Tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu ôxít hỗn hợp CeO2-Fe2O3 có kích thước nanomet trong phản ứng oxi hóa CO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Đoàn Trung Dũng TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU ÔXÍT HỖN HỢP CeO2-Fe2O3 CÓ KÍCH THƯỚC NANOMET TRONG PHẢN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đoàn Trung Dũng

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU ÔXÍT HỖN HỢP CeO2-Fe2O3 CÓ KÍCH THƯỚC NANOMET

TRONG PHẢN ỨNG OXI HÓA CO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đoàn Trung Dũng

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU ÔXÍT HỖN HỢP CeO2-Fe2O3 CÓ KÍCH THƯỚC NANOMET

TRONG PHẢN ỨNG OXI HÓA CO

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GVHDC: TS ĐÀO NGỌC NHIỆM GVHDP:GS.TS NGUYỄN TRỌNG UYỂN

Hà Nội – Năm 2016

Lời cám ơn

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS Đào Ngọc Nhiệm, GS.TS Nguyễn Trọng Uyển đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Trong quá trình học tập tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội, tôi cám ơn sự giảng dạy và giúp đỡ của các thầy

cô giáo

Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp

Bản luận văn này được thực hiện tại phòng Vật liệu vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam với sự tài trợ một phần

từ Công trình này nằm trong khuôn khổ của đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo năm 2014-1015 Mã số B2014-04-12 Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo đã tài trợ kinh phí cho nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, 2016

Học viên

Đoàn Trung Dũng

MỤC LỤC

Mở đầu 6

Chương 1 8

TỔNG QUAN 8

1.1 Thực trạng ô nhiễm không khí 8

1.1.1 Các đặc điểm chính của không khí 8

1.1.2 Vai trò của không khí 9

1.2 Ô nhiễm không khí 10

1.3 Tổng quan về khí CO 14

1.3.1 Đặc điểm lý hóa của khí cacbon monoxit 14

1.3.2 Tác hại của CO 15

1.3.4 Nguồn gốc của khí CO Error! Bookmark not defined 1.4 Tổng quan về các vật liệu xử lý CO Error! Bookmark not defined 1.5 Các phương pháp tổng hợp vật liệu Error! Bookmark not defined 1.5.1 Phương pháp phản ứng pha rắn (phương pháp gốm) Error! Bookmark not defined.

1.5.2 Phương pháp kết tủa Error! Bookmark not defined 1.5.3 Phương pháp thủy nhiệt Error! Bookmark not defined 1.5.4 Phương pháp sol - gel Error! Bookmark not defined 1.5.5 Phương pháp đốt cháy gel Error! Bookmark not defined Chương 2 Error! Bookmark not defined THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất và thiết bị Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined 2.1.2 Thiết bị Error! Bookmark not defined 2.2 Tổng hợp vật liệu Error! Bookmark not defined 2.3 Các phương pháp nghiên cứu vật liệu Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử Error! Bookmark not defined 2.3.4 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng Error! Bookmark not defined.

Chương 3 Error! Bookmark not defined KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Error! Bookmark not defined.

3.2 Nghiên cứu tổng hợp ôxít hỗn hợp CeO2-Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy gel với

chất tạo gel PVA Error! Bookmark not defined 3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung Error! Bookmark not defined.

3.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại Ce/Fe đến sự hình thành pha CeO2-Fe2O3

Error! Bookmark not defined.

3.3 Nghiên cứu tổng hợp ôxít hỗn hợp CeO2-Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy gel với

chất tạo gel citric Error! Bookmark not defined 3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung Error! Bookmark not defined.

3.3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại đến quá trình hình thành pha ôxít hỗn hợp CeO2-Fe2O3 Error! Bookmark not defined 3.4 Nghiên cứu khả năng xử lý CO Error! Bookmark not defined.

3.4.1 Khả năng xứ lý CO của ôxít hỗn hợp CeO2-Fe2O3 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

Mở đầu

Ngày nay môi trường đang trở thành mối quan tâm của tất cả các quốc gia trên thế giới Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp và sự gia tăng dân số thì sự ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề hơn Sự ô nhiễm môi trường đã và đang làm mất cân bằng sinh thái Ở nhiều nơi trên thế giới, con người đang phải đối mặt với những thảm họa môi trường như hiệu ứng nhà kính, sự suy giảm tầng ô zôn, elnino, mưa axit…Do đó, việc phát triển kinh

tế, xã hội gắn với bảo vệ môi trường đã và đang được quan tâm nghiên cứu của toàn thế giới trong những năm gần đây

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị không chỉ còn là vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay một khu vực nào đó mà nó đã trở thành vấn đề toàn cầu Thực trạng phát triển kinh tế- xã hội của các quốc gia trên thế giới trong thời gian qua đã có những tác động lớn đến môi trường, đã làm cho môi trường sống của con người bị thay đổi và ngày càng trở lên suy thoái Những năm gần đây nhân loại đã phải quan tâm nhiều đến vấn đề ô nhiễm môi trường không khí Đó là sự biến đổi của khí hậu – sự nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axít Ở Việt Nam ô nhiễm môi trường không khí đang là một vấn đề bức xúc đối với môi trường đô thị, công nghiệp và các làng nghề Đặc biệt ở thủ đô

Hà Nội đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường không khí nặng nề Ở các khu công nghiệp, các trục đường giao thông lớn đều bị ô nhiễm với các cấp độ khác nhau Oxi hoá CO thành CO2 trên để xử lý khí này là một quá trình hóa học có ý nghĩa liên quan đến lĩnh vực môi trường

Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ gần 1000oC Để phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn, tiết kiệm năng lượng thì phản ứng trên phải thực hiện khi có mặt xúc tác Chính vì vậy, người ta đã tiến hành phát triển xúc tác oxi hóa có hoạt tính cao để

loại bỏ ngay cả một lượng nhỏ CO trong môi trường ô nhiễm Có rất nhiều vật liệu,

hệ vật liệu đã được các nhà khoa học nghiên cứu Đặc biệt là các hệ vật liệu xúc tác kim loại, ôxít kim loại ngày càng được nghiên cứu sâu rộng hơn

Nhận thấy tính cấp thiết của vấn đề, nên em đã lựa chọn đề tài “Tổng hợp và

nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu ôxít hỗn hợp CeO 2 -Fe 2 O 3 có kích thước nanomet trong phản ứng oxi hóa CO” Nhằm mục đích xử lý lượng khí

thải CO độc hại ra môi trường

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Thực trạng ô nhiễm không khí

1.1.1 Các đặc điểm chính của không khí

Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất Thành phần chính của khí quyển gồm có nitơ (78,1% theo thể tích) và ôxy (20,9%), với một lượng nhỏ agon (0,9%), cacbon điôxít (dao động, khoảng 0,035%), hơi nước và một số chất khí khác Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo

ra sự thay đổi về nhiệt độ giữa ngày và đêm

Bảng 1.1: Thành phần phần trăm của không khí khô theo thể tích - ppmv: phần

Không khí ẩm thường có thêm

Hơi nước Dao động mạnh; thông thường khoảng 1%

Cacbon điôxít và mêtan theo IPCC bảng 1.1 Tuy nhiên, theo báo cáo gần đây của các nhà khí tượng Mỹ NOAA ghi nhận thì nồng độ CO2 trong bầu khí quyển đã gia tăng tới mức kỷ lục mới Nồng độ CO2 cao nhất đo được khoảng 400 ppmv Các nhà khí tượng lo ngại đây chính là một nhân tố có thể gây những thay đổi bất ngờ của khí hậu

Khối lượng phân tử trung bình của không khí khoảng 28,97 g/mol

Bầu khí quyển không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhưng mật

độ không khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao Ba phần tư khối lượng khí quyển nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tinh Tại Mỹ, những người có thể lên tới độ cao trên 50 dặm (80,5 km) được coi là những nhà du hành

vũ trụ Độ cao 120 km (75 dặm hay 400.000 ft) được coi là ranh giới do ở đó các hiệu ứng khí quyển có thể nhận thấy được khi quay trở lại

1.1.2 Vai trò của không khí

Không khí có vai trò rất quan trọng, là một một yếu tố không thể thiếu đối với

sự sinh tồn và phát triển của sinh vật trên trái đất Con người có thể nhịn ăn, nhịn uống trong vài ngày nhưng không thể nhin thở trong 5 phút

Không khí là lớp áo giáp bảo vệ mọi sinh vật trên trái đất khỏi bị các tia bức xạ nguy hiểm và các thiên thạch từ vũ trụ

Không khí với các thành phần như khí O2, CO2, NO2 , cần cho hô hấp của con người và động vật cũng như quá trình quang hợp của thực vật, là nguồn gốc của sự sống

Không khí giúp duy trì sự cháy và có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực sản xuất ,y tế và trong công nghiệp

Cùng với sự phát triển kinh tế và quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa, trong những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm không khí ngày càng trở nên trâm trọng ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của con người

1.2 Ô nhiễm không khí

Ô nhiễm môi trường không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc gây mùi khó chịu, giảm thị lực khi nhìn xa do bụi

Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Ô nhiễm khí đến từ con người lẫn tự nhiên [20] Hàng năm con người khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng

Ô nhiễm từ xe gắn máy cũng là một loại ô nhiễm khí đáng lo ngại [25,55]

Ô nhiễm môi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và "sương mù", gây nhiều bệnh cho con người Nó còn tạo ra các cơn mưa axít làm huỷ diệt các khu rừng và các cánh đồng Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2, đã gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2, nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính,

CH4 là 13%, nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3%

Nếu không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5 – 3,5 m (Stepplan Keckes) Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau Điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng Nhiệt độ trung bình của Trái Đất

sẽ tăng khoảng 3,60°C (G.I.Plass), và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,30°C Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái Đất tăng 0,40°C Tại hội nghị khí hậu tại châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái Đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,50°C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng

Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn CFC

là "kẻ phá hoại" chính của tầng ôzôn Sau khi chịu tác động của khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tầng ôzôn sẽ bị mỏng dần rồi thủng [15]

+ Nguyên nhân gây ô nhiễm:

Tự nhiên: Do các hiện tượng tự nhiên gây ra: núi lửa, cháy rừng Tổng hợp các

yếu tố gây ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên rất lớn nhưng phân bố tương đối đồng đều trên toàn thế giới, không tập trung trong một vùng Trong quá trình phát triển,

con người đã thích nghi với các nguồn này

Công nghiệp: Đây là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất của con người Các quá trình

gây ô nhiễm là quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch: than, dầu, khí đốt tạo ra: CO2,

CO, SO2, NOx, các chất hữu cơ chưa cháy hết: muội than, bụi, quá trình thất thoát,

rò rỉ trên dây truyền công nghệ, các quá trình vận chuyển các hóa chất bay hơi, bụi

Đặc điểm: nguồn công nghiệp có nồng độ chất độc hại cao, thường tập trung trong một không gian nhỏ Tùy thuộc vào quy trình công nghệ, quy mô sản xuất và nhiên liệu sử dụng thì lượng chất độc hại và loại chất độc hại sẽ khác nhau

Giao thông vận tải: Đây là nguồn gây ô nhiễm lớn đối với không khí đặc biệt ở

khu đô thị và khu đông dân cư Các quá trình tạo ra các khí gây ô nhiễm là quá trình đốt nhiên liệu động cơ: CO, CO2, SO2, NOx, Pb, CH4 Các bụi đất đá cuốn theo trong quá trình di chuyển Nếu xét trên từng phương tiện thì nồng độ ô nhiễm tương đối nhỏ nhưng nếu mật độ giao thông lớn và quy hoạch địa hình, đường xá không tốt thì

sẽ gây ô nhiễm nặng cho hai bên đường

Sinh hoạt: Là nguồn gây ô nhiễm tương đối nhỏ, chủ yếu là các hoạt động đun

nấu sử dụng nhiên liệu nhưng đặc biệt gây ô nhiễm cục bộ trong một hộ gia đình hoặc vài hộ xung quanh Tác nhân gây ô nhiễm chủ yếu: CO, bụi, khí thải từ các nhà máy, xe cộ,

Thực trạng ô nhiễm không khí ở Việt Nam hiện nay:

Công nghiệp cũ (được xây dựng trước năm 1975) đều là công nghiệp vừa và nhỏ, công nghệ sản xuất lạc hậu, một số cơ sở sản xuất có thiết bị lọc bụi, hầu như chưa có thiết bị xử lý khí thải độc hại Nói chung, công nghiệp cũ không đạt tiêu

chuẩn về chất lượng môi trường Công nghiệp cũ lại rất phân tán, do quá trình đô thị hoá, phạm vi thành phố ngày càng mở rộng nên hiện nay phần lớn công nghiệp cũ này nằm trong nội thành của nhiều thành phố Ví dụ ở thành phố Hồ Chí Minh, không kể các cơ sở thủ công nghiệp, có khoảng 500 xí nghiệp trong tổng số hơn

700 cơ sở công nghiệp nằm trong nội thành, ở thành phố Hà Nội có khoảng 200 xí nghiệp trong tổng số khoảng 300 cơ sở công nghiệp nằm trong nội thành Trong các năm gần đây nguồn ô nhiễm từ hoạt động công nghiệp nằm trong nội thành có phần giảm bớt do các tỉnh, thành đã tích cực thực hiện chỉ thị xử lý triệt để các cơ

sở gây ô nhiễm nghiêm trọng nằm xen kẽ trong các khu dân cư Ví dụ như ở Hà Nội

đã đầu tư xây dựng kỹ thuật hạ tầng 10 cụm công nghiệp nhỏ ở các huyện ngoại thành với tổng diện tích đất quy hoạch 2,573 ha để khuyến khích các xí nghiệp cũ ở trong nội thành di dời ra các cụm công nghiệp đó Đặc biệt, thành phố Hà Nội có chế độ chính sách thưởng tiến độ di chuyển sớm trong giai đoạn từ 2003 - 2004, mức thưởng từ 10 triệu đến 500 triệu đồng/đơn vị sản xuất Cho đến nay Hà Nội đã

di chuyển được 10 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm nặng ra ngoại thành như: Công ty Cổ phần Dệt 10/10, Công ty Thuỷ tinh Hà Nội, Công ty Giầy Thụy Khuê, Hiện nay

có 6 công ty đang di chuyển là Công ty Nhựa Hà Nội, Dệt kim Hà Nội, Xe đạp xe máy Đống Đa, Kỹ thuật điện thông, Dệt kim Thăng Long Thành phố Hồ Chí Minh

đã đưa ra chính sách thưởng 500 triệu đồng (mức cao nhất) cho những doanh nghiệp di dời trong năm 2002, mức thưởng này chỉ còn 50% đối với các doanh nghiệp di dời vào năm 2003 và chỉ còn 40% nếu di dời vào năm 2004 Tỉnh Bắc Ninh và một số tỉnh khác cũng đã đầu tư kỹ thuật hạ tầng xây dựng một số cụm công nghiệp nhỏ để tập trung các doanh nghiệp gây ô nhiễm môi trường nặng nề ở

đô thị và làng nghề vào các cụm công nghiệp này,

Hoạt động công nghiệp gây ô nhiễm không khí còn từ các khu, cụm công nghiệp cũ, như các khu công nghiệp: Thượng Đình, Minh Khai - Mai Động (Hà Nội), Thủ Đức, Tân Bình (thành phố Hồ Chí Minh), Biên Hoà I (Đồng Nai), Khu Công nghiệp Việt Trì, Khu Gang thép Thái Nguyên, và ô nhiễm không khí cục bộ