3.2.2.1. Xác định pha tinh thể từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
Zeolite ZSM-5 đã chuẩn bị sẵn ở dạng NaZSM-5 và được thực hiện quá trình trao đổi ion với dung dịch NH4Cl 0,1M để chuyển về HZSM-5 là dạng có hoạt tính. Để chứng minh sự tồn tại của pha tinh thể HZSM-5 trong cấu trúc của mẫu xúc tác, chúng tôi tiến hành đo giản đồ nhiễu xạ tia X (hình 3.19).
% khối lượng (%kl) O Si Al Na La Si/Al
Điểm 1 43,4 31,9 12,0 2,0 10,6
Điểm 2 41,1 33,2 12,7 1,8 12,2
Trung bình % kl 42,25 32,6 12,4 1,9 11,4
Hình 3.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu HZSM-5
Giản đồ của mẫu HZSM-5 thu được có các peak đặc trưng ở vị trí có góc 2θ bằng 7,9o; 8,8o; 23,1o; 23,3o và 24,4o, khi so sánh với giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaZSM -5 ban đầu (hình 3.2) thấy rằng các peak này rất sắc nét, cường độ các peak lớn, đường nền thấp và hầu như không xuất hiện peak lạ, điều này chứng tỏ zeolite HZSM -5 thu được có độ tinh khiết và độ tinh thể cao, không có sự thay đổi trong hoạt động trao đổi ion của xúc tác.
Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaZSM-5
Bảng 3.12. Các giá trị 2θ đặc trưng của xúc tác HZSM-5 so với mẫu NaZSM -5
2θ(o) 7,9 8,8 23,1 24 24.5 29.5 45.4 45.8
NaZSM-5 d 11,207 10,047 3,847 3,732 3,640 2,983 2,102 1,993
Tuy, có thể thấy rằng cường độ các peak trong khu vực góc 2θ = 23°-25° trong mẫu HZSM-5 thu được cao hơn so với mẫu NaZSM-5 ban đầu. Điều này có thể được giải thích do sự khác biệt về cấu trúc các mặt phản xạ trong mẫu HZSM-5 thu được so với NaZSM-5 ban đầu.
3.2.3.2. Xác định hình thái học của tinh thể HZSM-5 bằng phương pháp SEM
Kết quả chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM của mẫu HZSM-5 với các độ phóng đại khác nhau được thể hiện trên hình 3.21.
Từ kết quả hình 3.21 thấy rằng các tinh thể HZSM-5 thu được có bề mặt mịn và có hình dạng khá đồng nhất, không có dấu hiệu của pha lạ. Trên ảnh SEM hầu như chỉ nhìn thấy có một loại tinh thể có dạng hình hộp chữ nhật, kích thước các tinh thể khá đồng đều, tuy nhiên do các tinh thể nằm chèn lên nhau nên khó xác định được kích thước hạt.
3.2.3.3. Xác định thành phần các nguyên tố của mẫu zeolite HZSM-5 bằng phương pháp EDX
Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu zeolite NaZSM -5 và mẫu HZSM-5 được xác định bởi phương pháp tán sắc năng lượng. Trong phổ EDX của mẫu NaZSM -5 (hình 3.22) cho thấy thành phần của zeolite này gồm các nguyên tố Si, Al, Na.
Hình 3.21. Các hình ảnh SEM của mẫu HZSM-5
Kết quả phân tích định lượng được đưa ra trong bảng 3.12 cho thấy tỷ lệ Si/Al là 24 và hàm lượng Na, Al, Si trong mẫu zeolite NaZSM -5 khá giống nhau trong cả hai lần phân tích, chứng tỏ rằng các nguyên tố này được phân tán tương đối đồng nhất trong thành phần xúc tác.
Bảng 3.13. Kết quả phân tích thành phần các nguyên tố bằng phương pháp EDX của mẫu zeolite NaZSM - 5
% kl Si O Al Na Tỉ lệ Si/Al
Điểm 1 52.3 44.0 2.0 1.7
Điểm 2 49.4 46.6 2.1 1.9
%Trung bình theo khối lượng 50.85 45.3 2.05 1.8
Số mol nguyên tử trung bình 1,82 2,83 0,076 0,078 24
Phổ EDX của mẫu zeolite HZSM -5 (hình 3.24) cho thấy thành phần hóa học của zeolite không đổi so với mẫu NaZSM-5 ban đầu. Điều này chứng tỏ không có ion lạ tham gia vào cấu trúc của zeolite trong quá trình trao đổi ion với dung dịch NH4Cl, phù hợp với kết quả thu được từ phương pháp nhiễu xạ tia X.
Hình 3.23. Phổ EDX của mẫu zeolite HZSM -5
Kết quả phân tích hàm lượng thành phần các nguyên tố trong mẫu zeolite HZSM-5 sau (bảng 3.14) cho thấy tỉ lệ Si/Al là 20,7. Ngoài ra, số nguyên tử mol trung bình của Na trong mẫu NaZSM-5 là 0,078 (mol) đã giảm xuống còn 0,002 (mol) trong mẫu HZSM -5, như vậy hiệu suất trao đổi proton đạt: H = (0,078 - 0,002).100/0,078= 97,4%.
Bảng 3.14 . Kết quả phân tích thành phần các nguyên tố bằng phương pháp EDX của mẫu zeolite HZSM - 5
% kl Si O Al Na Tỉ lệ Si/Al
Điểm 1 51,3 46,2 2,4 0,0
Điểm 2 49,4 47,7 2,3 0,1
%Trung bình theo khối lượng 50,35 46,95 2,35 0,05
Số mol nguyên tử trung bình 1,80 2,93 0,087 0,002 20,7
Như vậy, bằng các phương pháp nghiên cứu đặc trưng xúc tác như XRD, SEM, EDX cho thấy tinh thể có dạng hình hộp chữ nhật, độ tinh thể rất cao với kích thước các tinh thể khá đồng đều, không có dấu hiệu của pha lạ, đơn thuần chỉ là sự trao đổi ion Na+ bằng ion H+