CHƢƠNG 1 : MỞ ĐẦU
2.2.2. Phƣơng pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolites
2.2.2.1. Giới thiệu về zeolites
Hình 2.7: Cấu tạo phân tử zeolites
Zeolite là các Aluminosilicat tinh thể có cấu trúc khơng gian 3 chiều với hệ thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Hệ thống mao quản (pore) này có kích cỡ phân tử, cho phép chia (rây) các phân tử theo hình dạng và kích thƣớc. Vì vậy zeolites cịn đƣợc gọi là chất rây phân tử.
Thành phần hóa học của zeolite có thể biểu diễn nhƣ sau: (M+)x.(AlO2)x.(SiO2)y.zH2O
Trong đó:
+ M+: là cation bù trừ điện tích khung.
+ z: là số phân tử nƣớc kết tinh trong zeolites.
+ Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là cá`c tứ diện TO4, với T là Al hoặc Si. Có thể biểu diễn đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite nhƣ sau:
Hình 2.8: Cấu trúc cơ bản của zeolites
Việc thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ trong các tứ diện SiO4 dẫn đến dƣ một điện tích âm ở [AlO4]-. Điện tích âm dƣ đƣợc cân bằng bởi sự có mặt của cation M+, gọi là cation bù trừ diện tích khung.
Ngƣời ta tìm thấy 40 cấu trúc zeolites trong tự nhiên khác nhau. Trong khi đó sự phát triển của vật liệu này trong lĩnh vực nhƣ hấp phụ, phân tách, quá trình xúc tác… đem lại những khả năng lớn nhờ các phƣơng pháp tổng hợp zeolites đang đƣợc thực
hiện trong phịng thì nghiệm. Hiện nay có khoảng 200 loại zeolite tổng hợp, tuy nhiên mới chỉ có một lƣợng nhỏ trong số đó đƣợc sử dụng trong cơng nghiệp.
Tính chất chính của zeolite đƣợc thể hiện bởi cấu trúc và hình thái của chúng, tức là sự sắp xếp trật tự của các tứ diện, phần thể tích rỗng, sự tồn tại của các mao quản và các lỗ, kích thƣớc các lỗ và các mao quản. Ngồi ra tính chất của các zeolite cịn phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al (hoặc SiO2/Al2O3) và các cation bù trừ điện tích (K+, Na+…).
+ Phân loại zeolites:
- Phân loại theo kích thƣớc mao quản Zeolite có mao quản rộng: Dmq > 8 Ao
Zeolite có mao quản trung bình: Dmq = 5 ÷ 8 Ao Zeolite có mao quản nhỏ: Dmq < 5 Ao
Trong đó: Dmq là đƣờng kính mao quản.
- Phân loại theo tỷ lệ Si/Al: Cách phân loại này cho ta biết biến đổi tính chất của zeolite.
Loại giàu Al: Theo quy tắc của Lowenstein thì hàm lƣợng Si trong zeolite ln lớn hơn Al, có nghĩa là tỉ lệ Si/Al ln lớn hơn bằng 1. Trong loại giàu Al thì tỉ lệ này bằng 1,1 ÷ 1,2. Mao quản của zeolites này tƣơng đối lớn.
Loại có hàm lƣợng Al trung bình: Với zeolite loại này tỷ lệ giữa Si/Al từ 1,2 ÷ 2,5.
Loại giàu Si: Loại này có tỷ lệ Si/Al > 2,5 tƣơng đối bền nhiệt nên đƣợc sử dụng nhiều trong q trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt.
- Zeolite A:
Là loại zeolite tổng hợp có cấu trúc dƣới dạng lập phƣơng đơn giản tƣơng tự nhƣ kiểu liên kết trong tinh thể NaCl, với các nút mạng lƣới là các bát diện cụt.
Đối với zeolite A tỷ lệ Si/Al = 1 nên số nguyên tử Si và Al trong mỗi đơn vị Sodalit bằng nhau. Vì vậy với mỗi bát diện cụt đƣợc tạo bởi 24 tứ diện có 48 nguyên tử Oxy làm cầu nối, vậy cịn dƣ 12 điện tích âm. Để trung hịa 12 điện tích âm này ta phải có 12 cation hóa trị 1 hoặc 6 cation hóa trị 2. Trong trƣờng hợp của zeolite A là 12 ion K+ hoặc 6 cation Ca2+.
- Đặc tính kỹ thuật của zeolites 3A:
Là loại zeolite giàu nhôm, tỷ lệ Si/Al thấp.
Cation bù trừ điện tích K+: K12[(AlO2)12.(SiO2)12] Kích thƣớc mao quản: 3 Ao.