Sử dụng SBA-16 tổng hợp từ vỏ trấu ñể xử lí một số chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nước

1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa i Lời cam ñoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục 1 Danh mục viết tắt . 4 A. MỞ ðẦU .5 1. Lý do chọn ñề tài .5 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 6 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 6 4. Phương pháp nghiên cứu 6 B. NỘI DUNG . 8 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 8 1.1.1. Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 8 1.1.2. Phân loại vật liệu MQTB .9 1.1.3. Cơ chế hình thành vật liệu MQTB . 10 1.1.3.1. Cơ chế ñịnh hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng (Liquid Crystat Templating) 10 1.1.3.2. Cơ chế sắp xếp silicat ống (Silicate Rod Asembly) 11 1.1.3.3. Cơ chế lớp silicat gấp (Silicate Layer Puckering) 11 1.1.3.4. Cơ chế phù hợp mật ñộ ñiện tích (Charge Density Matching) 12 1.1.3.5. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc (Cooperative Templating) 12 1.2. Giới thiệu vật liệu MQTB SBA-16 và tình hình nghiên cứu vật liệu SBA-16 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 2 trong và ngoài nước . 13 1.2.1. Giới thiệu vật liệu MQTB SBA-16 13 1.2.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu SBA-16 trong và ngoài nước 14 1.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu SBA-16 từ vỏ trấu . 15 1.3.1. Phương pháp nghiên cứu tách SiO 2 từ vỏ trấu 15 1.3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu SBA-16 từ vỏ trấu . 16 1.4. Các phương pháp hoá lý ñặc trưng vật liệu 17 1.4.1. Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM) . 17 1.4.2. Phương pháp ño ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) . 17 1.5. Các phương pháp ñánh giá hoạt tính của vật liệu . 19 1.5.1. Phương pháp phổ kích thích electron (Ultra Violet-visible: UV-VIS) 19 1.5.2. Phương pháp chuẩn ñộ iot . 21 1.6. Oxy hóa phenol trong môi trường nước . 22 1.6.1. Sự ô nhiễm môi trường do phenol . 22 1.6.2. Oxy hóa phenol trong môi trường nước bằng tác nhân H 2 O 2 . 23 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp thực nghiệm . 25 2.1.1. Hoá chất và dụng cụ 25 2.1.1.1. Hoá chất 25 2.1.1.2. Dụng cụ . 25 2.2. Quá trình xúc tác phân hủy metylen xanh 26 2.3. Quá trình hấp phụ và xúc tác phân huỷ phenol trong môi trường nước . 26 2.4. ðánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác 28 2.4.1. ðo phổ UV - VIS 28 2.4.2. Chuẩn ñộ iot 28 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 3 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Sự phân hủy metylen xanh trên hệ xúc tác SBA-16 và H 2 O 2 29 3.2. Sự phân hủy phenol trên hệ xúc tác SBA-16 và H 2 O 2 33 C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 4 DANH MỤC VIẾT TẮT BET Phương pháp ño ñẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ ðHCT ðịnh hướng cấu trúc I Tiền chất vô cơ IUPAC Quy ñịnh chung về danh pháp quốc tế của các chất hóa học 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 S Chất hoạt ñộng bề mặt SBA-16 Santa Barbara Acid - 16 SEM Scanning Electron Microscopy (hiển vi ñiện quét) TEOS TetraethylOrthosilicate UV-VIS Ultraviolet – Visible (tử ngoại và khả kiến) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 5 A. MỞ ðẦU 1. Lý do chọn ñề tài Ngày nay, trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, nhất là công nghiệp hóa học, người ta thường gặp một loại vật liệu vô cơ có cấu trúc mao quản. Nhờ một hệ thống mao quản bên trong khá phát triển mà vật liệu mao quản có nhiều tính chất lý hóa ñặc biệt, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành khác nhau như hóa học, vật lý, luyện kim, sinh học…. Vật liệu vi mao quản zeolit ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và hấp phụ do diện tích bề mặt riêng khá lớn và hệ thống mao quản ñồng ñều. Tuy nhiên, do hạn chế về kích thước mao quản (ñường kính mao quản d < 2nm) nên không thích hợp ñối với việc thực hiện các quá trình xúc tác và hấp phụ các phân tử có kích thước lớn. Năm 1992, các nhà khoa học của công ty Mobil ñã tổng hợp thành công họ vật liệu mao quản trung bình M41S [9]. Các nhóm vật liệu mới này ñã khắc phục ñược nhược ñiểm cố hữu của zeolit do có kích thước mao quản lớn (2 < d < 50nm), sắp xếp trật tự, diện tích bề mặt riêng rất cao (500 – 1000m 2 /g) [7]. Hiện nay, nhóm vật liệu mao quản trung bình ñược các nhà khoa học quan tâm nhiều trên phương diện nghiên cứu tổng hợp và tìm kiếm ứng dụng. Như vậy, việc sử dụng một chất xúc tác hoặc một chất hấp phụ nào ñó rất phụ thuộc vào cấu trúc mao quản bên trong của vật liệu và diện tích bề mặt riêng của vật liệu. Vật liệu mao quản trung bình ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng ở Việt Nam, việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của các loại vật liệu này có rất hạn chế. Hơn nữa, nguồn silic truyền thống ñể tổng hợp nên vật liệu mao quản trung bình là TEOS tương ñối ñắt tiền nên hiệu quả kinh tế không cao. Do ñó, tìm nguồn nguyên liệu mới rẻ tiền ñể thay thế cho TEOS là rất cần thiết. Và nguồn nguyên liệu mà các nhà khoa học ñã tìm ñược là vỏ trấu. Sau khi tổng hợp ñược vật liệu mao quản trung bình từ vỏ trấu người ta sẽ ñi sâu vào tìm hiểu ứng dụng của nó. Theo chúng tôi biết, ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu tổng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 6 hợp vật liệu mao quản trung bình từ vỏ trấu. ðặc biệt chưa có công trình nào nghiên cứu về ứng dụng của vật liệu SBA-16 ñược tổng hợp từ vỏ trấu. SBA-16 tổng hợp từ trấu ñược sử dụng ñể hấp phụ và xúc tác phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường nước như phenol, metylen xanh, chloramphenicol, metyl ñỏ,…, làm chất mang trong xúc tác tổng hợp hữu cơ, xử lý nước thải, nước sinh hoạt, chế biến dầu mỏ làm tăng chỉ số octan, xetan, làm chất mang cho một số quá trình xúc tác. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn ñề tài: “Sử dụng SBA-16 tổng hợp từ vỏ trấu ñể xử lí một số chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nước” 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu − Mục tiêu nghiên cứu: Hấp phụ và xúc tác phân hủy ñược metylen xanh và phenol trong môi trường nước. − Nhiệm vụ nghiên cứu: + Tiến hành thực nghiệm ñể xác ñịnh hoạt tính hấp phụ và xúc tác phân hủy metylen xanh và phenol trong môi trường nước. + Chuẩn ñộ và ño phổ kích thích electron ñể ñánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu. 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu − ðối tượng nghiên cứu: vật liệu SBA-16 − Phạm vi nghiên cứu: vật liệu MQTB SBA-16 có khả năng hấp phụ nhiều chất hữu cơ như phenol, metylen xanh, chloramphenicol, metyl ñỏ,… Nhưng trong ñề tài này, chúng tôi chỉ ñề cập ñến khả năng hấp phụ của vật liệu MQTB ñối với metylen xanh và phenol. 4. Phương pháp nghiên cứu − Phương pháp lý thuyết: + Thu thập, xử lí tài liệu, tư liệu liên quan. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 7 + Nghiên cứu các công trình ñã công bố, ñịnh hướng các bước thực hiện. − Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành quá trình hấp phụ và xúc tác phân hủy metylen xanh và phenol trong môi trường nước. − Phương pháp phân tích, ñánh giá: + Phân tích các kết quả thu ñược bằng phương pháp chuẩn ñộ, phương pháp phổ kích thích electron (UV - VIS). + ðánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 8 B. NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 1.1.1. Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình (MQTB) Vật liệu rắn xốp có diện tích bề mặt riêng lớn và xốp nên nó ñược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, kỹ thuật ñể làm chất hấp phụ và chất xúc tác. Theo danh pháp UIPAC, dựa trên kích thước mao quản, vật liệu rắn xốp ñược chia làm ba loại: Vi mao quản (ñường kính mao quản d < 2nm), MQTB (2 < d < 50nm) và ñại mao quản (d > 50 nm) [3]. Vào những năm ñầu thập niên 90 của thế kỷ 20, lần ñầu tiên hai nhóm nghiên cứu ñộc lập của Nhật Bản và Mỹ ñã công bố tổng hợp thành công vật liệu silicat có cấu trúc trật tự, ñược gọi là vật liệu rây phân tử MQTB (MMS). Từ ñó ñã có nhiều vật liệu MMS ñược tổng hợp như FSM, M41S, HMS, MSU-x, SBA-15 và SBA- 16,….Các vật liệu cao cấp này có ñường kính mao quản ñồng ñều, kích thước mao quản trung bình (dao ñộng trong khoảng 20 - 100 A 0 ), rộng hơn kích thước mao quản của zeolit từ 3 ñến 4 lần và diện tích bề mặt riêng vô cùng lớn (500 - 1000 m 2 /g) [5]. Chính vì những ưu ñiểm như vậy nên vật liệu MQTB ñã mở ra một hướng phát triển to lớn trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ, khắc phục ñược những nhược ñiểm của zeolit như chuyển hóa ñược những phân tử có kích thước phân tử d < 2nm Vi mao quản (Micropore) Mao quản trung bình (Mesopore) 2 < d < 50nm d > 50nm ðại mao quản (Macropore) Hình 1.1. Phân loại mao quản của UIPAC PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 9 lớn, cồng kềnh. Do ñó chúng ñược ứng dụng nhiều trong chuyển hóa các phân tử dầu nặng, các sản phẩm từ các hợp chất thiên nhiên, xử lý các chất gây ô nhiễm có kích thước phân tử lớn [5]. Họ vật liệu M41S ñược tổng hợp bằng cách kết hợp một cách thích hợp nguồn silic (tetra etyl ortho silicat hay thủy tinh lỏng), chất ñịnh hướng cấu trúc (ðHCT) ankyl trimetyl amoni halogenua (cetyl trimetyl amoni bromua), kiềm (NaOH hay tetra etyl amoni hiñroxit) và nước. Phụ thuộc vào bản chất của chất ðHCT, nồng ñộ, và nhiệt ñộ mà các pha giả bền có thể thu ñược là MCM-41 (có cấu trúc lục lăng), MCM-48 (có cấu trúc lập phương), MCM-50 (có cấu trúc lớp). Trên thế giới, vật liệu phân tử MQTB ñang ñược nghiên cứu và ứng dụng nhiều theo các hướng sau: Kết tinh lại mao quản bằng chất ðHCT thích hợp ñể có thể kiểm soát kích thước mao quản; trát hay tẩm lên mao quản một lớp vật liệu tinh thể làm chất xúc tác ñể có thể phát triển bề mặt của vật liệu xúc tác; tinh thể hóa tường vô ñịnh hình; thay thế ñồng hình Si bằng các kim loại chuyển tiếp ñể có thể thay ñổi kích thước mao quản và lực axit [10]. 1.1.2. Phân loại vật liệu MQTB  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 (disordered): KIT-1, L 3 ,… a - Lục lăng b - Lập phương c - Lớp Hình 1.2. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 10  Phân loại theo thành phần  Vật liệu MQTB chứa silic như: MCM-41, Al-MCM-41, Ti-MCM- 41, Fe-MCM-41, MCM-48, SBA-15,….  Vật liệu MQTB không chứa silic như: ZrO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , 1.1.3. Cơ chế hình thành vật liệu MQTB Hiện nay, có rất nhiều cơ chế ñược ñưa ra ñể giải thích quá trình hình thành vật liệu MQTB. Các cơ chế này ñều có một ñặc ñiểm chung là có sự tương tác của các chất ðHCT với các tiền chất vô cơ trong dung dịch. ðể tổng hợp vật liệu MQTB cần ít nhất 3 hợp phần: Chất ðHCT ñóng vai trò làm tác nhân ñịnh hướng cấu trúc vật liệu, nguồn vô cơ như silic nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản và dung môi (nước, bazơ, .) thường ñóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh [12] . Sơ ñồ chung có thể mô tả ở hình 1.3. 1.1.3.1. Cơ chế ñịnh hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng (Liquid Crystal Templating) Cơ chế này ñược các nhà nghiên cứu của hãng Mobil ñề nghị ñể giải thích sự hình thành vật liệu M41S (hình 1.4) [6]. Chất ðHCT + Tiền chất silicat ⇒ Hình 1.3. Sơ ñồ tổng quát hình thành vật liệu mao quản Hình 1.4. Cơ chế ñịnh hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com . ứng dụng của vật liệu SBA-16 ñược tổng hợp từ vỏ trấu. SBA-16 tổng hợp từ trấu ñược sử dụng ñể hấp phụ và xúc tác phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường. là cơ sở ñể rút ra biện pháp ñể xử lý một số chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nước. 1.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu SBA-16 từ nguồn silic vỏ trấu