Toluen hay cũn gọi là metyl benzen hay phenyl metan, là một chất lỏng trong suốt, khụng tan trong nước. Toluen là một hidrocacbon thơm được sử dụng rộng rói làm dung mụi trong cụng nghiệp, chủ yếu được dựng làm dung mụi để hoà tan nhiều loại vật liệu như: sơn, chất hoỏ học, cao su, mực in, chất kết dớnh. Trong ngành hoỏ sinh, người ta dựng toluen để tỏch hemoglobin từ tế bào hồng cầu.
Toluen là chất dễ bay hơi, dễ chỏy nổ. Chỉ cần một nồng độ nhỏ 1000ppm toluen đó gõy ra cảm giỏc mất thăng bằng, đau đầu. Nếu nồng độ cao hơn cú thể gõy ảo giỏc hoặc ngất.
Oxi húa hoàn toàn toluen – một trong cỏc hợp chất hữu cơ dễ bay hơi hay VOCs là một trong những lựa chọn được tập trung nghiờn cứu trong thời gian gần đõy do tớnh chọn lọc của quỏ trỡnh (khụng tạo cỏc sản phẩm phụ độc hại) cũng như kinh tế cao. Về nguyờn tắc, sản phẩm của phản ứng oxi húa hoàn toàn chỉ là CO2 và H2O.
Cú rất nhiều xỳc tỏc đó được nghiờn cứu. Một cỏch tổng quỏt cú thể phõn chia làm hai loại chớnh:
- Xỳc tỏc của cỏc kim loại quý: Pt, Pd,… - Xỳc tỏc oxit (oxit đơn hay oxit hỗn hợp)
* Xỳc tỏc của cỏc kim loại quý [17]
Xỳc tỏc kim loại quý được nghiờn cứu khỏ nhiều: gồm cỏc kim loại quý như Pt, Pd, Au,… mang trờn cỏc oxit cú diện tớch bề mặt lớn như: Al2O3, SiO2, TiO2,…. Chỳng cú hoạt tớnh tốt nhất và xỳc tỏc hiệu quả cho phản ứng oxi hoỏ VOCs. Xỳc tỏc được nghiờn cứu nhiều nhất là Pt và Pd mang trờn oxit nhụm, được đưa lờn kim loại hoặc ceramic monolit. Trong một vài trường hợp, một lượng nhỏ Pd hoặc Rh được đưa vào để xỳc tiến cho Pt. Tuy nhiờn, nhược điểm của loại xỳc tỏc này là giỏ thành cao, hoạt tớnh xỳc tỏc giảm do sự co cụm thành cỏc hạt lớn hơn cỏc hạt kim loại. Xỳc tỏc này cũn cú thể bị ngộ độc khi trong dũng khớ xử lý cú chứa lưu huỳnh hay phõn tử VOCs cú chứa cỏc halogen.
Phản ứng oxi hoỏ là toả nhiệt. Nhiệt phỏt ra của phản ứng cũng ảnh hưởng tới độ dốc đường cong chuyển hoỏ theo nhiệt độ. Vựng mà trong đú độ chuyển hoỏ tăng theo nhiệt độ gọi là vựng “Lightoff”. Nhiệt độ Lightoff khỏc nhau tuỳ theo khả năng phản ứng của cỏc hidrocacbon. Hoạt tớnh oxi hoỏ giảm theo thứ tự sau: ancol > ete > andehit > anken > aromat > xeton > este > ankan. Vớ dụ trờn xỳc tỏc Pt/Al2O3: benzen cú nhiệt độ bắt đầu oxi hoỏ là 2000C trong khi đú toluen, fomandehit, xeton, propan tương ứng ở 2000C, 1500C, 2500C, 5000C.
* Xỳc tỏc oxit [13, 131]
Cỏc xỳc tỏc oxit hay oxit hỗn hợp cũng được tập trung nghiờn cứu. So với xỳc tỏc kim loại quý, chỳng tỏ ra cú hoạt tớnh kộm hơn. Tuy nhiờn giỏ thành lại hạ hơn nhiều và rất dễ điều chế.
Trong nhúm xỳc tỏc oxit, cú thể phõn thành xỳc tỏc oxit đơn và xỳc tỏc oxit hỗn hợp. Cỏc xỳc tỏc oxit đơn như: V2O5, Cr2O3, MnOx, Co3O4,… Cỏc oxit này cú thể được dựng trực tiếp hoặc mang trờn chất mang cú diện tớch bề mặt lớn như SiO2, α-Al2O3, TiO2,… Được tập trung nghiờn cứu nhiều nhất là cỏc oxit VOx và Cr2O3. Nhỡn chung, cỏc xỳc tỏc oxit đơn cú hoạt tớnh khỏ tốt, tuy nhiờn, trong điều kiện làm việc “khắc nghiệt” – nồng độ VOCs cao, nhiệt độ cao, xỳc tỏc này cú thể giảm hoạt tớnh rất nhanh do sự tạo thành cốc hay cỏc oxit clorua bay hơi làm mất pha hoạt tớnh.
Xỳc tỏc oxit hỗn hợp, đặc biệt là perovskit và spinel [13, 17, 64], là một hướng giải quyết mới, được tập trung nghiờn cứu trong thời gian gần đõy. Perovskit là hỗn hợp oxit cú cấu trỳc lập phương đặc biệt, với cụng thức chung là ABO3, đó được biết đến và nghiờn cứu như chất xỳc tỏc cho nhiều loại phản ứng khỏc nhau, do sự phong phỳ về tớnh chất hoỏ lớ của chỳng. Perovskit cú hoạt tớnh khỏ tốt trong phản ứng oxi húa hoàn toàn VOCs và cú độ bền tốt hơn nhiều so với xỳc tỏc oxit đơn.Trong số hỗn hợp oxit loại perovskit LaMO3, (M = Mn, Cu, Co,…), LaCoO3
đặc biệt triển vọng. Cỏc nghiờn cứu đó chỉ ra rằng, trong điều kiện của cấu trỳc perovskit, cú thể tồn tại cỏc trạng thỏi oxi húa khụng điển hỡnh của kim loại như: Mn4+, Co4+. Sự hỡnh thành của cỏc cặp oxi húa khử Mn4+
/Mn3+, Co4+/Co3+ tạo ra đặc tớnh oxi húa tốt của cỏc perovskit. Sự tồn tại của cỏc trạng thỏi oxi húa khụng điển hỡnh này cũng phản ỏnh sự tồn tại của cỏc lỗ trống oxi trong cấu trỳc. Cỏc lỗ trống oxi này thường được xem như cỏc tõm hấp phụ oxi pha khớ để hỡnh thành cỏc oxi linh động cú hoạt tớnh cao trong phản ứng oxi húa hoàn toàn. Cỏc nghiờn cứu cũng chỉ ra rằng việc thay thế một phần cỏc cation khụng cựng húa trị (K+
, Ca2+,…) vào cỏc vị trớ cation A hay B của cấu trỳc perovskit cú thể cải thiện đỏng kể hoạt tớnh xỳc tỏc của chỳng.