Chương 1 .TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Zeolite
1.4.5. Tính chất zeolite
1.4.5.1. Tính hấp phụ của zeolite
Zeolite là vật liệu xốp, có hệ thống Mao quản với kích thước lỗ trống đều đặn và vững chắc, bề mặt trong rất phát triển (diện tích bề mặt bên trong lớn hơn bên ngồi). Do đó zeolite có tính chất hấp phụ và chọn lọc cao.
Hấp phụ là quá trình làm tăng nồng độ chất bị hấp phụ lên trên bề mặt của chất hấp phụ. Vì xeolite có bề mặt trong phát triển, nên hiện tượng hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt trong, tức là phân tử hấp phụ phải đi qua được lỗ trống. Những phân tử có kích thước nhỏ hơn hay bằng kích thước các lỗ trống mới đi vào bề mặt trong được. Những phân tử có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ trống thì bị đẩy ra ngồi, và khơng được hấp phụ trên zeolite. Điều này chứng tỏ đặc tính hấp phụ chọn lọc của zeolite.
Thông thường, trên bề mặt zeolite đã hấp phụ nước và nước lấp đầy khoảng trống bên trong zeolite. Trước khi sử dụng zeolite để hấp phụ các phân tử khác cần tiến hành dehydreta hóa để loại các phân tử nước, thường là sử dụng nhiệt độ kết hợp với xử lý chân không. Lượng chất bị hấp phụ trên zeolite sẽ tùy thuộc vào nhiệt độ, áp suất, bản chất của chất bị hấp phụ và bản chất của loại zeolite.
Các nghiên cứu cịn chỉ ra rằng q trình hấp phụ của zeolite là thuận nghịch. Những phân tử được hấp phụ trên zeolite có thể bị giải hấp phụ mà khơng bị biến dạng. Chính nhờ sự chọn lọc và thuận nghịch, zeolite được sử dụng rộng rãi để phân tách các hỗn hợp chất lỏng hay chất khí (Tuyên, 2004)
1.4.5.2. Tính chất trao đổi ion
Sự xuất hiện của các cation bù trong cấu trúc tạo nên tính trao đổi ion một cách chọn lọc qua zeolite. Các cation bù rất linh động và dễ dàng bị trao đổi với các cation khác. Qua việc trao đổi cation, zeolite có khả năng biến tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
để tạo thành nhiều vật liệu có hoạt tính đa dạng, đáp ứng được nhiều yêu cầu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Thông thường, trong zeolite tự nhiên hay tổng hợp ban đầu đều có cation bù là Na+. Phản ứng trao đổi ion có thể mơ tả như sau:
nNa+ - Zeol- + Mn Mn+ - (Zeol-)n + nNa+
Mn+ là cation kim loại hóa trị n, Zeol là một điểm Mgng điện tích âm trên khung zeolite.
Những ion phổ biến nhất đều dễ dàng trao đổi bằng zeolite. Tuy nhiên, zeolite có hệ thống lỗ trống với kích thước phân tử đồng đều và xác định nên sự trao đổi ion cũng có tính chọn lọc, gọi là hiệu ứng lưới. Hiệu ứng lười này chỉ cho các ion có kích thước bé hơn hay bằng kích thước của lỗ trống trao đổi qua zeolite.
Dung lượng trao đổi ion của zeolite phụ thuộc vào tỷ lệ SiO2/Al2O3. Vì mỗi tứ diện AlO4 trong khung sườn của zeolite có một điểm trao đổi ion. Dung lượng trao đổi ion còn phụ thuộc vào dạng cation trao đổi.
Độ lựa chọn và tải trọng trao đổi ion trên zeolite phụ thuộc vào pH (vì H+ là ion cạnh tranh), nhiệt độ và đọ hoạt hóa của nước. Các cation cạnh tranh, dung môi, sự tồn tại các nhân tạo phức, nồng độ dung dịch, và các anion là những yếu tố có thể thay đổi chất lượng tách các ion trong dung dịch. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đối với zeolite không quá phức tạp, và có thể dự đốn dễ dàng hơn so với các loại nhựa trao đổi ion (vì zeolite có khung sườn chắc chắn hơn).
Sự tạo phức sẽ làm thay đổi rõ rệt tính chất cảu các ion trao đổi. Do đó, zeolite có thể được tái sinh qua việc ngâm trong dung dịch có tác nhân tạo phức bằng zeolite, mà các phương pháp khác không thể đạt được. Dung trọng trao đổi của zeolite sẽ tăng hơn khi ở nhiệt độ cao (Tuyên, 2004)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Tính acid của zeolite giữ vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo chất xúc tác. Nhờ tính acid, zeolite được sử dụng làm xúc tác cho nhiều q trình phản ứng hóa học, đặc biệt trong hóa dầu. Zeolite có vai trị xúc tác đặc biệt với phản ứng cracking, đồng phân hóa và tổng hợp hydrocarbon. Ngồi ra, zeolite cịn được sử dụng trong q trình xúc tiến các phản ứng acid-base và phản ứng của kim loại. Các phản ứng này xuất hiện trên bề mặt trong các lỗ trống của zeolite nên cho khả năng chọn lựa sản phảm tốt hơn.
Tính acid của zeolite xuất phát từ khả năng trao đổi ion. Nếu ion bù là Na+ thì zeolite khơng có tính acid. Nhưng khi Na+ trao đổi với ion H+, thì zeolite lại trở nên có tính acid. Khi xử lý zeolite với một acid (HCl, H2SO4,...) thì có thể chuyển zeolite thành dạng acid:
Na+-Zeol + H+ H+-Zeol + Na+
Zeolite cũng có thể thành dạng acid khi ion Na+ được trao đổi với cation đa hóa trị trong mơi trường nước (vì ở trong nước, các ion thường tồn tại dưới dạng hydrat), sau đó xử lý nhiệt sản phẩm thu được:
2Na+-Zeol + Mg(H2O)2+ Mg(H2O)2+-(Zeol)2 + 2Na+ Mg(H2O)2+-(Zeol-)2 Mg(OH)+-Zeol- + H+-Zeol-
Độ acid của zeolite cũng phụ thuộc vào tỉ lệ số Si/Al trong zeolite. Nếu tỉ số này cao thì eolite có tính acid mạnh và ngược lại (Tuyên, 2004).
1.4.5.4. Tính bền nhiệt và bền hóa
Zeolite có khung mạng cứng chắc và bền vững, nên zeolite bền với nhiệt, tác dụng oxy hóa-khử, bức xạ ion và khó bị mài mịn vật lý do các tác nhân thẩm thấu hơn so với các loại nhựa trao đổi ion hữu cơ. Do đó, tính trao đổi ion của zeolite tương đối ổn định và dễ dự đoán hơn trong khoảng nhiệt độ và lực ion rộng hơn so với các vật liệu trao đổi ion khác. Zeolite không bị nhiễm bẩn và không hấp thu các ion vô cơ thường bị mất các nhóm chứ do phản ứng thủy phân chậm. Vì các zeolite được tổng hợp ở điều kiện pH cao và nhiệt độ cao nên bền ở điều kiện đó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hạn chế chủ yếu của zeolite là sự kém bền trong môi trường acid. Mặc dù có một số loại zeolite được sử dụng ở pH khá thấp (pH = 2), nhưng zeolite chỉ được sử dụng thích hợp ở pH lớn hơn 6. Sự trao đổi proton và sự thủy phân nhôm trong cấu trúc zeolite xảy ra ở pH thấp làm cho dung lượng trao đổi ion giảm. Hiện tượng này dễ xảy ra khi tỉ lệ SiO2/Al2O3 thấp và ở nhiệt độ cao. Vì vậy, zeolite cần được thử nghiệm khi sử dụng ở pH thấp (Tuyên, 2004).