Nghiên cứu tách Silic Dioxit từ vỏ trấu và ứng dụng làm chất hấp phụ một số hợp chất hữu cơ

Header Page of 126 -1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN BỈNH NGHIÊN CỨU TÁCH SILIC ĐIOXIT TỪ VỎ TRẤU VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ Chuyên ngành : Hóa hữu : 60 44 27 Mã số TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - Năm 2011 Footer Page of 126 Header Page of 126 -2- Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TỰ HẢI Phản biện 1: TS TRỊNH ĐÌNH CHÍNH Phản biện 2: PGS.TS TRẦN THỊ XÔ Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 31 tháng 12 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 -3MỞ ĐẦU Tính cấp thiết ñề tài Silic ñioxit dùng làm chất phụ gia xi măng, cao su, thủy tinh, dùng làm chất hút ẩm, chất bán dẫn … Loại silic ñioxit cần có ñộ tinh khiết cao thường ñược nhập từ nước khác với giá thành cao Như vậy, việc tách silic ñioxit có ñộ tinh khiết cao từ vỏ trấu vấn ñề cấp thiết cho công công nghiệp hóa ñại hóa ñất nước Bên cạnh ñó, silic ñioxit có ñộ tinh khiết cao tách từ vỏ trấu có khả hấp phụ ñược kim loại nặng hợp chất hữu Vì vậy, ñịnh chọn ñề tài: “Nghiên cứu tách silic ñioxit từ vỏ trấu ứng dụng làm chất hấp phụ số hợp chất hữu cơ” làm khóa luận thạc sĩ Mục ñích nghiên cứu - Tìm ñiều kiện tối ưu cho trình tách SiO2 từ vỏ trấu - Nghiên cứu khả hấp phụ metylen xanh silic ñioxit Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu b Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên c ứu a Nghiên cứu lí thuyết b Nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề t ài Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở ñầu kết luận tài liệu tham khảo, nội dung luận văn ñược chia thành chương sau: + Chương 1: Tổng quan tài liệu + Chương 2: Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu + Chương 3: Kết bàn luận Footer Page of 126 Header Page of 126 -4Chương TỔNG QUAN 1.1 VỎ TRẤU 1.2 SILIC ĐIOXIT 1.3 METYLEN XANH 1.4 HẤP PHỤ 1.4.1 Một số khái niệm 1.4.2 Phân loại trình hấp phụ 1.4.3 Cơ chế hấp phụ 1.4.4 Phương trình mô tả trình hấp phụ 1.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng ñến trình hấp phụ 1.5 PHỔ HẤP THỤ PHẨN TỬ UV - VIS 1.5.1 Sự xuất phổ hấp thụ phân tử UV – VIS 1.5.2 Sự hấp thụ ánh sáng dung dịch màu ñịnh luật hấp thụ ánh sáng 1.5.2.1 Sự hấp thụ ánh sáng dung dịch màu 1.5.2.2 Các ñịnh luật hấp thụ ánh sáng 1.5.2.3 Tính chất mật ñộ quang ứng dụng hóa phân tích 1.5.2.4 Các ñiều kiện phép ño quang yếu tố ảnh hưởng 1.5.2.5 Nguyên tắc phép ño phổ UV – VIS 1.5.2.6 Trang thiết bị phép ño phổ hấp thụ UV – VIS 1.5.2.7 Phổ hấp thụ phân tử hợp chất hữu 1.5.2.8 Phân tích ñịnh lượng 1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÍ ĐẶC TRƯNG 1.6.1 Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét 1.6.2 Phương pháp ño ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ 1.6.3 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 1.6.4 Phổ hồng ngoại 1.6.5 Phổ tán sắc lượng tia X Footer Page of 126 Header Page of 126 -5- Chương NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 DỤNG CỤ, HÓA CHẤT VÀ MÁY MÓC 2.2 PHA CHẾ HÓA CHẤT 2.3 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA VỎ TRẤU, TRO TRẤU 2.3.1 Xác ñịnh thành phần ñặc tính hóa lý vỏ trấu 2.3.2 Xác ñịnh thành phần ñặc tính hóa lý tro trấu 2.4 TÁCH SILIC ĐIOXIT TỪ VỎ TRẤU 2.4.1 Quy trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Vỏ trấu SiO2 1/ Sấy 1000C 2/ Nung 5500C SiO2.nH2O Tro trấu Rửa nước cất Hỗn hợp dạng gel 1/ Rửa sạch, phơi khô 2/ Đốt 3/ Nung 8000C Thêm dung dịch HCl 3M 1/ Thêm dung dịch NaOH 2/ Đun nóng 3/ Lọc Dung dịch Hình 2.1 Sơ ñồ tách silic ñioxit từ vỏ trấu 2.4.2 Ảnh hưởng yếu tố ñến trình tách SiO2 từ vỏ trấu 2.4.3 Xác ñịnh ñộ tinh khiết số ñặc tính hóa lý silic ñioxit 2.5 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH CỦA SILIC ĐIOXIT 2.5.1 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng ñến trình hấp phụ 2.5.2 Khảo sát thời gian ñạt cân hấp phụ 2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng pH ñến trình hấp phụ 2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng ñộ metylen xanh ñến trình hấp phụ Footer Page of 126 Header Page of 126 -6- Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 ĐỊA ĐIỂM LẤY MẪU 3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU 3.2.1 Kết xác ñịnh thành phần ñặc tính hóa lý vỏ trấu 3.2.1.1 Kết xác ñịnh thành phần vỏ trấu Lấy vỏ trấu rửa sạch, phơi khô ñem ñi xác ñịnh thành phần phương pháp phân tích EDX PYC 406/11 Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Kết xác ñịnh thành phần nguyên tố vỏ trấu ñược trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Kết xác ñịnh thành phần nguyên tố vỏ trấu Nguyên tố % khối lượng Nguyên tố % khối lượng C 34,82 S 0,09 O 51,51 Cl 0,22 H 3,34 K 0,26 Na 0,06 Ca 0,12 Mg 0,13 Mn 0,11 Si 9,20 Al 0,14 Nhận xét: Từ bảng 3.1 ta thấy rằng: Trong vỏ trấu, hàm lượng nguyên tố cacbon, oxi, hiñro silic tương ñối lớn, hàm lượng nguyên tố khác không ñáng kể Hàm lượng nguyên tố cacbon, oxi hiñro cao ñiều chứng tỏ vỏ trấu chủ yếu chứa chất hữu (xenlulozơ lignin) Hàm lượng nguyên tố silic tương ñối cao chiếm 9,20% (tương ứng với 19,71% SiO ) Như vậy, hàm lượng silic ñioxit vỏ trấu cao nên thuận lợi cho trình tách SiO từ vỏ trấu Footer Page of 126 Header Page of 126 -7- 3.2.1.2 Kết xác ñịnh ñộ ẩm vỏ trấu Sấy mẫu nhiệt ñộ 100°C tủ sấy cho ñến khối lượng không ñổi (5 giờ) Kết thí nghiệm ñược trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Kết xác ñịnh ñộ ẩm vỏ trấu Mẫu m1 (gam) m2 (gam) m3 (gam) N (%) k 34,773 35,768 35,671 10,80 0,892 32,877 34,397 34,249 10,79 0,892 35,795 37,795 37,605 10,50 0,895 33,092 35,591 35,348 10,60 0,894 35,791 38,787 38,498 10,68 0,893 Trong ñó: m1 khối lượng chén (gam) m2 khối lượng chén vỏ trấu trước sấy (gam) m3 khối lượng chén vỏ trấu sau sấy (gam) N hàm lượng nước hút ẩm (%) K hệ số khô kiệt Nhận xét: Hệ số khô kiệt trung bình ( k ) vỏ trấu ñược tính sau: k = 0,892 + 0,892 + 0,895 + 0,894 + 0,893 = 0,8932 3.2.2 Kết xác ñịnh thành phần ñặc tính hóa lý tro trấu 3.2.2.1 Kết xác ñịnh thành phần tro trấu Lấy vỏ trấu rửa sạch, phơi khô ñem ñốt cháy nung 8000C thu ñược tro trấu Đem tro trấu ñi xác ñịnh thành phần phương pháp phân tích EDX PYC 406/11 Viện Khoa Học Vật Footer Page of 126 Header Page of 126 -8- Liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Kết xác ñịnh thành phần tro trấu ñược trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết xác ñịnh thành phần tro trấu Nguyên tố % khối lượng Nguyên tố % khối lượng C 1,60 Cl 0,19 O 48,69 K 2,32 Na 0,17 Ca 0,67 Mg 0,31 Mn 0,38 Si 45,30 Al 0,32 S 0,05 Nhận xét: Từ bảng 3.3 ta thấy rằng: Trong tro trấu, hàm lượng nguyên tố silic oxi chiếm cao, hàm lượng nguyên tố lại không ñáng kể Hàm lượng nguyên tố silic oxi cao ñiều chứng tỏ tro trấu chủ yếu chứa SiO (khoảng 97,07% SiO ) 3.2.2.2 Kết xác ñịnh hàm lượng tro trấu Nung mẫu nhiệt ñộ 800°C lò nung cho ñến khối lượng không ñổi (5 giờ) Kết thí nghiệm ñược trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Kết xác ñịnh hàm lượng tro trấu Mẫu m1 (gam) m2 (gam) m3 (gam) Hàm lượng tro (%) 87,763 89,763 87,980 10,85 86,917 89,917 87,241 10,80 89,132 93,132 89,567 10,88 87,275 92,275 87,821 10,92 88,101 94,101 88,757 10,93 Footer Page of 126 Header Page of 126 -9- Trong ñó: m1 khối lượng chén (gam), m2 khối lượng chén vỏ trấu trước nung (gam) m3 khối lượng chén tro trấu sau nung (gam) Hàm lượng tro trung bình ñược tính sau: (10,85 + 10,80 + 10,88 + 10,92 + 10,93) : = 10,876 (%) 3.3 TÁCH SILIC ĐIOXIT TỪ VỎ TRẤU 3.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng ñến trình tách SiO từ vỏ trấu 3.3.1.1 Ảnh hưởng nồng ñộ NaOH ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Để nghiên cứu ảnh hưởng nồng ñộ NaOH ñến trình tách SiO2 từ vỏ trấu, ñã tiến hành quy trình ñã trình bày hình 2.1 Tiến hành phản ứng với 5,0 gam tro trấu 1000C, thời gian nung 3,5 100 ml dung dịch NaOH có nồng thay ñổi: 2,0M, 2,5M, 3,0M, 3,5M, 4,0M, 4,5M, 5,0M, 5,5M, 6,0M Kết thí nghiệm ñược trình bày bảng 3.5 hình 3.4 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nồng ñộ NaOH ñến trình tách SiO2 từ vỏ trấu Mẫu Nồng ñộ NaOH (mol/l) Khối lượng SiO2 (gam) 2,0 1,26 2,5 1,79 3,0 2,14 3,5 2,67 4,0 3,28 4,5 3,97 5,0 4,32 5,5 4,31 6,0 4,33 Footer Page of 126 Khối lượng silic ñioxit (gam) Header Page 10 of 126 - 10 - 2 2.5 3.5 4.5 5.5 Nồng ñộ NaOH (mol/l) Hình 3.4 Ảnh hưởng nồng ñộ NaOH ñến trình tách SiO2 từ vỏ trấu Nhận xét: Từ hình 3.4 ta thấy rằng: Khi t ăng nồng ñộ NaOH ( t 2, M ñế n , 0M ) khối lượng SiO2 thu ñược tăng lên nhanh nồng ñộ NaOH từ 5,0M trở lên khối lượng SiO2 thu ñược không ñổi Do ñó, chọn dung dịch NaOH có nồng ñộ tối ưu 5M ñể tách silic ñioxit từ vỏ trấu 3.3.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Để khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu ta tiến hành theo sơ ñồ trình bày hình 2.1 Tiến hành phản ứng với 5,0 gam tro trấu 1000C, thời gian nung 3,5 thể tích dung dịch NaOH 5M thay ñổi: 40ml, 60ml, 80ml, 100ml, 120ml, 140ml Kết thí nghiệm ñược trình bày bảng 3.6 hình 3.5 Bảng 3.6 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng ñến trình tách SiO2 từ vỏ trấu Mẫu Thể tích NaOH (ml) 40 60 80 100 120 140 Khối lượng SiO2 (gam) 2,82 3,15 3,73 4,31 4,30 4,32 Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 - 12 - Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian nung ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Mẫu t (h) 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Khối lượng silic ñioxit (gam) mSiO2 (g) 2,02 2,69 3,05 3,76 4,04 4,30 4,40 4,39 4,41 1 1.5 2.5 3.5 4.5 Thời gian nung (h) Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian nung ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Nhận xét: Từ hình 3.6 ta thấy rằng: Khi t ăng thời gian nung ( t , gi ñ ế n , gi ờ) khối lượng SiO2 thu ñược tăng lên nhanh thời gian nung từ 4,0 trở ñi khối lượng SiO2 thu ñược không ñổi Vì vậy, chọn thời gian nung tối ưu 4,0 ñể tách SiO2 từ vỏ trấu 3.3.1.4 Ảnh hưởng nhiệt ñộ nung ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Để khảo sát ảnh hưởng nhiệt ñộ nung ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu ta tiến hành theo sơ ñồ trình bày hình 2.1 Tiến hành phản ứng với 5,0 gam tro trấu, 100 ml dung dịch NaOH 5M, thời gian nung 4,0 nhiệt ñộ nung thay ñổi: 800C, 850C, 900C, 950C, 1000C, 1050C, 1100C Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 - 13 - Kết thí nghiệm ñược trình bày bảng 3.8 hình 3.7 Bảng 3.8 Ảnh hưởng nhiệt ñộ nung ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Nhiệt ñộ nung (0C) 80 85 90 95 100 105 110 mSiO2 (gam) 1,32 2,15 3,29 4,07 4,41 4,42 4,40 Khối lượng silic ñioxit (gam) Mẫu 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 80 85 90 95 100 105 110 Nhiệt ñộ nung (ñộ C) Hình 3.7 Ảnh hưởng nhiệt ñộ nung ñến trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu Nhận xét: Từ hình 3.7 ta thấy rằng: Khi t ăng nhiệt ñộ nung ( t 0 C ñ ến 0 C) khối lượng SiO2 thu ñược tăng lên nhanh nhiệt ñộ nung từ 1000C trở lên khối lượng SiO2 thu ñược không ñổi Vì vậy, chọn nhiệt ñộ nung tối ưu 1000C ñể tách SiO2 từ vỏ trấu Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 - 14 - 3.3.2 Kết xác ñịnh ñộ tinh khiết số ñặc tính hóa lý silic ñioxit 3.3.2.1 Kết xác ñịnh ñộ tinh khiết silic ñioxit Đem silic ñioxit tách ñược từ vỏ trấu ñi xác ñịnh ñộ tinh khiết phương pháp phân tích EDX PYC 406/11 Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Kết xác ñịnh ñộ tinh khiết SiO2 ñược trình bày bảng 3.9 Bảng 3.9 Kết xác ñịnh ñộ tinh khiết SiO2 Nguyên tố C O Si Na Cl % khối lượng 0,06 53,25 46,59 0,04 0,06 Nhận xét: Từ bảng 3.9 ta thấy rằng: Trong mẫu silic ñioxit, hàm lượng nguyên tố silic oxi chiếm cao, hàm lượng nguyên tố lại không ñáng kể Hàm lượng nguyên tố silic oxi cao ñiều chứng tỏ mẫu silic ñioxit tách ñược từ vỏ trấu có ñộ tinh khiết cao (silic ñioxit chiếm khoảng 99,84% khối lượng) Trong mẫu silic ñioxit, thành phần nguyên tố silic oxi có nguyên tố khác cacbon, natri clo Sự có mặt nguyên tố cacbon tro trấu lượng nhỏ cacbon chưa bị ñốt cháy Còn có mặt nguyên tố natri clo trình tách silic ñioxit từ vỏ trấu có sử dụng dung dịch NaOH dung dịch HCl nên sản phẩm lượng nhỏ muối NaCl Như vậy, silic ñioxit tách từ vỏ trấu có ñộ tinh khiết cao (SiO chiếm khoảng 99,84% khối lượng) dùng làm chất phụ gia xi măng, cao su, thủy tinh, dùng làm chất hút ẩm, chất bán dẫn , chất hấp phụ … Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 - 15 - 3.3.2.2 Kết xác ñịnh số ñặc tính hóa lý silic ñioxit - Kết ño phổ hồng ngoại (IR) Đo phổ hồng ngoại mẫu silic ñioxit quang phổ kế hồng ngoại GX – PerkinElmer – USA trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Hà Nội Kết thí nghiệm ñược trình bày hình 3.9 BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN Ten may: GX-PerkinElmer-USA Nguoi do: Nguyen Thi Son DT: 0912140352 Resolution: 4cm-1 Mail: sonhuco@yahoo.com Date: 8/22/2011 TEN MAU : SAN PHAM SiO2 0.600 0.58 0.56 0.54 1104 0.52 0.50 0.48 0.46 0.44 0.42 0.40 A 0.38 0.36 0.34 478 0.32 3444 803 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.200 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 cm-1 1400 1200 1000 800 600 Hình 3.9 Phổ hồng ngoại (IR) silic ñioxit Footer Page 15 of 126 400.0 Header Page 16 of 126 - 16 - Từ hình 3.9 ta thấy rằng: Phổ hồng ngoại (IR) silic ñioxit xuất píc ñặc trưng 3444 cm-1, 1104 cm-1, 803 cm-1 478 cm-1 Trong ñó píc 3444 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng kéo căng nhóm OH gắn nhóm silanol tự (Si-O-H) Píc 1104 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng hóa trị nhóm siloxan (Si-O-Si) Píc 803 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng nhóm SiOH Píc 478 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng biến dạng góc nhóm siloxan (Si-O-Si) Nhận xét: Trong phổ hồng ngoại silic ñioxit thấy xuất píc dao ñộng xung quanh tần số 1600 cm-1 với cường ñộ nhỏ Điều chứng tỏ hàm lượng nước mẫu nhỏ hút ẩm không khí - Kết chụp ảnh SEM Chụp ảnh SEM mẫu silic ñioxit Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Kết chụp ảnh SEM ñược trình bày hình 3.10 Hình 3.10 Ảnh SEM silic ñioxit Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 - 17 - Nhận xét: Từ hình 3.10 ta thấy silic ñioxit tách từ vỏ trấu có cấu trúc xốp cao dùng làm chất hấp phụ tốt - Kết ño XRD Đo XRD mẫu silic ñioxit Khoa Hóa – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Hà Nội Kết XRD ñược trình bày hình 3.11 F aculty of C hem istry, H US , VN U, D8 A DV A NCE-Bruker - M au SiO2 13 12 11 10 90 Lin (Cps) 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale F ile : Binh DN ma u S iO raw - Typ e : L o cked Co up le d - S tar t: 0 0 ° - E nd : 70 00 ° - Ste p: 0 ° - S tep time : s - Te m p : 25 °C (Ro om ) - Ti me Sta rte d : 12 s - -T h eta : 0 0 ° - T h eta : 5.0 00 ° - Ch i: 0.0 Hình 3.11 Giản ñồ XRD silic ñioxit Nhận xét: Từ hình 3.11 ta thấy rằng: Chỉ có píc xuất 2θ 220 cường ñộ thấp (