Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu cấu trúc xốp của vật liệu mao quản 55

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC XỐP CỦA VẬT LIỆU MAO QUẢN Giảng viên hướng dẫn : Ts PHẠM ĐÌNH DŨ Sinh viên thực hiện: BÙI THỊ KIM NHỚ Lớp : C11HO02 Khoá : I Bình Dương, tháng năm 2014 TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Ngày nay, nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ, công nghiệp hoá học, người ta thường gặp loại vật liệu vơ có cấu trúc mao quản gọi chung vật liệu mao quản (VLMQ) Nhờ hệ thống mao quản bên phát triển mà VLMQ có nhiều tính chất hố lý đặc biệt, thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học cơng nghệ thuộc nhiều ngành khác hố học, vật lý, hoá lý, hoá dầu, luyện kim, sinh học,… Theo phân loại IUPAC, vật liệu có mao quản chia làm ba nhóm sở kích thước mao quản nó: vật liệu mao quản nhỏ có đường kính mao quản d < nm, vật liệu mao quản trung bình có ≤ d ≤ 50 nm, vật liệu mao quản lớn có d > 50 nm Ngày nay, ứng dụng vật liệu có mao quản lớn tương đối hạn chế diện tích bề mặt thấp kích thước mao quản khơng đồng Trong có nhiều nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng hai loại vật liệu có mao quản nhỏ trung bình để tìm kiếm ứng dụng xúc tác, hấp phụ tách chất Zeolit loại vật liệu rây phân tử mao quản nhỏ nhận quan tâm nhiều nhà khoa học chúng có cấu trúc tinh thể với đồng cao phương diện cấu trúc kích thước mao quản, có diện tích bề mặt lớn, có cường độ lượng tâm axit cao tạo mạng aluminosilicat Do tính chất trên, zeolit sử dụng thành công làm chất xúc tác cơng nghiệp lọc-hố dầu (cracking, reforming…), tách chất, đặc biệt phân tử có kích thước động học nhỏ 10 Ǻ Cho dù có tính chất xúc tác hấp phụ đặc biệt thế, zeolit vật liệu mao quản nhỏ có nhiều hạn chế tác nhân phản ứng có kích thước phân tử lớn kích thước mao quản vật liệu Để khắc phục giới hạn cố hữu zeolit, vào 1992 nhà nghiên cứu hãng Mobil phát họ vật liệu rây phân tử mao quản trung bình trật tự silicat Phụ thuộc vào điều kiện tổng hợp, người ta nhận họ vật liệu gọi M41S bao gồm ba dạng cấu trúc: pha lục lăng MCM-41, pha lập phương MCM-48 pha lớp MCM-50 Sau họ vật liệu này, loại vật liệu mao quản trung TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim bình trật tự HMS (Hexagonal Mesoporous Silica), MSU-x (Michigan State Univesity), SBA-15 SBA-16 (Santa Barbara Acid),… xuất Người ta hy vọng vật liệu mao quản trung bình trật tự (MQTBTT) chất xúc tác, chất mang có triển vọng nhiều cơng nghệ hố học Ví dụ như, chế tạo chất xúc tác cracking cho dầu cặn nặng (chứa nhiều hydrocacbon phân tử lớn), từ vật liệu mao quản trung bình trật tự (MCM-41, SBA-15…) Các cơng nghệ hố dầu, tổng hợp hữu cơ, chế tạo dược phẩm, chế phẩm bảo vệ thực vật, xử lý môi trường, v.v… cần loại xúc tác có nhóm chức bề mặt hoạt động chọn lọc để chuyển hoá xử lý phân tử lớn “cồng kềnh” Thực vậy, người ta xem vật liệu MQTBTT nhà rộng chủ (the host) dễ dàng tiếp đón “đại gia” (các phân tử lớn-the guest), tạo tiếp xúc (tương tác) thuận lợi chủ khách (guest-host interaction-thuật ngữ dùng phổ biến lĩnh vực xúc tác dị thể) để tạo thành (sản phẩm phản ứng) mà từ trước đến khó khơng thể thực vật liệu zeolit Vì vậy, lĩnh vực xúc tác, cấu trúc VLMQ hệ trọng, chúng đảm bảo cho chất xúc tác đạt hoạt tính cao độ chọn lọc cao Chẳng hạn, nhiệt độ thấp phản ứng xúc tác xảy vật liệu có mao quản nhỏ Ngược lại, nhiệt độ cao phản ứng xúc tác tiến hành bề mặt mao quản trung bình mao quản lớn Như vậy, việc sử dụng chất xúc tác chất hấp phụ phụ thuộc nhiều vào cấu trúc mao quản bên vật liệu Xuất phát từ lý đó, chúng tơi chọn đề tài “Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu cấu trúc xốp vật liệu mao quản” TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim Phương pháp nghiên cứu - Thu thập thơng tin, tìm kiếm tài liệu - Hệ thống lại kiến thức, Nội dung đề tài - Tìm hiểu cấu trúc loại vật liệu có mao quản - Tìm hiểu phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ - Trình bày số ví dụ áp dụng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ để xác định cấu trúc xốp vật liệu mao quản TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim LỜI CẢM ƠN Để có điều kiện thực Khóa luận Tốt nghiệp hồn thành chương trình học năm trường Đại học Thủ Dầu Một em nhận dạy tận tình với kinh nghiệm quý báu từ thầy cô trường Đại học Thủ Dầu Một Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban Giám Hiệu quý Thầy (Cô) trường Đại học Thủ Dầu Một tạo cho em môi trường học tập tích cực vui vẻ Em xin gửi lời cám ơn tới thầy, cô trường Đại Học THỦ DẦU MỘT thuộc mơn Hóa, khoa Khoa Học Tự Nhiên, người dạy dỗ em kiến thức, cách nghiên cứa Giúp đỡ bảo em suốt q trình học tập Em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, tiến sĩ Phạm Đình Dũ, hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em nhiều trình viết khóa luận Cuối em gửi lời cám ơn gia đình, người bạn ln động viên, quan tâm em suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn! Bùi Thị Kim Nhớ TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim NHẬN XÉT Của giảng viên hướng dẫn TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim NHẬN XÉT Của giảng viên phản biện TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG Trang Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MAO QUẢN 1.1 Khái niệm phân loại vật liệu mao quản 1.2 Vật liệu vi mao quản-zeolite 1.2.1 Khái niệm phân loại 1.2.2 Cấu trúc zeolite 1.2.3 Giới thiệu số loại zeolite 1.2.3.1 ZSM-5 1.2.3.2 Mordenit 1.3 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) trật tự 1.3.1 Giới thiệu chung 1.3.2 loại Phân Error ! Bookmark not defined 1.3.2.1 Phân loại theo cấu trúc 1.3.3 Tổng hợp vật liệu mao quản trung bình 1.3.4 Cơ chế hình thành vật liệu MQTB trật tự 11 1.3.4.1 Cơ chế templat tinh thể lỏng (Liquid Crystal Template) 11 1.3.4.2 Cơ chế xếp kiểu silicat 12 1.3.4.3 Cơ chế phù hợp mật độ điện tích chế phiến gấp 13 1.3.4.4 Cơ chế chèn vào tinh thể lỏng (Silica Liquid Crystal) 14 1.3.3.5 Cơ chế templat tổng quát 15 1.3.5 Giới thiệu số loại vật liệu MQTB trật tự điển hình 16 1.3.5.1 MCM-41 16 TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim 1.3.5.2 SBA-15 19 1.3.4.3 SBA-16 20 Chương PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC XỐP CỦA VẬT LIỆU MAO QUẢN 23 2.1 Hiện tượng hấp phụ 23 2.2 Sự hấp phụ vật liệu mao quản 24 2.2.1 Sự hấp phụ mao quản nhỏ 24 2.2.2 Sự hấp phụ mao quản trung bình 24 2.3 Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ 25 2.4 Xác định bề mặt riêng theo phương pháp BET 28 2.5 Phương pháp đồ thị t 29 2.5.1 Vật liệu vi mao quản 30 2.5.2 Vật liệu mao quản trung bình 31 2.6 Phương pháp điểm I (I-point) 31 Chương XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT XỐP CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU MAO QUẢN Error ! Bookmark not defined 3.1 Vật liệu MCM-41 34 3.2 Vật liệu SBA-15 38 3.3 Vật liệu SBA-16 42 3.4 Kết Luận 45 KẾT LUẬN 47 TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Phân loại vật liệu mao quản theo IUPAC Bảng 1.2 Một số loại vật vật liệu MQTB trật tự tổng hợp từ chất định hướng cấu trúc khác Bảng 3.1 Dữ liệu hấp phụ nitơ 77K mẫu MCM-41 31 Bảng 3.2 Dữ liệu khử hấp phụ nitơ 77K mẫu MCM-41 32 Bảng 3.3 Tính chất xốp mẫu MCM-41 34 Bảng 3.4 Dữ liệu hấp phụ nitơ 77K mẫu SBA-15 35 Bảng 3.5 Dữ liệu khử hấp phụ nitơ 77K mẫu SBA-15 36 Bảng 3.6 Tính chất xốp mẫu SBA-15 39 Bảng 3.7 Dữ liệu hấp phụ nitơ 77K mẫu SBA-16 39 Bảng 3.8 Dữ liệu khử hấp phụ nitơ 77K mẫu SBA-16 40 Bảng 3.9 Tính chất xốp mẫu SBA-16 42 TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim ... quản bên vật liệu Xuất phát từ lý đó, chúng tơi chọn đề tài ? ?Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu cấu trúc xốp vật liệu mao quản? ?? TS: Phạm Đình Dũ Nhớ SVTH: Bùi Thị Kim Phương pháp nghiên cứu - Thu thập... 2.5 Phương pháp đồ thị t 29 2.5.1 Vật liệu vi mao quản 30 2.5.2 Vật liệu mao quản trung bình 31 2.6 Phương pháp điểm I (I-point) 31 Chương XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT XỐP CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU MAO QUẢN... có cấu trúc lục lăng SBA16 TS: Phạm Đình Dũ Nhớ Vật liệu MQTB có cấu trúc lập phương SVTH: Bùi Thị Kim NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MAO QUẢN 1.1 Khái niệm phân loại vật liệu mao quản