Ứng dụng của zeolit

Việc tìm ra zeolit và tổng hợp được chúng đã tạo ra bước ngoặt lớn trong công nghiệp hóa chất nói chung và công nghiệp lọc hóa dầu nói riêng và các ngành nghề khác như nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, y tế...

1.7.1. Ứng dụng trong công nghiệp

- Ứng dụng zeolit trong sản xuất chất giặt rửa : ứng du ̣ng zeolit trong sản xuất chất giă ̣t rửa chủ yếu là khai thác tính chất trao đổi cation của nó [7,28].Từ trước tới nay, các chất phụ gia trợ lực giặt rửa thường được sử dụng là natri-tripolyphotphat (STPP). Tuy nhiên, khi sử dụng phụ gia STPP, nước thải sau khi giặt rửa chứa một lượng lớn hợp chất photpho tạo ra từ STPP.Chất thải này gây ô nhiễm nguồn nước thải, làm hại môi trường sống của các sinh vật sống dưới nước và con người. Từ những năm 1980 trở lại đây người ta đã quyết định thay thế dần hoặc chuyển hẳn sang sử dụng zeolit thay thế cho việc dùng tripoly photphat. Zeolit, với công thức cấu tạo (Na2O. Al2O3. 2SiO2. mH2O) có khả năng trao đổi ion lớn gấp 2 lần khả năng tạo phức của STPP.Ngoài ra, trong thành phần của zeolit không chứa các nguyên tố dinh dưỡng nên không làm ảnh hưởng xấu đến môi trường nước thải khi giặt rửa.Nhờ thế, phụ gia tăng cường giặt rửa trên cơ sở zeolit có ưu thế hơn hẳn STPP về mặt bảo vệ môi trường.

- Ứng dụng zeolit làm chất xúc tác : zeolit tham gia vào hầu hết quá trình sản xuất xăng từ dầu mỏ , quá trình chuyển hóa metanol thành xăng [35]...Những ưu điểm của zeolit làm tăng khả năng ứng dụng của zeolit bao gồm:

24

+ Zeolit có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao;

+ Tính chất hấp phụ của zeolit có thể kiểm soát được và có thể biến đổi từ vật liệu ưa nước đến vật liệu kị nước;

+ Những trung tâm hoạt động trong mạng lưới có thể thay đổi về nồng độ và cường lực tương ứng với yêu cầu của nhiều phản ứng khác nhau;

+ Kích thước của các mao quản và cửa sổ trong zeolit tương thích với nhiều loại phân tử thường gặp trong thực tế công nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp hóa chất, đồng thời trong hệ thống vi mao quản của zeolit tồn tại trường điện mạnh có thể phối hợp với tính chất điện tử của phân tử phản ứng tạo thành nguồn năng lượng hoạt hóa phản ứng đến mức mong muốn;

+ Cấu trúc mao quản và cửa sổ của zeolit tạo nên tính chất lựa chọn hình dạng đối với cả phân tử phản ứng theo hướng mong muốn và tránh được những phản ứng phụ, nhờ thế giảm nhẹ việc tinh chế sản phẩm, giảm phế thải, nâng cao hiệu quả kinh tế;

+ Zeolit chịu được những điều kiện công nghiệp khắc nghiệt, vì có độ bền nhiệt và bền thủy nhiệt cao nhờ khả năng biến tính rộng rãi của chúng.

+ Bản thân zeolit không độc, có thể tách ra khỏi môi trường phản ứng và tái sinh để sử dụng lại và không gây ra ăn mòn thiết bị [36].

- Ứng dụng zeolit để đi ều chế cồn tuyê ̣t đối và s ản xuất nhiên liê ̣u s ạch [5,28,29]: có thể sử dụng zeolit 3A làm chất hấp phụ chọn lọc nước để thu được cồn tuyệt đối từ cồn công nghiệp. Tính chất này của zeolit cũng có thể ứng dụng để sản xuất nhiên liệu sạch.

- Ứng dụng zeolit trong các quá trình làm khô : nước bi ̣ hấp phu ̣ trên zeolit dễ dàng loại bỏ bằng cách đun nóng và vẫn có thể tái sử du ̣ng la ̣i nhiều lần.

- Sử du ̣ng zeolit trong tàng trữ nhiê ̣t năng [28]: zeolit có thể hấp phu ̣ mô ̣t lươ ̣ng nước rất lớn, khi đun nóng zeolit các phân tử nước thoát ra ngoài ma ̣ng lưới đồng thời nhiê ̣t năng được giữ la ̣i trong zeolit , đó là quá trình thu nhiê ̣t . Khi zeolit hấp thu ̣ la ̣i nước, thì nhiệt năng được giải thoát, đó là quá trình phát nhiê ̣t.

- Ứng dụng để loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds - VOCs) như toluene, fomadehit, acetandehit … đây là các chất gây ô

25

nhiễm điển hình từ gỗ dán, ván dăm và keo dán giấy tường. Khi hít phải hay tiếp xúc với VOCs gây ra các triệu trứng cho con người như kích thích mắt và đường hô hấp, buồn nôn, nhức đầu [41]… Có thể sử dụng zeolit để hấp phụ các chất thải độc hại này.Bản thân zeolit không độc nên rất an toàn khi sử dụng.

- Ứng dụng của zeolit trong phân tách hỗn hợp và tinh chế : đối với các phân tử có kích thước khác nhau và tính chất điê ̣n tử khác nhau , zeolit có ái lực khác nhau, do đó có thể dùng zeolit để tách và tinh chế các hỗn hợp và các hợp chất mô ̣t cách thuận tiê ̣n [28].

1.7.2. Ứng dụng trong nông nghiệp

- Zeolit làm tăng hiê ̣u quả phân bón và tơi xốp đất canh tác [16,28]: do khả năng trao đổi ion , zeolit khi đươ ̣c thêm vào phân bón có tác du ̣ng giữ la ̣i nit ơ dưới dạng NH4+ và cationK+, cũng như các cation canxi , magievà các nguyên tố vi lươ ̣ng, vì thế giảm khả năng bị rửa trôi , mất mát chất dinh dưỡng , tăng khả năng hấp phu ̣ phân bón của cây trồng.

- Zeolit trong nuôi trồng thủy canh : người ta đã nghiên cứu viê ̣ c loa ̣i NH4+

qua trao đổi ion trên zeolit, phương pháp này có giá thành rẻ mà la ̣i hiê ̣u quả [2,28]. - Zeolit trong chăn nuôi gia súc : zeolit tự nhiên vừa dùng làm thức ăn bổ sung khoáng vi lượng nuôi dưỡng gia súc, gia cầm,nuôi trồng thủy sản,vừa làm chất đệm chuồng nuôi gia súc,gia cầm,nó hút mùi hôi thối,diệt khuẩn,vừa làm chất lọc nước sạch môi trường nuôi trồng thủy sản [15].

1.7.3. Ứng dụng trong xử lí ô nhiễm môi trƣờng

- Khử các chất phóng xa ̣ như cesi và stronti trong công nghiê ̣p nguyên tử: do đô ̣ bền zeolit cao nên chúng có những ưu thế nổi bật trong việc tách và tinh chế các chất phóng xa ̣ [28].

- Xử lý các kim loại trong nước [2,8,12,14,26,28,45,48,54]: dựa vào đặc điểm của zeolit có khả năng trao đổi ion, khả năng hấp phụ, zeolit tự nhiên và zeolit tổng hợp được sử dụng để xử lý các cation độc hại trong nước như NH4+, Cu2+, Ca2+,Pb2+, Zn2+vì trong zeolit tổng hợp thường có chứa các kim loại kiềm (ví dụ Na+) dễ dàng trao đổi ion với cation khác, ngoài ra zeolit có khả năng hấp phụ

26

lớn, bền và an toàn với môi trường.Đặc biệt zeolit có thể dùng để xử lí nước nhiễm phóng xạ 137Cs do zeolit có đặc tính quí báu không bị phá hủy bởi tia phóng xạ [10]. - Loại bỏ, thu hồi, tách kim loại và xử lí các chất hữu cơ : zeolit có đô ̣ lựa chọn cao đối với nhiều kim loại nặng . Do đó, zeolit làchất trao đổi ion để thu hồi các kim loại quý [28].

- Xử lý nước thải: do bề mặt riêng lớn của các zeolit tự nhiên như Mordenit, Clenoptilonit nên khả năng “giữ bẩn” của zeolit là lớn. Ví dụ, Clenoptilonit có thể lọc không những hạt huyền phù lớn mà cả hạt keo có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ. Nó có thể lọc được nước có độ đục cao 30 – 70 mg/l. Ngoài ra còn có thể lọc vi khuẩn.

- Xử lý khí thải: Sử dụng xúc tác CuZSM-5, hoặc zeolit trong bộ 3 lớp để loại chất thải độc hại. Ngoài ra còn có zeolit cùng một số nguyên tố: Co, La, Nd mang trên zeolit cũng có khả năng xử lý chất thải [22].

1.7.4. Ứng dụng trong y dƣợc

- Tái sinh các dung dịch chất thẩm tích của thận nhân tạo : zeolit có thể hoàn thiê ̣n khả năng của zirconi phosphat trong quá trình tái sinh sản phẩm thẩm tích .

- Làm giàu oxi từ không khí : zeolit có thể h ấp phụ nitơ mạnh hơn oxi , mă ̣t khác nó còn có khả năng hấp phụ một số tạp chất và lượng ẩm ra khỏi không khí , vì vâ ̣y dòng khí sau khi đi qua zeolit sẽ là mô ̣t dòng khí giàu oxi tốt cho sức khỏe [28].

- Khả năng kháng khuẩn của zeolit [28].

- Tác dụng trong thẩm tích máu và truyền máu [28].

1.8. Giới thiệu về trấu và tro trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ [44,57].

Việt Nam là nước nông nghiệp và cây lúa đã gắn liền với đời sống người dân bao đời nay. Sau mỗi vụ thu hoạch, vỏ trấu có khắp nơi được người nông dân tận

27

dụng làm chất đốt, trộn với đất sét làm bếp lò, xây vách hoặc đổ đống góc vườn chờ lâu ngày thành phân bón.Ở các nước sản xuất gạo khác như Mỹ, Philippin, Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan…Vỏ trấu được tận dụng tối đa và được sản xuất tạo ra những sản phẩm có giá trị.Tại Mỹ có nhà máy AgritTecSorbents LSS Plant hoạt động vào năm 2002, nhà mày này sử dụng nguyên liệu vỏ trấu để sản xuất than hoạt tính và silicagen. Tại Philippin, Ấn Độ, Nhật, Thái Lan vỏ trấu được nhiệt phân và được sử dụng bón trực tiếp cho cây lúa. Đặc biệt ở Nhật Bản, tro trấu đã được sử

dụng từ những năm 1910.Tro trấu có chứa trên 80% là silic oxit. Người ta tiến hành

chiết SiO2 bằng dung dịch NaOH hoặc dung dịch axit. SiO2 được chiết từ tro trấu được ứng dụng trong rất nhiều trong các lĩnh vực như:

+ Cung cấp silic cho quá trình tổng hợp zeolite [44,48]: Do hàm lượng silic oxit trong tro trấu khá cao chiếm trên 80% khối lượng, hơn nữa silic oxit được tách từ tro trấu tồn tại dưới dạng vô định hình nên quá trình tổng hợp zeolit diễn ra thuận lợi hơn so với khi dùng silic oxit được tách từ khoáng sét, cao lanh … do silic oxit trong các vật liệu này tồn tại dạng tinh thể.

Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu ở các nước như: Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan… đã tổng hợp thành công zeolit từ tro trấu. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các đề tài nghiên cứu tổng hợp zeolit từ tro trấu chưa nhiều, chủ yếu tập trung nghiên sử dụng trực tiếp tro trấu làm phân bón, chất đốt, chế tạo than hoạt tính… Do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: Tổng hợp zeolit từ tro trấu và nghiên cứu tính chất của chúng, để một lần nữa khẳng định cây lúa ngoài việc cung cấp lương thực, thực phẩm cho con người thì vỏ trấu (phế phẩm được thải ra trong quá trình xay xát lúa) còn có nhiều ứng dụng thực tế khác, góp phần nâng cao giá trị kinh tế cây lúa – một loại cây lương thực chủ yếu của Việt Nam.

+ Làm nhiên liệu cung cấp nhiệt:Không những trấu được sử dụng làm chất đốt trong sinh hoạt hàng ngày mà còn được sử dụng như là một nguồn nguyên liệu thay thế cung cấp nhiệt trong sản xuất với giá rất rẻ. Trung bình 1kg trấu khi đốt sinh ra 3400 kcal bằng 1/3 năng lượng được tạo ra từ dầu nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần [57].

28

+ Sản xuất chất cách nhiệt: Aerogel là thứ bọt silicon chứa khí, được sản xuất lần đầu năm 1931 với giá tương đương 3.000 USD mỗi kg. Giá cao làm hạn chế phạm vi áp dụng mặc dù khả năng cách nhiệt, nghĩa là ngăn cản truyền nhiệt chênh lệch từ bên này qua bên kia, cao gấp 10 lần các chất cách nhiệt làm từ dầu mỏ. Ngày nay, aerogel đã được sản xuất thành công từ tro trấu, lần đầu tiên được thực hiện ở Đại học công nghệ Malaysia (UTM) bởi nữ giáo sư Halimaton Hamdan, bà đã tách loại thành công hạt tro silic màu trắng hoạt tính cao thu thập từ việc đốt vỏ trấu. Công nghệ mới này làm hạ giá thành aerogel từ 1.300 xuống còn 125 USD mỗi cân Anh, với hiệu suất cách nhiệt cao gấp 37 lần so với lớp sợi thủy tinh.

+ Làm vật liệu xây dựng: Vỏ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh. Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn gạch xây thông thường khoảng 50% ,có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao. Đây là vật liệu thích hợp với các vùng như miền Tây, miền Trung bị ngập úng, lũ lụt và nền đất yếu. Sau khi sử dụng có thể nghiền nát để tái chế lại [57].

+ Chế tạo than hoạt tính:Than hoạt tính được tổng hợp từ vỏ trấu bằng phương pháp hoạt hóa sử dụng các chất hoạt tính như KOH, NaOH, hỗn hợp (NaOH + Na2CO3). Với diện tích bề mặt riêng khoảng 2.000 m2/g và độ xốp cao, than hoạt tính có thể hấp thụ lượng lớn ion đã được áp dụng làm điện cực trong siêu tụ điện hoặc tụ điện lớp kép (EDLC).Ngoài ra, nó còn được sử dụng để hấp thụ các kim loại nặng, các tạp chất bẩn …trong quá trình xử lí nước thải [57].

+ Làm phân bón cho cây trồng:Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh rằng, vỏ trấu nếu được sử dụng hợp lý sẽ là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng rất tốt cho các loại cây trồng. Khi chưa được nhiệt phân, thành phần lignin, cellulose cao trong vỏ trấu sẽ rất khó phân hủy. Khi nhiệt phân, sẽ diễn ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ như lignin, cellulose và để lại một lượng dư các chất dinh

29

magnesium (Mg), và các nguyên tố vi lượng quan trọng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng. Ngoài ra, nó còn có tác dụng diệt trùng và ức chế sự phát triển của các sinh vật gây bệnh cho cây trồng [57].

Chất nền cho các loại phân bón hữu cơ

Khi kết hợp với một số loại phân bón khác, tro trấu sẽ cung cấp nguồn cacbon cho các vi sinh vật đảm bảo sự cân bằng hàm lượng nitơ có trong đất.

Chất cải thiện đất trồng

- Khi sử dụng 130 kg vỏ trấu nhiệt phân trên 1 ha đất sẽ giúp cây lúa sinh trưởng tốt hơn.

- Bảo dưỡng các chất hữu cơ có trong đất là điều kiện cần thiết để duy trì hệ sinh thái đất và tránh nguy cơ suy thái đất trồng nhanh.

- Giúp bổ sung các chất dinh dưỡng kali, phốt pho, magiê, canxi và các nguyên tố vi lượng khác trong đất đã bị mất canh tác liên tục.

- Cải thiện cấu trúc đất bằng cách tăng mật độ tơi xốp, tăng khả năng giữ nước và dưỡng khí.

- Do có độ xốp cao nên cây non khi gieo trồng sẽ mọc rễ nhanh hơn, cây phát triển ổn định và khỏe.

Chất nền diệt khuẩn

- Khi trộn 30% tro trấu với các chất diệt khuẩn, tính kháng khuẩn sẽ tăng lên, ức chế sự phát triển của các sinh vật gây bệnh như E. coli, salmonella, đồng thời vỏ trấu nhiệt phân là môi trường sống tốt cho các loại sinh vật có ích, tăng hiệu quả cho quá trình ủ đất.

- Do có màu đen tự nhiên, vỏ trấu nhiệt phân có tác dụng hấp thụ ánh sáng mặt trời, giữ nhiệt cho đất.

- Do có chứa hàm lượng Si cao, nên khi sử dụng tro trấu, các loại ốc vàng gây hại cho cây trồng có thể bị loại bỏ.

- Tro trấu cũng có thể mang lại lợi ích trong việc trồng cây cảnh. Nó có thể làmcho bệnh nhiễm trùng gây ra bởi các sinh vật ký sinh giảm đi đáng kể.Khi trộn với phân hữu cơ, tro trấu là một chất lý tưởng cho việc nảy mầm của hạt giống cây cảnh.

30

+ Sản xuất sơn nano từ vỏ trấu :PSG – TS Nguyễn Thị Hòa đã nghiên cứu tổng hợp thành công sơn nano từ vỏ trấu có khả năng ứng dụng trong việc sản xuất áo giáp chống đạn có khả năng chống đạn vượt trội hơn so với loại áo giáp được sử dụng hiện nay trên thế giới nhưng trọng lượng nhẹ chỉ bằng 1/3 và giá thành rẻ hơn