TỔNG HỢP ZEOLITE 4A TỪ CAO LANH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION AMONI CỦA ZEOLITE 4A

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA Khóa luận tốt nghiệp TỔNG HỢP ZEOLITE 4A TỪ CAO LANH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION AMONI CỦA ZEOLITE 4A GVHD : ThS Phan Trần Diệp Hương SVTH : Nguyễn Trần Hồng Phương Lớp : 4C Hệ : Cử nhân TP HCM – Tháng năm 2013 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………… LỜI CẢM ƠN Lời khóa luận, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phan Trần Diệp Hương Cơ tận tình hướng dẫn giúp đớ cho tơi suốt q trình thực khóa luận Tơi xin gửi lòng tri ân sâu sắc đến Phan Thị Hồng Oanh Cơ người đồng hành suốt năm theo học giảng đường Đại học Những lời góp ý cơ, khơng phải có lời khen ngợi động viên mà có lời la rầy câu nói đùa vui tính, tất chứa đựng lòng chân thành nhà giáo, sở cho tơi có đủ niềm tin kiến thức để hồn thành tốt khóa luận Với lòng biết ơn sâu sắc, tơi xin cảm ơn q Thầy, Cơ ngồi Khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền thụ vốn kiến thức q báu, khơng tảng giúp tơi hồn thành khóa luận mà hành trang giúp vững bước đường tương lai Cuối cùng, xin cảm ơn mẹ, em gái bạn trai, họ luôn động lực để phấn đấu đến khơng nản lòng gặp khó khăn Tơi xin kính chúc q Thầy, Cơ dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Xin trân trọng cảm ơn! Tp HCM, ngày tháng năm 2013 Nguyễn Trần Hồng Phương MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10 1.1 Cao lanh (kaolin) 10 1.1.1 Sơ lược khoáng kaolinite 10 1.1.2 Cấu trúc khoáng kaolinite 10 1.1.3 Các tính chất đặc trưng cao lanh 11 1.1.3.1 Tính chất trao đổi ion 11 1.1.3.2 Tính chất hấp phụ 12 1.1.4 Những biến đổi cấu trúc cao lanh nung 12 1.1.5 Cao lanh Bình Phước 13 1.2 Vật liệu mao quản 13 1.3 Khoáng aluminosilicat 14 1.4 Zeolite 14 1.4.1 Sơ lược lịch sử phát triển zeolite 14 1.4.2 Khái niệm zeolite 14 1.4.3 Phân loại zeolite 15 1.4.3.1 Theo nguồn gốc 15 1.4.3.2 Theo đường kính mao quản 15 1.4.3.3 Theo chiều hướng không gian kênh cấu trúc mao quản 15 1.4.3.4 Theo tỉ lệ Si/Al 15 1.4.4 Cấu trúc zeolite 16 1.4.5 Tính chất zeolite 17 1.4.5.1 Tính hấp phụ zeolite 17 1.4.5.2 Tính chất trao đổi ion 17 1.4.5.3 Tính acid 18 1.4.5.4 Tính bền nhiệt bền hóa 19 1.4.6 Ứng dụng zeolite 19 1.4.6.1 Sản xuất chất tẩy rửa 19 1.4.6.2 Ứng dụng làm chất xúc tác chọn lọc đặc thù 20 1.4.6.3 Ứng dụng làm chất làm khô tách chiết 20 1.4.6.4 Ứng dụng trồng trọt chăn nuôi 20 1.4.6.5 Ứng dụng y học 20 1.4.7 Quá trình tổng hợp zeolite 21 1.4.8 Giới thiệu zeolite 4A 21 1.4.8.1 Cấu trúc zeolite 4A 21 1.4.8.2 Tổng hợp zeolite 4A 23 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Mục đích đề tài 23 2.2 Nội dung nghiên cứu 23 2.2.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp zeolite 4A 23 2.2.2 Khảo sát khả hấp phụ ion amoni zeolite 4A 23 2.3 Phương pháp nghiên cứu 24 2.3.1 Pha chế dung dịch 24 2.3.1.1 Dung dịch natri hydroxit 24 2.3.1.2 Điều chế dung dịch thủy tinh lỏng (Na SiO ) 24 2.3.1.3 Dung dịch amoni clorua 24 2.3.2 Quy trình tổng hợp zeolite 4A 24 2.3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp zeolite 4A 27 2.3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH 27 2.3.3.2 Ảnh hưởng nguồn silic bổ sung 27 2.3.4 Khảo sát khả hấp phụ ion amoni zeolite 4A 27 2.3.5 Phương pháp tổng hợp 27 2.3.6 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc 28 2.3.6.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 28 2.3.6.2 Phương pháp phân tích nhiệt 29 2.3.6.3 Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 30 2.3.6.4 Phổ hồng ngoại (IR) 31 2.3.6.5 Đo diện tích bề mặt (BET) 31 2.3.6.6 Phương pháp quang phổ hấp thụ UV – VIS 32 2.3.7 Thiết bị hóa chất cần thiết 33 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình điều chế zeolite 4A 34 3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ kiềm 34 3.1.2 Ảnh hưởng nguồn silic bổ sung 38 3.2 Khảo sát khả hấp phụ ion amoni zeolite 4A 40 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ ion amoni điều kiện khuấy 40 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ ion amoni điều kiện không khuấy 42 3.3 Khảo sát độ bền nhiệt sản phẩm zeolite 43 3.4 Khảo sát phổ IR sản phẩm zeolite 45 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 47 4.1 Kết luận 47 4.2 Đề xuất 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 50 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc kaolinite 11 Hình 1.2 Các vị trí trao đổi ion khác hạt kaolinite 12 Hình 1.3 Vị trí nhóm OH cấu trúc cao lanh 13 Hình 1.4 Cấu trúc sơ cấp zeollite 16 Hình 1.5 Cấu trúc thứ cấp zeolite 16 Hình 1.6 Đơn vị sodalite (trái) 17 Hình 1.7 Các giai đoạn hình thành tinh thể zeolite 22 Hình 1.8 Cấu trúc zeolite 4A 22 Hình 2.1 Nhiễu xạ tia X 28 Hình 2.2 Đặc trưng lượng miền phổ 33 Hình 3.1 Sản phẩm mẫu ZE4A1 đến ZE4A3 36 Hình 3.2 Giản đồ XRD mẫu khảo sát từ ZE4A1 đến ZE4A3 (Từ lên) 36 Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu ZE4A3 37 Hình 3.4 Ảnh SEM mẫu ZE4A2 37 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu CZE4A2 ZE4A2 (Từ lên) 39 Hình 3.6 Sản phẩm mẫu CZE4A2 40 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn lượng amoni bị hấp phụ theo thời gian (Khuấy) 42 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn lượng amoni bị hấp phụ theo thời gian (Ngâm) 43 Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt (TG – DTA) mẫu ZE4A2 44 Hình 3.10 Giản đồ DTG mẫu ZE4A2 44 Hình 3.11 Phổ IR mẫu CZE4A2 45 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Phân loại phương pháp phân tích nhiệt 29 Bảng 3.1 Thành phần hóa học cao lanh Bình Phước 34 Bảng 3.2 Tính tốn thể tích NaOH ứng với nồng độ dung dịch NaOH 35 Bảng 3.3 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ kiềm 38 Bảng 3.4 Tính tốn lượng silic bổ sung 38 Bảng 3.5 Kết khảo sát ảnh hưởng nguồn silic bổ sung 38 Bảng 3.6 Kết trình khảo sát hấp phụ lần (Điều kiện khuấy) 41 Bảng 3.7 Kết qủa trình khảo sát hấp phụ lần (Điều kiện khuấy) 41 Bảng 3.8 Kết trình khảo sát hấp phụ (Điều kiện không khuấy) 42 LỜI MỞ ĐẦU Việt Nam đất nước có ngành nông nghiệp nuôi trồng thủy sản phát triển mạnh, đó, ngành ni tơm chiếm tỉ trọng cao nhiều hộ dân cư doanh nghiệp lựa chọn hình thức kinh doanh sản suất Trong ao nuôi, tránh khỏi tồn loại vi khuẩn, vi rút, tảo, nấm, … loại khí thải H S, CO , NH ,… Việc làm nước ao nuôi, giảm bớt tồn loại vi sinh vật các khí độc hại vấn đề nhận nhiều quan tâm hộ nuôi trồng quy mô nhỏ doanh nghiệp với quy mơ lớn Một số loại hóa chất sử dụng chủ yếu cho ao hồ nuôi tôm trước chẳng hạn vôi, formalin, chlorine…, chất có cơng dụng chung góp phần làm nước hồ ni diệt loại vi khuẩn gây bệnh cho tôm Tuy nhiên, việc sử dụng chất đòi hỏi phải kiểm sốt liều lượng nghiêm ngặt formalin phải ngưng cho tôm ăn sử dụng Điều gây ảnh hưởng đến chất lượng tôm trở ngại vấn đề kinh tế cho hộ nuôi trồng thủy sản Zeolite loại vật liệu phát từ lâu, cơng dụng hữu ích việc hấp thu loại khí thải độc hại nghiên cứu vài chục năm trở lại Do cấu trúc lỗ xốp, có nhiều xoang rỗng nên zeolite sử dụng ao nuôi để hấp phụ khí H S, CO , amonium (NH +, NH ), làm đáy ao, hồ Việc nghiên cứu, tổng hợp loại zeolite, có zeolite 4A, loại zeolite sử dụng để làm hồ nuôi tôm nhận nhiều quan tâm nhiều đơn vị nghiên cứu ngồi nước Bên cạnh đó, nguồn ngun liệu để tổng hợp nên zeolite đa dạng phong phú, từ nhiều nguồn khác tro trấu, cao lanh,… Nguồn cao lanh Việt Nam dự đoán khoảng 15 triệu tấn, tổng hàm lượng Al O SiO cao lanh chiếm khoảng 70%, nguồn nguyên liệu chủ yếu cho nhiều ngành công nghiệp nước ta Thành phần cao lanh lại gần giống với thành phần vật liệu zeolite, tiết kiệm nhiều chi phí cho việc tổng hợp, ưu điểm việc sử dụng cao lanh để tổng hợp nên zeolite Với tất lý trên, xin chọn đề tài “ Tổng hợp zeolite 4A từ cao lanh khảo sát khả hấp phụ ion amoni ( NH +) zeolite 4A” cho khóa luận Đề tài gồm bốn chương : Chương : Tổng quan lý thuyết Chương : Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương : Kết thảo luận Chương : Kết luận đề xuất Peak 569 cm-1, nhọn, mạnh: liên quan đến tồn vòng kép D4R cấu trúc khung zeolite Peak 464 cm-1, nhọn, trung bình: δ O-H dao động biến dạng Si-O tứ diện Al(Si)-O So sánh với phổ IR tham khảo zeolite 4A chuẩn, lần khẳng định mẫu zeolite tổng hợp dạng 4A CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 4.1 Kết luận - Tổng hợp thành công zeolite 4A từ cao lanh Bình Phước phương pháp thủy nhiệt với tỉ lệ mol phối liệu ban đầu tương ứng sau : SiO /Al O : Na O/SiO :H O/Na O 2,2:2,3:60 - Sử dụng kiềm 2M cho hiệu suất tổng hợp cao - Nguồn silic bổ sung từ tro trấu cát cho kết tương đối tốt Tuy nhiên, dùng cát tiết kiệm lượng điện tiêu thụ, nung trấu phải tiến hành nhiệt độ cao (8000C) - Zeolite 4A tổng hợp lẫn nhiều sodalite, nhiên không ảnh hưởng nhiều đến khả hấp phụ Diện tích bề mặt mẫu CZE4A2 7,79 m2/g - Khả hấp phụ NH + zeolite 4A điều kiện khuấy 21,16 mg NH +/ g zeolite 4A Thời gian hấp phụ đạt bão hòa sau - Khả hấp phụ NH + zeolite 4A điều kiện không khuấy 19,89 mg NH +/1g zeolite 4A Thời gian hấp phụ đạt bão hòa sau 4.2 Đề xuất Vì thời gian thực khóa luận hết, đề tài nhiều vấn đề chưa khai thác Trong tương lai, có điều kiện, xin kiến nghị số phương hướng sau : - Khảo sát điều kiện tối ưu để hoàn thiện sản phẩm zeolite 4A - Nâng cao hiệu suất điều chế zeolite -Tiến hành thử khả hấp phụ kim loại nặng zeolite 4A nước thải công nghiệp - Nghiên cứu khả tái sử dụng zeolite 4A TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Hoàng Nhâm (2008), Hóa học vơ cơ, Tập 2, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [2] Mai Tuyên (2004), Xúc tác zeolite hóa dầu, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Thị Thu Vân (2004), Phân tích định lượng, Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [4] Phan Thị Hoàng Oanh (2009 – 2010), Bài giảng chuyên đề “ Vật liệu vơ cơ”, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh [5] Phan Thị Hoàng Oanh (2010 – 2011 ), Bài giảng chuyên đề “Phân tích cấu trúc vật liệu vơ cơ”, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh [6] Phan Thị Hoàng Oanh (2011 – 2012 ), Bài giảng chuyên đề “ Hóa học chất rắn”, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm thành Phố Hồ Chí Minh [7] Phan Văn Tường (2007), Vật liệu vô cơ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [8] Tạ Ngọc Đơn (2006), Zeolite từ khống sét Việt Nam: Những kết bước đầu triển vọng, Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 20 Đại học Bách khoa Hà Nội, NXB Bách Khoa, Hà Nội, tr 313 – 320 [9] Nguyễn Đức Vũ Quyên (2010), Luận văn Thạc sĩ hóa học : Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu zeolite 4A, Đại học Sư phạm Huế [10] Nguyễn Lê Hoàng Yến, Trương Quốc Phú (2006), Khả hấp thụ amonia zeolite tự nhiên môi trường nước độ mặn khác nhau, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2006 : 1-7 Trường Đại học Cần Thơ TIẾNG ANH [11] Yuelin ZHU, Zenghua CHANG, Juan PANG and Changjian XIONG, 2011, Synthesis of zeolite 4A from kaolin and bauxite by alkaline fusion at low temperature Materials science forum vol.685 (2011) pp 298 – 306 [12] Carlos Alberto, Rios Reyes, Graig Denver Villiams, Oscar Mauricio, Castellanos Alarcon, Synthesis of zeolite LTA from thernaly treated kaolinite Rev Fac.Ing.Univ Antioqua N53, June 2010 [13] Carlos Rios, Craig Williams, Martin Maple, Synthesis of zeolite & zeotypes by hidrothermal transformetan of kaolinite & metakaolinit Res C.A, xillian C.D, Maple M.J.BISTUA V.5.N.1 (15-26).2007 [14] V Chantawong, N W Havney, Synthesis of zeolite from Thai Kaolin for Wastewater Treatment Proceedings of the 2nd Regional Conference on Energy Technology Towards a Clean Environment 12-14 Februaly 2003, Phuket, Thailand [15] M Murat, A Amokrane, L Montanaro, Synthesis of zeolites from thermally activated kaolinite, (1992) Some observations on nucleation and growth Clay Minerals (1992) 27, 119 – 130 [16] David Tin Win (2007), Zeolite – Earliest Solid State Acids, AU J.T 11(1), pp.36– 41 [17] H V Bekkum, E M Flanigen, P A Jacobs, J C Jansen (2001), Introduction to Zeolite science and practice, 2nd completely revised and expanded edition, Studies in surface scien and catalysis 137 [18] R M Barrer (1982), Hydrothermal chemistry of zeolite, Academic Press, London, New York [19] K S Hui, C Y H Chao (2006), Effects of step – Change of synthesis of zeolite 4A from coal fly ash, Microporous and mesoporous materials, Vol 88, pp 145-151 [20] K S Hui, C Y H Chao (2006), Pure, Single phase, high crystalline, chamfered – edge zeolite 4A synthesized from coal fly ash for use as a builder in detergents, Journal of Hazardous Materials, Vol B137, pp 401-409 [21] Hadi Nur (2001), Direct synthesis of NaA zeolite from rice husk ad carbonaceous rice husk ash, Indonesian Journal of Agricultural Sciences, 1, pp 40-45 [22] Quantachrome Instrument (2008), Autosorb – instrument and calibration data, 1900 Corporate Drive Boynton Beach, Florida, 33426 USA [23] Shoumkova A, Zeolite for water and wastewater treatment (2007): An overview, Published by the Australian Institute of high Energetic Materials ( ABN : 68 126 426 917) TÀI LIỆU INTERNET [24] http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/bao-cao-vat-lieu-zeolite.174148.html [25] http://ndthe.multiply.com/journal/item/4 [26] http://www.quantachrome.com [27] http://congnghehoahoc.wordpress.com/2012/03/20/cao-lanh/ [28] http://doc.edu.vn/tai-lieu/du-an-dieu-tra-nghien-cuu-chat-luong-va-tru-luong-catphong-dien-8339/ PHỤ LỤC Phụ lục : Phổ XRD mẫu ZE4A1 Phụ lục : Phổ XRD mẫu ZE4A2 Phụ lục : Phổ XRD mẫu ZE4A3 Phụ lục : Phổ XRD mẫu CZE4A2 Phụ lục : Ảnh SEM mẫu ZE4A2 độ phóng đại khác Phụ lục : Ảnh SEM mẫu CZE4A2 độ phóng đại khác Phụ lục : Giản đồ phân tích nhiệt ( TGA – DTA) mẫu ZE4A2 Phụ lục : Giản đồ DTG mẫu ZE4A2 Phụ lục : Phổ IR mẫu CZE4A2 Phụ lục 10 : Phổ IR mẫu ZE4A2