NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC HỖN HỢP Pt + Cr2O3CeO2 CHO PHẢN ỨNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC HỖN HỢP Pt + Cr2O3CeO2 CHO PHẢN ỨNG

Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM PHAN MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC HỖN HỢP Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 CHO PHẢN ỨNG OXI HÓA CACBON MONOXIT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC Người hướng dẫn ThS. PHẠM THỊ THÙY PHƯƠNG BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2012 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM PHAN MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC HỖN HỢP Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 CHO PHẢN ỨNG OXI HÓA CACBON MONOXIT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC Người hướng dẫn ThS. PHẠM THỊ THÙY PHƯƠNG BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2012 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ------o0o----- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Phan Mạnh Thắng MSSV: 0852010154 Ngày, tháng, năm sinh: 15/04/1991 Nơi sinh: Bình Định Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu điều chế xúc tác hỗn hợp Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 cho phản ứng oxi hóa cacbon monoxit II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Điều chế 09 mẫu xúc tác hỗn hợp Pt với oxit kim loại trên cơ sở Cr 2 O 3 và khảo sát hoạt tính của chúng trong phản ứng oxi hóa CO với thành phần hỗn hợp khí 0,5 %mol CO; 10,5 %mol O 2 (còn lại là N 2 ), cụ thể là: + Khảo sát ảnh hưởng phương pháp điều chế (nhiệt phân đồng thời và nhiệt phân trình tự) đến hoạt tính xúc tác. + Khảo sát ảnh hưởng thành phần Cr 2 O 3 của xúc tác đến hoạt tính xúc tác. + Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến hoạt tính xúc tác. + Khảo sát ảnh hưởng thành phần Pt đến hoạt tính xúc tác. Từ đó, đưa ra phương pháp điều chế, thành phần xúc tác, nhiệt độ xử lý thích hợp của xúc tác hỗn hợp Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 . 2. Nghiên cứu tính chất lý hóa của các xúc tác: diện tích bề mặt riêng, trạng thái pha và tính oxi hóa – khử của xúc tác. Từ đó, làm sáng tỏ mối quan hệ giữa thành phần, các tính chất hóa lý và hoạt tính của chất xúc tác trong phản ứng oxi hóa CO. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15 – 03 – 2012 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 – 07 – 2012 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Phạm Thị Thùy Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Bà Rịa – Vũng tàu, Ngày tháng năm 2012 SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC & CNTP Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu i LỜI MỞ ĐẦU Các thống kê về môi trường cho thấy, những năm gần đây tất cả các loại khí thải độc hại ở các đô thị Việt Nam đều đã vượt quá mức tiêu chuẩn cho phép gấp nhiều lần. Trong đó, nguyên nhân chủ yếu là do khí thải từ lượng môtô, xe máy khổng lồ với số lượng không ngừng tăng lên mỗi năm và chất lượng bị thả nổi không kiểm soát. Khí thải từ động cơ xe máy là nguồn gây ô nhiễm CO chủ yếu ở các thành phố lớn. Một trong những khâu “chìa khóa” trong việc xử lý khí thải mang tính khả thi cao đó là nghiên cứu chế tạo các xúc tác cho bộ lọc khí lắp đặt trên các phương tiện giao thông. Những năm gần đây, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã tập trung nghiên cứu các hệ xúc tác nhằm tìm ra xúc tác tối ưu về hoạt tính cho việc xử lý khí thải, đặc biệt là CO, một trong những khí nguy hiểm nhất đối với con người. Mỗi hệ xúc tác có những ưu nhược điểm riêng, xúc tác kim loại quý có hoạt tính cao ở nhiệt độ thấp, nhưng đắt tiền và không bền trong môi trường có clorine, xúc tác oxit kim loại có hoạt tính không cao bằng nhưng giá thành rẻ. Do đó, hiện nay các nhà khoa học đang có xu hướng kết hợp kim loại quý với oxit kim loại để tạo ra xúc tác vừa hiệu quả vừa kinh tế. Cùng xu hướng ấy, những năm gần đây, Viện Công nghệ Hóa học (thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu xúc tác trên cơ sở kim loại quý Pt kết hợp với các oxit kim loại như CuO, MnO 2 trên chất mang Al 2 O 3 , CeO 2 . Tiếp nối công trình nghiên cứu này, xúc tác trên cơ sở hỗn hợp Pt + Cr 2 O 3 mang trên chất mang kỵ nước CeO 2 được tiến hành nghiên cứu điều chế và khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng oxi hóa cacbon monoxit. Kết quả nghiên cứu của đề tài đưa ra phương pháp điều chế, thành phần xúc tác, nhiệt độ xử lý thích hợp của xúc tác hỗn hợp Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 , làm sáng tỏ mối quan hệ giữa thành phần, các tính chất hóa lý và hoạt tính của chất xúc tác trong phản ứng oxi hóa CO. Luận văn này được thực hiện tại Viện Công nghệ Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 01 Mạc Đỉnh Chi, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh. Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Tiến Cường và ThS. Phạm Thị Thùy Phương những người đã trực tiếp hướng dẫn và truyền đạt nhiều kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian qua. Xin cảm ơn Quý cô chú và các anh chị Phòng Dầu khí – Xúc tác và Phòng Quá trình và Thiết bị, Viện Công nghệ Hóa học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn. Cảm ơn Quý thầy cô Khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu những người đã hết lòng dìu dắt sinh viên chúng em trên con đường tri thức trong suốt thời gian học tập ở trường. Cảm ơn Quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ đã dành thời gian quý báu đọc và đưa ra nhận xét giúp em hoàn thiện bài luận văn này. Cảm ơn tập thể lớp DH08H2, những người đã luôn ở bên cạnh động viên chia sẽ và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập tại trường. Mãi mãi ghi nhớ công ơn to lớn của cha mẹ và những người thân đã thương yêu, lo lắng, động viên, giúp đỡ con trong suốt quá trình học tập cũng như trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Trân trọng. Phan Mạnh Thắng Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu iii MỤC LỤC Lời mở đầu .i Lời cảm ơn ii Mục lục viii Danh mục bảng v Danh mục hình .vi Từ viết tắt .viii Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1. TÌNH HÌNH Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DO KHÍ THẢI .1 1.1.1. Thực trạng ô nhiễm không khí ở Việt Nam .1 1.1.2. Tác hại 3 1.2. HỢP CHẤT CACBON MONOXIT(CO) 3 1.2.1. Nguồn gốc hình thành .3 1.2.2. Tính chất .3 1.2.3. Tác hại 6 1.3. XỬ LÝ CO BẰNG PHẢN ỨNG OXI HÓA VỚI XÚC TÁC 5 1.3.1. Các phương pháp xử lý CO .5 1.3.2 Ưu điểm của phương pháp oxi hóa xúc tác .6 1.4.1. Xúc tác kim loại quý .7 1.4.2. Xúc tác oxit kim loại .8 1.4.3 Xúc tác hỗn hợp kim loại quý và oxit kim loại .9 1.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH XÚC TÁC .12 1.5.1 Tiền chất và phương pháp điều chế xúc tác 12 1.5.2 Thành phần xúc tác 13 1.5.3 Chế độ xử lý nhiệt 13 1.5.4. Phụ gia 14 Chương II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .18 2.1 XÚC TÁC ĐIỀU CHẾ VÀ KÝ HIỆU 18 2.2 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC .18 2.2.1 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất .18 2.2.2 Tính toán lượng tiền chất sử dụng 19 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu iv 2.3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA XÚC TÁC 24 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .25 2.3.2 Xác định diện tích bề mặt riêng của xúc tác bằng phương pháp hấp phụ (BET) .26 2.3.3 Khử chương trình nhiệt độ (TPR) .28 2.4. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH CỦA XÚC TÁC 31 2.4.1 Sơ đồ hệ thống phản ứng 31 2.4.2 Thực hiện phản ứng .32 2.4.3 Phân tích hỗn hợp phản ứng .34 Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined. 3.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA XÚC TÁC 35 3.1.1 Thành phần pha của xúc tác .35 3.1.2 Diện tích bề mặt riêng của xúc tác 38 3.1.3 Khử chương trình nhiệt độ (TPR) .40 3.2 HOẠT TÍNH CÁC XÚC TÁC TRONG PHẢN ỨNG OXI HÓA CACBON MONOXIT 44 3.2.1 Ảnh hưởng của phương pháp điều chế đến hoạt tính xúc tác 44 3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr 2 O 3 đến họat tính xúc tác .46 3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác .48 3.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng Pt .50 Chương IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined. 4.1 KẾT LUẬN 52 4.2 KIẾN NGHỊ .53 Phụ lục .54 Tài liệu tham khảo .67 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu v DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1 Các xúc tác nghiên cứu, thành phần, phương pháp điều chế và ký hiệu 18 Bảng 2.2 Lượng các tiền chất dùng để điều chế 2g xúc tác . 19 Bảng 2.3 Thành phần và lưu lượng các dòng khí 33 Bảng 3.1 Diện tích bề mặt riêng các xúc tác 38 Bảng 3.2 Nhiệt độ khử cực đại (T max ) và mức độ khử của ion Pt 4+ và Cr 3+ (K, %) 43 Bảng 3.3 Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với phương pháp điều chế khác nhau . 44 Bảng 3.4 Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Cr 2 O 3 khác nhau 46 Bảng 3.5 Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 khi xử lý ở nhiệt độ khác nhau . 48 Bảng 3.6 Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Pt khác nhau . 50 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu vi DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Số lượng ôtô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam . 1 Hình 1.2 Lượng xe lưu thông ở cầu Sài Gòn vào giờ cao điểm 2 Hình 1.3 Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ của Việt Nam 2 Hình 1.4 Hợp chất CO . 4 Hình 1.5 So sánh hoạt tính của các xúc tác oxit kim loại không có Pt và các oxit kim loại có Pt tối ưu tương ứng . 11 Hình 1.6 Ảnh FE-SEM của các xúc tác hỗn hợp Pt và oxit kim loại trên cơ sở CuO 12 Hình 1.7 Màu sắc Cr 2 O 3 . 14 Hình 1.8 Cấu trúc Cr 2 O 3 15 Hình 1.9 Màu sắc CeO 2 . 15 Hình 1.10 Cấu trúc CeO 2 . 15 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình điều chế xúc tác hỗn hợp kim loại quý Pt và oxit kim loại có chất mang bằng phương pháp TT . 21 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình điều chế xúc tác hỗn hợp kim loại quý Pt và oxit kim loại có chất mang bằng phương pháp ĐT . 23 Hình 2.3 Máy phân tích phổ XRD Bruker D8 Advance . 26 Hình 2.4 Hệ thống thiết bị phân tích TPR - máy INTERSMAT . 29 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống phản ứng . 32 Hình 2.6 Máy sắc ký Agilent Technologies 6890 Plus . 34 Hình 3.1 Phổ XRD của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với phương pháp điều chế khác nhau . 35 Hình 3.2 Phổ XRD của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Cr 2 O 3 khác nhau 36 Hình 3.3 Phổ XRD của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 khi xử lý ở nhiệt độ khác nhau 37 Hình 3.4 Phổ XRD của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Pt khác nhau 38 Hình 3.5 Phổ TPR của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với phương pháp điều chế khác nhau 40 Hình 3.6 Phổ TPR của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Cr 2 O 3 khác nhau 41 Hình 3.7 Phổ TPR của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 xử lý ở nhiệt độ khác nhau . 42 Hình 3.8 Phổ TPR của xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Pt khác nhau . 43 Hình 3.9a Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với phương pháp điều chế khác nhau . 45 Hình 3.9b Nhiệt độ chuyển hóa 50% CO (T 50 ) và 100% CO (T 100 ) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với phương pháp điều chế khác nhau 45 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu vii Hình 3.10a Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Cr 2 O 3 khác nhau 46 Hình 3.10b Nhiệt độ chuyển hóa 50% CO (T 50 ) và 100% CO (T 100 ) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Cr 2 O 3 khác nhau . 47 Hình 3.11a Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 khi xử lý ở nhiệt độ khác nhau 48 Hình 3.11b Nhiệt độ chuyển hóa 50% CO (T 50 ) và 100% CO (T 100 ) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 khi xử lý ở nhiệt độ khác nhau . 49 Hình 3.12a Độ chuyển hóa CO (X%) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Pt khác nhau 50 Hình 3.12b Nhiệt độ chuyển hóa 50% CO (T 50 ) và 100% CO (T 100 ) trên các xúc tác Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 với hàm lượng Pt khác nhau 51 . TÀI: Nghiên cứu điều chế xúc tác hỗn hợp Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 cho phản ứng oxi hóa cacbon monoxit II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Điều chế 09 mẫu xúc tác hỗn hợp. pháp điều chế, thành phần xúc tác, nhiệt độ xử lý thích hợp của xúc tác hỗn hợp Pt + Cr 2 O 3 /CeO 2 . 2. Nghiên cứu tính chất lý hóa của các xúc tác: