Nghiên cứu cơ chế xử lý hơi Chloro benzene trong khí thải công nghiệp bằng phương pháp xúc tác

Cơ sở lý thuyết

Cách phân loại trên đây không hoàn toàn nghiêm ngặt và không bao gồm mọi cơ chế xúc tác, chẳng hạn trên cùng một chất xúc tác (một số oxyt) có thể xảy ra phản ứng thuộc cả hai loại oxyhóa khử và axit bazơ, tuy vậy cách phân loại đó tỏ ra tiện lợi cho việc nghiên cứu. Quan điểm của Boreskov lại cho rằng bề mặt là đồng nhất , hiện tượng xúc tác có bản chất hóa học, vì thế bề mặt có thành phần hóa học nhất định sẽ ứng với hoạt tính xúc tác xác định, nếu bề mặt tinh khiết về hóa học thì hoạt tính ở mọi điểm phải đồng nhất.

Cơ sở lý thuyết của các phương pháp phân tích 1. Sắc ký khí

Bằng phương pháp phân tích sắc kí khối phổi GC-MS đã chứng minh rằng các sản phẩm trung gian là những hợp chất hữu cơ là không đáng kể, do vậy một cách gần đúng có thể xem hiệu suất chuyển hóa của Chlorobenzene là hoạt tính biểu kiến của chất xúc tác nghiên cứu. Hệ thống thiết bị nghiên cứu khảo sát động học phản ứng cháy xúc tác các hợp chất hữu cơ và hơi hữu cơ được xây dựng trên mô hình nghiên cứu thực nghiệm của Thạc sĩ Lâm Vĩnh Ánh – PGĐ Trung tâm công nghệ xử lý môi trường_Bộ Tư lệnh Hóa Học, được trình bày trên hình 3.1. Hoặc lấy mẫu để xác định chính xác nồng độ các chất nghiên cứu chúng tôi đã tiến hành lấy mẫu khí và tiến hành phân tích trên máy sắc ký chuyên dụng với cột mao quản mã hiệu SPBTM-1 (0,25μm – Film) mã hiệu 6410-10 để kiểm tra lại và dánh giá hiệu suất chuyển hóa một cách chính xác hơn.

Do các thiết bị phân tích CO2 là các thiết bị đo nhanh, với các sensơ điện hóa có độ tin cậy không cao nên việc xác định chuyển hóa của quá trình có thể Chlorobenzene thông qua việc phân tích nồng độ của Chlorobenzene trước vào sau phản ứng trên thiết bị GC của hãng PEKKIN ELMER với cột tách 6410-10 và Detector ECD. Đồ án cũng đã tiến hành khảo sát và phân tích mẫu sản phẩm cháy trên thiết bị GC – MS (Phụ lục 5), thiết bị phân tích phổ hồng ngoại và khẳng định sản phẩm cháy của Chlorobenzene sau khi qua các xúc tác nghiên cứu chủ yếu là CO2, H2O, HCl, C6H5Cl dư và một lượng không đáng kể các sản phẩm phụ như 1-2,Dichlorobenzene và 1-4, Dichlorobenzene. Trong quá trình hoạt động, hoạt tính xúc tác thường giảm theo thời gian sử dụng, tuy nhiên do thời gian hoạt động của các chất xúc tác nghiên cứu tương đối dài nên phần lớn các thí nghiệm mà đồ án lựa chọn thực hiện trong khoảng hoạt tính xúc tác đạt 100% khả năng chuyển hóa.

Để đảm bảo sự chính xác trong tính toán hiệu suất chuyển hóa thì nồng độ Co (chiều cao pic Ho) được xác định lại đối với mỗi chất xúc tác nghiêu cứu và giá trị này chỉ được sử dụng cho kết quả tại thời điểm nghiên cứu đó.

Vật tư hóa chất sử dụng

Mục tiêu của đồ án là đánh giá được khả năng xử lý Chlorobenzene trong khí thải theo phương pháp xúc tác oxy hóa và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xuất chuyển hóa lên hệ xúc tác CuO – Cr2O3/ γ-Al2O3.

Điều chế các chất xúc tác ôxyt kim loại 1. Quy trình tiến hành điều chế xúc tác

Tương tự như xúc tác CuO, xúc tác Cr2O3 được điều chế bằng cách cho dung dịch muối Crôm III nitrat (Cu(NO3)2) tác dụng với dung dịch NaOH. Cân chính xác 24g NaOH, hòa tan với 100ml nước cất trong cốc có mỏ 100ml, khuấy đều tay tới khi dung dịch thu được trong suốt, nếu đục ta cũng tiến hành lọc qua giấy lọc băng trắng. Tiến hành lọc rửa kết tủa bằng nước cất một lần, đổ nước cất, khuấy mạnh và chờ kết tủa lắng xuống, gạn lọc tới khi nào pH dung dịch trong cốc từ đạt 6,5 – 7 thì dừng.

Sản phẩm kết tủa có màu lam nhạt, tiến hành rửa sạch các ion NO3- bằng nước cất nhiều lần, khi nào dung dịch nước rửa có pH = 7 thì dừng lại. Nguyên liệu được dùng là sản phẩm CuO và Cr2O3 đã điều chế ở trên, cân mỗi loại theo đúng tỷ lệ 1:1theo khối lượng và cho vào cối sứ trộn lẫn với nhau. Hệ xúc tác CuO-Cr2O3/ γ-Al2O3 được điều chế theo phương pháp tẩm ướt các muối nitrat lên γ-Al2O3, sau đó tạo kết tủa hydroxyt ngay trên bề mặt γ-Al2O3 trong dung dịch kiểm vừa đủ.

Đồng thời hoàn tan 1,28g NaOH (vừa đủ tạo kết tủa hết lượng muối nitrat đã tẩm) trong 50ml nước cất, dung dịch thu được trong suốt.

Kết quả điều chế xúc tác

39 Do hai muối nitrat đều tan hoàn toàn nên tiến hành tẩm một lần trên chất mang. Đổ nhanh dung dịch NaOH vào bột γ- Al2O3 vừa tẩm, khuấy đều tay để tạo sự đồng đều về nồng độ NaOH trong phản ứng. Tiến hành rửa kết tủa ngay trong cốc tới khi dung dịch rửa có pH = 7 thì dừng lại.

Lọc kết tủa trên phễu Bucner, thu kết tủa đem sấy ở nhiệt độ 120oC trong 4 giờ. 40 Các mẫu xúc tác sau khi điều chế được bảo quản trong các lọ thủy tinh tối màu có nút nhám nhằm tránh hiện tượng hút ẩm làm thay đổi tính chất. Các mẫu được đo đạc các tính chất vật lý như khả năng hấp phụ, diện tích bề mặt riêng, độ tinh khiết, độ tinh thể và hình ảnh bề mặt.

Các mẫu gửi đi phân tích được mã hóa theo ký hiệu nhằm đảm bảo độ khách quan khi phân tích (bảng 3.1).

Xác định một số đặc trưng quan trọng của xúc tác

Các kết quả trên cũng phù hợp với kết quả đo hấp độ hấp phụ cực đại theo hơi benzen trên hệ thống cân hấp phụ động Mark – Bell. Các kết quả nghiên cứu được thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ Rơnghen trình bày trên hình 4.1 (Chi tiết tại Phụ lục 2). Từ kết quả phân tích XRD trên của 7 mẫu xúc tác ta có thể thấy rằng nhiệt độ nung mẫu có ảnh hưởng rất lớn tới độ tinh thể của xúc tác.

Thành phần hóa học của các xúc tác được phân tích bằng phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X trên thiết bị JSM-5410 SEM/EDS –JAPAN. 45 Từ các thông số thành phần % theo khối lượng các nguyên tố trong từng mẫu xúc tác đã điều chế có thể khẳng định được tỷ lệ các oxyt có trong xúc tác khá chính xác theo như yêu cầu bàn đầu đặt ra (tỷ lệ 1:1 về khối lượng từng oxyt). Tuy vậy trong cả hai mẫu M91, M92 đều thấy hàm lượng xúc tác trên chất mang phù hợp với lượng hóa chất được xác định ban đầu cho từng thành phần xúc tác điều chế.

46 Từ hình 4.3 cũng cho thấy sự nhiễm bẩn các nguyên tố khác từ nguyên liệu ban đầu và trong quá trình điều chế là không có.

Tỷ lệ pha dòng và nồng độ Chlorobenzene

Xúc tác đảm bảo độ tinh khiết cần thiết cho nghiên cứu quá trình xúc tác oxy hóa. Tuy nhiên, để ổn định điều kiện thí nghiệm và tối ưu cho toàn bộ quá trình nghiên cứu động học xúc tác chúng tôi chọn tỷ lệ pha trộn là 100/1000.

Độ chuyển hóa của Chlorobenzene trên các xúc tác khác nhau

Với xúc tác M21, Độ chuyển hóa cao ở vùng nhiệt độ hoạt hóa thấp 200oC rất có ý nghĩa cho việc lựa chọn chất xúc tác để xử lý Chlorobenzene từ các nguồn khí thải công nghiệp. Nguyên nhân của sự khác biệt này có thể do sự có mặt của Cr2O3 với vai trò chất trợ xúc tác đã làm cho hiệu suất chuyển hóa tăng so với trong trường hợp chỉ có mặt của chất xúc tác M11 và tạo sự cân bằng, ổn định ở vùng nhiệt độ cao. Điều này chứng tỏ rằng khi không có mặt của xúc tác trong điều kiện có oxy (không khí) hoặc không có oxy ( khí nitơ) thì gần như quá trình phân hủy Chlorobenzene không xảy ra hoặc có xảy ra nhưng với độ chuyển hóa rất thấp, mặc dù tiến hành trong môi trường phản ứng ở nhiệt độ cao ( 600 ÷ 800oC ).

Khi có mặt của các xúc tác M41, nhờ có sự tạo thành hợp chất trung gian với năng lượng hoạt hóa thấp hơn nên độ chuyển hóa C6H5Cl tăng nhanh trong khoảng nhiệt độ T = 200 ÷ 4000C. Từ các kết quả thu được cho thấy, trong công nghệ chế tạo các chất xúc tác, nhất là các xúc tác làm việc trong vùng nhiệt thấp cần đặc biệt quan tâm tới quá trình lựa chọn chế độ nhiệt trong xử lý ban đầu đối với các chất xúc tác. Các mẫu xúc tác có độ tinh khiết cao đảm bảo cho việc sử dụng trong nghiên cứu xúc tác dị thể.Đã tiến hành xác định một số đặc tính của xúc tác như: độ hấp phụ của vật liệu; diện tích bề mặt riêng, độ tinh thể, độ tinh sạch và kích thước hạt bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại.

Các kết quả nghiên cứu trên đây có thể thấy rằng phản ứng xúc tác oxy hóa sử dụng các chất xúc tác oxyt kim loại có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ nói chung và Chlorobenzene nói riêng.