT CỦA ZEOLITE (a) (b) (c) (d) Hinh 4: Tinh thể các Zeolite (a-Analcine; b-chabazite; c- Heulandite ;d- Scolecite Page 7 Hình 5: Hình dạng bề mặt Zeolite Do hình dạng bề mặt Zeolite có cấu tạo đặc biệt như trên nên Zeolite có các tính chất bề mặt sau: III. 1 - Tính trao đổi ion Số oxy hóa của Si:+4, Al:+3 Tâm Si : trung hòa điện Tâm Al : tích điện âm → trung hòa bởi 1ion dương( ion kiềm hoặc kiềm thổ) → tính trao đổi ion Page 8 Khả năng trao đổi cation là một trong những tính chất quan trọng của Zeolite.do cấu trúc không gian ba chiều bền vững nên khi trao đổi ion thì: Không làm thay đổi cấu trúc tinh thể Ở vị trí khác nhau, tốc độ trao đổi khác nhau -vị trí mở(bề mặt) : dễ dàng -ở vị trí kín (sođalit, lăng trụ): khó khăn Để tăng độ trao đổi ion: Xử lý với dd chứa ion trao đổi nhiều lần Giữa các lần phải sấy khô và xử lý nhiệt(nung ở 500 0 C) -Phân bố đồng đều cation ở các vị trí khác nhau -Một phần cation di chuyển từ vị trí kín mở nên dễ trao đổi III. 2 - Sự hình thành tâm acid Các Tâm axit tạo nên hoạt tính xúc tác Tỷ lệ Si/Al tăng số tâm axit giảm, độ bền tâm axit tăng Page 9 ở vị trí khác nhau thì độ linh động của các proton khác nhau dẫn đến độ axit không đồng đều. Trao đổi ion hình thành tâm acid, quá trình như sau: Các ion như Na + ,Mg 2+ hay proton s trung hoà điện tích này và hình thành tâm axit Bronsted Khi tiến hành xử lý nhiệt ở khoảng nhiệt độ 400 – 500 o C thì xuất hiện các tâm axít Lewis theo sơ đồ sau III.3 - Tính chất chn lc hình dng Page 10 Để một phân tử phản ứng được trên Zeolite cần phải thực hiện các bước sau: Khuếch tán đến bề mặt Zeolite Đi vào mao quản các của sổ và khuếch tán đến trung tâm hoạt động Hấp phụ vào mao quản trên trung tâm hoạt động và hình thnahf chất trung gian phản ứng Thực hiện phản ứng để tạo sản phẩm Khử hấp phụ và khuếch tán sản phẩm ra ngoài mao quản. Như vậy, sự khuếch tán chất phản ứng và sản phaamrt rong mao quản Zeolite đóng vai trò hết sức quan trọng trong phản ứng xúc tác, vì vậy nó ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng cũng như phân bố sản phẩm. điều này chứng tỏ, vận tốc phản ứng không chỉ phụ thuộc vào hoạt tính của trung tâm mà còn phụ thuộc vào cả kích thước mao quản chứa trung tâm hoạt động, hình dạng của phân tử phản ứng. nếu kích thước động học của các phân tử < kích thước mao quản thì phân tử có thể vào trong mao quản gặp trung tâm hoạt động → tính chất chọn lọc hình dạng của Zeolite. Với hệ mao quản đồng nhất có đường kính mao quản nhỏ hơn 10Å thì các Zeolite thể hiện tính chất chọn lọc rất cao. Có ba hình thức chọn lọc là: a) Chn lc chất phản ứng Kiểu chọn lọc này xuất hiện giữa những sản phẩm hình thành trong phản ứng, sản phẩm có kích thước phân tử nhỏ hơn kích thước mao quản mới khuếch tán ra ngoài hệ mao quản. Điều này thể hiện rất rõ trong phản ứng ankyl hóa hydrocarbon thơm. Sản phẩm đồng phân para có tốc độ khuếch tán nhanh bao giờ cũng chiếm tỉ lệ cao hơn so với các đồng phân orthor và methar trong hỗn hợp sản phẩm. b) Chn lc sản phẩm trung gian Hiện tượng này chỉ xảy ra khi một vài phản ứng bị ngăn cản do kích thước của chất trung gian không phù hợp với kích thước mao quản Zeolite. [...]... thời gian mà giữ lại trong đất để giúp đất lưu lại các dưỡng chất Với những ứng dụng có tác dụng lâu dài như thế, zeolite sẽ giúp đất nâng cao khả năng lưu giữ chất đinh dưỡng và nâng cao sản lượng Zeolite không phải là Axit Trên thực tế nó giống như kiềm và việc sử dụng đồng thời với phân bón có thể giúp đất giảm bớt độ PH và do đó giảm bớt nhu cầu rải vôi bột Phân bón vi lượng nhả chậm Ngoài ra các... dưỡng chất trong khu vực rễ cây để sử dụng khi cây cần Điều này khiến cho phân bón N và K sử dụng có hiệu quả hơn - nghĩa là ít phân bón hơn mà vẫn cho năng suất tương đương nhau hoặc là cùng một lượng phân như thế nhưng có tác dụng lâu dài và cho năng suất cao hơn Thêm một lợi ích nữa khi sử dụng Zeolite là không giống như các chất cải tạo đất như thạch cao và vôi bột Zeolite không phân huỷ theo thời gian... dưỡng - Có dùng Zeolite: 1 a) Rải phân bón vào đất đã chứa Zeolite sao cho chúng có khả năng liên kết chặt chẽ với 2 Giảm nguy cơ bay hơi khi zeolite thấm hút các phân tử Amoni Page b) Rải phân bón đã chứa Zeolite (trộn hoặc bao bọc) 15 nhau; hoặc 3 Tưới tiêu đẩy phân bón vào khu vực rễ cây trong khi một số thành phần khác trong phân bón vẫn liên kết với Zeolite 4 Phân bón trong Zeolite giữ lại... dinh dưỡng vàcác thành phần quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của thực vật Hút và giữ phân bón trong cấu trúc xốp của nócho đến khi rễ cây tìm thấy chúng Nitơ giữ lại zeolite là không hòa tan trong nước và không được rửa sạch trong một thời gian dài của thời gian Tiết kiệm phân bón, đặc biệt là nitơ Cải thiện sự hấp thụ phân bón cho cây trồng đến 20 đến 40% Nếu không sử dụng Zeolite. .. bệnh ung thư và các khối u, Micronized zeolite clinoptilolite, khi kết hợp với điều trị ung thư thường xuyên, dẫn đến cải thiện sức khỏe tổng thể, cuộc sống lâu hơn, giảm kích thước khối u và di căn giảm trong một số trường hợp Địa phương áp dụng các clinoptilolite zeolite đến ung thư da của con chó làm giảm sự hình thành khối u và tăng trưởng Các nhà nghiên cứu đã không thực hiện bất kỳ tác dụng phụ... năm cần sử dụng ước 300.000 - 500.000 nghìn tấn Trong tương lai ngành chăn nuôi và nuôi trồng thuỷ sản phát triển cần sử dụng 1 triệu tấn/ năm V.2 Trong công nghiệp khí Sự ứng dụng zeolit làm tăng cả về số lượng và chất lượng của sản phẩm dầu mỏ Zeolit Page Việc tìm ra zeolit đã tạo bước ngoặt lớn trong công nghiệp hóa học, đặc biệt là trong ngành dầu 18 1 Trong công nghiệp hóa dầu được sử dụng trong... hóa trị sẽ có tính axit và làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa - khử Việc thế kim loại vào zeolit sẽ làm cho nó có một số tính chất mới Thí dụ: khi thế kim loại thiếc (Sn) vào zeolit sẽ tạo ra zeolit b có thể làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa xeton thành este và lacton Khi thế mangan hoặc coban vào zeolit nhôm photphat sẽ tạo ra loại zeolit có lỗ xốp nhỏ và có khả năng oxy hóa chọn lọc các nguyên tử cacbon... dày và đường ruột, từ đó hiệu quả hấp thụ, sử dụng thức ăn tăng cao Đối với đông vật nuôi trồng thuỷ sản: Sử dụng Zeolite độ thuần 70%; khả năng hấp phụ ammonium 100 - 150 mg/ 100 g; kích thước hạt 83mm tăng 3% - 5% vào khẩu phần, thực nghiệm trên cá chép tăng trọng bình quân mỗi ngày tăng 4,5%, giảm bệnh tật, đối với cá trắm cỏ cho tăng 4,5% khẩu phần là tốt nhất Trong nuôi trồng thủy sản còn sử dụng. .. (lên đến 160 mg tương đương cho mỗi 100g), Hấp thụ các ion amoni và các chất dinh dưỡng vào cấu trúc xốp (cấu trúc tổ ong) Thân thiện với môi trường, thuận tiện để lưu trữ, vận chuyển và bón vào đất Có thể được sử dụng kèm với phân bón hữu cơ Kết quả tốt nhất khi trộn với than bùn Tạo điều kiện cho toàn bộ hệ thống rễ cây tăng trưởng và phát triển, giữ lại một số lượng đủ nước trong khu vực của rễ... lương nhiệt mặt trời Zeolit cũng được sử dụng như một lưới lọc phân tử trong máy bơm chân không 4 Trong công nghiệp chất tẩy rửa Zeolit cũng được sử dụng trong chất tẩy rửa Vào năm 1992, sản lượng zeolit A lên tới 1,44 triệu tấn 5 Trong công nghiệp xây dựng Zeolit cũng được sử dụng như một chất phụ gia trong quá trình sản xuất bê tông nhựa Sự phát triển của ứng dụng này được bắt đầu từ Đức trong những