Zeolit là khoáng chất silicat nhôm (aluminosilicat) của một số kim loại có cấu trúc vi xốp với công thức chung:Me2xO.Al2O3.nSiO2.mH2OTrong đó: Me là kim loại kiềm như Na, K (khi đó x = 1) hoặc kim loại kiềm thổ như Ca, Mg... (khi đó x = 2).Tên gọi zeolit được nhà khoáng vật học người Thụy Điển là Axel Fredrik Cronstedt nghĩ ra năm 1756, khi ông quan sát thấy khi nung nóng nhanh stilbit thì nó sinh ra một lượng lớn hơi nước bị vật liệu này hấp phụ trước đó. Dựa theo hiện tượng này, ông gọi nhóm vật liệu này là zeolit, từ tiếng Hy Lạp ζέω (zéō) nghĩa là đun sôi và λίθος (líthos) nghĩa là đá1Hiện nay có khoảng 150 loại zeolit đã được tổng hợp và khoảng 48 loại có trong tự nhiên đã được biết đến23. Zeolit có cấu trúc mở vì vậy nó có thể kết hợp với các ion kim loại khác nhau như Na+, K+, Ca2+, Mg2+.Zeolit tự nhiên được hình thành từ sự kết hợp giữa đá và tro của núi lửa với các kim loại kiềm có trong nước ngầm.Zeolit được dùng với nhiều mục đích khác nhau trong các lĩnh vực như công nghiệp hóa học, kỹ thuật môi trường như là các chất hấp phụ, xúc tác, chiết tách...4Zeolit có thể gặp ở trạng thái tự nhiên hoặc nhân tạo. Để tổng hợp zeolit có thể thực hiện theo 2 cách:Trực tiếp từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên, biến tính các aluminosilicat là các khoáng phi kim loại như cao lanh, bentonit.Tổng hợp trực tiếp từ các silicat và aluminat.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC TIỂU LUẬN TÌM HIỂU VỀ ZEOLITE GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM THANH HUYỀN NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: MSSV MỤC LỤC I. KHÁI QUÁT VỀ ZEOLIT II. MỘT SỐ ZEOLIT TIÊU BIỂU VÀ ỨNG DỤNG III. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG IV. NGUYÊN NHÂN GÂY MẤT HOẠT TÍNH XÚC TÁC I. KHÁI QUÁT VỀ ZEOLITE • Zeolit là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba chiều với hệ thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Hệ mao quản trong zeolit có kích thước cỡ phân tử, dao động trong khoảng 3 12 Å. • Công thức hoá học của zeolit: Mx/n.[(AlO2)x . (SiO2)y]. zH2O Trong đó:M: là cation bù trừ điện tích khung, có hoá trị n; • x và y: là số tứ diện nhôm và silic, thông thường y/x 1 và thay đổi tuỳ theo từng loại zeolit • z : là số phân tử nước kết tinh Tính chất chung Tính xúc tác Tính chọn lọc hình dáng Các tính chất khác Tính chất của Zeolite Tính chất trao đổi cation Tính chất hấp phụ Cấu trúc chung của tinh thể zeolit • Các zeolit có cấu trúc không gian ba chiều, được hình thành từ các đơn vị sơ cấp là các tứ diện TO4 (T: Al, Si) 2- 2- 0 02 - 2- Si 4+ 0 2- 0 0 02 - 2- 3+ 0 2- 0 • Sự liên kết các tứ diện TO4 theo một trật tự nhất định sẽ tạo ra các đơn vị thức cấp khác nhau Theo nguồn gốc PHÂN LOẠI • Zeolit tự nhiên • Zeolit tổng hợp Theo chiều hướng không gian của các kênh hình thành cấu trúc mao quản • Zeolit có hệ thống mao quản một chiều không giao nhau • Zeolit có hệ thống mao quản 2 chiều • Zeolit có hệ thống mao quản 3 chiều Theo tỉ lệ Si/Al • Zeolit có hàm lượng Si thấp : tỷ lệ Si/Al=1÷1,5 • Zeolit có hàm lượng Si trung bình : Si/Al=2÷5 • Zeolit có hàm lượng cao : Si/Al >5 Theo kích thước mao quản • Loại mao quản lớn có đường kính từ 7÷8 A • Loại mao quản trung bình có đường kính từ 5÷6 A • Loại mao quản nhỏ có đường kính < 5 A II. MỘT SỐ ZEOLIT TIÊU BIỂU VÀ ỨNG DỤNG 1. ZSM-5 • • Công thức hóa học củaZSM-5 có dạng: Nan.Aln.SiO96-nO192.16H2O Cấu trúc (a) Cấu trúc đặc trưng của ZSM-5 (b) Chuỗi các đơn vị cấu trúc trong ZSM-5 (c) Nhìn từ mặt, sự mở của các mao quản thẳng song song 1. ZSM-5 Hệ thống mao quản: • Song song với trục a của tinh thể kích thước cửa sổ gần tròn (5,4-5,6 A0 ) • Thẳng song song với trục với trục b, có dạng hình elip (5,1- 5,7 A0). Hai hệ kênh này cắt nhau tạo ra một hốc rộng có kích thước cỡ 9 A0 và là nơi định xứ các tâm axit mạnh đặc trưng cho hoạt tính xúc tác của zeolit ZSM-5. Điều chế ZSM-5 Nhiệt độ 130-220 độ C Thời gian: 15-75 giờ pH: 10-10.5 Sol SiO2 Al2O3 và dd NaOH Chất tạo cấu trúc và mầm Gel Lọc, rửa, sấy, nung NaZSM-5 2. Zeolit A • Zeolite A là loại zeolite tổng hợp có cấu tạo khác so với zeolite tự nhiên, cấu trúc của nó dạng mạng lưới lập phương đơn giản tương tự như kiểu liên kết trong tinh thể muối NaCl, với các nút mạng là các bát diện cụt. • Zeolite A tỉ số Si/Al = 1 Tổng hợp Zeolite A • Nguyên liệu: các Zeolite tự nhiên được tinh chế, loại bỏ tạp chất •Thành phần gel: •SiO2/Al2O3 = 1,3 – 2,2 •Na2O/ SiO2 = 1,7 – 2,8 •[Na2O] = 0,33 – 0.92 mol/l •Phương pháp tổng hợp: 3. Zeolit X, Y 3.1. Cấu trúc. • Cấu trúc zeolit X, zeolit Y có dạng bác diện cụt được sắp xếp theo kiểu kim cương . • Đường kính của Zeolite X, Y khoảng 12,7A 3.2. Phân biệt zeolite X và zeolite Y Dựa vào tỉ số Si/Al: • Zeolit X: Si/Al = 1-1.5 • Zeolit Y: Si/Al = 2 Công thức của một số ô mạng cơ sở: • Zeolit X: Na86 [(AlO2)86.(SiO2)106].260 H2O • Zeolit Y: Na86 [(AlO2)56.(SiO2)136].260 H2O • Số tứ diện SiO4 và AlO-4 trong một ô mạng cơ sở của Zeolite X, Y là 192, số nguyên tử Oxy là 384. • Tỷ số Si/Al zeolit Y lớn hơn zeolit X nên độ bền cơ nhiệt của zeolit Y cao hơn zeolit X 3.3. Điều chế Zeolit X Y 4. Ứng dụng Làm xúc tác trong nhà máy lọc hóa dầu: - Cracking - Oligome hoá - Alkyl hoá - Thơm hoá các alkan, alken - Izome hóa Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ Ứng dụng trong bảo vệ môi trường: - Xử lý khí thải - Xử lý nước thải - Xử lý các kim loại trong nước Trong chăn nuôi, làm phụ gia thức ăn cho lợn và gà Làm phân bón Dùng làm phụ gia trong bột giặt Làm chất hút ẩm. III.CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG 1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Zeolit A 2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ZSM 5 FT-IR NICOLET 6700 NRX RAMAN MODULE - THERMO 3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). 3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). Zeolit ZSM 5 Zeolit A 4. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). 4. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). ZSM 5 Zeolit Y 5. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ Zeolit Y IV. Các nguyên nhân gây mất hoạt tính xúc tác Ngộ độc Ngưng tụ cốc và sa lắng cacbon Bị thiêu kết Tạo thành chất bay hơi Mài mòn cơ học 1. Ngộ độc xúc tác Che phủ tâm hoạt động Hấp phụ hóa học lên tâm hoạt động Cách khắc phục: Tăng T → giảm tác dụng của chất độc Khi điều chế, tránh đưa chất độc vào xúc tác Chọn chất mang hấp thụ chất độc mạnh Làm sạch nguyên liệu đầu Sử dụng chất trợ xúc tác 2. Ngưng tụ cốc và sa lắng cacbon Che tâm hoạt động Bịt kín mao quản Biện pháp: Giảm vận tốc phản ứng tạo tiền chất tạo cốc Lựa chọn chất mang có mao quản lớn, bền cơ Giảm tâm axit 3. Thiêu kết. 4. Tạo hợp chất bay hơi hoặc pha hoạt tính tách vào pha lỏng Biện pháp ngăn ngừa bay hơi do tạo cacbonyl • Tăng nhiệt độ phản ứng • Thay đổi thành phần xúc tác • Cho kim loại kiềm vào để ngăn sự di chuyển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. GS. Đào Văn Tường – Động học xúc tác – NXB Khoa học và kỹ thuật – 2006. [2]. GS. TSKH Mai Tuyên – Xúc tác Zeolite trong hóa dầu – NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật - 2004. [3]. Ozgul Dere Ozdemir , and Sabriye Pişkin - Zeolite X Synthesis with Different Sources - International Journal of Chemical, Environmental & Biological Sciences (IJCEBS) Volume 1, Issue 2 (2013) [4]. A.J. Koster , U. Ziese , A.J. Verkleij , A.H. Janssen , J. de Graaf , J.W. Geus , K.P. de Jong - Development and Application of 3-Dimensional Transmission Electron Microscopy (3D-TEM) for the Characterization of Metal-Zeolite Catalyst Systems. [...]... mất hoạt tính xúc tác Ngộ độc Ngưng tụ cốc và sa lắng cacbon Bị thiêu kết Tạo thành chất bay hơi Mài mòn cơ học 1 Ngộ độc xúc tác Che phủ tâm hoạt động Hấp phụ hóa học lên tâm hoạt động Cách khắc phục: Tăng T → giảm tác dụng của chất độc Khi điều chế, tránh đưa chất độc vào xúc tác Chọn chất mang hấp thụ chất độc mạnh Làm sạch nguyên liệu đầu Sử dụng chất trợ xúc tác 2 Ngưng tụ cốc và sa lắng... số Si/Al: • Zeolit X: Si/Al = 1-1.5 • Zeolit Y: Si/Al = 2 Công thức của một số ô mạng cơ sở: • Zeolit X: Na86 [(AlO2)86.(SiO2)106].260 H2O • Zeolit Y: Na86 [(AlO2)56.(SiO2)136].260 H2O • Số tứ diện SiO4 và AlO-4 trong một ô mạng cơ sở của Zeolite X, Y là 192, số nguyên tử Oxy là 384 • Tỷ số Si/Al zeolit Y lớn hơn zeolit X nên độ bền cơ nhiệt của zeolit Y cao hơn zeolit X 3.3 Điều chế Zeolit X Y 4... hợp Zeolite A • Nguyên liệu: các Zeolite tự nhiên được tinh chế, loại bỏ tạp chất •Thành phần gel: •SiO2/Al2O3 = 1,3 – 2,2 •Na2O/ SiO2 = 1,7 – 2,8 •[Na2O] = 0,33 – 0.92 mol/l •Phương pháp tổng hợp: 3 Zeolit X, Y 3.1 Cấu trúc • Cấu trúc zeolit X, zeolit Y có dạng bác diện cụt được sắp xếp theo kiểu kim cương • Đường kính của Zeolite X, Y khoảng 12,7A 3.2 Phân biệt zeolite X và zeolite Y Dựa vào tỉ... hoạt động Bịt kín mao quản Biện pháp: Giảm vận tốc phản ứng tạo tiền chất tạo cốc Lựa chọn chất mang có mao quản lớn, bền cơ Giảm tâm axit 3 Thiêu kết 4 Tạo hợp chất bay hơi hoặc pha hoạt tính tách vào pha lỏng Biện pháp ngăn ngừa bay hơi do tạo cacbonyl • Tăng nhiệt độ phản ứng • Thay đổi thành phần xúc tác • Cho kim loại kiềm vào để ngăn sự di chuyển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS Đào Văn Tường – Động. .. thành phần xúc tác • Cho kim loại kiềm vào để ngăn sự di chuyển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS Đào Văn Tường – Động học xúc tác – NXB Khoa học và kỹ thuật – 2006 [2] GS TSKH Mai Tuyên – Xúc tác Zeolite trong hóa dầu – NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật - 2004 [3] Ozgul Dere Ozdemir , and Sabriye Pişkin - Zeolite X Synthesis with Different Sources - International Journal of Chemical, Environmental & Biological Sciences... nhiễu xạ tia X (XRD) Zeolit A 2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ZSM 5 FT-IR NICOLET 6700 NRX RAMAN MODULE - THERMO 3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Zeolit ZSM 5 Zeolit A 4 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 4 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ZSM 5 Zeolit Y 5 Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ Zeolit Y IV Các nguyên... Zeolit X Y 4 Ứng dụng Làm xúc tác trong nhà máy lọc hóa dầu: - Cracking - Oligome hoá - Alkyl hoá - Thơm hoá các alkan, alken - Izome hóa Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ Ứng dụng trong bảo vệ môi trường: - Xử lý khí thải - Xử lý nước thải - Xử lý các kim loại trong nước Trong chăn nuôi, làm phụ gia thức ăn cho lợn và gà Làm phân bón Dùng làm phụ gia trong bột giặt Làm chất hút ẩm III.CÁC PHƯƠNG... , U Ziese , A.J Verkleij , A.H Janssen , J de Graaf , J.W Geus , K.P de Jong - Development and Application of 3-Dimensional Transmission Electron Microscopy (3D-TEM) for the Characterization of Metal-Zeolite Catalyst Systems ... đổi tuỳ theo loại zeolit • z : số phân tử nước kết tinh Tính chất chung Tính xúc tác Tính chọn lọc hình dáng Các tính chất khác Tính chất Zeolite Tính chất trao đổi cation Tính chất hấp phụ Cấu... dụng chất độc Khi điều chế, tránh đưa chất độc vào xúc tác Chọn chất mang hấp thụ chất độc mạnh Làm nguyên liệu đầu Sử dụng chất trợ xúc tác Ngưng tụ cốc sa lắng cacbon Che tâm hoạt động. .. nhân gây hoạt tính xúc tác Ngộ độc Ngưng tụ cốc sa lắng cacbon Bị thiêu kết Tạo thành chất bay Mài mòn học Ngộ độc xúc tác Che phủ tâm hoạt động Hấp phụ hóa học lên tâm hoạt động Cách khắc