ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Họ tên học viên cao học: NGUYỄN THỊ HẢI HÀ TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU MCM-41 BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ Cán bộ hướng dẫn : TS. LÊ THỊ SỞ NHƯ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU MCM-41 BIẾN TÍNH Họ tên học viên cao học: NGUYỄN THỊ HẢI HÀ Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 66 44 25 Cán bộ hướng dẫn: TS. LÊ THỊ SỞ NHƯ TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 1 MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 2 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3 3. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI CỦA VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU 3 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4 5. NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 5 6. THỜI GIAN THỰC HIỆN (dự kiến) 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 6 2 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Zeolit thuộc nhóm vật liệu vi xốp được phát hiên vào năm 1756 bởi Cronstedt – một nhà khoa học người Thụy Điển [7]. Trong gần 4 thập kỷ qua, zeolit tổng hợp đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học như là một chất hấp phụ, chất trao đổi ion và chất xúc tác rất hiệu quả và đa dạng. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, người ta càng ngày càng phát hiện khuyết điểm của loại vật liệu này. Đó là kích thước mao quản tương đối nhỏ nên zeolit bị hạn chế trong việc hấp phụ và chuyển hoá các phân tử lớn. Đầu thập kỷ 90, các nhà khoa học đã khám phá ra được một loại vật liệu mới: vật liệu xốp mao quản trung bình (MQTB), chúng có độ đồng đều và độ trật tự cao. Loại vật liệu này có kích thước lỗ có thể đạt đến 100Å được tổng hợp theo hướng khuôn tinh thể lỏng [5]. Vật liệu xốp MQTB ra đời đã mở ra triển vọng mới cho ngành công nghệ xúc tác. Với bề mặt riêng lớn, cấu trúc mao quản đồng đều với độ trật tự cao, kích thước mao quản lớn cho phép các phân tử lớn có thể dễ dàng khuếch tán và tham gia phản ứng bên trong mao quản. Tuy nhiên nhược điểm của vật liệu này lại là độ bền thuỷ nhiệt kém và độ axit yếu do cấu trúc thành mao quản là cấu trúc vô định hình [1]. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã cố gắng tìm những cách khác nhau để tận dụng các ưu điểm của hai loại vật liệu trên [4]. Một trong các cách đó là tinh thể hoá thành mao quản bằng các vi tinh thể như zeolit X, ZSM-5, mordenit… [1, 3, 8]. Hứa hẹn đây sẽ là một loại vật liệu xúc tác khắc phục được nhược điểm của zeolit và MQTB, đồng thời lại phát huy được những ưu điểm của chúng. Vật liệu này có chứa đồng thời cả các vi mao quản và mao quản trung bình, có độ bền thuỷ nhiệt cao hơn, độ axit mạnh hơn so với vật liệu MQTB. Đồng thời trong phản ứng cracking các phân tử lớn, đầu tiên các phân tử lớn sẽ phản ứng ở trong các mao quản trung bình, sau đó sẽ tiếp tục phản ứng trong các vi mao quản cho phép thu được các sản phẩm có trị số octan cao và các sản phẩm nhẹ làm nguyên liệu cho ngành tổng hợp hưu cơ. 3 Do đó trong nghiên cứu này tôi sẽ tiến hành tinh thể hóa thành mao quản của vật liệu MQTB MCM-41 bằng cách đưa các mầm zeolit Y vào thành mao quản nhằm cải thiện độ bền nhiệt của MCM-41 và chức năng hóa để tăng tính acid của chúng bằng cách đưa thêm vào 1 số kim loại chuyển tiếp M (ví dụ: Fe, Mn…) vào thành mao quản. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2.1. Tính cấp thiết: Xúc tác cho phản ứng cracking trong hóa dầu đòi hỏi những đặc điểm sau: độ bền nhiệt và thủy nhiệt phải cao đồng thời phải có nhiều tâm axit mạnh. Đường kính mao quản phải lớn và đồng đều, thành mao quản phải được tinh thể hóa và chứa hệ vi mao quản. Để có thể vừa cracking phân tử lớn bằng hệ thống mao quản trung bình đồng thời có thể cracking phân tử nhỏ bằng hệ vi mao quản [2]. Do đó việc tạo ra được loại xúc tác này hứa hẹn sẽ đem lại hiệu suất cao cho quá trình cracking các phân đoạn nặng của dầu thô. 2.2. Ý nghĩa lý luận: Tạo ra một loại vật liệu phát huy những ưu điểm của vật liệu zeolit và vật liệu mao quản trung bình, bằng cách cải thiện độ bền nhiệt và thủy nhiệt của vật liệu, cải thiện số tâm axit cũng như lực của các axit và đồng thời có đường kính mao quản lớn. 2.3. Ý nghĩa thực tiễn: Tạo ra một thế hệ xúc tác mới có nhiều tính ưu việt đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu rẻ tiền (thủy tinh lỏng). 3. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI CỦA VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp mầm zeolit Y - Tổng hợp MCM-41 từ mầm zeolit Y - Tổng hợp M-MCM-41 từ mầm zeolit Y (với M là kim loại nguyên tố d) - Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp vật lý 4 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ (BET) Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N 2 ở nhiệt độ -196 o C (77 K), áp suất 770 mmHg. Đường đẳng nhiệt hấp phụ trong vùng P/P 0 nhỏ (0,05 ÷ 0,35) ứng dụng để đo diện tích bề mặt riêng, còn toàn bộ đường đẳng nhiệt hấp phụ dùng để xác định phân bố kích thước lỗ xốp theo công thức Barrett-Joyner-Halenda (BJH). 4.2. Hiển vi điện tử quét (SEM) Hiển vi điện tử quét cho phép quan sát được hình ảnh bề mặt, kích thước hạt, mức độ trật tự của xúc tác. 4.3. Nhiễu xạ Rơnghen (XRD) Giản đồ nhiễu xạ giúp xác định có zeolit Y trong thành mao quản (chụp góc lớn), cũng như cấu trúc lục lăng, mức độ trật tự của MCM-41( chụp góc nhỏ) của xúc tác. Ống phát tia X bằng Cu với bước sóng Kα = 1,540 o A điện áp 30 KW, cường độ dòng ống phát ra 0,01 A, góc quét 2θ thay đổi từ 20 ÷ 70 o (góc lớn) và từ 0 ÷ 10 o (góc bé), tốc độ quét 0,02 o /s. 4.4. Phân tích trọng lượng nhiệt và nhiệt vi phân TG - DTA Phân tích trọng lượng nhiệt và nhiệt vi phân (phân tích nhiệt) TG-DTA giúp ta xác định nhiệt độ nung mẫu thích hợp để loại bỏ hoàn toàn chất định hướng cấu trúc. 4.5. Giải hấp NH 3 theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH 3 ) Phương pháp này sử dụng NH 3 để xác định lực axit của vật liệu [6]. 4.6. Nghiên cứu độ bền nhiệt và thủy nhiệt Lần lượt làm các thí nghiện như sau: - Tiến hành nung mẫu ở các nhiệt độ khác nhau: 700 o C, 800 o C và 900 o C. Thời gian nung là 3 giờ [8]. Sau đó đem đặc trưng bằng XRD để đánh giá độ bền nhiệt. - Cho mẫu vào bình teflon và thêm vào 100ml H 2 O. Rồi đặt bình vào trong autoclave, đặt autoclave vào trung tủ nung. Duy trì nhiệt độ là 100 o C trong 10 ngày [8]. Sau đó lấy mẫu ra lọc lấy Y/MCM-41 và sấy khô rồi đem đặc trưng bằng XRD để đánh giá độ bền thủy nhiệt. 5 5. NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Phòng thực hành Hóa vô cơ – Bộ môn Hóa vô cơ – Khoa Hóa – Trường Đại học Khoa học và Tự nhiên – Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 6. THỜI GIAN THỰC HIỆN (dự kiến) Thời gian Công việc thực hiện Tiến độ quá trình thực hiện 7/2012 - 9/2012 1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài. 2. Lập đề cương nghiên cứu 3. Chuẩn bị các hóa chất Đang thực hiện 9/2012 – 7/2013 1. Tổng hợp mầm zeolit Y 2. Tổng hợp MCM-41 từ mầm zeolit Y 3. Tổng hợp M-MCM-41 từ mầm zeolit Y (với M là kim loại nguyên tố d) 4. Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp vật lý Chưa thực hiện 7/2013 – 8/2013 Viết luận văn Chưa thực hiện 9/2013 Bảo vệ luận văn Chưa thực hiện 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Đỗ Xuân Đồng, Nguyễn Thị Thanh Loan, Nguyễn Ngọc Trìu, Vũ Anh Tuấn, Lê Thị Hoài Nam (2007), “nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu mao quản trung bình Al-MSU và xác định hoạt tính trong phản ứng cracking phân tử lớn”, tạp chí hóa học, tập 45 (3), tr. 294-298. [2] Nguyễn Hữu Phú (2005), Cracking xúc tác, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Ngô Quyết Tiến (2009), Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng và hoạt tính xúc tác của perovskit mang trên vật liệu mao quản trung bình SBA-15, luận văn thạc sĩ hóa học, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [4] Abdelhamid Sayari, Mietek Jaroniec (2008), Nanoporous material, World Scientific Publish. [5] J.S. Beck, J.C. Vartuli, W.J. Roth et al (1992), “A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates”, J. Am. Chem. Soc, vol 114, pp. 10834. [6] J.W. Niemantsverdriet (2007), Spectroscopy in catalysis, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA. [7] Stanti Kulprathipanja (2010), Zeolites in Industrial Separation and Catalysis, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, Weinheim. [8] Tingshun Jiang, Liwen Qi, MeiruJi, Haihui Ding, Yanhui Li, Zhangfeng Taoo, Qian Zhao (2012), “Characterization of Y/MCM-41 composite molecular sieve with high stability from Kaolin and its catalyic property”, Applied clay science, vol 62-63, pp. 32-40. . 7/2013 1. Tổng hợp mầm zeolit Y 2. Tổng hợp MCM-41 từ mầm zeolit Y 3. Tổng hợp M -MCM-41 từ mầm zeolit Y (với M là kim loại nguyên tố d) 4. Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp vật lý Chưa. DUNG VÀ PHẠM VI CỦA VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp mầm zeolit Y - Tổng hợp MCM-41 từ mầm zeolit Y - Tổng hợp M -MCM-41 từ mầm zeolit Y (với M là kim loại nguyên tố d) - Đặc trưng. lý luận: Tạo ra một loại vật liệu phát huy những ưu điểm của vật liệu zeolit và vật liệu mao quản trung bình, bằng cách cải thiện độ bền nhiệt và thủy nhiệt của vật liệu, cải thiện số tâm axit