Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc nano fe sba 15 dùng để phân huỷ các hợp chất hữu cơ độc hại chứa phenol

Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Trƣờng đại học SƢ PHạM Hà NộI Khoa hóa học *********** Nguyễn thị ngọc bích Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc Nano Fe-SBA-15 dùng để phân hủy hợp chất hữu độc hại chứa phenol Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Ts đặng tuyết phƣơng Hà Nội - 2009 Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - SP Hoá Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Trƣờng đại học SƢ PHạM Hà NộI Khoa hóa học *********** Nguyễn thị ngọc bích Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc Nano Fe-SBA-15 dùng để phân hủy hợp chất hữu độc hại chứa phenol Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trƣờng Hà Nội - 2009 Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - SP Hoá Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Mở ĐầU Trong công nghiệp, chất xúc tác vấn đề chiến lược nhận quan tâm nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt công nghệ chế biến dầu khí xử lý môi trường ô nhiễm Hiện nay, giới, khoảng 90% trình hóa học công nghiệp có mặt chất xúc tác Trong suốt thập kỷ qua, zeolit với hệ thống vi mao quản đồng đều, thành phần hóa học đa dạng ứng dụng thành công dạng xúc tác cho công nghiệp lọc hóa dầu tổng hợp hữu cơ, đặc biệt phân tử có đường kính nhỏ 10A Tuy nhiên với kích thước mao quản nhỏ 20A0, zeolit không phù hợp với phân tử có kích thước động học lớn, đặc biệt nhu cầu sử dụng nguyên liệu dầu cặn để sản xuất sản phẩm có giá trị ngày gia tăng nguồn dầu mỏ giới ngày cạn kiệt Vì phương pháp tổng hợp vật liệu có kích thước mao quản lớn vấn đề nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Sau nhiều công trình nghiên cứu, đến đầu thập kỷ 90, nhà khoa học hãng Mobil thành công việc tổng hợp loại vật liệu mao quản cấu trúc nano, M41S với kích thước mao quản lên tới 100A gần họ vật liệu SBA (Santa Barbara Amorphous) Trong vật liệu SBA15 nhận quan tâm cấu trúc lục lăng trật tự, hệ thống mao quản đồng với kích thước lớn (50 - 500A0), thành dày (30 - 80A0) độ bền nhiệt thủy nhiệt cao [16] Trong trình phát triển ứng dụng vật liệu mao quản cấu trúc nano có nhiều kim loại thay thành công vào mạng lưới SBA-15 để tạo tính chất xúc tác đa dạng Ví dụ việc đưa Fe vào tạo xúc tác oxi hóa khử, bổ sung Al vào mạng lưới làm thay đổi độ axit vật liệu mao quản cấu Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - SP Hoá Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội trúc nano [11], đưa Ti vào mạng lưới giúp tăng hoạt tính xúc tác oxi hóa,…[20] Cho đến có nhiều công trình công bố việc đưa sắt vào SBA-15, phương pháp tổng hợp phải tiến hành theo bước: bước thứ tổng hợp SBA-15 sau sắt gắn lên SBA-15 người ta điều chế vi tinh thể chứa sắt sau sử dụng vi tinh thể để tổng hợp nên SBA-15 Cả hai phương pháp có nhược điểm đòi hỏi điều kiện thí nghiệm phức tạp, tốn nhiều thời gian lượng xuất oxit làm tắc mao quản Sắt kim loại ứng dụng thành công trình oxi hóa Chính vậy, tiến hành nghiên cứu tổng hợp Fe-SBA-15 bước ứng dụng để oxi hóa chất hữu nước thải nhằm xử lý môi trường Hoạt tính xúc tác SBA-15 khảo sát phản ứng oxi hóa phenol đỏ có kích thước lớn, chất độc hại, có khả phân hủy sinh học xuất nhiều nước thải công nghiệp đặc biệt công nghiệp hóa dầu Tôi hy vọng kết khóa luận đóng góp lĩnh vực tổng hợp xúc tác Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - SP Hoá Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Chƣơng 1: tổng quan tài liệu 1.1 Vật liệu mao quản cấu trúc nano 1.1.1 Giới thiệu vật liệu mao quản cấu trúc nano (MQCTN) Trong năm qua, zeolit với cấu trúc vi mao quản sử dụng rộng rãi công nghiệp lọc hóa dầu tổng hợp hữu [10], [14]: - Chúng có bề mặt riêng lớn khả hấp phụ cao - Tính chất hấp phụ thay đổi để trở thành loại ưa nước hay kị nước tùy thuộc vào nhóm chức bề mặt - Các tâm hoạt động xúc tác (như tâm axit) hình thành mạng tinh thể Cường độ mật độ chúng biến đổi để đáp ứng cho phản ứng khác - Nhờ có cấu trúc mao quản đồng có giới hạn nên zeolit có tính chất chọn lọc hình học khác sản phẩm, chất tham gia phản ứng hợp chất trung gian - Zeolit có độ bền nhiệt, thủy nhiệt hoá học cao Tuy nhiên, kích thước mao quản nhỏ nên chúng có nhiều hạn chế: - Các phân tử có kích thước lớn không khuếch tán vào bên mao quản để tiếp xúc với tâm hoạt động đó, phần bề mặt bên không sử dụng mà bề mặt chiếm 1% tổng diện tích bề mặt - Không thể đưa nhóm chức lớn lên thành mao quản nhằm tạo tính chất bề mặt mong muốn quang học, xúc tác, hấp phụ… Vì vậy, để tăng cường khả ứng dụng vật liệu mao quản, có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tăng kích thước mao quản Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - SP Hoá Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Theo định nghĩa IUPAC, vật liệu vô rắn xốp chứa mao quản có đường kính khoảng từ 20-500A0 gọi vật liệu mao quản cấu trúc nano (MQCTN) [3] Các vật liệu mao quản phân loại theo kích thước mao quản bảng 1.1 Bảng 1.1 Phân loại vật liệu mao quản: Vật liệu Mao quản lớn (Macropore) Kích thước mao quản (A0) >500 Ví dụ Thủy tinh Mao quản trung bình (Mesopore) 20- 500 Vi mao quản (Micropore) M41S, SBA-15 Zeolit (ZSM5, Y) [...]... lưới của SBA- 15 để tạo vật liệu có hoạt tính xúc tác mong muốn [5], [19] Ví dụ như Al, Zn… .để tạo những xúc tác axit; Fe, Ti, Cr, Mn, V… để tạo tâm oxi hóa khử trên xúc tác SBA- 15 1.3 Vật liệu mao quản cấu trúc Nano SBA- 15 chứa Fe Vật liệu SBA- 15 chứa Fe là vật liệu SBA- 15 có chứa nguyên tố Fe trong thành phần ở các dạng khác nhau: - Dạng thay thế đồng hình cho Si trong mạng lưới tinh thể - Dạng phân tán... (thường là các muối amin phân tử lượng thấp dùng trong tổng hợp zeolit), ví dụ TPABr để tổng hợp ZSM-5 Trong trường hợp khác là các phân tử hữu cơ tổ hợp thành các cấu trúc khác nhau (các phân tử hữu cơ này là các chất HĐBM có phân tử lượng lớn hình thành nên vật liệu MQCTN) Hai trường hợp này được minh họa trên hình 1.4 [16] 1.1.4.1 Vai trò của chất tạo cấu trúc Chất tạo cấu trúc giữ vai trò quan trọng:... KếT QUả VÀ THảO LUậN 3.1 Tổng hợp vật liệu mao quản cấu trúc nano SBA- 15 3.1.1 Tổng hợp Vật liệu mao quản cấu trúc nano SBA- 15 được tổng hợp từ các nguyên liệu sau đây: - Chất HĐBM P123 (pluroric) EO20PO70EO20 có M = 5800 - Nguồn silic TEOS (C2H5O)4Si - 98% - H2O - Dung dịch axit HCl 2N Tỷ lệ gel 1 TEOS : 0,0172P123 : 6,08HCl : 201,83H2O Hình 3.1 Sơ đồ tổng hợp vật liệu SBA- 15 Nguyễn Thị Ngọc Bích -... Nội 2 cấu trúc amin bậc 4 có chuỗi alkyl ngắn (a) và sự hình thành mạng lưới vật liệu MQCTN sử dụng chất tạo cấu trúc có chuỗi alkyl dài (b) Tạo cấu trúc là quá trình các oxit (SiO2) tổ chức thành mạng lưới tinh thể xung quanh các cấu trúc trung tâm tạo ra bởi các chất hữu cơ Trong trường hợp đơn giản nhất là vật liệu mao quản có cấu trúc tương tự như dạng hình học của phân tử hữu cơ (thường là các muối... thấp so với các loại khác, khả năng phân hủy sinh học cao, có thể dùng để tổng hợp vật liệu trong cả môi trường axit hay kiềm mạnh và không độc hại Không những thế, khi sử dụng loại polyme này làm chất tạo cấu trúc người ta có thể điều chỉnh được năng lượng hình thành và cấu trúc của vật liệu, tổng hợp được vật liệu có thành dày hơn so với chất tạo cấu trúc cation thông thường (muối amin…) Các copolyme... 1.1.4.3 Các phương pháp loại chất tạo cấu trúc Để tạo ra hệ thống mao quản cần phải loại bỏ chất tạo cấu trúc chiếm đầy khoảng trống bên trong bằng các phương pháp [18]: - Nung vật liệu - Chiết bằng dung môi - Dùng lò vi sóng - Dùng chất lỏng quá tới hạn Trong đó hai phương pháp thường dùng là nung và chiết bằng dung môi Hình 1 6 Sơ đồ quá trình loại chất tạo cấu trúc trong SBA -15 1.2 Vật liệu mao quản cấu. .. SBA- 15 trong quá trình tổng hợp Mặc dù quá trình tổng hợp SBA- 15 chủ yếu là do tương tác giữa chất tạo cấu trúc và tiền chất vô cơ quyết định những cơ chế của nó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác như : nguồn silic, nồng độ và bản chất của chất hoạt động bề mặt (cation,anion hay không ion), giá trị pH, nhiệt độ tổng hợp, thời gian kết tinh, chất phụ gia [8] 1.2.3.1 ảnh hưởng của chất tạo cấu trúc. .. cấu trúc SBA- 15 SBA- 15 là vật liệu rắn xốp, cấu trúc dạng lục lăng, hệ thống mao quản hình trụ đồng đều Hình 1.8 Cấu trúc SBA- 15 - Kích thước mao quản: Đường kích 50-500A0 (Tuỳ theo điều kiện tổng hợp) thành mao quản dày 30-80A0 - Thể tích mao quản: Có thể lên tới 2,5m3/g - Diện tích bề mặt riêng: 600 -150 0m2/g - Độ bền nhiệt, thuỷ nhiệt cao: có thể đạt 8000C [4] 1.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc. .. quản cấu trúc nano SBA - 15 1.2.1 Cơ chế hình thành SBA- 15 Chia - Wen Wu và các cộng sự đã chứng minh trong quá trình tổng hợp SBA- 15 có sự chuyển pha từ cấu trúc lớp sang cấu trúc lục lăng 2 chiều Sự chuyển pha này có thể giải thích theo cơ chế lớp gấp hay cơ chế phù hợp mật độ điện tích Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - SP Hoá 14 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Các cơ chế này... [8] 1.2.3.1 ảnh hưởng của chất tạo cấu trúc * Bản chất tạo cấu trúc: Chất tạo cấu trúc có phần kị nước càng dài thì đường kính mao quản của vật liệu MQCTN càng lớn SBA- 15 được tổng hợp từ chất tạo cấu trúc không ion là pluronic P123 (PEO)x(PPO)y(PEO)x Bề dày thành mao quản phụ thuộc vào độ dài chuỗi PEO,còn độ dài nhóm PPO quyết định đường kính và cấu trúc mao quản, Nguyễn Thị Ngọc Bích - Lớp K31A - ... chọn để tổng hợp mẫu SBA- 15 chứa Fe cho nghiên cứu 3.2 Tổng hợp Fe- SBA- 15 3.2.1 Tổng hợp Vật liệu mao quản cấu trúc nano Fe- SBA- 15 tổng hợp phương pháp trực tiếp điều kiện tương tự SBA- 15 từ... 3.1 Tổng hợp vật liệu mao quản cấu trúc nano SBA- 15 3.1.1 Tổng hợp Vật liệu mao quản cấu trúc nano SBA- 15 tổng hợp từ nguyên liệu sau đây: - Chất HĐBM P123 (pluroric) EO20PO70EO20 có M = 5800 -. .. ngọc bích Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc Nano Fe- SBA- 15 dùng để phân hủy hợp chất hữu độc hại chứa phenol Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trƣờng Hà Nội - 2009