Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA 15 bằng hợp chất silan và đánh giá hoạt tính hấp phụ (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐOÀN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VẬT LIỆU SBA – 15 BẰNG HỢP CHẤT SILAN VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH HẤP PHỤ Demo Version - Select.Pdf SDK Chun ngành: Hóa Vơ Cơ Mã số: 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG VĂN ĐỨC PGS.TS DƯƠNG TẤN QUANG Huế, năm 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu ghi luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Đoàn Văn Dũng Demo Version - Select.Pdf SDK ii Lời Cảm Ơn Tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Hoàng Văn Đức thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Dương Tuấn Quang tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn hai em Lê cao Nguyên, Nguyễn Minh Quốc Khoa Hóa Học, Đại học Sư Phạm Huế giúp đỡ tơi q trình thực thí nghiệm, ThS Lê Văn Khu trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội, ThS Nguyễn Đức Thọ khoa Hóa học trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, chị Nguyễn Thị Thanh Nga Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu giúp đỡ việc Demo Version - Select.Pdf SDK đặc trưng vật liệu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Khoa Hóa học Trường Đại học Sư Phạm Huế nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình làm luận văn Huế, tháng năm 2014 Tác giả luận văn Đoàn Văn Dũng iii MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU0 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan trấu tro trấu 1.1.1 Sơ lược trấu tro trấu 1.1.2 Các ứng dụng vỏ trấu 1.2 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 12 1.2.1 Giới thiệu vật liệu MQTB 12 1.2.2 Phân loại vật liệu MQTB 15 1.2.2.1 Phân loại theo cấu trúc 15 1.2.2.2 Phân loại theo -thành phần 15 Demo Version Select.Pdf SDK 1.3 Vật liệu mao quản trung bình SBA-15 15 1.3.1 Đặc m cấu trúc SBA-15 15 1.3.2 Tổng hợp chế hình thành vật liệu SBA-15 16 1.3.3 Ứng dụng vật liệu SBA-15 18 1.4 Biến tính bề mặt vật liệu mao quản trung bình SBA-15 18 1.4.1 Tổng hợp 18 1.4.2 Một số vật liệu MQTB SBA-1 biến tính nhóm chức h u ứng dụng 19 CHƯƠNG MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Mục đích 23 2.2 Nội dung 23 2.3 Phương pháp nghiên cứu 23 2.3.1 Phương pháp phân tích hóa lý 23 2.3.1.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction: XRD) 23 2.3.1.2 Phương pháp phân tích phổ tán sắc lượng tia X (Energy dispersive X-ray spectroscopy: EDX) 25 2.3.1.3 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) 26 2.3.1.4 Phương pháp phân tích nhiệt 27 2.3.1 Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến (Uv-vis) 28 2.3.2 Thực nghiệm 29 2.3.2.1 Hóa chất 29 2.3.2.2 Tách nguồn silic từ trấu 29 2.3.2.3 Tổng hợp vật liệu mao quản trung bình SBA-1 với nguồn silic từ tro trấu 30 2.3.2.4 Tổng hợp SBA -1 chức hóa bề mặt nhóm thiol 32 2.3.2 Đánh giá hoạt tính hấp phụ vật liệu 33 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Phân tích thành phần tro trấu 34 3.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu tro trấu 34 3.1.2 Phân tích thành phần hố học tro trấu 35 3.2 Nghiên cứu điều kiện thích hợp đ tách nguồn silic từ tro trấu 37 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 38 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ NaOH 39 3.2.3 Phân tích thành phần sản phẩm SiO2 thu 40 Demo Version - Select.Pdf SDK 3.2.4 Chuẩn bị nguồn Na2SiO3 từ tro trấu 41 3.3 Nghiên cứu điều kiện tổng hợp vật liệu mao quản trung bình SBA-1 với nguồn silic từ tro trấu 41 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ axit 41 3.3.2 Ảnh hưởng t lệ SiO2/P123 42 3.4 Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA-1 MPTMS 44 3.4.1 Vật liệu SBA-15 44 3.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng MPTMS 47 Đánh giá khả hấp phụ vật liệu biến tính 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 A KẾT LUẬN 52 B KIẾN NGHỊ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BET Brunauer –Emmett –Teller ĐHCT Định hướng cấu trúc EDX Phổ tán sắc lượng tia X (Energy - dispersive X-ray spectroscopy) IR Phổ hồng ngoại IUPAC Hiệp hội hóa học ứng dụng quốc tế (International Union of Pure and Applied Chemistry) M41S Họ vật liệu MQTB bao gồm MCM-41, MCM-48, MCM-50 MCM-41 Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lục lăng MCM-48 Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lập phương MCM-50 Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lớp MQTB Mao quản trung bình MPTMS 3-mercaptopropyltrimethoxylsilane SBA-15 TEOS Santa Barbara Amorphous - 15 Demo Version - Select.Pdf SDK Tetraethyl Orthosilicate TG Phân tích nhiệt trọng lượng XRD Nhiễu xạ tia X (X –Ray Diffraction) DLHP Dung lượng hấp phụ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng luận văn 29 Bảng 3.1 Thành phần hoá học mẫu tro trấu sau nung 35 Bảng 3.2 Thành phần hoá học mẫu tro trấu sau xử lý axit 36 Bảng 3.3 Hiệu suất thu tách SiO2 từ tro trấu với khoảng pH khác (%) 38 Bảng 3.4 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH đến hiệu suất tách SiO2 39 Bảng Lượng hóa chất kí hiệu mẫu SBA-1 tổng hợp với t lệ mol SiO2/P123 khác 43 Bảng 3.6 Tính chất mạng vật liệu SBA-1 tổng hợp 47 Bảng 3.7 Độ giảm khối lượng ứng với vùng nhiệt độ từ 300 - 4500C 48 Bảng 3.8 Đặc trưng cấu trúc mao quản mẫu SBA-1 SBA1 S7 50 Bảng 3.9 Khả hấp phụ xanh metylen chất hấp phụ khác 51 Demo Version - Select.Pdf SDK DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Củi trấu thành phẩm 10 Hình 1.2 Phân loại vật liệu mao quản IUPAC 13 Hình 1.3 Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB 15 Hình 1.4 Ảnh SEM (a), đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (b), phổ XRD SBA-15 (c) 16 Hình Mơ hình đề nghị cho cấu trúc SBA-1 sau phản ứng 0oC trước thủy nhiệt 17 Hình 1.6 Quá trình ngưng tụ tạo sản phẩm biến tính đồng thời 19 Hình 1.7 Sơ đồ phản ứng biến tính sau tổng hợp 19 Hình 1.8 Sơ đồ tổng hợp SBA-15-SO3H SBA-15-SO3-Mn(salen) 20 Hình 1.9 Sơ đồ tổng hợp SBA-1 SBA-15-MPY [8] 21 Hình 1.10 Cơ chế tạo thành tinh th nano PbS mao quản HS-SBA-15 22 Hình 2.1 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ tinh th 23 Demo Version Select.Pdf Hình 2.2 Minh hoạ cấu trúc lục -lăng vât liệuSDK theo XRD 24 Hình 2.3 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo IUPAC 26 Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp mẫu vật liệu SBA-1 từ tro trấu 31 Hình Sơ đồ biến tính SBA-1 MPTMS 32 Hình 3.1 Giản đồ TG - DTA mẫu trấu 34 Hình 3.2 Mẫu tro trấu sau nung 35 Hình 3.3 Giản đồ EDX mẫu tro trấu sau nung 36 Hình 3.4 Giản đồ EDX mẫu tro trấu sau xử lý axit 37 Hình Mẫu tro trấu sau xử lý axit 37 Hình 3.6 Đồ thị bi u diễn hiệu suất tách SiO2 theo thời gian 38 Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến hiệu suất tách SiO2 39 Hình 3.8 Giản đồ EDX mẫu SiO2 sau tách từ tro trấu 40 Hình 3.9 Mẫu SiO2 tách từ tro trấu 41 Hình 3.10 Dung dịch Na2SiO3 chiết từ tro trấu 41 Hình 3.11 Giản đồ XRD mẫu SBA-1 tổng hợp với nồng độ HCl khác 42 Hình 3.12 Giản đồ XRD mẫu SBA-1 tổng hợp với t lệ SiO2/P123 khác 43 Hình 3.13 Giản đồ TGA-DTA mẫu SBA-1 sau tách chất ĐHCT 45 Hình 3.14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 mẫu SBA-1 tổng hợp 46 Hình 3.1 Giản đồ DTA(a)-TGA(b) mẫu SBA-15-SH với lượng MPTMS khác 48 Hình 3.16 Giản đồ XRD mẫu SBA-15-SH với lượng MPTMS khác 49 Hình 3.17 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 mẫu SBA-15S75 50 Demo Version - Select.Pdf SDK MỞ ĐẦU Trong nhiều thập kỷ qua, vật liệu mao quản nh ng lĩnh vực thu hút quan tâm lớn nhà khoa học giới, đặc biệt lĩnh vực xúc tác, hấp phụ Zeolit đời sớm ứng dụng nhiều công nghiệp, lại có hạn chế đường kính mao quản nhỏ nên khơng có khả xúc tác hợp chất có kích thước phân tử lớn Sự đời vật liệu mao quản trung bình (MQTB) trật tự vào năm 1992 nhà khoa học thuộc tập đồn dầu mỏ Mobil tìm khắc phục nhược m Đến năm 1998 họ vật liệu MQTB đời, kí hiệu SBA Vật liệu có mao quản trung bình trật tự kết hợp với hệ vi mao quản nên mở nhiều tính chất thú vị hấp phụ, độ bền nhiệt thủy nhiệt lớn MCM nên vật liệu ngày trở nên quan trọng Nổi bật vật liệu SBA-15, loại vật liệu có dạng lục lăng P6 mm với kênh mao quản chiều Nhờ đặc tính ưu việt như: diện tích bề mặt lớn, mao quản có cấu trúc đặn với kích thước rộng, thành mao quản dày, độ bền nhiệt thuỷ nhiệt cao, nên vật liệu mao quản (VLMQ) silic (SiO2) nói chung Demo Version - Select.Pdf SDK SBA-1 nói riêng thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học vật liệu giới nước thời gian gần Tuy nhiên, nhược m họ vật liệu hoạt tính bề mặt mao quản ch chứa nhóm silanol Vì vậy, đơi với trình tổng hợp vật liệu SBA-15 trình biến tính bề mặt vật liệu này, nhằm tăng hoạt tính vật liệu theo hướng mong muốn Một nh ng hướng biến tính vật liệu SBA-1 quan tâm “gắn” nhóm chức amine, phenyl, thiol, sunfunic, lên bề mặt mao quản SBA-15 đ cải thiện hoạt tính nhằm tăng khả ứng dụng Một nguyên nhân n a làm hạn chế ứng dụng vật liệu SBA-1 chúng tổng hợp từ nguồn silic nguyên chất như: tetraethyl orthosilicate (TEOS) hay tetrametyl orthosilicate (TMOS) có giá thành cao Vì thế, việc tìm nguồn silic có giá rẻ đ thay TEOS, TMOS tổng hợp vật liệu SBA-15 nhiệm vụ thiết thực Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi chọn đề tài: “ Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA-15 hợp chất silan đánh giá hoạt tính hấp phụ” với mong muốn tìm điều kiện đ tổng hợp vật liệu SBA-1 biến tính vật liệu đ cải thiện khả hấp phụ với nguồn silic tách từ trấu, phế phẩm nơng nghiệp rẻ tiền, ln có sẵn Nội dung luận văn bao gồm vấn đề sau:  Tìm điều kiện thích hợp đ tách nguồn silic từ trấu  Nghiên cứu tổng hợp vật liệu SBA-1 với nguồn silic  Biến tính vật liệu SBA-15 MPTMS  Đánh giá khả hấp phụ vật liệu biến tính Demo Version - Select.Pdf SDK ... TEOS, TMOS tổng hợp vật liệu SBA- 15 nhiệm vụ thiết thực Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi chọn đề tài: “ Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA- 15 hợp chất silan đánh giá hoạt tính hấp phụ với mong... Tìm điều kiện thích hợp đ tách nguồn silic từ trấu  Nghiên cứu tổng hợp vật liệu SBA- 1 với nguồn silic  Biến tính vật liệu SBA- 15 MPTMS  Đánh giá khả hấp phụ vật liệu biến tính Demo Version... 3.4 Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA- 1 MPTMS 44 3.4.1 Vật liệu SBA- 15 44 3.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng MPTMS 47 Đánh giá khả hấp phụ vật liệu biến tính 51 KẾT LUẬN VÀ