TỔNG hợp vật LIỆU fe mn MCM 41 và ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH xúc tác

Tuy vây, zeolit cũng thể hiện nhược điểm của nó làđường kính mao quản quá bé d < 20 Å không thích hợp cho sự chuyển hóa nhữngphần tử có kích thước lớn cồng kềnh [11].Đến năm 1992, các nh

KHOA HÓA HỌC - -

Huế, khóa học 2014-2018

Lời Cảm Ơn

Khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thành tại phòng chuyên đề Hóa Lý, khóa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Huế.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy giáo PTS TS Hoàng Văn Đức

và Cô giáo ThS Nguyễn Thị Anh Thư đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài Em cũng xin chân thành cảm ơn

cô Đỗ Thị Ngọc Cẩm đã giúp đỡ, hướng dẫn

em tận tình và chu đáo Mặc dù đã có nhiều

cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất, song do buổi đầu mới làm quen với nghiên cứu khoa học, cũng như hạn chế

về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được Em rất mong sự góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các bạn sinh viên

để khóa luận được hoàn chỉnh hơn.

Qua đây, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Hóa, tổ Hóa Lý, cùng các bạn sinh viên đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Huế, tháng 5 năm

2018 Sinh viên Trần Thị Kim Phượng

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

(Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ)

(Hiệp hội quốc tế về Hóa học Lý thuyết và Ứng dụng)

(Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lục lăng)

(Vật liệu MQTB có cấu trúc lục lăng)

(Vật liệu MQTB có cấu trúc lập phương)

(Hiển vi điện tử quét)

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Ngày nay, vật liệu ứng dụng công nghệ nano được nghiên cứu và phát triển rấtnhanh do những tính chất vượt trội của nó Vật liệu mao quản nano là một trongnhững lĩnh vực thu hút sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới và đượcứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ Zeolit ra đời sớm và đã được ứngdụng nhiều trong công nghiệp, nhưng nó lại có hạn chế là đường kính mao quảnnhỏ nên không có khả năng xúc tác đối với hợp chất có kích thước phân tử lớn Sự

ra đời của vật liệu mao quản trung bình trật tự vào năm 1992 do các nhà khoa họcthuộc tập đoàn Mobil tìm ra đã khắc phục được nhược điểm trên

Trong các loại vật liệu mao quản trung bình, vật liệu MCM-41 là thành viênquan trọng nhất của họ M41S và được nghiên cứu ngày càng sâu Nhờ ưu điểm diệntích bề mặt lớn khoảng 1000 m2/g, hệ mao quản đồng đều và độ trật tự cao, vật liệuMCM-41 được dùng làm chất mang cho các kim loại cũng như oxit kim loại để chếtạo các chất xúc tác mong muốn

Việc thay thế một phần silic trong mạng lưới vật liệu MQTB MCM-41 bằngmột số kim loại đã làm thay đổi rất lớn hoạt tính xúc tác cũng như độ bền củachúng Người ta đã ứng dụng chúng vào phản ứng crackinh các phân đoạn dầunặng, phản ứng trùng ngưng, phản ứng ankyl hóa Fridel-Crafts, phản ứng peoxithóa các olefin, đặc biệt là các olefin có kích thước phân tử lớn

Tính đến thời điểm này, đã có nhiều thông tin quan trọng của vật liệu

MCM-41 về phương pháp tổng hợp, cấu trúc và tính chất không gian của hệ maoquản,… được công bố Nhiều công trình nghiên cứu đã thành công trong việctổng hợp vật liệu MCM-41 với nguồn silic từ tro trấu thay thế nguồn silic đắttiền TEOS hay TMOS

Ngoài ra, hướng nghiên cứu nổi bật hiện nay là biến tính vật liệu MCM-41nhằm thu được các hệ xúc tác có tính chất phù hợp cho các phản ứng nhất định giúp

mở rộng những ứng dụng của vật liệu

Trong các hướng biến tính vật liệu MCM-41, hướng biến tính bằng các kimloại hoạt động, đặc biệt là việc biến tính bằng lưỡng kim loại để tạo ra các chất xúc

tác có hoạt tính cao, sử dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường đã và đang nhận đượcquan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước

Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài khóa luận là: “Tổng hợp vật

liệu Fe-Mn/MCM-41 và đánh giá hoạt tính xúc tác” với mong muốn tổng hợp

được vật liệu Fe-Mn/MCM-41 có hoạt tính hấp phụ, xúc tác tốt được điều chế từnguồn silic tách từ tro trấu, một phụ, phế phẩm nông nghiệp rẻ tiền, dễ tìm

1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB)

1.1.1 Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình

Vật liệu có cấu trúc mao quản là vật liệu mà trong lòng nó có hệ thống maoquản với kích thước từ vài đến vài chục nano mét Các mao quản có thể có dạngống hình trụ (linear, parallel channels), ba chiều (three dimensional pore) hoặc dạnglồng (cage) Sự có mặt của các mao quản đó làm cho vật liệu có nhiều tính chất đặcbiệt mà những vật liệu đặc khít không có được

Theo IUPAC, vật liệu mao quản được chia thành ba loại dựa vào kích thướcmao quản [9] Với cách phân loại này, các vật liệu vô cơ rắn xốp chứa các mao quản

có đường kính 2 – 50 nm được gọi là vật liệu mao quản trung bình (mesopore); vậtliệu có đường kính mao quản nhỏ hơn 2 nm và lớn hơn 50 nm được gọi là tươngứng là vật liệu vi mao quản (micropore) và vật liệu có mao quản lớn (macropore)

Hình 1.1 Phân loại vật liệu mao quản theo kích thước mao quản

Quá trình phát hiện, nghiên cứu tổng hợp và sử dụng các vật liệu mao quản cólịch sử lâu đời Đầu tiên người ta phát hiện một số khoáng nhôm silicat tự nhiên cócấu trúc trật tự với một hệ thống vi mao quản phát triển và chúng đã được ứng dụngtrong xúc tác và hấp phụ Sau đó, các nhà khoa học đã tổng hợp được những vật liệu

vi mao quản có cấu trúc như mong muốn bằng việc sử dụng các hợp chất hữu cơnhư những chất điều khiển cấu trúc được gọi là chất định hướng cấu trúc Vàonhững năm thập niên 60 – 70 của thế kỉ trước, tổng hợp vật liệu vi mao quản zeolitthu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học Cũng chính thời gian này, rất nhiều vật

trong công nghiệp hóa chất Tuy vây, zeolit cũng thể hiện nhược điểm của nó làđường kính mao quản quá bé (d < 20 Å) không thích hợp cho sự chuyển hóa nhữngphần tử có kích thước lớn (cồng kềnh) [11].

Đến năm 1992, các nhà khoa học hãng Mobil Oil đã tổng hợp thành công một

họ vật liệu mới có kích thước mao quản từ 2 đến 20 nm bằng việc sử dụng các chấthoạt động bề mặt như những chất tạo cấu trúc [11]

1.1.2 Phân loại vật liệu mao quản trung bình

Hiện nay, vật liệu MQTB được phân loại theo hai cơ sở: cấu trúc và thành phần

1.1.2.1 Phân loại theo cấu trúc

- Cấu trúc lục lăng (hexagonal): MCM-41, SBA-15,…

- Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16,…

- Cấu trúc lớp (laminar): MCM-50,…

- Cấu trúc không trật tự (disorderet): KIT-1, L3,…

Hình 1.2 Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB

1.1.2.2 Phân loại theo thành phần

- Vật liệu MQTB chứa silic: MCM-41, Al/MCM-41, Ti/MCM-41,

Fe/MCM-41, MCM-48, SBA-15,…

- Vật liệu MQTB không chứa silic: ZrO2, TiO2, Fe2O3,…

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu mao quản trung bình :

Với đường kính mao quản đồng đều, kích thước mao quản trung bình (daođộng trong khoảng 20 đến 100 Å ), rộng hơn kích thước mao quản của zeolit từ 3đến 4 lần và diện tích bề mặt riêng vô cùng lớn (500 – 1000 m2/g), vật liệu maoquản trung bình đã mở ra một hướng phát triển to lớn trong lĩnh vực xúc tác và hấpphụ, khắc phục được những nhược điểm của vật liệu zeolit trước đó Vật liệuMQTB được áp dụng cho các quá trình chuyển hoá phân tử kích thước lớn thườnggặp trong tổng hợp hữu cơ mà các vật liệu cấu trúc mao quản nhỏ như zeolit tỏ ra

không phù hợp Do đó, nó sẽ mở ra khả năng mới cho nhiều phản ứng xúc tác dị thể[13] Các vật liệu mao quản được ứng dụng trong quá trình xử lí hiđro, ankyl hóa,polime hóa, oxi hóa, hiđroxi hóa và các ứng dụng mới hơn như bẻ gãy mạchpolietilen thành hiđrocacbon, sản xuất axetal.

Nhờ có bề mặt riêng lớn, có khả năng tạo nhóm chức bề mặt khác nhau, cácvật liệu MQTB còn là chất mang cho nhiều loại xúc tác Kozhevnikov và cộng sựcho thấy vật liệu MQTB là chất mang hiệu quả cho HPA (heteropolyaxit) H3W12O40

dùng trong phản ứng izome hóa paraffin, ankyl hóa [17]

Ngoài ra vật liệu MQTB còn được dùng làm chất hấp phụ quan trọng trong xử

lý môi trường [13] Ví dụ xử lý nước thải của phẩm nhuộm,

Việc cố định các enzim và các protein khác vào vật liệu mao quản trung bình

đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong vài năm qua Các xúc tác sinh học đã đượcphát triển dựa trên các protein hấp thụ trong mao quản trung bình Gần đây, MCM-

41 được phát hiện là chất có khả năng kích thích tổng hợp quá trình amino hóa một

số hợp chất có hoạt tính sinh học như ibuprofen (axit 2-(4-iso butylphenyl)propionic) hay cố định enzim trên bề mặt dùng làm xúc tác sinh hóa Vậtliệu MQTB lần đầu tiên được Vallet-Regietal sử dụng như chất mang cho thuốc.Các tính chất của vật liệu MQTB ảnh hưởng đáng kể đến tác nhân điều trị Dựa trênvật liệu MQTB, các nhà nghiên cứu cũng phát triển các loại thiết bị có thể giảiphóng thuốc trong phản ứng khi có các kích thích bên ngoài, chẳng hạn như độ pH,nhiệt độ, bức xạ ánh sáng và thuốc thử oxi hóa - khử,… qua đó phát triển tiềm năngứng dụng trong hệ thuốc sinh hóa theo mục tiêu và sự kiểm soát

Nhờ có diện tích bề mặt và thể tích mao quản lớn mà vật liệu MQTB được sửdụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng, ví dụ lưu trữ hiđro [14] Vật liệu MQTB

có các lỗ xốp lớn dẫn đến hằng số điện môi thấp nên có thể sử dụng trong các ngànhcông nghiệp điện tử như mạch tích hợp [4]

Ngoài ra, vật liệu MQTB còn có nhiều những ứng dụng thú vị như: điều khiểnchọn lọc hình học trong quá trình polime hóa styren, metylmetacrylat và vinyl axetat;chế tạo vật liệu cảm biến, tế bào năng lượng, điện cực nano, trong các thiết bị quanghọc, pin, tế bào nhiên liệu Trong một số công trình nghiên cứu gần đây người ta đãthông báo sử dụng ưu điểm về lỗ xốp của vật liệu MQTB để tổng hợp các phần tử

nano nằm trong những lỗ xốp này Đây cũng là thông tin thú vị là nó sẽ mở ra mộthướng nghiên cứu mới thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.

1.2 Vật liệu MQTB MCM-41

1.2.1 Đặc điểm cấu trúc của vật liệu MQTB MCM-41

Năm 1992, các nhà nghiên cứu của công ty dầu mỏ Mobil lần đầu tiên đã sửdụng chất tạo cấu trúc tinh thể lỏng để tổng hơp một họ rây phân tử mới mao quảntrung bình M41S (đại diện là MCM-41, MCM-48 và MCM-50)

MCM-41 là đại diện tiêu biểu của họ vật liệu MQTB được nghiên cứu nhiềunhất MCM-41 có hệ mao quản đồng đều với kích thước mao quản cỡ 2-50 nm,hình lục lăng, một chiều, sắp xếp khít nhau tạo nên cấu trúc tổ ong Điều này đượcchứng minh thông qua các phương pháp đặc trưng vật lý như phương pháp XRD,SEM, TEM, BET )[27]

Nhóm không gian của MCM−41 là P6mm, thành mao quản là vô định hình vàtương đối mỏng (0,6−1,2 nm) Sự phân bố khích thước lỗ là rất hẹp chỉ ra sự trật tựcao của cấu trúc Chúng có diện tích bề mặt riêng lớn khoảng 1000−1200 m2/g, sốlượng nhóm silanol trên bề mặt cao [23] Hơn nữa, MCM−41 có mao quản trungbình, dễ dàng để các phân tử lớn đi vào mao quản, khắc phục được vấn đề khuếchtán, đây là nhược điểm đối với vật liệu vi mao quản, như zeolit

Hình 1.3 Mô hình mao quản sắp xếp theo dạng lục lăng

Hình 1.4 Cấu trúc không gian ba chiều của MCM-41

Nhờ những ưu điểm đó, vật liệu MCM−41 được dùng làm chất mang kim loạicũng như oxit kim loại lên bề mặt của chúng để thực hiện phản ứng xúc tác theomong muốn Ví dụ Pd/MCM−41 thể hiện tính xúc tác chọn lọc hóa học trong nhiềuphản ứng hyđro hóa như chuyển xiclohexen thành xiclohexan

Do đó, vật liệu MCM−41 đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhànghiên cứu trên thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng

Tuy nhiên, vật liệu MCM−41 không phải là vật liệu tinh thể Xét về mối quan

hệ xa thì các mặt mạng, sự sắp xếp các mao quản được phân bố theo quy luật tuầnhoàn như trong mạng tinh thể, nhưng nhìn ở góc độ gần thì các phần tử (ion, nguyên

tử, nhóm nguyên tử ) lại liên kết với nhau một cách vô định hình Như vậy, có thểxem MCM-41 là vật liệu “giả tinh thể”

1.2.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41

1.2.2.1 Nguyên tắc chung

Có bốn thành phần chính cần cho quá trình tổng hợp MCM−41 là: chất hoạtđộng bề mặt được sử dụng là yếu tố tạo khuôn (structure-directing surfactants),nguồn silic, dung môi và chất tạo môi trường cho dung dịch tổng hợp (là một axithoặc bazơ)

Các nhà nghiên cứu của Mobil đã sử dụng chất hoạt động bề mặt làalkyltrimetyl halogenua là chất tạo khuôn; sử dụng kết hợp natrisilicat,tetraethoxysilicat (TEOS) hoặc muội SiO2 (silica fume) làm nguồn silic; sử dụngnatri hydroxit hoặc tetraetylammoni hydroxit để tạo môi trường bazơ cho hỗn hợp

phản ứng Trong trường hợp tổng hợp vật liệu aluminosilicat, thì cần bổ sung vàohỗn hợp phản ứng một nguồn nhôm Hỗn hợp phản ứng được giữ ở nhiệt độ từ 100-

150 °C trong vòng 24−144 giờ Sản phẩm thu được là một chất rắn được lọc, rửa vàsấy khô Cuối cùng, vật liệu được nung ở 540 °C trong không khí để loại bỏ khuôn,kết quả thu được vật liệu có cấu trúc xốp

Các nhà nghiên cứu của Mobil đã nghiên cứu được rằng nồng độ tương đốicủa các cấu tử trong hỗn hợp phản ứng ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc lỗ của vậtliệu [30] Họ cũng chỉ ra răng đường kính mao quản của MCM-41 tăng lên khi tăngchiều dài mạch alkyl của chất hoạt động bề mặt Hơn nữa, khi thêm mesitylen vào

hệ phản ứng, chất này sẽ hòa tan vào trong các mixen làm cho thể tích của mixen

tăng lên hơn nữa và đường kính của lỗ xốp vật liệu đôi khi có thể đạt tới 120 Å,

mặc dù như vậy có hơi bất thường một chút vì kích thước lỗ xốp của MCM-41thường từ 15 đến 100 Å

Sau đó, người ta đã đề xuất nhiều biến thể của phương pháp tổng hợp trên, baogồm: thêm dần axit vào hệ phản ứng, tối ưu hóa pH của hỗn hợp phản ứng [31],thêm anion F−

có tác dụng như một chất xúc tác [32], thêm chất hoạt động bề mặt

và thủy nhiệt sắp xếp lại cấu trúc vật liệu Anderson và cộng sự đã nghiên cứu ảnhhưởng của việc thêm đồng thời dung môi vào hỗn hợp phản ứng, họ thu đượcnhững vật liệu không có tính trật tự khi hàm lượng đồng dung môi tăng lên

1.2.2.2 Chất định hướng cấu trúc

Templat hay chất định hướng cấu trúc là tác nhân định hình mạng lưới cấu trúctrong quá trình hình thành vật liệu Sự có mặt templat trong gel góp phần làm ổn địnhmạng lưới nhờ tương tác hiđro, tương tác tĩnh điện, tương tác Van-der Walls Tác nhânnày sẽ định hình cấu trúc vật liệu thông qua sự định hình của chúng [16]

Để tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41, người ta sử dụng chất định hướng cấutrúc là cetyltrimethyl-ammonium bromide (CTAB)

1.2.2.3 Quy trình tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41

Vật liệu MQTB MCM-41 thường được tổng hợp trong môi trường kiềm Vớiviệc sử dụng chất hoạt động bề mặt như CTAB là chất định hướng tinh thể lỏng(liqid crystal templating), tetraethyl orthosilicate (TEOS) hay sodium metasilicate

(Na2SiO3) là nguồn silica, và alkaki là chất xúc tác.

Hình 1.5 Quy trình tổng hợp MCM-41

1.2.2.4 Cơ chế hình thành vật liệu MQTB MCM-41

Có rất nhiều cơ chế đã được đưa ra để giải thích quá trình hình thành các loạivật liệu MQTB Các cơ chế này đều có một đặc điểm chung là có sự tương tác củacác chất định hướng cấu trúc với các tiền chất vô cơ trong dung dịch Để tổng hợpvật liệu MQTB cần có ít nhất 3 hợp phần [34]:

+ Chất định hướng cấu trúc đóng vai trò làm tác nhân định hướng cấu trúc vật liệu.+ Nguồn vô cơ như silic nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản

+ Dung môi (nước, bazơ,…) đóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh.Chất định hướng cấu trúc + Tiền chất silicat

Nói chung việc tổng hợp các MCM-41 thường diễn ra trong môi trường kiềm.Tương tự việc tổng hợp các zeolit, các chất hoạt động bề mặt được sử dụng như tácnhân tạo khuôn để hình thành tổ hợp có tính trật tự cao hữu cơ - vô cơ Sau khinung loại bỏ chất hoạt động bề mặt sẽ thu được khung SiO2 Nét đặc trưng nổi bậtcủa việc tổng hợp MCM-41 là sử dụng các tập hợp phân tử chất hoạt động bề mặt

có mạch alkyl dài hơn 6 nguyên tử các bon (hầu hết các trường hợp là nhiều hơn 10nguyên tử cacbon) làm chất tạo khuôn Cách thức này trái ngược với phương pháptruyền thống sử dụng các đơn phân tử hữu cơ hoặc các ion làm chất tạo khuôn đểtổng hợp các zeolit

* Cơ chế “khuôn tinh thể lỏng”

Dung môi

Hình 0.6 Sơ đồ tổng quát quá trình hình thành vật liệu mao quản trung bình

Khi nghiên cứu sự hình thành cấu trúc nhóm vật liệu MQTB M41S, các nhànghiên cứu của hãng Mobil nhận thấy có sự tương đồng rất đáng chú ý giữa cấu trúcvật liệu M41S và pha tinh thể lỏng.

Trên thực tế kích thước lỗ của vật liệu có thể điều chỉnh được trong khoảng từ

15 đến 100 Å bằng cách thay đổi chiều dài mạch của chất hoạt động bề mặt hoặcbằng cách thêm vào hỗn hợp phản ứng các tác nhân hữu cơ hoà tan (nó chui vàobên trong và làm tăng kích thước các mixen) Chính các lý do trên đã đưa đến việc

đề xuất cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng (Liquid Crystal Templating)[15]

Hình 1.7 Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng

Theo cơ chế này, trong dung dịch các chất định hướng cấu trúc tự sắp xếpthành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các đầu ưa nước của cácphân tử chất định hướng cấu trúc và đuôi là phần kị nước hướng vào trong

Các mixen ống này đóng vai trò làm tác nhân tạo cấu trúc và sắp xếp thànhcấu trúc tinh thể lỏng dạng lục lăng

Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác vớiđầu phân cực của chất định hướng cấu trúc thông qua tương tác tĩnh điện (S+I-, S-I+,trong đó S là chất định hướng cấu trúc, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hiđro(S⁰I⁰) và hình thành nên lớp màng silicat xung quanh mixen ống, quá trình polimehóa ngưng tụ silicat tạo nên tường vô định hình của vật liệu oxit silic MQTB

Các dạng silicat trong dung dịch có thể đóng vai trò tích cực trong việc địnhhướng sự hình thành pha hữu cơ và vô cơ Mặt khác, các phân tử chất định hướngcấu trúc có vai trò quan trọng trong việc thay đổi kích thước mao quản Thay đổiphần kị nước của chất định hướng cấu trúc có thể làm thay đổi kích thước mao quảnmixen, do đó tạo ra khả năng chế tạo các vật liệu MQTB có kích thước mao quảnkhác nhau

* Cơ chế biến đổi từ lớp mỏng thành pha lục lăng

Trong cơ chế này, các phần tử vô cơ và hữu cơ tương tác với nhau không nhấtthiết phải trên cơ sở khuôn tinh thể lỏng Khi thêm vào hệ phản ứng các phần tử vô

cơ sẽ dẫn tới sự phá vỡ các mixen, sự tương tác giữa các tiểu phân vô cơ với cácphân tử chất hoạt động bề mặt sẽ hình thành một pha mới có dạng lớp mỏng [7]

* Cơ chế hình thành MCM-41 từ polysilicat dạng lớp

Khi vật liệu xốp được điều chế từ polysilicat dạng lớp có tên là kenamit, cơchế hình thành có thể gồm hai bước sau: đầu tiên các ion trong các lớp kenamit traođổi với các ion alkyltrimetyl amoni, những ion này sẽ nằm xen vào giữa các lớp củakenamit Bước thứ hai, các lớp silicat linh động sẽ cuộn lại và liên kết với các lớpkhác để hình thành nên cấu trúc lục lăng [7]

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu MQTB MCM-41

Vật liệu M41S có diện tích bề mặt lớn (khoảng 1000 m2/g), thể tích lỗ xốp lớn.Kích thước lỗ của các hình đồng trụ đều và có thể được biến đổi trong một khoảngrộng từ 1,6 nm đến 10 nm, hệ thống mao quản trật tự Nhờ những ưu điểm đó màMCM-41 là một vật liệu có rất nhiều ứng dụng

1.2.3.1 Xúc tác axit

Lĩnh vực đầu tiên ứng dụng vật liệu M41S có thể nghĩ ngay đến đó là xúc táccracking các phân tử lớn Corma [16] đã so sánh Al-MCM-41, aluminosilicat vôđịnh hình và zeolit USY (zeolit Y) làm xúc tác cracking n-hexan, thì USY có hoạttính gấp 140 lần Al-MCM-41 Điều này có thể giải thích vì số trung tâm axitBronsted ở trong zeolit nhiều hơn so với Al-MCM-41 [3] Tuy nhiên Al-MCM-41lại có hoạt tính cao hơn nhiều so với aluminosilicat vô định hình và tương đươngvới zeolit USY trong quá trình cracking các phân tử dầu phân đoạn nặng Độ chọnlọc của Al-MCM-41 trong cracking phân đoạn nặng thu được nhiều nhiên liệu lỏnghơn, ít khí và cốc hơn so với aluminoslilicat vô định hình Với zeolit USY, thìcracking thu được chủ yếu là diesel, ít xăng và nhiều cốc hơn Do đó dễ dàng thấyđược đối với các phân tử lớn thì dùng xúc tác Al-MCM-41 là có lợi hơn cả

Sau khi cracking, xúc tác phải được tái sinh và loại xúc tác mới có một giớihạn đáng quan tâm Đối với các quá trình ứng dụng, độ bền nhiệt của xúc tác là hếtsức quan trọng Trong xúc tác tầng sôi, xúc tác phải qua một quá trình tái sinh để

loại cốc Quá trình này được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 800 °C và có mặt hơinước Dưới điều kiện này Al-MCM-41 không bền Độ bền tăng lên khi giảm hàmlượng Al, nhưng khi đó hoạt tính xúc tác cũng giảm xuống.

Khuynh hướng tương tự đối với Al-MCM-48 Do vậy, độ bền thuỷ nhiệt củaAl-MCM-41 và Al-MCM-48 cần phải được cải thiện trước khi có thể áp dụng rộngtrong quá trình xúc tác chẳng hạn như cracking phân đoạn dầu chân không Có vàiphương pháp có thể sử dụng để nâng cao độ bền nhiệt của xúc tác, một trong nhữngcách đó là tăng độ dày thành của vật liệu xốp, cách khác là đưa tinh thể vào thành lỗ(hoặc cố gắng chuyển thành lỗ dạng vô định hình sang tinh thể), bằng cách đó cóthể tăng được độ bền của vật liệu xốp lên tương đương với zeolit Tuy nhiên quátrình tinh luyện lại không yêu cầu loại xúc tác phải có tính bền nhiệt và có độ axitcao như xúc tác cho quá trình cracking Chẳng hạn quá trình hydrocracking, táchkim loại, hydro đồng phân hoá và olefin oligome hoá Do vậy loại vật liệu xốp maoquản trung bình rất phù hợp cho các quá trình này

Xúc tác hai chức năng Pt/Al-MCM-41 tỏ ra có hiệu quả cao cho phản ứngđồng phân hoá parafin thành isoparafin Đầu tiên phản ứng xảy ra trên các tâmkim loại Pt, quá trình này parafin bị tách hydro tạo thành olefin Các phân tửolefin này có hoạt tính cao và tâm axit trung bình Al-MCM-41 cho phép quá trìnhđồng phân hoá tạo ra isoolefin Isoolefin lại được hydro hoá ở tâm kim loại tạothành isoparafin Do sự phân tán của Pt trên bề mặt của Al-MCM-41 tốt hơn trênaluminosilicat vô định hình nên quá trình cracking xảy ra ít hơn, sản phẩm thuđược tốt hơn [7]

Trong thực tế, việc sản xuất các loại nhiên liệu hóa thạch đã gây ra ô nhiễmmôi trường và khủng hoảng năng lượng Do đó, việc thay thế nhiên liệu hóa thạchbằng nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết, môt phương pháp đặc biệt lànhiệt phân Hơn nữa, để tăng năng suất của nhiên liệu sinh học đồng thời làm giảmnăng suất của sản phẩm không mong muốn như than cốc, sản phẩm khí và hắc ín,nhiều chất xúc tác khác nhau đã được thêm vào trong quá trình nhiệt phân Trong sốcác chất xúc tác, zeolit là chất xúc tác có triển vọng lớn với cấu trúc độc đáo của vậtliệu xốp, thủy nhiệt và ổn định nhiệt Trong bối cảnh này, vật liệu mao quản MobilMCM-41 đã được sử dụng như là chất xúc tác Tuy nhiên, silica tinh khiết MCM-41

có tính axit yếu, kém khả năng trao đổi ion và độ ổn định thủy nhiệt Nhiều nhànghiên cứu đã cố gắng để tăng nồng độ axit và các hoạt động xúc tác bằng cáchthêm các kim loại chuyển tiếp (Me = La, Ni hoặc Fe) Việc sử dụng các chất xúc tácAl-MCM-41 với hỗn hợp ion kim loại (Me = La, Ni hoặc Fe) có thể làm thay đổinăng suất Các chất chứa xúc tác Ni cho thấy lợi thế rất lớn trong việc nâng caonăng suất nhiên liệu sinh học, tuy nhiên, các chất chứa chất xúc tác La lại có tácdụng oxi hóa tốt hơn [18].

Một xúc tác axit-oxy hoá hai chức năng được điều chế thành công cho phépxúc tác cho phản ứng hai bước trên cùng một vật liệu Đó là Ti-Al-MCM-41 chứatrung tâm oxy hoá là Ti phối trí 4, kết hợp với tâm axit là H+ và nhôm phối trí 4.Xúc tác được thử với tert-butyl hydropeoxit trong phản ứng oxy hoá nhiều bước

linalool (CH 3)2C=CH(CH2)2CCH3OHCH=CH2 thành furanol vòng và pyranhydroxy ete Độ chọn lọc đạt được 100 % ở tỷ lệ 0,89 Đây là quá trình ưu việt hơnphương pháp thông thường khi phải tiến hành từng bước

Sự thành công của titan trên cấu trúc vật liệu xốp meso đã tạo đà thuận lợicho việc đưa các kim loại chuyển tiếp khác lên cấu trúc vật liệu xốp Tuy nhiên vấn

đề chủ yếu của xúc tác kim loại chuyển tiếp trên nền chất mang là vật liệu xốp ởchỗ: hoạt tính và độ chọn lọc giảm mạnh khi ta tăng hàm lượng các kim loại này.Một trở ngại khác là sự thay đổi trạng thái oxy hoá của kim loại trong quá trìnhnung và tái sinh

Một số thành công khác như nghiên cứu xúc tác platin, vàng mang trên vậtliệu MQTB MCM-41 trong phản ứng oxi hóa glucozơ Khi phân tác nano các kimloại này trên chất nền mao quản trung bình MCM-41 sẽ tạo ra các hệ xúc tác chophép tiếp cận các hợp chất có kích thước lớn mà những quá trình này không thể

thực hiện được trên các vật liệu vi mao quản Trạng thái kim loại, kích thước nanocủa Pt, Au được chứng minh bằng sự phối kết hợp các phương pháp vật lý và hóa

lý hiện đại Kích thước nano của Pt, Au; nhiệt độ phản ứng; pH và tốc độ dòngkhông khí đều ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc sản phẩm của phảnứng oxi hóa glucozơ, kích thước mao quản của vật liệu nền còn ảnh hưởng đếnphản ứng phụ, pH có ảnh hưởng quyết đinh đến tính chất sản phẩm của phản ứngoxi hóa glucozơ [10]

Năm 2001, Huo.X và đồng sự đã khảo sát tác dụng xúc tác của Cu/MCM-41cho phản ứng oxi hóa phenol bằng H2O2 hay oxi hóa CO (cacbonmonooxit) trên vậtliệu Au/Me-MCM-41 (Me = Si, Fe, Co) [22]

1.2.3.3 Chất mang-Chất hấp phụ

Vật liệu M41S có diện tích bề mặt lớn (có thể tới 1000m2/g) nên chúng là đốitượng rất hấp dẫn để làm chất nền cho các chất có hoạt tính hoá học khác Cấu trúcxốp meso được sử dụng làm chất mang cho axit, bazơ và các kim loại hoặc oxitkim loại Như vậy khi kết hợp một oxit, một kim loại có hoạt tính xúc tác cao vớimột khung có diện tích bề mặt lớn có thể làm các chất xúc tác ở trạng thái phân táncao nên có thể phát huy tối đa tác dụng của chúng Ngoài ra do có diện tích bề mặtlớn mà các vật liệu xốp cũng được sử dụng để chế tạo các chất hấp phụ

1.2.3.4 Ứng dụng trong sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC)

Al-MCM-41 [3] được sử dụng làm pha tĩnh trong sắc ký lỏng hiệu năng cao:

do nó có cả tính axit và bazơ nên thích hợp cho việc sắc ký phân tách các hợp chấtaxit, trung hoà và hợp chất bazơ Các vật liệu xốp họ M41S được gắn với (R)-naphtylethylamin và được sử dụng như là chất mang trong sắc ký lỏng hiệu năngcao bất đối xứng

1.2.3.5 Các lĩnh vực ứng dụng khác

Ngoài ra các vật liệu xốp còn rất nhiều những ứng dụng thú vị như: Sử dụngvật liệu xốp để điều khiển chọn lọc hình học trong qúa trình polime hoá styren,metylmetacrylat và vinyl axetat; dùng các vật liệu xốp trong chế tạo vật liệu cảmbiến, tế bào năng lượng, điện cực nano, trong các thiết bị quang học, pin, tế bàonhiên liệu… trong một số công trình nghiên cứu gần đây người ta đã thông báo sử

nano nằm trong những lỗ xốp này, đây cũng là thông tin thú vị và nó sẽ mở ra mộthướng nghiên cứu mới thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.

Thông thường có ba hướng biến tính chính đối với MCM-41:

- Biến tính bằng cách gắn các nhóm chức hữu cơ (amin, thiol, ) lên bề mặtMCM-41 để tạo các vật liệu tăng khả năng hấp phụ chọn lọc cao

- Biến tính bằng cách tinh thể hoá tường mao quản MCM-41 để tăng độ bềnnhiệt và thuỷ nhiệt của vật liệu thu được

- Biến tính bằng các kim loại hoạt động để tạo ra các vật liệu biến tính có hoạttính hấp phụ và xúc tác cao

Năm 1994, người ta đã tổng hợp được Ti-MCM-41 thay thế cho xúc tác zeolit trong việc oxi hoá olefin thành epoxi sử dụng H2O2 hoặc hiđro peoxit hữu cơlàm tác nhân oxi hoá Chính sự thành công của việc phân tán titan trên cấu trúc vậtliệu xốp meso đã tạo đà thuận lợi cho việc đưa các kim loại chuyển tiếp khác lêncấu trúc vật liệu xốp Hoạt tính và độ chọn lọc của vật liệu MQTB phụ thuộc vào vịtrí và lượng kim loại đưa vào

Ti-β-Hình 1.8 Vật liệu MCM-41 biến tính bằng ion kim loại

Quá trình biến tính vật liệu MCM-41 bằng kim loại diễn ra như sau Vật liệuthuần silic được tổng hợp trước đóng vai trò là một chất mang xốp Từ chất mangnày tiến hành đưa kim loại lên bề mặt vật liệu dưới dạng các muối vô cơ hoặc các

phức kim loại Nung ở nhiệt độ cao để chuyển các muối hay phức trên về dạng oxit

ta sẽ thu được vật liệu xúc tác

Có hai phương pháp tổng hợp trực tiếp và gián tiếp để đưa kim loại lên bề mặtvật liệu

- Phương pháp thủy nhiệt trực tiếp: Phương pháp này dựa trên cơ sở thêm cáchợp chất vô cơ (muối kim loại hay alkoxit) vào trong hỗn hợp gel Hạn chế củaphương pháp là ở môi trường axit mạnh, ion kim loại thường ở dạng tự do và hòatan trong dung dịch Vì thế lượng kim loại đưa vào chỉ ở hàm lượng thấp

- Phương pháp gián tiếp:

Phương pháp tẩm (impregnating): Mẫu MCM-41 được rửa với dung dịch axit

vô cơ loãng để loại bỏ chất tạo cấu trúc rồi nung khô Vật liệu được trộn với dungdịch muối vô cơ (thường là muối nitrat và muối clorua) và khuấy đều, nước đượccho bay hơi chậm đến cạn, mẫu được đem nung để thu vật liệu xúc tác

Phương pháp ghép (grafting): Vật liệu sau khi loại bỏ chất tạo cấu trúc bằngaxit vô cơ và dung môi hữu cơ sẽ được sấy khô và trộn với dung dịch muối vô cơtrong dung môi hữu cơ Sau khi xử lí trong dung dịch muối, mẫu được lọc rửa.Việc biến tính đồng thời hai kim loại để thu được vật liệu có hoạt tính hấp phụ

và xúc tác ưu việt hơn từng kim loại riêng lẻ đang là hướng nghiên cứu được quantâm hiện nay Theo tìm hiểu của chúng tôi, đến nay đã có một số thành công trongviệc biến tính đồng thời hai kim loại Mn-Cu trên nền vật liệu MCM-41 [16, 32].Các nghiên cứu chỉ ra rằng xúc tác lưỡng kim loại Cu-Mn/MCM-41 có hoạt tínhxúc tác trong phản ứng oxi hóa cao hơn chất xúc tác kim loại duy nhất Cu/MCM-41

và Mn/MCM-41 Sự phân tán cao oxit hỗn hợp Cu-Mn trên cấu trúc mao quản cóthể cung cấp các tâm xúc tác hiệu quả cho quá trình oxi hóa hoàn toàn của toluen

1.4 Giới thiệu thuốc nhuộm xanh metylen

Xanh metylen là một phẩm nhuộm mang màu trong đó cường độ màu tỉ lệ vớinồng độ của chất này trong dung dịch

Xanh metylen có một đỉnh hấp thụ (peak) ở 664 nm đặc trưng cho nhóm mangmàu liên hợp, một đỉnh hấp thụ ở bước sóng 291 nm đặc trưng cho nhân thơm, cònpeak đặc trưng cho các nhóm thế không rõ ràng do sự tương tác electron của cácnhóm thế

Xanh metylen là phẩm nhuộm cation, là một loại thuốc nhuộm cơ bản tổng hợp

- Công thức phân tử: C16H18N3S Cl

- Tên IUPAC:

[7-(dimethylamino)phenothiazin-3-ylidene]-dimethylazanium chloride

- Một số tên gọi khác của xanh metylen:

Blue N, Swiss; Chromosmon; Methylene Blue; Methylene Blue N;Methylthionine Chloride; Methylthioninium Chloride; N, Methylene Blue; SwissBlue; Urolene Blue

- Khối lượng phân tử: 319,85222 g/mol

- Nhiệt độ nóng chảy: 100 – 110°C

- Công thức cấu tạo:

Hình 1.9 Phân tử xanh metylen

Xanh metylen là một chất thuộc họ thiozin, phân li dưới dạng cation (MB+).Khi tan trong nước cho dung dịch màu xanh Trong hóa học phân tích, xanhmetylen được sử dụng như một chất chỉ thị với thế oxi hóa khử tiêu chuẩn là 0,01 V

Xanh metylen đã được sử dụng làm chất chỉ thị để phân tích một số nguyên tố theophương pháp động học Tuy nhiên hầu hết các phương pháp đó là phân tích kim loạinặng.

Xanh metylen có thể bị oxi hóa bởi H2O2 với tốc độ cực kì chậm, tạo ra sản phẩmphản ứng không màu Khi có mặt ion bromua tốc độ phản ứng tăng lên

Xanh metylen là chất được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

1.4.2 Tác hại của xanh metylen

Xanh metylen có tính sát khuẩn nhẹ, có tác dụng trong việc chữa trị một sốbệnh cho người nhưng nó còn có tác dụng ức chế sinh học khi sử dụng, có thểgây tan máu cấp, dùng kéo dài có thể dẫn đến thiếu máu do tăng phá hủy hồngcầu Người khi tiếp xúc với xanh metylen ở nồng độ lớn có thể thấy buồn nôn,nôn, đau bụng, chóng mặt, đau đầu, sốt, hạ huyết áp, đau vùng trước tim, kíchứng bàng quang, da có màu xanh Đặc biệt khi ăn hoặc uống các sản phẩm cóchứa xanh metylen lượng cao có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe vìxanh metylen có thể gây tác động mạnh theo đường tiêu hóa [19]

Đối với môi trường nước, khi tiếp nhận một lượng lớn xanh metylen vào thìtính khử trùng của xanh metylen có thể tiêu diệt các loại vi khuẩn có lợi cho sinhvật trong nước, gây các ảnh hưởng xấu đến môi trường nước và hệ sinh thái sử dụngnguồn nước này

Phẩm màu xanh metylen là một chất được sử dụng rất thông dụng trong kĩthuật nhuộm, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học Tuy nhiên nó khó phân hủy khithải ra môi trường nước, làm mất vẻ đẹp mĩ quan của môi trường, ảnh hưởng đếnquá trình sản xuất và sinh hoạt của con người

Thuốc nhuộm là thành phần chính của nước thải công nghiệp dệt may Hầu hếtthuốc nhuộm có độc tính cao với thủy sinh vật và loài người Xanh metylen,malachite green và metyl cam được sử dụng trên quy mô lớn trong ngành côngnghiệp thuốc nhuộm Xanh metylen là một thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trongnhuộm bông, len, acrylic, lụa Chúng rất ổn định và không phân hủy sinh học Xanhmetylen gây ra buồn nôn, tiêu chảy, nóng rát mắt, nôn mửa, khó thở, rối loạn tinhthần, đổ mồ hôi,… [19]

1.4.3 Các phương pháp xử lý xanh metylen

1.4.3.1 Phương pháp hóa lí [4]

1.4.3.1.1 Phương pháp lọc màng

Phương pháp này được ứng dụng vào ngành dệt nhuộm nhằm mục đích thuhồi hóa chất để tái sử dụng lại như: thu hồi tinh bột, PVA, thuốc nhuộm indigo bằngsiêu lọc đồng thời thu hồi muối và thuốc nhuộm bằng kết hợp giữa thẩm thấu ngược

và màng bán thấm Động lực của quá trình lọc màng là sự chênh lệch áp suất giữahai phía của màng

Phương pháp này có ưu điểm là tách được các chất có độ tinh khiết cao Tuynhiên do giá thành vật liệu làm màng và chi phí vận hành cao nên phạm vi ứngdụng chưa được rộng rãi, do đó khó có thể áp dụng trong điều kiện của Việt Nam

1.4.3.1.2 Phương pháp đông keo tụ

Trong phương pháp này người ta thường dùng các loại phèn nhôm hay phènsắt cùng với sữa vôi như sắt(III) sunfat, nhôm sunfat hay hỗn hợp của cả hai loạiphèn này và Ca(OH)2 với mục đích khử màu và một phần COD

Về nguyên lý khi dùng phèn nhôm hay phèn sắt sẽ tạo thành các bông nhômhiđroxit hay sắt(III) hiđroxit Các chất màu và các chất khó phân huỷ sinh học bịhấp phụ vào các bông cặn này và lắng xuống tạo thành bùn của quá trình đông keo

tụ Phương pháp này được ứng dụng xử lý màu của nước thải, hiệu suất khử màucao đối với thuốc nhuộm phân tán và làm giảm COD một cách đáng kể (60 – 70 %)

Để tăng quá trình tạo bông và trợ lắng người ta bổ sung chất trợ tạo bông nhưpolime hữu cơ

Phương pháp keo tụ là phương pháp khả thi về mặt kinh tế tuy nhiên nó tạo ramột lượng bùn thải lớn và không làm giảm tổng chất rắn hòa tan nên gây khó khăncho tuần hoàn nước

1.4.3.1.3 Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy trên bề mặt phân cách pha Trong đó, chất hấp phụ làchất có bề mặt xảy ra sự hấp phụ, chất bị hấp phụ là chất được tích lũy trên bề mặt.Phương pháp này dùng để xử lí các chất hữu cơ khó xử lí bằng phương pháp sinhhọc, dùng để khử màu của nước thải chứa thuốc nhuộm hòa tan và thuốc nhuộmhoạt tính Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, than nâu, đất sét, magiecacbonat, vật liệu MQTB

Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm bao gồm các giai đoạn sau:

Giai đoạn I: Khuếch tán các phân tử thuốc nhuộm đến bề mặt chất hấp phụ rắn Giai đoạn II: Khuếch tán vào bên trong mao quản

Giai đoạn III: Hấp phụ đơn lớp các phân tử thuốc nhuộm

Giai đoạn IV: Hấp phụ đa lớp các phân tử chất bị hấp phụ

Hình 1.10 Mô hình hấp phụ thuốc nhuộm trong môi trường nước

1.4.3.2 Phương pháp hóa học

1.4.3.2.1 Phương pháp dùng các chất oxi hoá thông thường [19, 20]

Do cấu trúc hoá học của thuốc nhuộm bền trong không khí nên khi khử màucủa nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp oxi hoá phải dùng các chất oxi hoámạnh Trong công nghệ xử lý nước và nước thải truyền thống thường sử dụngnhững chất oxi hoá thông dụng như: clo (Cl2), kali pemanganat (KMnO4), hiđropeoxit (H2O2), ozon (O3),…

1.4.3.2.2 Phương pháp oxi hoá nâng cao – hệ Fenton – hệ kiểu Fenton [33]

Các quá trình oxi hoá nâng cao được định nghĩa là những quá trình phânhủy oxi hoá dựa vào gốc tự do hoạt động hiđroxyl •OH được tạo ra ngay trongquá trình xử lý Gốc hiđroxyl là một tác nhân oxi hoá mạnh nhất trong số các tácnhân oxi hoá được biết từ trước đến nay, có khả năng oxi hoá không lựa chọnmọi hợp chất hữu cơ, dù là loại khó phân huỷ nhất, biến chúng thành những hợpchất vô cơ (khoáng hoá) không độc hại như CO , H O, các axit vô cơ,

Tổ hợp H2O2 và muối Fe2+ được sử dụng làm tác nhân oxi hoá rất hiệu quả chonhiều đối tượng chất hữu cơ và được mang tên là “tác nhân Fenton” (FentonReagent) Những năm về sau, hệ xúc tác Fenton được nghiên cứu rất mạnh và pháttriển rộng hơn không những ở dạng tác nhân Fenton cổ điển (H2O2/ Fe2+) mà còn sửdụng những ion kim loại chuyển tiếp và các phức chất của chúng như Fe(II),Fe(III), Cu(I), Cr(II), Ti(III) tác dụng với H2O2 để tạo ra gốc •OH, được gọi là cáctác nhân kiểu Fenton.

Các chất xúc tác phân hủy H2O2 thành các gốc hiđroxyl có hoạt tính cao, cóthể phân hủy các chất nhuộm tổng hợp Ở đây, các chất xúc tác rắn là thuận lợi hơn

vì khả năng phân tách và tái chế dễ dàng Các chất xúc tác rắn được sử dụng hầu hếtđều dựa trên các oxit kim loại chuyển tiếp được mang trên các vật liệu xốp như vậtliệu mao quản trung bình (MCM-41, SBA-15, )

Phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa xanh metylen bằng H2O2 có mặtxúc tác được viết như sau:

bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít Chính vì các lý do trên mà trấuđược sử dụng làm chất đốt rất phổ biến Trong sinh hoạt người dân đã thiết kế mộtdạng lò chuyên nấu nướng với chất đốt là trấu Lò này có ưu điểm là lượng lửa cháyrất nóng và đều, giữ nhiệt tốt và lâu Lò trấu hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi

ở nông thôn

Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng được sử dụngrất thường xuyên Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cáhoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuấtgạch tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long

1.5.2 Các ứng dụng khác của vỏ trấu

– Sử dụng nhiệt lượng của trấu sản xuất điện năng: Với khả năng đốt cháymạnh, có thể ứng dụng hơi nóng sinh ra khi đốt nóng không khí bằng trấu để làmquay tua bin phát điện Theo tính toán mỗi kg trấu có thể tạo được 0,125 kW giờđiện và 4 kW giờ nhiệt, tùy theo công suất Ứng dụng này được áp dụng để chế tạomáy phát điện loại nhỏ cho các khu vực vùng sâu vùng xa

– Sử dụng làm vật liệu xây dựng: Vỏ trấu nghiền mịn có thể được trộn với cácthành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh.Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn gạch xây thông thường khoảng 50% và có tínhcách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao Đây là vật liệu thích hợp với các vùngnhư miền Tây, miền Trung bị ngập úng, lũ lụt và nền đất yếu Sau khi sử dụng cóthể nghiền nát để tái chế lại Hiện nay đã có công ty sản xuất thương mại loại vậtliệu này ứng dụng vào thực tế

– Dùng vỏ trấu để lọc nước: Với kỹ thuật hiện nay, người ta đã chế tạo thànhcông thiết bị lọc nước từ vỏ trấu, có khả năng lọc thẳng nước ao, hồ thành nướcuống sạch Cốt lõi của thiết bị là một cụm sứ xốp trắng, hình trụ nằm trong chiếcbình lọc Điều đặc biệt là loại sứ này được tạo ra bằng cách tách oxit silic từ trấu, cóđặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ, nhỏ hơn lỗ lọc thiết bị của Mỹ tới 10 lần,của Nhật 4 lần, ngoài ra nó cũng có độ bền cao (có thể sử dụng 10 đến 20 năm).Thiết bị còn có khả năng khử được mùi ở nguồn nước ô nhiễm, khử chất đioxin khimắc nối tiếp một bình lọc có ống lọc bằng than hoạt tính

– Ngoài ra vỏ trấu còn được sử dụng trong một số lĩnh vực khác như: làm sảnphẩm mỹ nghệ, sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu, làm nguyên liệu xây dựng sạch,làm thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, dùng làm phân bón.

1.5.3 Ứng dụng trong chế tạo vật liệu, xúc tác, hấp phụ

Sử dụng tro trấu sản xuất silic oxit Tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80

% là silic oxit Silic oxit (SiO2) tổng hợp từ tro trấu được ứng dụng vào nhiều lĩnhvực như: hút ẩm, làm chất phụ gia xi măng, cao su, chế tạo thiết bị lọc nước, thủytinh, chất bán dẫn, làm nguyên liệu thay thế nguồn silic TEOS để tổng hợp vật liệuxúc tác mao quản trung bình như MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16 Sử dụngnguồn SiO2 tách từ tro trấu trong quá trình tổng hợp vật liệu MCM-41, SBA-16 cóchất lượng không kém gì so với khi sử dụng nguồn TEOS

Theo công bố của các tác giả [1;5] đã sử dụng nguồn nguyên liệu tro trấu lànguồn thay thế TEOS để tổng hợp MCM-41 và chức năng hóa bề mặt vật liệu này.Diện tích bề mặt MCM-41 không thua kém gì so với MCM-41 tổng hợp từ TEOS.Khả năng hấp phụ của vật liệu này khá tốt, có thể sử dụng để phân hủy các chất hữu

cơ độc hại trong môi trường nước như phenol, phenol đỏ, metylen xanh Nhóm tácgiả đã sử dụng hai phương pháp khác nhau để tổng hợp SiO2 từ tro trấu Đó là chiếtxuất trực tiếp từ trấu và thu hồi từ tro trong môi trường NaOH

Các tác giả [21] đã sử dụng trấu để tổng hợp vật liệu mao quản trung bìnhSBA-16 và Sn-SBA-16 có diện tích bề mặt lớn hơn 800 m2/g Hệ vật liệu này dùng

để tổng hợp các chất hữu cơ thế clo trong clobenzen bằng benzen, toluen, xylen ,hấp phụ và xúc tác để phân hủy phenol, cloram phenicol trong môi trường nước

Tro trấu được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất zeolite 4A giúp quátrình sản xuất zeolite 4A thuận lợi hơn so với các nguyên liệu thông thường khácnhư khoáng sét, cát, hóa chất công nghiệp, tận dụng được nguồn tro trấu lớn,

dư thừa từ các nhà máy xay xát gạo, hạn chế gây ô nhiễm môi trường