Đồ án Tổng hợp vật liệu gamma-Al2O3 MQTB theo phương pháp sử dụng Beomit làm tiền chất vô cơ và axit cacboxylic làm chất định hướng cấu trúc

là một trong những vật liệu quan trọng trong hóa học hấp phụ và xúc tác vì nó có tính chất chọn lọc cao. Các loại vật liệu oxit như oxit silic, oxit nhôm, oxit titan và oxit zircon với kích thước lỗ xốp trung bình có nhiều đặc tính tốt, có thể ứng dụng làm chất mang và chât hấp phụ chọn lọc trong công nghiệp lọc hóa dầu. Vật liệu mesopore là vật liệu có cấu trúc là những lỗ mao quản trung bình, có hệ thống mao quản sắp xếp đồng nhất với kích thước lỗ xốp từ 20-200Å nên nó cho phép các phân tử có kích thước lớn khuyếch tán và chuyển hóa qua mao quản. Vật liệu MQTB đã khắc phục được những hạn chế của các loại zeolite với đường kính mao quản cỡ 10Å. Tuy hoạt tính xúc tác không cao bằng zeolite nhưng độ chọn lọc của nó cao hơn. Việc tìm ra phương pháp tổng hợp họ vật liệu MQTB đầu thập kỷ 90 đã mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực nghiên cứu xúc tác. Họ vật liệu này được ký hiệu là M41S có cấu trúc mao quản với độ trật tự rất cao và kích thước mao quản rất đồng đều. Kích thước mao quản có thể dao động trong khoảng rộng từ 20-100Å, tuỳ thuộc vào điều kiện tổng hợp như: bản chất chất hoạt động bề mặt, bản chất tiền chất vô cơ, nhiệt độ phản ứng... Họ vật liệu này gồm nhiều dạng: MCM-41 (cấu trúc lục lăng), MCM-48 (cấu trúc lập phương), MCM-50 (cấu trúc lớp mỏng). Những năm gần đây, các nhà khoa học đã tổng hợp được họ vật liệu MQTB mới ký hiệu SBA. Vật liệu này có độ trật tự cao, kích thước mao quản có thể lên tới 500Å. Cấu trúc của SBA phụ thuộc chủ yếu vào loại chất hoạt động bề mặt được sử dụng và cho đến nay họ SBA đã có 16 loại từ SBA-1 đến SBA-16. I.3.2 Phân loại vật liệu MQTB Người ta có thể phân loại vật liệu MQTB theo cấu trúc của chúng theo các dạng sau Cấu trúc lục lăng (hexagonal) : MCM-41, SBA-15. Cấu trúc lập phương (cubic) : MCM-48, SBA-16. Cấu trúc lớp mỏng (laminar) : MCM-50. a - Lục lăng b - Lập phương c - Lớp mỏng Hình7: Các dạng cấu trúc của vật liệu MQTB Dựa vào thành phần vật liệu thì chia vật liệu MQTB thành 2 nhóm: Vật liệu MQTB chứa silic : MCM, SBA. Trong nhóm này còn bao gồm các vật liệu MQTB có thể thay thế một phần silic mạng lưới bằng các kim loại khác như Ti, Al, Ru … Vật liệu MQTB không chứa silic: ZrO2, TiO2 … I.3.3. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ của vật liệu MQTB Các loại vật liệu mao quản khác nhau cho dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ cũng khác nhau. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ của vật liệu MQTB không trùng nhau, tạo ra vòng trễ. Hình dáng vòng trễ cho ta những thông tin về hình dáng mao quản. Có rất nhiều loại mao quản và cũng có rất nhiều vòng trễ khác nhau. De Boer đã đề nghị ra 5 dạng vòng trễ khác nhau, nhưng cách phân chia quá phức tạp. Để đơn giản ta chia vật liệu MQTB thành 3 loại dựa theo đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ. Trường hợp mao quản hình trụ hoặc hình khe, ta có đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ trên hình 8a và hình dáng mao quản trên hình 9a. Trường hợp mao quản hẹp phía dưới cho ta đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ trên hình 8b và hình dáng mao quản trên hình 9b. Trường hợp mao quản hình lọ mực trên nhỏ dưới to hay gọi là hình cổ chai thể hiện đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ trên hình 8c và hình dáng mao quản trên hình 9c. a) b) c) Hình 8: Ba dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ của vật liệu MQTB a) b) c) Hình 9: Ba dạng mao quản phổ biến của vật liệu MQTB I.3.4. Thành phần tổng hợp vật liệu MQTB Để tổng hợp được vật liệu MQTB cần ít nhất 3 thành phần sau: A. Nguồn chất vô cơ: Chứa thành phần chính là Silic, nhôm. Đây là thành phần quan trọng trong việc tạo mạng lưới vật liệu mao quản trung bình. Nguồn chất vô cơ chứa Si và Al như đất sét. Từ những nguồn chất vô cơ này người ta điều chế ra vật liệu mao quản trung bình có chứa Si hay vật liệu thay thế một phần Si trong mạng lưới như vanadosilicat, zirconosilicat, borosilicat, titanosilicat, gallosilicat để tăng thêm tính năng ứng dụng của các vật liệu này. B. Chất định hướng tạo cấu trúc: Chất tạo cấu trúc thường là các chất hoạt động bề mặt chứa một đầu ưa nước và một đuôi mạch dài kỵ nước như : Xetyl trimetyl amoni bromua - C12H25N(CH3)3Br, axit tactaric, axit citric,axit lactic, polyme ... Nồng độ của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch là tham số quan trọng cho sự hình thành mixen, hình dạng mixen và sự sắp xếp của mixen thành pha tinh thể lỏng. Chính chất hoạt động bề mặt sẽ hình thành nên cấu trúc của vật liệu. Sự tụ tập chất hoạt động bề mặt tạo mixen dạng que, dạng lớp mỏng hay cấu trúc 3D. Hình 10: Ảnh hưởng của nồng độ chất HĐBM tới sự hình thành cấu trúc Tại nồng độ thấp các phân tử chất hoạt động bề mặt tồn tại ở dạng monome riêng biệt. Khi tăng nồng độ đến một giá trị nhất định, các phân tử chất hoạt động bề mặt bắt đầu tự sắp xếp thành các mixen hình cầu. Nồng độ tại đó các mixen bắt đầu hình thành gọi là nồng độ mixen tới hạn. Khi nồng độ tiếp tục tăng sẽ tạo thành các mixen hình trụ và cuối cùng là các pha tinh thể lỏng dạng lục lăng, lập phương hoặc dạng lớp . Trong một số trường hợp khác có thể hình thành pha tinh thể lỏng dạng lập phương trước khi hình thành pha tinh thể lỏng dạng lớp. C. Dung môi: Dung môi là thành phần không thể thiếu trong tổng hợp vật liệu mao quản trung bình. Dung môi có tác dụng hoà tan chất hoạt động bề mặt, hay tạo với chất hoạt động bề mặt hỗn hợp nhũ tương để dễ dàng tạo liên kết giữa tiền chất vô cơ và mixen. Đã có rất nhiều dung môi được sử dụng dựa trên đặc tính của dung môi đó là: dung môi phân cực dễ hoà tan những hợp chất phân cực và ngược lại, dung môi không phân cực dễ hoà tan những hợp chất không phân cực. Trong sản xuất công nghiệp cần quan tâm tới giá thành, độ phân cực, dễ kiếm, ít độc hại... để sử dụng cho hợp lý và tối ưu nhất như thế sẽ tạo ra các sản phẩm mong muốn và có giá thành vừa phải. Các loại dung môi thường được sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu mao quản trung bình đó là: nước, etanol, 1,3,5-trimetylbenzen,...... I.3.5. Cơ chế hình thành cấu trúc vật liệu MQTB Hiện nay có rất nhiều cơ chế được đưa ra để giải thích quá trình hình thành các vật liệu MQTB. Các cơ chế đều khẳng định một đặc điểm chung là sự tương tác của các chất HĐBM với các tiền chất vô cơ trong dung dịch . Chất hoạt động bề mặt + Tiền chất vô cơ = Vật liệu MQTB Hình11: Cơ chế tổng hợp vật liệu MQTB Do có nhiều loại tương tác khác nhau giữa các tiền chất vô cơ với các chất HĐBM dẫn đến các cơ chế tổng hợp khác nhau, phương pháp tổng hợp khác nhau và kết quả là tạo ra các hợp chất MQTB có hình dáng và kích thước mao quản khác nhau. Có một số cơ chế như : A. Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng (Liquid Crystal Templating) Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng được các nhà nghiên cứu của hãng Mobil-Oil đưa ra để giải thích cho sự hình thành của họ vật liệu mao quản trung bình M41S. Cấu trúc vật liệu MQTB phụ thuộc vào độ dài của mạch cacbon cũng như nhóm chức của chất HĐBM, phụ thuộc vào nồng độ của chất HĐBM. Theo cơ chế này trong dung dịch các chất HĐBM tự sắp xếp thành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các đầu ưa nước của các phân tử chất HĐBM và đuôi mạch hydrocacbon dài kỵ nước hướng vào phía trong. Những mixen ống này đóng vai trò chất tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tinh thể dạng lục lăng Hình12: Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với các đầu phân cực của chất HĐBM thông qua các tương tác tĩnh điện (S+I-, S-I+, trong đó S là chất HĐBM, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hydro (S0I0) và hình thành nên lớp màng silicat xung quanh mixen ống. Quá trình polymer hoá ngưng tụ silicat tạo nên tường vô định hình của vật liệu oxyt silic MQTB. Cơ chế này được thể hiện theo đường (1). Nhưng trong những nghiên cứu về cơ chế hình thành bằng các phương pháp hiện đại thì người ta đã đưa ra cơ chế hình thành cấu trúc tinh thể lỏng là theo đường (2), vì nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp hơn nhiều so với nồng độ mixen tới hạn. Như vậy, các mixen ống không tự sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lỏng mà cấu trúc này chỉ hình thành sau khi thêm tiền chất vô cơ, trong nghiên cứu này nguồn chất vô cơ là silicat, và các silicat ống hình thành sau khi thêm nguồn silicat sẽ tự sắp xếp thành cấu trúc lục lăng. B. Cơ chế sắp xếp silicat ống (Silicate Rod Assembly) Bằng việc nghiên cứu phổ cộng hưởng từ hạt nhân 14N, David thấy rằng không xuất hiện pha tinh thể lỏng trong quá trình tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41. Do vậy người ta giả thiết rằng ban đầu 2 hoặc 3 lớp mỏng silicat phủ lên trên mỗi mixen ống chất hoạt động bề mặt riêng biệt, các ống này bắt đầu sắp xếp hỗn loạn, sau đó mới sắp xếp thành cấu trúc lục lăng, thực hiện quá trình gia nhiệt và làm già để ngưng tụ silicat sẽ tạo thành hợp chất MQTB MCM-41 (hình 13). Hình 13: Cơ chế sắp xếp silicat ống C. Cơ chế tạo lớp silicat trung gian (Silicate Layer Intermediate) Silicat tập hợp thành các lớp và giữa bề mặt tiếp xúc của các ống hình trụ có tương tác. Cơ chế gồm các giai đoạn sau: hỗn hợp ban đầu có cấu trúc lớp mỏng được hình thành từ lực tĩnh điện giữa các anion silicat và cation chất hoạt động bề mặt. Khi các phân tử silicat ngưng tụ, làm mật độ điện tích của chúng giảm. Cùng với quá trình này, các lớp silicat bị uốn cong để cân bằng mật độ điện tích với nhóm chức của chất hoạt động bề mặt. Do đó cấu trúc MQTB lớp mỏng chuyển hoá thành cấu trúc mao quản trung bình lục lăng . . Hình 14: Cơ chế tạo lớp silicat trung gian D. Cơ chế silicate gấp (Silicate Layer Puckering) Thay bằng sự tạo thành của các que mixen được bao bọc bởi chất vô cơ, Steel et al đưa ra nhận định rằng những que mixen hình trụ sắp xếp vào giữa những lớp chất vô cơ. Khi già hóa hỗn hợp, các lớp vô cơ sẽ dúm dó lại và phá vỡ mixen, sau đó chuyển thành cấu trúc MQTB chứa chất hoạt động bề mặt . Hình 15: Hình minh họa sự co lại của các lớp chất vô cơ E. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc (Cooperative Templating) Steel nhận thấy ở điều kiện nhiệt độ thấp và độ pH cao (xấp xỉ 14) và khi có mặt silicat thì các phân tử chất hoạt động và silicat đồng tập hợp tạo ra tinh thể lỏng dạng lục lăng. Sấy và nung pha trên sẽ tạo ra vật liệu MQTB Hình 16: Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc Các cơ chế này đều dựa trên sự tương tác của chất HĐBM với nguồn chất vô cơ. Tùy theo chất HĐBM mà có sự tương tác khác nhau do đó đặc tính, cấu trúc khác nhau được hình thành. I.3.6. Chất định hướng tạo cấu trúc Định hướng tạo cấu trúc là quá trình các oxit tổ chức thành mạng lưới tinh thể xung quanh các cấu trúc trung tâm tạo ra bởi các chất hữu cơ. Trong trương hợp đơn giản nhất là vật liệu mao quản có cấu trúc tương tự như dạng hình học của phân tử hữu cơ. Trường hợp khác là các phân tử hữu cơ tổ hợp thành các cấu trúc khác nhau (các phân tử hữu cơ này là các chất HĐBM có phân tử lượng lớn hình thành nên vật liệu MQTB). Hai trường hợp này được minh họa ở hình 17 Hình17 : Sự hình thành nên mạng lưới vi mao quản sử dụng tác nhân tạo cấu trúc amin bậc bốn có chuỗi alkyl ngắn (a) và sự hình thành mạng lưới vật liệu MQTB sử dụng chất tạo cấu trúc có chuỗi alkyl dài (b) Một trong những đòi hỏi quan trọng nhất trong việc tổng hợp các vật liệu MQTB là việc sử dụng các chất HĐBM làm chất định hướng tạo cấu trúc để tạo ra những lỗ xốp có cấu trúc và kích thước mong muốn. Nhứng nghiên cứu gần đây nhất tập trung vào việc tìm ra những chất tạo cấu trúc mới hoặc sử dụng hỗn hợp một số chất tạo cấu trúc, thường các polyme để tạo ra những lỗ xốp dạng hexagonal (lục lăng) và cubic (lập phương) hoặc những lỗ xốp không gian có trật tự và lặp lại. A. Vai trò của chất định hướng tạo cấu trúc Chất định hướng tạo cấu trúc giữ các vai trò sau: Tổ chức mạng lưới thông qua việc lấp đầy các lỗ xốp, làm cân bằng điện tích. Tạo nên hình thái cấu trúc cho các kênh mao quản thông qua hình dạng, kích thước của chúng. Làm giảm thế hoá học của mạng lưới hình thành nhờ tạo nên các tương tác với các chất vô cơ (liên kết hydro liên phân tử, tương tác tĩnh điện... B. Điều kiện đối với chất định hướng tạo cấu trúc Chất định hướng tạo cấu trúc trong vật liệu MQTB là các chất HĐBM có một đầu phân cực ưa nước và một đuôi dài kị nước. Nó cần phải thỏa mãn các điều kiện sau : Có khả năng hòa tan tốt trong dung dịch Bền dưới các điều kiện tổng hợp Có khả năng làm bền mạng lưới mao quản được hình thành Tách khỏi vật liệu mà không phá hủy khung. C. Phân loại chất định hướng tạo cấu trúc Chất định hướng tạo cấu trúc rất đa dạng và được phân loại theo phần tích điện của chúng. Thường được chia làm ba loại sau: Loại cation: Thường là các muối amin như xetyl trimetyl amoni bromua C16H33(CH3)3NBr. Loại anion: Các hợp chất hữu cơ chứa nhóm SO3- Loại không ion: các ankylpoly (etylen oxyt), như C16H33(CH2CH2O)20, hay các copolyme chứa các chuỗi polyetylen oxyt và polypropylen oxyt. Hình 18: Một số dạng hình học chính của các mixen chất HĐBM: Hình cầu (MIC), hình trụ (CYL), lớp (LAM), dạng lớp uốn (MLAM), dạng lớp có các lỗ hình trụ (HPL), 3D (Ia3d), các hình trụ sắp xếp có trật tự (HEX), lập phương (BBC) D. Các phương pháp loại chất tạo cấu trúc Để tạo ra hệ thống mao quản thì cần loại bỏ chất tạo cấu trúc chiếm đầy khoảng trống bên trong. Có rất nhiều phương pháp loại bỏ chất tạo cấu trúc như: Nung vật liệu; Chiết dung môi; Dùng lò vi sóng; Sau khi đã hình thành cấu trúc, các chất HĐBM sẽ được loại bỏ nhờ phản ứng phân huỷ nhiệt là chủ yếu (nung ở nhiệt độ cao). Ví dụ quá trình loại chất tao cấu trúc trong SBA-15 I.4. Ứng dụng của nhôm oxit I.4.1. Ứng dụng của Al2O3 nói chung. Các ứng dụng quan trọng của ôxit nhôm là làm chất hấp phụ, chất xúc tác hoặc chất mang xúc tác. Trong đó, ứng dụng quan trọng nhất là làm chất mang xúc tác. Tuỳ lĩnh vực sử dụng và dạng Al2O3 được sử dụng mà nó là chất mang xúc tác trơ, có tương tác với nền hay chất mang đa chức năng. Khi được sử dụng làm chất mang trơ, người ta thường dùng chủ yếu là dạng alpha vì nó có tính trơ hoá học, bền cơ học … nên có thể chịu đựng được những điều kiện môi trường khắc nghiệt. Mặt khác, do có tính chất trơ về mặt hoá học nên nó không gây ra các phản ứng phụ không mong muốn, không làm mất hoạt tính hóa học và tính chất chọn lọc của xúc tác và đặc biệt là không có khả năng gây ngộ độc xúc tác. Đối với chất mang có tương tác với nền, các yếu tố và các quá trình xử lý có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc phân bố, hoạt hoá và tạo độ bền cho xúc tác. Đối với chất mang đa chức năng, ngoài chức năng thông thường như: phân tán pha hoạt động của xúc tác, tăng diện tích tiếp xúc của pha hoạt động xúc tác với môi trường, ngăn cản quá trình thiêu kết và tái kết tinh pha hoạt động, tăng độ bền, tăng khả năng truyền nhiệt của xúc tác…nó còn có vai trò hỗ trợ xúc tác giống như một xúc tác thứ 2. Trong lĩnh vực này, gamma nhôm oxit thường được sử dụng. Một số ứng dụng quan trọng của oxit nhôm trong công nghiệp được tóm tắt trong bảng 1: Bảng 1: Một số ứng dụng của oxit nhôm. Các ứng dụng Vai trò của Al2O3 Ví dụ sản xuất Ankyl hoá Xúc tác Phenol Dehyđrô hoá Xúc tác Axit focmic Isome hoá Xúc tác Chất mang 1- metylxyclohexan Isophtaonitril Hydrô desunfua hoá Chất mang Tinh chế dầu Hyđrô denitơ hoá Chất mang Tinh chế dầu Reforminh và vòng hoá Xúc tác và Chất mang Phenolhydrozon Cyclohexan Cracking Xúc tác và Chất mang Hyđrôcacbon Naphtalen Hyđrô hoá Xúc tác và Chất mang Etyl ete Ancol không no Polyme hoá Xúc tác và Chất mang Xyclolefin Etylenoxit Oxi hoá từng phần Chất mang Etylenoxit I.4.2. Ứng dụng của g- Al2O3. Do có các đặc tính là bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, hoạt tính cao, bền cơ, bền nhiệt nên g- Al2O3 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lọc hóa dầu, xúc tác cho các phản ứng hóa học, chất hấp phụ… a. Ứng dụng trong lọc hóa dầu: Trong công nghệ lọc hóa dầu g- Al2O3 được dùng làm xúc tác để tách các cấu tử không mong muốn, bảo vệ thiết bị lọc dầu, tăng chất lượng sản phẩm. Quá trình Clause, g- Al2O3 được sử dụng nhằm chuyển hóa H2S thành muối sunfua. Trong quá trình xử lý bằng hydro, g- Al2O3 được sử dụng như một chất mang xúc tác để tách các hợp chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh, nitơ Trong quá trình isome hóa, g- Al2O3 làm chất mang để phân tán Pt tạo xúc tác Pt/g- Al2O3 cho phản ứng. Ngày nay Pt/g- Al2O3 cũng được sử dụng làm xúc tác lưỡng chức trong quá trình reforming, trong đó Pt mang chức năng oxy hóa khử, xúc tiến cho phản ứng hydro hóa, dehydro hóa còn Al2O3 là chất mang có tính axit, đóng vai trò chức năng axit – bazơ thúc đẩy phản ứng izome hóa, hydrocracking. b. Ứng dụng làm chất hấp phụ: Do có thể tích mao quản và diện tích bề mặt lớn, một trong những ứng dụng chính của g- Al2O3 MQTB là làm chất hấp phụ. Nhôm oxit có vai trò quan trọng trong việc làm khô chất lỏng và khí, hấp phụ chọn lọc trong ngành xăng dầu Nhôm oxit MQTB có thể hấp phụ hơi nước trong quá trình bảo quản mức độ ẩm của không khí trong các thiết bị, máy móc đặc biệt và kho chứa, làm khô các vật liệu ở nhiệt độ thấp, bảo vệ các tranzito và các phần tử bán dẫn. g- Al2O3 MQTB có thể hấp phụ hỗn hợp của các hydrocacbon nhẹ (C1 – C3), hoặc các khí có nhiệt độ sôi thấp. Để làm giàu và tinh chế các phân đoạn dầu như phân tách các hợp chất vòng từ các parafin hay olefin thì nhôm oxit có thể hấp phụ hỗn hợp các vòng thơm, vòng no. Nhôm oxit cũng có thể hấp phụ hỗn hợp của các hydrocacbon chưa bão hòa có nhiệt độ sôi cao, các hợp chất màu từ sáp, dầu, chất béo Nhôm oxit MQTB hấp phụ hỗn hợp khí có nhiệt độ sôi thấp như: các khí hiếm, không khí, nitơ oxit, metan, axetylen trong quá trình phân tách. Trên thực tế Mitsubishi Heavy Industries đã sử dụng nhôm oxit MQTB cho quá trình thu hồi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Do có diện tích bề mặt lớn mà người ta có thể thực hiện quá trình hấp phụ VOC ở ngay nhiệt độ thường. Sự hấp phụ bão hòa xẩy ra với dòng không khí nóng ở 120 ¸ 1500C I.4.3. Triển vọng phát triển sản xuất g-Al2O3 Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ nước ta có trữ lượng quặng boxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền Nam Việt Nam. Tổng trữ lượng quặng boxit của Việt Nam ước tính khoảng 8 tỷ tấn, trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh Tây Nguyên. Với trữ lượng như vậy, nước ta đứng trong số các nước có trữ lượng bôxit lớn trên thế giới Nước ta nằm trong khu vực có nhu cầu nhập khẩu nhôm vào loại lớn nhất trên thế giới. Hàng năm các nước ASEAN, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan phải nhập trên 4 triệu tấn nhôm, Trung Quốc và Nga nhập 3-4 triệu tấn alumin để điện phân nhôm. Với vị trí địa lý thuận lợi và mối quan hệ kinh tế truyền thống, đây là thị trường khu vực tiềm tàng cho các sản phẩm nhôm của nước ta. Tuy là nước có trữ lượng quặng nhôm khá lớn nhưng nếu chỉ xuất khẩu quặng hoặc các sản phẩm đơn giản thì giá trị kinh tế đạt được không cao. Do đó cần phải nghiên cứu xây dựng các nhà máy chế biến sản xuất các vật liệu nhôm đặc biệt là g-Al2O3. Dưới đây là một số dẫn chứng để thấy rõ giá trị kinh tế khi nghiên cứu và phát triển sản xuất g-Al2O3: Nhà máy lọc dầu số 1 Dung Quất cũng phải nhập nhôm oxit hoạt tính và xúc tác chứa nhôm (nạp máy lần đầu cần ~ 100T g-Al2O3). Trong thời gian tới nước ta sẽ xây dựng thêm một số nhà máy lọc dầu và như vậy nhu cầu về xúc tác g-Al2O3 ngày càng tăng lên. Hiện nay tại Khánh Hoà đang sử dụng g-Al2O3 để Xử lý nước bị nhiễm flo cho nhân dân Ninh Hoà. g-Al2O3 phải nhập hoàn toàn từ nước ngoài. Hiện nay các công trình nghiên cứu về sản xuất xúc tác g-Al2O3 đang được quan tâm đáng kể. Chúng ta hoàn toàn có thể hiện thực hóa các công trình nghiên cứu đó để áp dụng vào thực tế. Dựa trên nguồn tài nguyên quặng nhôm dồi dào chúng ta có thể dùng một phần để sản xuất g-Al2O3 với giá trị kinh tế cao Nghiên cứu về g-Al2O3 không ngừng được mở rộng chính vì thế triển vọng phát triển sản xuất g-Al2O3 ở nước ta là rất lớn. CHƯƠNG II : THỰC NGHIỆM II.1. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT THÍ NGHIỆM Trong đồ án này, em tiến hành điều chế hydroxit nhôm và nhôm oxit từ nhôm phế liệu, các hoá chất và dụng cụ cần thiết như sau: II.1.1. Hoá chất thí nghiệm : Phèn nhôm công nghiệp Dung dịch kiềm NaOH 25%. Chất oxi hóa (H2O2) Các chất hoạt động bề mặt làm tác nhân cấu trúc Dung môi là: nước cất, etanol. Nhôm Al(NO3)3 BaCl2. Giấy lọc. Giấy thử pH II.1.2. Dụng cụ thí nghiệm: Cốc phản ứng các loại 1000ml, 500ml, 200ml, 40ml. Phễu lọc Bucher, bình lọc Thiết bị lọc chân không. Thiết bị khuấy. Tủ sấy, tủ nung Cân phân tích, cân khối lượng lớn Chén,đĩa nung. II.2. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM Bước 1: Tạo dung dịch Natri aluminat: H2O2 Lắng, Lọc Nguyên liệu Nguyên liệu sạch D.D Aluminat NaOH 25% H2O2 Lắng, lọc D.D Aluminat sạch Phèn nhôm được cân theo số liệu tính toán rồi hoà tan vào một nước. Qua quá trình lọc tách thu được nguyên liệu sạch, sau đó cho từ từ dung dịch phèn vào dung dịch NaOH đến khi kết tủa trắng đục tan hết thành dung dịch NaAlO2. Cho dung dịch hydro peroxit (H2O2) vào dung dịch NaAlO2 khuấy đều để H2O2 oxy hóa các hợp chất hữu cơ và các ion Fe2+ thành các ion Fe3+ trong dung dịch. Sau đó dung dịch được để lắng khoảng 24 giờ để các chất không tan dạng keo hoặc hạt lắng hết. Phần dung dịch ở trên được tách ra và lọc bằng phễu Buchner ta thu được dung dịch aluminat natri trong. ở giai đoạn này pH > 12 để toàn bộ các ion như Cu2+, Fe3+, Cr3+, Pb2+, Zn2+, Co2+, Mn2+, Ni2+, Mg2+ có thể tạo kết tủa dạng hydroxit, lắng xuống và bị loại khỏi dung dịch vì trong các ion trên thì tích số tan của Fe(OH)3 là bé nhất (= 4.10-38), tích số tan của Mg(OH)2 là lớn nhất (= 4.10-12) nên ở pH = 12 thì ion Mg2+ có thể bị loại tối đa và như vậy các ion còn lại có tích số tan nhỏ hơn cũng sẽ bị loại. Bước 2: Điều chế nhôm oxit Sấy 110oC Beomite DD Aluminat 180oC(3h)–230oC(3h)-500oC(5h) Beomite khô γ-Al2O3 Beomite Al(NO3)3 Nung Chất tạo cấu trúc Già hóa 80oC – 24h Nhôm nitrat được hòa tan trong nuớc, hòa tan chất tạo cấu trúc trong dung môi và cho vào dung dịch Nhôm nitorat , khuấy để đạt độ đồng đều, sau đó cho phản ứng với dung dịch aluminat tạo boehmit. Sản phẩm thu được để già hóa ở 80oC trong vòng 24h. Sau đó, đem lọc lấy sản phẩm, quá trình lọc, rửa sản phẩm nhiều lần và thử kiểm tra nồng độ gốc sulfat bằng BaCl2. Sản phẩm rắn thu được từ quá trình lọc rửa đem sấy ở 110oC trong vòng 5h, tiếp tục nung ở 180oC trong vòng 3h, 230oC trong 3h, 500oC trong 5h thu được sản phẩm là γ-Al2O3. II.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU Có nhiều phương pháp để nghiên cứu đặc trưng của MQTB oxit nhôm như: phương pháp nhiễu xạ tia X để nghiên cứu định tính pha tinh thể, phương pháp hiển vi điện tử để nghiên cứu bề mặt kích thước hình dạng vi tinh thể, phương pháp giải hấp phụ NH3 theo chương trình nhiệt độ để tính tâm axit, phương pháp BET xác định bề mặt riêng và phân bố lỗ xốp của chất mang và xúc tác, phương pháp phân tích nhiệt. Trong phạm vi đồ án này ta chỉ áp dụng các phương pháp sau. II.3.1. Nghiên cứu định tính pha tinh thể bằng nhiễu xạ Rơnghen Phương pháp nhiễu xạ tia X hay còn gọi là phương pháp nhiễu xạ Rơnghen là một phương pháp hiện đại, được ứng dụng một cách phổ biến để nghiên cứu vật liệu có cấu trúc tinh thể. Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một qui luật nhất định. Khi chùm tia Rơnghen hay còn gọi là tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Mà các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt song song nên hiệu quang trình của 2 tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính như sau: D = 2d. sinq. Trong đó: d: là khoảng cách giữa 2 mặt phẳng song song q: là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ. Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên 2 mặt phẳng cùng pha thì hiệu quang trình sẽ bằng nguyên lần độ dài sóng. Nên ta có : 2d. sinq = nl ( hệ thức Vufl - Bragg ). Đây là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào cấu trúc cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, tìm được 2q . Từ đó suy ra d theo hệ thức Vufl - Bragg. So sánh giá trị d tìm được với d chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật chất. Vật liệu mao quản trung bình là vật liệu giả tinh thể có cấu trúc mao quản rất trật tự nhưng thành mao quản ở dạng vô định hình. Xét theo trật tự xa thì vật liệu mao quản trung bình có hệ thống mao quản với độ trật tự cao, phân bố có qui luật theo khoảng cách cũng như bố trí trong không gian tương tự của tinh thể. Do đó chúng sẽ có các pic đặc trưng trên phổ nhiễu xạ tia X, dựa vào các pic này có thể xác định được cấu trúc của vật liệu là lục lăng, lập phương hay lớp mỏng. Và dựa vào phổ nhiễu xạ tia X còn có thể xác định được độ tinh khiết của vật liệu. Thực nghiệm: Giản đồ XRD được ghi trên máy D5005-Brucker-Đức, sử dụng ống phát tia X bằng Cu với bước sóng Kα = 1,54056A0 , điện áp 40KV, cường độ