Nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica aerogel từ tro trấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILICA AEROGEL TỪ TRO TRẤU CBHD : PGS TS LÊ THỊ KIM PHỤNG TS TRẦN TẤN VIỆT BỘ MƠN : Q TRÌNH & THIẾT BỊ TP HỒ CHÍ MINH - 2016 Đại Học Quốc Gia Tp.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Số: / BKĐT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHOA: KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN: Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NGÀNH: QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ LỚP: HC12MB Đầu đề luậnvăn: TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILICA AEROGEL TỪ TRO TRẤU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica aerogel từ tro trấu Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 15/08/2016 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/12/2016 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS.TS LÊ THỊ KIM PHỤNG TS TRẦN TẤN VIỆT Nội dung yêu cầu luận văn tốt nghiệp thông qua Bộ môn Ngày … tháng … năm 2016 CHỦ NHIỆM BỘ MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH PGS.TS TRỊNH VĂN DŨNG PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Nơi lưu trữ luận văn: - NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày… tháng… năm 2016 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp HCM, ngày… tháng… năm 2016 LỜI CÁM ƠN Qua năm học tập rèn luyện trường Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM, bảo giảng dạy nhiệt tình quý thầy cô, đặc biệt quý thầy cô khoa Kĩ thuật Hóa Học truyền đạt cho em kiến thức lý thuyết thực hành suốt thời gian học trường Và thời gian thực tập nhà máy em có hội áp dụng kiến thức học trường vào thực tế nhà máy, đồng thời học hỏi nhiều kinh nghiệm Với kiến thức học, thực tế nhà máy hướng dẫn quý thầy cô, anh chị nổ lực thân em hồn thành luận văn tốt nghiệp Để có kết em xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Cô PGS.TS Lê Thị Kim Phụng tận tình hướng dẫn em từ ngày sơ khai định hướng, dìu dắt, chia sẻ kiến thức kinh nghiệm để giúp em có thêm nhiều kiến thức Cô tạo điều kiện để em thực tế song song với việc nghiên cứu phòng thí nghiệm Em xin gửi lời cám ơn đến thầy TS Trần Tấn Việt hướng dẫn giúp đỡ em trình làm luận văn từ kiến thức thầy giảng dạy công việc kĩ thuật để thực thí nghiệm Em xin cám ơn anh Lê Khắc Dun ln bên cạnh dìu dắt, động viên giúp đỡ em công việc nghiên cứu Cám ơn anh với chia sẻ thực tế kiến thức, kĩ đồng cảm trình thực nghiên cứu Xin cảm ơn gia đình, quý thầy, cô, anh, chị bạn bè làm việc Viện Kĩ Thuật Nhiệt Đới Môi Trường đặc biệt thầy TS Lê Anh Kiên tạo điều kiện thuận lợi để em chuyên tâm hoàn thành báo cáo luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn cô PGS.TS Lê Thị Kim Phụng tài trợ cho em thực nghiên cứu hoàn thành luận văn TÓM TẮT LUẬN VĂN Nước ta nước có sản lượng gạo đứng đầu, kèm theo lượng phế phẩm lớn Với lượng tro trấu hàng năm thải ra, việc nghiên cứu tái tạo tro trấu thành thành phẩm có giá trị kinh tế thân thiện với môi trường điều cấp thiết Trong tro trấu hàm lượng silica chiếm khoảng 80% nên việc tổng hợp silica từ tro trấu khơng có hiệu kinh tế bên cạnh giải vấn đề môi trường Silica aerogel vật liệu có gía trị với nhiều ứng dụng khác Việc khảo sát, thực nghiệm với phương pháp đo diện tích bề mặt riêng phương pháp Braunauner- Emmett- Teller (BET), phân tích cấu trúc vật liệu phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD - X-ray Diffraction), xác định hàm lượng nguyên tố tương ứng vật liệu phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF - X-ray Fluorescence), xác định độ sụt giảm khối lượng vật liệu qua giai đoạn thông qua khối lượng nhằm tổng hợp vật liệu silica đáp ứng với yêu cầu diện tích bề mặt, độ tinh khiết cấu trúc kích thước vật liệu tổng hợp MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO TRẤU VÀ SILICA AEROGEL 1.1 Sơ lược tro trấu .1 1.2 Sơ lược silica 1.2.1 Định nghĩa .2 1.2.2 Phân loại .3 1.3 Sơ lược silica aerogel 1.3.1 Lịch sử hình thành aerogel 1.3.2 Tính chất silica aerogel 1.3.3 Ứng dụng silica aerogel CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP AEROGEL 11 2.1 phương pháp sol-gel .12 2.2 Ưu-nhược điểm phương pháp sol-gel 14 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hóa học sol-gel 15 2.4 Quy trình tổng hợp vật liệu Silica aerogel 16 2.4.1 Nguyên liệu dung dịch ban đầu 17 2.4.2 Gel hóa già hóa 17 2.4.3 Trao đổi dung môi, phủ bề mặt 17 2.4.4 Giai đoạn sấy 18 2.5 Cơ chế phản ứng tổng hợp silica aerogel .25 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 26 3.1 Mục đích thí nghiệm .26 3.2 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm 26 3.3 Quy trình tổng hợp vật liệu Silica aerogel 27 3.4 Các phương pháp phân tích 33 3.4.1 Xác định độ sụt giảm khối lượng 33 3.4.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt BET 33 3.4.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .36 1.3.4 Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) 37 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 38 4.1 Khảo sát q trình gel hóa 38 4.1.1 Khảo sát khả tạo gel silica từ nguồn nguyên liệu: 38 4.1.2 Khảo sát môi trường ảnh hưởng lên trình tạo gel silica 39 4.1.3 Khảo sát nồng độ HCl ảnh hưởng lên trình tạo gel 41 4.2 Khảo sát độ sụt giảm khối lượng qua giai đoạn 43 4.3 So sánh độ sụt giảm khối lượng sấy điều kiện thường sấy CO2 siêu tới hạn 45 4.4 Khối lượng riêng 46 4.5 Phân tích độ tinh khiết vật liệu .47 4.6 Diện tích bề mặt, kích thước lỗ silica aerogel 47 4.7 So sánh diện tích, kích thước lỗ vật liệu tổng hợp sấy điều kiện thường có sửa đổi bề mặt khơng sửa đổi bề mặt (phủ MTMS) 48 4.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ carbon aerogel .49 4.9 Phân tích XRD .51 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 5.1 Kết luận 52 5.2 Kiến nghị 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CÁC HÌNH Ả Hình 1 Cấu trúc silica: a) tinh thể; b) vơ định hình .3 Hình a) thạch anh; b) tridymit; c) cristobalit .4 Hình Phương thức tập hợp hạt SiO2 silica vô định hình [6] .4 Hình Vật liệu silica aerogel .7 Hình Phân bố kích thước lỗ xốp Hình Ứng dụng silica aerogel dệt may cách nhiệt 10 Hình Ứng dụng aerogel kính xây dựng 10 Hình Ứng dụng thể thao 11 Y Hình Các nhóm sản phẩm phương pháp sol-gel [12] 13 Hình 2 Sản phẩm phương pháp sấy khác [16] .19 Hình Trạng thái siêu tới hạn CO2 20 Hình Hiện tượng mao dẫn .24 Hình phản ứng NaOH tro trấu 28 Hình Gai đoạn gel hóa .29 Hình 3 giai đoạn trao đổi dung môi 29 Hình Sơ đồ phản ứng xảy trình sửa dổi [19] 30 Hình trình sửa đổi bề mặt [19] 31 Hình a) gel trước sửa dổi bề mặt; b) gel sau sửa đổi bề mặt (phủ MTMS) 31 SA034 gel yếu, đục vỡ gel, trắng đục SA035 gel tốt, đục gel tốt, trắng đục SA036 không gel - 10 SA037 gel yếu - 11 SA038 gel cứng, trắng gel tốt 12 SA039 gel cứng, trắng gel tốt 13 SA040 gel cứng, trắng gel tốt 14 SA041 gel cứng, trắng gel tốt, co rút 15 SA042 gel cứng, trắng gel tốt 16 SA043 gel cứng, trắng gel tốt 17 SA044 gel cứng, trắng đục gel tốt 18 SA045 gel cứng, trắng gel tốt 19 SA046 gel cứng, trắng đục mềm dẻo, gel tốt 20 SA047 gel cứng, trắng đục cứng, co rút, dễ vỡ 21 SA048 gel cứng, trắng đục gel cứng, co rút Dựa vào kết thu cho thấy môi trường tạo gel tốt pH 7, Ở khoảng pH lớn lượng axit để xúc tác thủy phân nhỏ nên hình thành nhóm silanol (SiOH) cách xa nên nhóm khơng thực trình ngưng tụ tạo gel Ở khoảng pH nhỏ lượng axit trung hòa nhiều nên phản ứng thủy phân diễn nhanh, trình ngưng tụ chưa xảy hàm lượng axit cao Khảo sát để trình tạo gel silica thời điểm trung hòa cần thực phản ứng cho mơi trường dung dịch trước giai đoạn hình thành gel khoảng pH 7-8 để tiếp tục giai đoạn sau quy trình tao silica aerogel 4.1.3 Khảo sát nồng độ HCl ảnh hưởng lên trình tạo gel Tro trấu sau nung lại cho phản ứng với dung dịch NaOH 1M (105˚C ) thu dung dịch natri silicat trung hòa HCl với nồng độ mol 0,25 M, 0,5 M, 0,75 M, M, 1,25 M, 1,5 M, 2M Tính chất sản phẩm thu sau trình tổng hợp trình bày bảng sau: 40 Bảng Ảnh hưởng nồng độ HCl lên q trình tạo gel Kí hiệu nồng độ axit HCl (M) pH sau trung hòa SA117 0,25 không gel SA118 0,25 không gel SA119 0,25 không gel SA120 0,5 gel yếu SA121 0,5 gel yếu SA122 0,5 không gel SA070 0,5 gel mềm, dễ vỡ, SA071 0,5 gel mềm, dễ vỡ, SA072 0,5 gel cấu trúc yếu, 10 SA083 0,5 gel, bọt khí nhiều, dễ vỡ vỡ, bọt khí, nát 11 SA084 0,5 gel, bọt khí, mềm vỡ, bọt khí, nát 12 SA085 0,5 gel, bọt khí, dễ vỡ vỡ, bọt khí, nát 13 SA073 0,75 gel, dễ vỡ, 14 SA074 0,75 gel tốt, 15 SA075 0,75 gel, 16 SA086 0,75 gel, bọt khí, mềm nát Kí hiệu nồng độ axit HCl (M) pH sau trung hòa 17 SA087 0,75 gel, bọt nhiều, dễ vỡ vỡ, bọt khí, nát 18 SA088 0,75 gel, bọt nhiều vỡ, bọt khí, nát 19 SA094 0,75 gel mềm dễ vỡ 20 SA096 0,75 gel mềm dễ vỡ 21 SA123 0,75 gel yếu 22 SA124 0,75 gel yếu 23 SA125 0,75 gel yếu STT STT tượng sau già hóa tượng sau già hóa 41 tượng sau rửa vỡ, bọt khí, nát tượng sau rửa 24 SA090 gel, bọt khí nhiều vỡ, bọt khí, nát 25 SA091 gel, bọt khí vỡ, bọt khí, nát 26 SA097 gel tốt gel tốt 27 SA098 gel tốt gel tốt 28 SA099 gel tốt gel tốt 29 SA100 gel tốt gel tốt 30 SA108 gel tốt gel tốt 31 SA110 gel tốt gel tốt 32 SA076 1,25 gel cứng, 33 SA077 1,25 gel cứng, 34 SA079 1,25 gel cứng, trắng đục 35 SA092 1,25 gel, co rút vỡ, bọt khí, nát 36 SA101 1,25 gel tốt gel tốt 37 SA102 1,25 gel tốt gel tốt 38 SA112 1,25 gel tốt, có bọt khí gel tốt 39 SA113 1,25 gel tốt gel tốt 40 SA082 1,5 gel cứng, trắng đục 41 SA093 1,5 gel tốt, bọt khí, co rút vỡ, bọt khí, nát 42 SA103 1,5 gel tốt, cấu trúc dễ nứt gel tốt 43 SA114 1,5 gel tốt, cứng gel tốt 44 SA115 1,5 gel tốt, có bọt khí gel tốt 45 SA116 1,5 gel tốt, có bọt khí gel tốt 46 SA106 gel tốt, cấu trúc dễ nứt Gel co rút, nứt 47 SA107 gel tốt, cấu trúc dễ nứt gel rút, co rút Sau giai đoạn gel hóa dựa vào cấu trúc, trạng thái gel ta có kết sau: Với nồng độ HCl 1M 1,25 M qúa trình tạo gel đạt kết tốt nhất; Với nồng dộ 0,25; 0,5; 0,75 sau q trình già hóa khơng tạo gel gel yếu nồng độ HCl loãng thời gian gel hóa chưa đủ để xúc tác phản ứng ngưng tụ hoàn thành Với nồng đội 42 1,5M 2M trình hình thành gel nhanh nồng độ HCl lớn nên trình hình thành gel khó kiểm sốt Q trình thành gel nhanh nên cấu trúc gel không bên vững dễ gãy vỡ sụp cấu trúc Ở thí nghiệm nồng độ HCl 2M, tượng co rút xảy đáng kể lượng gel tạo nhanh hình thành tường chắn dung dịch natri silicat chưa phán ứng với HCl nồng độ chưa đủ để tạo gel Sau trình gel hóa rửa gel dẫn đến gel bị co rút vỡ 4.2 Khảo sát độ sụt giảm khối lượng qua giai đoạn Khảo sát độ sụt giảm khối lượng vật liệu sấy điều kiện thường Tiến hành khảo sát ảnh hưởng nồng độ HCl đến độ sụt giảm khối lượng silica aerogel qua giai đoạn tổng hợp Bảng 4 độ sụt giảm khối lượng vật liệu phụ thuộc nồng độ HCl Nồng độ HCl (M) Độ sụt giảm khối lượng, m (%) Trao đổi dung môi K.lượng sau phủ MTMS (g) khối lượng sau sấy (g) 0,75 M 52,67 42,29 79,22 1M 9,89 5,76 81,38 1,25 M 23,08 -0,92 72,02 1,5 M 27,60 -2,85 68,12 Khi tiến hành khảo sát độ sụt giảm khối lượng (m) silica aerogel qua giai đoạn; Kết cho thấy độ sụt giảm khối lượng sau giai đoạn sấy lớn Nguyên nhân dung môi cấu trúc gel bay hơi, nên khối lượng aerogel giảm Hình 4.1 thể sụt giảm khối lượng trình tổng hợp silica aerogel qua giai đoạn trao đổi dung môi, phủ bề mặt sấy với nồng độ HCl khác 43 90.00 80.00 70.00 ∆m (%) 60.00 50.00 40.00 Trao đổi dung môi Sau phủ MTMS (g) Sau sấy (g) 30.00 20.00 10.00 0.00 -10.00 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 CM HCl Hình Ảnh hưởng nồng độ HCl đến độ sụt giảm khối lượng Dựa vào bảng đồ thị ta có nhận xét: Giai trao đổi dung mơi: độ sụt giảm khối lượng mẫu có chênh lệch Mẫu vật liệu sử dụng HCl 0,75 M có độ sụt giảm khối lượng lớn gel hình thành khơng vững, gel yếu nên trình thay đổi dung mơi lượng gel bị hòa tan rửa trơi theo Mẫu vật liệu sử dụng HCl 1M độ sụt giảm khối lượng nhỏ chủ yếu dung môi nước gel thay ethanol Thể tích gel coi khơng thay đổi, mà khối lượng riêng nước (1 g/cm 3) lớn khối lượng riêng ethanol (0,793 g/cm3) Với mẫu sử dụng HCl 1,5M độ sụt giảm khối lượng lớn mẫu sử dụng HCl 1M cấu trúc hình thành nhanh phản ứng gel hóa chưa hồn tồn, cấu trúc co rút nên khối lượng giảm Giai đoạn phủ MTMS: Sau trao đổi dung môi bề mặt gel sửa đổi để đảm bảo cấu trúc giữ vững giai đoạn sấy Nên cách phủ MTMS, khối lượng gel tăng không đáng kể Giai đoạn sấy: dung môi cấu trúc gel bay hết nên khối lượng gel giảm đáng kể Mẫu sử dụng axit HCl có nồng độ thấp để trung hòa phản ứng cần 44 lượng lớn HCl để trung hòa Lượng axit sử dụng nhiều tức dung mơi lớn nên độ sụt giảm khối lượng tăng Vậy độ sụt giảm khối lượng silica aerogel giảm dần tăng nồng độ axit Trong khoảng nồng độ axit tăng dần từ 0,75M đến 1,5M độ sụt giảm khối lượng nhỏ 68,12% 4.3 So sánh độ sụt giảm khối lượng sấy điều kiện thường sấy CO2 siêu tới hạn Tro trấu nung lại hòa tan phản ứng với dung dịch NaOH 1M 105˚C có hồn lưu, trung hòa dung dịch HCl 1M, pH dung dịch sau trung hòa khoảng 7-8 xảy q trình gel hóa, gel rửa nước, trao đổi dung môi ethanol, sửa đổi bề mặt đem sấy điều kiện thường sấy CO2 siêu tới hạn thu kết sau: Bảng Độ sụt giảm khối lượng hai phương pháp sấy Độ sụt giảm khối lượng, m (%) sấy điều kiện thường sấy CO2 siêu tới hạn Trao đổi dung môi Sau phủ MTMS (g) Sấy Trao đổi dung môi Sau phủ MTMS (g) Sấy 9,89 5,76 81,38 4,3866 3,1119 82,725 Ở giai đoạn hai phương pháp, độ sụt giảm khối lượng giai đoạn sấy lớn lượng dung mơi gel thay khí Ở giai đoạn phủ MTMS độ sụt giảm khối lượng nhỏ giai đoan trao đổi dung môi tức khối lượng gel sau phủ MTMS tăng phản ứng MTMS với bề mặt gel Độ sụt giảm khối lượng hai giai đoạn trao đổi dung môi sau sửa đổi bề mặt hai phương pháp có chênh lệch Theo lí thuyết với điều kiện độ sụt gảm khối lượng Nhưng điều kiện thí nghiệm thực tế, với nguồn nguyên liệu, điều kiện phản ứng, hóa chất thao tác hai lần chưa đảm báo xác sai số xảy 45 ∆m (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 ao Tr Sấy điều kiện thường Sấy CO2 siêu tới hạn i đổ m ng u d ôi u Sa ủ ph g) S( TM M y Sấ Đồ thị so sánh độ sụt giảm khối lượng hai phương pháp sấy Hình 4.2 biểu thị chênh lệch độ sụt giảm khối lượng hai phương pháp Cho thấy độ sụt giảm chênh lệch không đáng kể, xét giai đoạn sấy độ sụt giảm khối lượng phương pháp sấy CO siêu tới hạn 81,38% lớn so với sấy điều kiện thường 82,76% không đáng kể, chứng tỏ hiệu sấy hai phương pháp gần Có thể thay dung mơi gel khơng khí 4.4 Khối lượng riêng Với phương pháp tính thủ cơng, ta xác định khối lượng riêng vật liệu, khối lượng riêng khối khối lượng riêng đổ đống sau nghiền Dkhối = = 0,114 g/cm3 Dđổ đống = 0,1855 g/cm3 So với nghiên cứu Ting Li Tao Wang báo “Preparation of silica aerogel from rice hull ash by drying at atmospheric pressure, 2008” khối lượng riêng silica aerogel thu có khối lượng riêng 0,33 g/cm [21] 46 Đến năm 2015 nhóm nghiên cứu CUI Sheng, YU Shu-wen, LIN Ben-lan, SHEN Xiao-dong, GU Danming báo “Preparation of SiO2 Aerogel from Rice Husk Ash” tổng hợp silica aerogel với khối lượng riêng 0,0713 g/cm3 Với khối lượng riêng đạt nhỏ, vật liệu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác xây dựng, vũ trụ… 4.5 Phân tích độ tinh khiết vật liệu Với vật liệu tổng hợp thu sau đem đo phân tích huỳnh quang tia X (XRF) độ tinh khiết cho thấy đạt 98,54 % lại 0,84 % Al 2O3, 0,16% K2O, 0,23% P2O5 Qua kết phân tích vật liệu silica aerogel tổng hợp cho thấy độ tinh khiết cao Lượng muối natri sau phản ứng rửa hoàn toàn, chứng tỏ hiệu rửa đảm bảo cho quy trình tổng hợp vật liệu So với nghiên cứu giới công bố cho thấy độ tinh khiết silica từ khoảng 86% đến khoảng 93% [22], Điều cho thấy độ tinh khiết sản phẩm tổng hợp phương pháp sol – gel có kết tương đồng với giới 4.6 Diện tích bề mặt, kích thước lỗ silica aerogel Vật liệu tổng hợp đo Viện Khoa Học Vật liệu Ứng dụng – Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam thu kết sau: Bảng Ảnh hưởng phương pháp sấy đến diện tích bề mặt kích thước lỗ vật liệu Tính chất Sấy điều kiện thường Sấy CO2 siêu tới hạn S BET, m2/g 208.62 402.49 Đường kính lỗ trung bình (nm) 1.4108 1.4112 0.51 2.07 V lỗ, cm3/g Dựa vào bảng 4.6 thấy diện tích bề mặt silica aerogel sấy điều kiện siêu tới hạn có diện tích bề mặt gấp đơi diện tích silica aerogel sấy điều kiện thường Sấy điều kiện thường lực mao quản lớn gây sụp cấu trúc co rút thể tích nên làm diện tích bề mặt giảm mạnh Kích thước lỗ xốp chênh lệch không đáng kể hai phương 47 pháp Thể tích lỗ xốp sấy điều kiện siêu tới hạn đạt 2.07 cm 3/g gấp bốn lần so với sấy thường tướng ứng với tỉ lệ cấu trúc vật liệu bị phá vỡ sau sấy Hình phân bố kích thước lỗ xốp Dựa vào đồ thị thấy vật liệu silica aerogel có kích thước lỗ phân bố chủ yếu từ 14 Å đến 30 Å Đối với silica aerogel sấy CO siêu tới hạn tập có kích thước lỗ xốp nhỏ 20 Å nhiều so với sấy điều kiện thường [ [23], [24]] 4.7 So sánh diện tích, kích thước lỗ vật liệu tổng hợp sấy điều kiện thường có sửa đổi bề mặt không sửa đổi bề mặt (phủ MTMS) Bảng ảnh hưởng biến đổi bề mặt gel lên diện tích bề mặt đường kính lỗ xốp Tính chất Có phủ MTMS Khơng phủ MTMS S BET, m2/g 208.62 38,83 Đường kính lỗ trung bình (nm) 1.4108 79,26 0.51 0,186 V lỗ, cm3/g Với kết bảng cho thấy rằngg giai đoạn sửa đổi bề mặt gel quan trọng, diện tích bề mặt 208,62 m2/g năm lần so với không sửa đổi 38,83 m 2/g chứng tỏ ảnh hưởng lực tương tác dung môi pha rắn lớn, làm cấu trúc không vững, vỡ cấu trúc, co rút làm ảnh hưởng đến diện tích bề mặt đường kính lỗ xốp Ngun 48 nhân góc Si-OH tăng khả liên kết dung môi (nước, ethanol…) làm bề mặt co rút trình sấy 4.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ carbon aerogel Hình dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ “vòng trễ” thể đặc điểm chất hình dạng mao quản Các nhà khoa học Brunauer, L Deming, W Deming Teler (BDDT) phân loại dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp tương ứng với VLMQ khác chuẩn hóa IUPAC [25] Theo kết đo ta có đường đẳng nhiệt hấp phụ silica aerogel thuộc loại III kiểu vòng trễ H1 [26] Do vật liệu silica aerogel thuộc loại mao quản lớn (đường kính mao quản > 50 nm) Việc xuất đường cong trễ (đường hấp phụ giải hấp nitơ khơng trùng nhau) giải thích trường hợp vật liệu mao quản trung bình, chất bị hấp phụ thường ngưng tụ áp suất thấp áp suất áp suất bão hòa P Thêm khử hấp phụ bay chất lỏng từ mao quản thường xảy áp suất thấp P0, đường khử hấp phụ khơng trung với đường hấp phụ Sự sai khác so áp suất mao quản “cản trở” hấp phụ ngưng nhiw áp suất hấp phụ Khi hấp phụ mao quản hình trụ hở hai đầu, thành mao quản che phủ màng chất bị hấp phụ xảy ngưng tụ mao quản Trong trình hấp phụ màng lỏng có dáng kiểu hình trụ Ngược lại, sau xảy ngưng tụ mao quản màng lỏng có dáng bán cầu 49 Dung lượ ng hấp phụ (cm3 /g ) 25 20 15 Sấy điều kiện thường 10 sấy siêu tới hạn 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -5 Áp suất tươ ng đối (P/P0) Hình 4 đường hấp phụ - giải hấp nitơ Chia đường đẳng nhiệt hấp phụ thành vùng tương ứng với khoảng áp suất tương đối P/Po: vùng I (P/Po  0,1), vùng II (0,1 < P/Po < 0,6), vùng III (P/Po > 0,6) Vùng I lượng N2 bị hấp phụ tăng áp suất tương đối P/P o tăng, điều cho thấy vật liệu có chứa lượng mao quản nhỏ Vùng II, lượng N bị hấp phụ tăng chậm tăng tỷ lệ P/P o, tăng cho thấy vật liệu có chứa mao quản trung bình Vùng III, lượng N tăng nhanh theo P/Po, tính chất chứng tỏ vật liệu chứa chủ yếu mao quản lớn 50 4.9 Phân tích XRD 2500 Cường độ 2000 1500 1000 500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t heta Hình Phổ XRD silica aerogel Cấu trúc pha thành phần pha silica aerogel đươc đo XRD máy đo nhiễu xa tia X Trên phổ XRD với góc quét 2 từ 5o đến 80o có xuất hai “peak” đặc biệt 10,35o 25,04o đặc trưng cho Stishovite tinh thể Coesite Chứng tỏ vật liệu silica aerogel tổng hợp có phần cấu trúc Stishovite (vơ định hình )và tinh thể Coesite Độ bán rộng vạch nhiễu xạ lớn cho thấy hạt tinh thể tổng hợp xem cấu trúc vơ định hình [[27], [28], [29]] 51 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận  Vật liệu silica aerogel tổng hợp từ hai phương pháp có diện tích bề mặt tương đối lớn, 402.49 m2/g với phương pháp sấy CO2 siêu tới hạn 208.62 m2/g sấy điều kiện thường Vật liệu có độ tinh khiết cao 98,5% cấu trúc vơ định hình  Đường kính lỗ trung bình silica aerogel thu đạt 1,4 nm Sản phẩm đáp ứng với yêu cầu diện tích bề mặt, độ tinh khiết cấu trúc  kích thước với tính chất ứng dụng vào nhiều lĩnh vực Trong q trình tổng hợp silica aerogel ta rút điều kiện tối ưu để có gel tốt  pH trung hòa khoảng 7-8 nồng độ axit HCl trung hòa 1-1,25 M Với nguồn nguyên tro trắng chế tạo vật liệu hiệu tro đen  Thay đổi hoàn toàn giá trị từ tro trấu phế phẩm thành silica aerogel Khảo sát độ sụt khối lượng qua giai đoạn trao đổi dung môi, sửa đổi bề mặt sấy Chứng tỏ khả trao đổi dung môi, sửa đổi bề mặt sấy tốt,  ứng dụng thực tế Thấy hiệu sửa đổi bề mặt gel với diện tích bề mặt tăng lên gấp năm lần so với không sửa đổi 5.2 Kiến nghị  Thực thêm số khảo sát thời gian phản ứng, già hóa đưa tất điều   kiện tối ưu Thực nghiệm đặc trưng số ứng dụng tính chất cách nhiệt, kị nước… Tính tốn kinh tế phương pháp định hướng với quy mô lớn 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bách, V.T., Nghiên cứu tận dụng phế thải nông nghiệp làm vật liệu xây dựng ĐH kỹ thuật công nghệ TP HCM, 2010 Nghiên cứu sản xuất Silicagen làm vật liệu hấp phụ Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp, Bộ Công thương, Ngày 04 tháng 03 năm 2009 Prasad, R and M Pandey, Rice Hush Ash as a Renewable Source for the Production of Value Added Silic dioxide Gel and its Application Department of Chemical Engineering and Technology, Banaras Hindu University, Varanasi 221005, India, 2012 Iler and R K, The chemistry of silic dioxide a Wiley-Interscience Publication JOHN WILEY & SONS, 1979 Akhavan and A C, Quartz Structure http://www.quartzpage.de, accessed on 13.09.2014, 2014 Bergna, H E, and W.O Roberts, Colloidal Silica: Fundamentals and Applications CRC Press United States 884., 2005 Bergna, H E, and W.O Roberts, Colloidal Silica,Fundamentals and Applications CRC Press United States 884., 2005 Sedlacek, D., Aerogel Synthesis and Application: A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Bachelor of Arts in Physics 2009 Fricke, J and T Tillotson, Aerogels: production, characterization, and applications 1997: p 212 10 J.Fricke and T.Tillotson, applications,Elsevier 1997 11 Sumio Sakka, E., Handbook of sol-gel science and technology: Processing Characterization and Applications 1: Sol-gel processing 12 Hạnh, N.N., Slide giảng mơn Hóa học nano 2015-2016 13 Dorcheh, A.S and M.H Abbasi, Silica aerogel; synthesis, properties and characterization Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran, 2007 14 Shaheen, A., Muhtaseb-Al, and R A, Preparation and Properties of Resorcinol-Formaldehyde Organic and Carbon Gels Advance Material, 2013 Aerogel: 53 production,characterization, and 15 Moreno-Castilla, C and F.J Maldonado-Ho´dar, Review paper-Carbon aerogels for catalysis applications: An overview 2005 43: p 455 16 Hüsing, N and U Schubert, Aerogels - Airy Materials: Chemistry, Structure, and Properties 1998 37: p 22 17 F Sahena, et al., Application of supercritical CO2 in lipid extraction – A review, Journal of Food Engineering, 2009 95 18 Sedlacek, D., Aerogel Synthesis and Application April 24, 2009 19 Dorcheh, A.S and M.H Abbasi, Silica aerogel; synthesis, properties and characterization 20 Quỳ, H.V., Các phương pháp phân tích đại ứng dụng hóa học 1998 21 Li, T and T Wang, Preparation of silica aerogel from rice hull ash by drying at atmospheric pressure 2008 22 Kalapathy, U., et al., A simple method for production of pure silica from rice hull ash 1999 23 Bangi, U.K.H., et al., Optically transparent silica aerogels based on sodium silicate by a two step sole-gel process and ambient pressure drying 2013 24 Hwang, S.-W., T.-Y Kim, and S.-H Hyun, Effect of surface modification conditions on the synthesis of mesoporous crack-free silica aerogel monoliths from waterglass via ambient-drying 2010 25 Phú, N.H., Hấp phụ xúc tác bề mặt vật liệu vô mao quản Nhà xuất Khoa Học Kx thuật Hà Nội, 1998 26 SING, K.S.W., et al., REPORTING PHYSISORPTION DATA FOR GAS/SOLID SYSTEMS with Special Reference to the Determination of Surface Area and Porosity 1985 27 Heaney, P.J., et al., Silica - Physical behavior, geochemistry and materials applications 28 Shao, Z., et al., Superhydrophobic sodium silicate based silica aerogel prepared by ambient pressure drying 29 Zeng, W and H Bai, Swelling-agent-free synthesis of rice husk derived silica materials with large mesopores for efficient CO2capture 2014 54 ... LỚP: HC12MB Đầu đề luậnvăn: TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILICA AEROGEL TỪ TRO TRẤU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica aerogel từ tro trấu Ngày giao nhiệm vụ luận... trường điều cấp thiết Trong tro trấu hàm lượng silica chiếm khoảng 80% nên việc tổng hợp silica từ tro trấu khơng có hiệu kinh tế bên cạnh giải vấn đề môi trường Silica aerogel vật liệu có gía trị... trình tổng hợp vật liệu Silica aerogel Sơ đồ tổng quát quy trình tổng hợp silica aerogel Tro trấu Tạo sol Gel hóa Trao đổi dung mơi, sửa đổi bề mặt dung mơi Sấy khí (Xerogel) Sấy siêu tới hạn (Aerogel)