CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát đặc tính của vật liệu hấp phụ
Dựa vào các tài liệu đã dẫn và các cơng trình nghiên cứu trước đó, vật liệu γ- Al2O3 là vật liệu mao quản trung bình [66], sau khi biến tính với CHĐBM âm điện SDS và polyme âm điện PSS có thể thay đổi đặc tính bề mặt nên chúng tơi sử dụng phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X để chứng minh cấu trúc γ-Al2O3 vẫn được giữ vững sau các quá trình xử lý; dùng phương pháp phổ hồng ngoại FTIR để chứng minh sự thay đổi nhóm chức bề mặt của vật liệu sau biến tính và sau hấp phụ xử lý amoni.
3.1.1. Xác định cấu trúc γ-Al2O3 bằng phương pháp XRD
Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể với độ tin cậy cao [7]. Nguyên lý của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ. Đối chiếu hình ảnh pic phổ thu được với ngân hàng dữ liệu sẽ xác định được cấu trúc của vật liệu.
Giản đồ XRD của vật liệu γ-Al2O3 sau khi hấp phụ amoni được cho ở Hình 3.1.
Hình 3.1. Khảo sát cấu trúc γ-Al2O3 sau khi hấp phụ amoni bằng phương pháp XRD
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - gamma-Al2O3
00 -0 29-1 48 6 ( D) - A lu min u m O xide - g am ma -A l2O3 - Y : 8 0.8 8 % - d x by: 1. - W L : 1.5 40 6 -
File : N go cAn h K2 5 g am ma A l2O 3 .raw - T yp e : 2 Th/Th lo cked - S tar t: 1 0.0 00 ° - E nd : 7 9 .9 9 0 ° - S tep : 0.0 30 ° - Ste p tim e: 0.3 s - Te mp .: 25 °C ( Roo m) - Tim e S tar te d: 1 4 s - 2 -Th e ta: 10 .00 0 ° - The ta : 5.0 00 ° - Ch i: 0.0 0 ° - Phi :
L in ( C p s) 0 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale 1 0 20 30 40 5 0 60 70 80 d = 6 .1 7 1 d =2 .8 7 9 d = 2 .2 6 1 d =1 .9 7 7 d =1 .8 3 5 d = 1 .7 9 4 d =1 .6 8 0 d= 1 .6 1 2 d = 1 .5 1 8 d = 1 .4 7 3 d =1 .4 0 0 d = 1 .3 3 4 d =1 .2 8 5 d = 1 .2 5 5 d =1 .2 3 1 d =2 .4 2 5 d = 2 .3 4 9 d = 2 .1 0 2
Giản đổ XRD của γ-Al2O3 có góc qt 2θ thay đổi từ 20 ÷ 800, khi đó xuất hiện các pic có cường mạnh nhất trùng với phổ chuẩn của γ-Al2O3 (theo Crystallography
Open Database) là 390, 460 và 670, pic có cường yếu là 210, 320 và 600 chứng tỏ vật liệu chứa chủ yếu là dạng γ-Al2O3.
Như đã trình bày tại Mục 1.6.1, γ-Al2O3 vốn có cấu trúc Spinel khuyết thiếu, cấu
trúc này dễ bị thay đổi để trở thành dạng δ, ή, θ hoặc α-Al2O3 khi nung q nhiệt. Đó khơng phải là sự mất nước bay hơi do nhiệt (nhôm oxit luôn chứa một lượng nước nhất định dù được nung tại 10000C trong môi trường chân không [60,68]. Nguyên nhân là do các phân tử nước đã tạo được liên kết hidro bền vững với cấu trúc của Al2O3) mà là do khi đã đạt diện tích bề mặt lớn nhất, số lượng các lỗ trống tối đa, oxit nhôm sẽ bắt đầu bị sập cấu trúc (thiêu kết) dẫn đến giảm cấu trúc vật liệu, trở thành dạng vơ định hình hoặc dạng mạng chặt khít.
Bên cạnh đó, sau khi hấp phụ ion amoni, cấu trúc tinh thể của γ-Al2O3 khơng thay đổi. Từ đó, có thể chứng minh, q trình hấp phụ của amoni lên vật liệu γ-Al2O3 là q trình hấp phụ vật lý, khơng có sự biến đổi hóa học xảy ra dẫn đến sự thay đổi cấu trúc γ-Al2O3 vốn có.
3.1.2. Phương pháp khảo sát bề mặt vật liệu bằng phổ hồng ngoại IR
Để chứng minh sự thay đổi của các nhóm chức trên bề mặt vật liệu khi biến tính nhơm oxit bằng SDS, PSS và khi hấp phụ amoni, nghiên cứu tiến hành chụp phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu vật liệu và mẫu bột NH4Cl, SDS và PSS. Phổ FT-IR được chụp trong dải từ 400 – 4000 cm-1. Năm mẫu vật liệu được tiến hành chụp phổ IR trong cùng điều kiện bao gồm: 1 mẫu nhôm oxit sau khi được xử lý nhiệt, 1 mẫu nhơm sau khi được biến tính SDS (SMA), 1 mẫu nhơm sau khi được biến tính PSS (PMA), 1 mẫu SMA được hấp phụ xử lý NH4+ và 1 mẫu PMA và được hấp phụ xử lý NH4+.
a. Phổ hồng ngoại của vật liệu Al2O3 sau khi hoạt hóa bề mặt bằng xử lý nhiệt
Kết quả chụp phổ hồng ngoại của vật liệu Al2O3 sau khi hoạt hóa bề mặt bằng xử lý nhiệt được thể hiện ở Hình 3.2.
Hình 3.2. Phổ IR của vật liệu γ – Al2O3 sau khi hoạt hóa bề mặt tại phịng thí nghiệm
Từ kết quả thu được ở Hình 3.2 có thể thấy rằng xử lý nhiệt γ-Al2O3 tại phịng thí nghiệm ở 6000C trong 3 giờ là hợp lý. Giai đoạn này giúp γ-Al2O3 tăng diện tích bề mặt, số lượng lỗ trống tăng lên trong khi vẫn giữ nguyên được cấu trúc Spinel khuyết thiếu vốn có. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý hấp phụ ion amoni trong các nghiên cứu ở phần sau.
b. Phổ IR của vật liệu SMA và PMA
Các kết quả chụp phổ hồng ngoại của vật liệu Al2O3 sau khi biến tính bề mặt bằng SDS và PSS được thể hiện lần lượt ở các Hình 3.3 và Hình 3.4.
Hình 3.3. Phổ IR của vật liệu γ – Al2O3 sau khi hoạt hóa bề mặt và biến tính bằng SDS (SMA)
Hình 3.4. Phổ IR của vật liệu γ – Al2O3 sau khi hoạt hóa bề mặt và biến tính bằng PSS (PMA)
Phổ hồng ngoại FT-IR cho thấy sự khác biệt của phổ FT-IR của γ – Al2O3 được biến tính bằng SDS và biến tính bằng PSS so với phổ FT-IR của γ-Al2O3 chỉ được hoạt
hóa bề mặt (Hình 3.2).
Hình 3.3 đã chứng minh q trình biến tính bằng SDS đã làm thay đổi bề mặt của nhơm oxit. Tín hiệu dao động đối xứng ở 2929,87 ; 2964,69 và 2858,51 cm-1của nhóm –CH2– xuất hiện với cường độ yếu trên phổ IR của vật liệu nhơm oxit biến tính. Thêm vào đó, pic phổ dao động đặc trưng của nhóm SO42- trong phân tử SDS ở 1247,0 cm-1(xem phổ IR của SDS ở phụ lục Hình 4.3) biến mất sau khi SDS được mang lên bề mặt của Al2O3.
Tương tự như vậy, kết quả phổ hồng ngoại ở Hình 3.4 chỉ ra rằng PSS cũng đã làm thay đổi bề mặt của nhơm oxit. Tín hiệu dao động đối xứng ở 1639,49 cm-1của nhóm –OH; 1421,51 và 1508,33 cm-1của nhóm –C=C- xuất hiện với cường độ yếu trên phổ IR của vật liệu nhơm oxit biến tính. Thêm vào đó, pic phổ dao động đặc trưng của nhóm SO3H- trong phân tử PSS ở 580,57 – 777,31 cm-1 ( xem phổ IR của PSS ở phụ lục hình 4.2)biến mất sau khi PSS được mang lên bề mặt của Al2O3.
Kết quả phân tích phổ FT-IR của vật liệu Al2O3 sau khi biến tính phần nào đã chứng tỏ SDS và PSS đã được hấp phụ và mang lên bề mặt Al2O3 bằng lực tương tác tĩnh điện và một phần lực tương tác bên cũng như tương tác kị nước của các phân tử chất hoạt động bề mặt SDS và PSS.
c. Phổ FT-IR của vật liệu sau hấp phụ xử lý amoni.
Phổ IR của vật liệu Al2O3 đã được biến tính bề mặt bằng SDS (SMA) và biến tính bề mặt bằng PSS (PMA) được cho ở các Hình 3.5 và 3.6.
Hình 3.5. Phổ IR của vật liệu SMA sau khi xử lý hấp phụ ion amoni
Từ Hình 3.5 và Hình 3.6 thấy rằng pic phổ đặc trưng cho liên kết N-H ở 1402,25 cm-1 xuất hiện với cường độ mạnh trong phổ IR của muối NH4Cl (xem phổ IR của NH4Cl
ở phụ lục Hình 4.1) đã biến mất hồn tồn sau khi hấp phụ trên cả hai loại vật liệu SMA và PMA. Các kết quả này chứng tỏ ion amoni đã bị hấp phụ trên lớp nhơm oxit biến tính có thể do lực tương tác tĩnh điện giữa ion amoni mang điện dương chứa các liên kết N- H và bề mặt mang điện âm của SMA hay PMA.