MỞ ĐẦU .1
Chương I. TỔNG QUAN
I.1. Cao lanh và ứng dụng của cao lanh .3
I.1.1. Thành phần hoá học và cấu trúc của cao lanh .3
I.1.2. Các tính chất cơ bản của cao lanh .4
I.1.3. Ứng dụng của cao lanh .5
I.2. Giới thiệu về zeolit .6 .
I.2.1. Khái niệm và phân loại zeolit . .6
I.2.2. Cấu trúc tinh thể của zeolit Y .7
I.2.3. Các tính chất của zeolit Y .10
I.2.4. Ứng dụng của zeolit Y .16
I.3. Giới thiệu về Nanozeolit Y .18
I.3.1. Lý thuyết tổng hợp tinh thể nanozeolit .20
I.3.2. Cơ chế kết tinh nanozeolit NaY .24
I.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành zeolit .26
I.3.3. Tổng hợp naonozeolit .34
I.4. Các phương pháp đặc trưng nanozeolit .34
I.4.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) .34
I.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) .36
I.4.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) .38
I.4.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .39
I.4.5. Áp dụng phương pháp BET để xác định bề mặt riêng .40
I.4.6. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng .42
Chương II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
II.1. Nguyên liệu và hóa chất .43
II.1.1. Các hoá chất và dụng cụ .43
96 trang |
Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 25/02/2022 | Lượt xem: 360 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Tổng hợp, đặc trưng và nghiên cứu tính chất hấp phụ toluen của vật liệu nanozeolite nay được tổng hợp từ cao lanh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ian. Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng mạnh đến kiểu cấu
trúc tinh thể và đối với mỗi loại zeolit luôn tồn tại một giới hạn về nhiệt độ kết tinh.
Việc tổng hợp zeolit ở nhiệt độ cao và áp suất cao cũng sẽ làm cho cấu trúc zeolit
thu được xốp hơn.
27
Bên cạnh đó, thời gian kết tinh cũng gây ảnh hưởng đến tốc độ lớn lên của tinh
thể. Khi kéo dài thời gian kết tinh, tốc độ lớn lên của tinh thể có xu hướng tăng
nhanh. Tuy nhiên, zeolit là những pha giả bền và quá trình kết tinh zeolit chính là
quá trình chuyển hoá pha liên tục nên trong quá trình kết tinh, pha kém bền sẽ dần
chuyển sang các pha khác bền hơn về mặt nhiệt động, chẳng hạn có sự chuyển hoá
NaY NaP hoặc NaY ZSM-4.
Nhiệt độ kết tinh của nanozeolit Y thường trong khoảng 80-1000C. Nếu nhiệt
độ càng cao thì tốc độ lớn lên của tinh thể sẽ tăng nhanh hơn tốc độ tạo mầm. Còn
nếu nhiệt dộ quá thấp thì làm giảm độ tinh thể và giảm hiệu xuât quá trình kết tinh
trong khi thời gian kết tinh sẽ lâu hơn.
Quá trình tổng hợp nanozeolit thường được chia thành hai giai đoạn theo
nhiệt độ xử lý [42]. Giai đoạn một (giai đoạn làm già) được thực hiện ở nhiệt độ
tương đối thấp (800C) để tạo điều kiện cho quá trình hình thành mầm tinh thể
nanozeolit ban đầu và giai đoạn thứ hai là giai đoạn kết tinh. Người ta nhận thấy,
nhiệt độ giai đoạn hai có ảnh hưởng lớn đến kích thước hạt tinh thể nanozeolit [43].
Do đó, cần phải đặc biệt chú ý đến nhiệt độ và thời gian của giai đoạn này. Tinh thể
nanozeolit ZSM-5 khi tổng hợp trong các điều kiện nhiệt độ giai đoạn 2 (T2) khác
nhau khi thời gian (t2) là 30 phút. Kích thước tinh thể nanozeolit giảm từ 260 nm
xuống còn 100 nm khi T2 thay đổi từ 1800C xuống 1100C. Hơn nữa, thời gian tổng
hợp thay đổi cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt tinh thể thu được. Khi T2 đặt ở
1200C, với việc giảm thời gian t2 từ 60 phút xuống 20 phút thì kích thước hạt tinh
thể nanozeolit ZSM-5 thu được giảm từ 200 nm xuống 80 nm và theo đó thì đỉnh
nhiễu xạ của mẫu XRD tương ứng cũng mở rộng dần dần.
Hình I.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ giai đoạn 2 tới kích thước tinh thể nanozeolit.
Nhiệt độ (0C)
K
íc
h
th
ư
ớc
ti
nh
th
ể
(nm
)
28
Như vậy, nhiệt độ là thông số có ảnh hưởng lớn hơn đến sự hình thành kích
thước hạt so với thời gian tổng hợp. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ hòa tan gel đồng
thời là nguyên nhân làm mầm tinh thể lớn lên một cách nhanh chóng. Nhiệt độ thấp
thuận lợi cho quá trình hình thành mầm tinh thể, còn nhiệt độ cao thì thuận lợi cho
quá trình lớn lên của mầm tinh thể. Tức là các hạt tinh thể thu được có kích thước
lớn sẽ chiếm ưu thế khi tổng hợp ở nhiệt độ T2 cao. Đồng thời, khi thời gian tổng
hợp dài các mầm tinh thể sẽ có đủ thời gian để lớn lên.
Ngoài ra thời gian già hóa cũng rất ảnh hưởng đến quá trình kết tinh. Quá trình
già hóa thường thực hiện ở nhiệt độ thấp (thường là nhiệt độ phòng ) vì khi đó quá
trình tạo mần sẽ ưu tiên hơn là quá trình lớn lên của tinh thể. Thời gian già hóa càng
dài thì số lượng các mầm càng nhiều và tinh thể thu được có kích thước càng nhỏ.
I.3.3.2. Ảnh hưởng của tác nhân kiềm trong gel
pH của dung dịch tổng hợp thường dao động từ 913 và là yếu tố rất quan
trọng. Độ pH có ảnh hưởng đến tốc độ tạo mầm, đến hiệu suất quá trình kết tinh,
đến tỷ lệ Si/Al trong sản phẩm, ngoài ra còn ảnh hưởng đến tỷ lệ hình dạng
(dài/rộng) của tinh thể zeolit tổng hợp được.
Tác nhân OH với nồng độ thích hợp đóng vai trò là chất khoáng hoá, nhằm
ngăn cản sự polyme hoá các hạt aluminosilicat vô định hình, định hướng tạo ra các
phức tiền tố SBU chứa các cation Si4+, Al3+ trong phối trí tứ diện và các ligan ngưng
tụ. Tác nhân OH giúp nhanh đạt tới trạng thái quá bão hoà để hình thành mầm và
sự lớn lên của tinh thể. Nhìn chung, khi tăng pH sẽ làm tăng sự lớn lên của tinh thể
và rút ngắn được giai đoạn cảm ứng (là giai đoạn trước khi hình thành mầm tinh
thể) do sự tăng cường nồng độ phức tiền tố SBU.
Tăng nồng độ tác nhân kiềm nghĩa là tăng nồng độ cation R+ và anion OH –
trong dung dịch. Khi đó, nó ảnh hưởng đến cả tác nhân hình thành cấu trúc trực tiếp
và sự cân bằng cation và anion của khung zeolit, đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến
hệ tổng hợp tạo thành mầm tinh thể nanozeolit. Hình I.13 đưa ra hình ảnh SEM của
tinh thể nanozeolit ZSM-5 tổng hợp với nồng độ tác nhân kiềm khác nhau. Từ hình
29
I.13 ta thấy, nồng độ của TPOH ảnh hưởng lên sự hình thành kích thước tinh thể
nanozeolit. Với việc tăng nồng độ tác nhân kiềm thì kích thước tinh thể nanozeolit
giảm mạnh từ 320 nm xuống còn 170 nm mặc dù hình thái của chúng không thay
đổi nhiều. Sự tăng nồng độ tác nhân kiềm không chỉ làm tăng nồng độ của các
polyme bậc thấp của silic và nhôm trong môi trường tổng hợp mà còn là nguyên
nhân làm tăng sự bão hòa dẫn tới sự hình thành một lượng lớn các mầm của gel ban
đầu [44]. Như vậy, ở nồng độ kiềm cao ta thu được nanozeolit với kích thước hạt
nhỏ. Kết quả tương tự thu được trong trường hợp thử nghiệm tổng hợp tinh thể
nanozeolit loại LTA và BEA .
Tuy nhiên, khi tổng hợp nanozeolit LTL trong hệ kiềm cao, kết quả thu được
rất bất ngờ. Mối liên hệ giữa kích thước tinh thể với tỷ lệ KOH/SiO2 trong hình I.16
và hình ảnh SEM của chúng chỉ ra những ảnh hưởng rất rõ của nồng độ KOH trong
dung dịch gel ban đầu của tinh thể nanozeolit LTL. Khi tỷ lệ KOH/SiO2 thấp hơn
1,22 kích thước (chiều dài x chiều rộng) của tinh thể nanozeolit LTL tăng từ
200x70nm lên 320x120nm khi tăng tỷ lệ KOH/SiO2. Tuy nhiên, khi tỷ lệ KOH/SiO2
cao hơn 1,22 thì khi tăng tỷ lệ KOH/SiO2 dẫn tới việc giảm kích thước tinh thể
nanozeolit. Điều đó có nghĩa là có sự cạnh tranh giữa sự lớn lên và sự hòa tan của
các tinh thể nanozeolit. Khi tỷ lệ KOH/SiO2 dưới 1,22 khi tăng kiềm (KOH) thì
không chỉ có ảnh hưởng đến hạt tinh thể của hệ tổng hợp, mà còn có tác động mạnh
đến toàn bộ hệ tổng hợp.
Hình I.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ KOH/SiO2 đến kích thước tinh thể
nanozeolit LTL. Điều kiện tổng hợp: T1=800C, t1=90 phút, T2=1900C, t2=40 phút
Ch
i
ều
d
ài
h
ạt
ti
nh
th
ể
(n
m
)
Tỷ lệ KOH/SiO2
30
I.3.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ SiO2/Al2O3 lên kích thước hạt.
Tỷ lệ SiO2/Al2O3 được cho là có mối liên hệ trực tiếp đến độ bền nhiệt, bền
thủy nhiệt và bền hóa học cũng như hoạt tính hấp phụ, độ axit và hoạt tính xúc tác
của zeolit. Thay đổi tỷ lệ SiO2/Al2O3 ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tổng hợp
zeolit. Hơn nữa, đối với nanozeolit, thay đổi tỷ lệ SiO2/Al2O3 còn dẫn đến sự thay
đổi về tính chất bề mặt như tính axit bề mặt, điện tích bề mặt của chúng.
Sự hình thành các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) chịu ảnh hưởng mạnh của tỷ lệ
Si/Al trong thành phần gel. Nếu tỷ số Si/Al < 4 sẽ ưu tiên hình thành vòng 4,6 tứ
diện, trong khi đó vòng 5 tứ diện chỉ được hình thành khi tỷ số Si/Al > 4. Ngoài ra,
tỷ số Si/Al còn ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh zeolit. Thông thường, khi hàm lượng
Al cao sẽ làm giảm tốc độ kết tinh hình thành zeolit [1].
Khảo sát tỷ lệ SiO2/Al2O3 khác nhau trong gel ban đầu trong quá trình tổng hợp
nanozeolit sẽ tìm ra được những ảnh hưởng của tỷ lệ SiO2/Al2O3 lên kích thước hạt
tinh thể nanozeolit cũng như tìm ra tỷ lệ SiO2/Al2O3 tốt nhất cho việc tạo thành tinh
thể nanozeolit. Như quá trình tổng hợp nanozeolit ZSM-5 được chỉ ra ở hình I.18,
sự giảm tỷ lệ SiO2/Al2O3 dẫn đến sự tăng kích thước hạt nanozeolit từ 220 lên 300
nm. Điều này có thể giải thích là khi tăng hàm lượng Al2O3 thì sẽ tiêu thụ nhiều
kiềm hơn và do đó làm giảm tính kiềm của hệ, kết quả là số lượng mầm tinh thể sẽ
ít đi và làm tăng kích thước hạt tinh thể cuối cùng.
Bảng I.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ SiO2/Al2O3 trong gel ban đầu lên tỷ lệ
SiO2/Al2O3 của sản phẩm cuối và kích thước tinh thể nanozeolit thu được
Loại zeolit Tỷ lệ SiO2/Al2O3
trong gel ban đầu
Tỷ lệ SiO2/Al2O3
trong sản phẩm
Kích thước tinh thể,
nm
ZSM-5
1000
150
120
989,44
145,06
102,17
180
220
260
BEA
100
60
30
73,73
54,18
27,54
100
100
100
LTL
40
20
10
6,89
7,14
6,42
60x30
100x60
200x70
31
Khác với hệ ZSM-5, kích thước hạt tinh thể nanozeolit BEA ít thay đổi khi thay
đổi tỷ lệ SiO2/Al2O3 trong gel ban đầu. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy trong
bảng I.6, kích thước hạt tinh thể nanozeolit không hề thay đổi dù tỷ lệ SiO2/Al2O3 đã
giảm từ 100 xuống còn 30. Tuy nhiên, trong quá trình tổng hợp nanozeolit LTL,
thay đổi tỷ lệ SiO2/Al2O3 trong gel ban đầu chỉ làm thay đổi kích thước hạt mà hầu
như không làm thay đổi tỷ lệ SiO2/Al2O3 của sản phẩm cuối cùng (bảng I.6).
Hình I.14 Hình chụp SEM của nanozeolit ZSM-5 với sự thay đổi tỷ lệ SiO2/Al2O3
Qua những nghiên cứu trên thấy rằng, để chuẩn bị một hệ gel tốt nhất để tổng
hợp nanozeolit là rất phức tạp và khó khăn. Để có thể tổng hợp những qui tắc riêng
lẻ và đơn giản có thể áp dụng vào việc điều chỉnh kích thước hạt tinh thể nanozolit
là rất khó. Do vậy mà trong quá trình tổng hợp các nanozeolit khác nhau ta có thể
suy sét đến sự kết hợp hay tách riêng những yếu tố ảnh hưởng để điều chỉnh kích
thước hạt tinh thể nanozeolit thu được theo mong muốn [40].
I.3.3.4. Ảnh hưởng của nguồn silic
Một nhân tố nữa có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt của sản phẩm là nguồn
silic. Nhân tố này rất quan trọng trong động học quá trình tạo mầm. Nguồn silic ban
đầu có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ kết tinh. Khi sử dụng nguồn silic ban đầu chứa
monome silicat sẽ có độ kết tinh nhanh hơn so với dạng polime. Nguồn silic kích
thước nano là yêu cầu thiết yếu cho quá trình tổng hợp nanozeolit NaY từ dung dịch
sạch. Ngoài oxit silic nung, còn có thể dùng gel silic SM-30 và TEOS, và thấy rằng
quá trình thủy phân ở 00C sẽ thu được gel aluminosilicate với kích thước nano.[]
I.3.3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng nước.
Nước luôn được sử dụng làm dung môi cho quá trình tổng hợp thủy nhiệt
zeolit trong sự có mặt của chất tạo cấu trúc trực tiếp. Trong hệ thủy nhiệt nó có tác
32
động như: (a) – hydro hóa và reformer hóa liên kết M-O-M(M, O là các nguyên tử
kim loại và Oxy), (b) – tăng tốc cho các phản ứng hóa học, (c) – duy trì độ nhớt cho
các tác nhân. Tất cả những ảnh hưởng không phải là dung môi của nước đều được
tin tưởng rằng là những nguyên nhân tác động lên cấu tạo tinh thể và sự lớn lên của
tinh thể nanozeolit. Tác động của hàm lượng nước trong gel ban đầu lên kích thước
tinh thể nanozeolit đã được nghiên cứu.
Hình ảnh SEM có thể chỉ ra rằng sự tăng hàm lượng nước có tác động chính đến
sự phân bố kích thước tinh thể nanozolit ZSM-5 hơn là kích thước tinh thể khi mà
tỷ lệ H2O/SiO2 thấp hơn 13,87. Tuy nhiên, khi tỷ lệ H2O/SiO2 tăng lên hơn 13,87,
kích thước của tinh thể nanozeolit ZSM-5 sẽ tăng từ 170 lên 300 nm với sự tăng của
hàm lượng nước, đồng thời sự phân bố kích thước hạt cũng rộng ra.
Chúng ta có thể dễ dàng hiểu được khi tăng hàm lượng nước nó sẽ làm loãng
gel ban đầu bao gồm cả kiềm và phần silic/alumina. Trong một hệ tương đối thấp
kiềm, sự tăng hàm lượng nước làm giảm đáng kể nồng độ TPOH, làm giảm độ hòa
tan của silic/alumina trong dung dịch, và làm giảm độ bão hòa của dung dịch. Và
chúng ta đã biết rằng giảm độ qúa bão hòa tức là giảm số lượng mầm tinh thể, như
vậy sẽ làm cho kích thước hạt tinh thể cuối cùng tăng lên. Hơn nữa, khi nồng độ
nước tăng lên còn giới hạn thời gian phản ứng của các chất, làm giảm sự hòa tan và
môi trường dinh dưỡng để tạo mầm và kết quả là sự phân bố kích thước ngày càng
mở rộng. Cũng theo cách này, sự tăng nồng độ nước cũng làm tăng kích thước tinh
thể và mở rộng sự phân bố kích thước hạt của tinh thể nanozeolit LTA. Bởi vậy,
trong dung dịch tổng hợp nồng độ kiềm thấp, hàm lượng nước thích hợp là rất quan
trọng, nó là một yếu tố để điều chỉnh kích thước và sự phân bố kích thước hạt tinh
thể nanozeolit.
I.3.3.6. Ảnh hưởng của chất tạo cấu trúc
Chất tạo cấu trúc (Template hay Structure Directing Agents) có ảnh hưởng
quan trọng đến sự tạo hình mạng lưới cấu trúc trong quá trình tổng hợp zeolit, đặc
biệt đối với các zeolit giàu silic.
33
Có 3 loại chất tạo cấu trúc:
1)- Loại phân tử tích điện (cation): Loại này được sử dụng nhiều trong quá
trình tổng hợp zeolit vì chúng không chỉ định hướng cấu trúc mà còn ảnh hưởng tới
tốc độ quá trình kết tinh. Các cation này thường là Na+, Li+, Cs+, K+, Rb+, Ca2+, Sr2+
hoặc tetraalkylammoni (như tetramethylammoni (TMA+), tetraethylammoni
(TEA+), tetrapropylammoni (TPA+), dialkylamin, dihydroxyethyldimethyla-mmoni,
trialkylamin.
2)- Loại phân tử trung hoà: Tác nhân loại này phổ biến nhất là nước. Ngoài ra
còn có các amin, ete và rượu. Nước ở đây không những đóng vai trò môi trường và
chất phản ứng, mà còn xúc tiến định dạng cấu trúc zeolit trong quá trình phát triển
tinh thể bằng cách choán đầy hệ thống lỗ nhỏ, do đó làm bền mạng lưới.
3)- Loại cặp ion: Thường gặp là các phân tử muối NaCl, KCl, KBr, CaF2,
BaCl2, BaBr2. Các muối này cũng có khả năng làm bền cấu trúc khi chúng tồn tại
trong hệ thống mao quản của zeolit. Chúng có thể còn định hướng hình thành các
zeolit khác nhau, xúc tiến quá trình kết tinh và làm tăng độ kết tinh.
Ảnh hưởng của chất tạo cấu trúc được thể hiện ở 3 yếu tố sau:
a. Ảnh hưởng đến quá trình gel hoá, tạo mầm và sự lớn lên của tinh thể. Các
đơn vị TO4 được sắp xếp thành những hình khối đặc biệt xung quanh chất tạo cấu
trúc và kết quả là tạo ra các tiền tố SBU định trước cho quá trình tạo mầm và phát
triển của tinh thể.
b. Làm giảm năng lượng bề mặt dẫn đễn làm giảm thế hoá học của mạng lưới
aluminosilicat. Chất tạo cấu trúc góp phần làm bền khung zeolit nhờ các tương tác
mới (như liên kết hydro, tương tác tĩnh điện và tương tác khuếch tán), đồng thời
định hướng hình dạng cấu trúc của zeolit.
c. Mở rộng khả năng tổng hợp các zeolit có hàm lượng silic cao.
I.3.4. Tổng hợp nanozeolit
I.3.4.1.Tổng hợp nanozeolit từ nguồn Si và Al tinh khiết
Như các tài liệu đã công bố [4], [8], [21], [23-36] tổng hợp nanozeolit từ các
hoá chất tinh khiết chứa Si và Al riêng biệt có kết quả rất tốt. Song theo hướng
34
nghiên cứu này giá thành sản phẩm rất cao do hoá chất sử dụng đắt tiền nên việc
ứng dụng trong công nghiệp với quy mô lớn còn hạn chế. Bởi vậy, yêu cầu đặt ra là
phải tìm các hướng nghiên cứu mới nhằm giảm thời gian kết tinh và giá thành sản
phẩm trong đó có hướng nghiên cứu đi từ khoáng sét tự nhiên.
I.3.4.2. Tổng hợp nanozeolit từ khoáng sét tự nhiên
Việt Nam có nguồn tài nguyên khoáng sét rất phong phú, trữ lượng lớn [1],
[4]. Từ miền Bắc tới miền Nam đều có những mỏ cao lanh cho khả năng khai thác
cao. Miền Bắc có nhiều ở Yên Bái, Phú Thọ, Hải Phòng,miền Trung có Quảng
Bình, miền Nam có Cần Thơ. Bởi vậy, việc nghiên cứu tổng hợp thành công các vật
liệu nanozeolit từ khoáng sét tự nhiên không những có ý nghĩa lý thuyết, mà còn có
nhiều ý nghĩa thực tiễn. Đặc biệt, vấn đề sử dụng hoàn toàn nguyên liệu rẻ tiền thay
thế cho các hóa chất hoạt động bề mặt định hướng cấu trúc đắt tiền trong tổng hợp
các vật liệu nanozeolit từ cao lanh nói chung và khoáng sét tự nhiện nói riêng, hứa
hẹn khả năng tiến hành trên qui mô lớn.
I.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG NANOZEOLIT
I.4.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ Rơnghen (XRD)
Mục đích sử dụng phổ nhiễu xạ Rơnghen là nhận diện nhanh và chính xác các
pha tinh thể, đồng thời có thể sử dụng để định lượng pha tinh thể và kích thước hạt
zeolit với độ tin cậy cao.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng lưới tinh thể được cấu tạo từ những
nguyên tử hay ion phân bố một cách đều đặn trong không gian theo quy luật xác
định. Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion khoảng vài Å, tức là gần bằng bước
sóng của tia X. Do đó khi chùm tia X tới đập vào bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên
trong nó thì mạng tinh thể đóng vai trò là một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Chùm tia X
đơn sắc hợp với mặt đơn tinh thể zeolit một góc θ.
Trong trường hợp này mặt đơn tinh thể của zeolit trùng với một mặt mạng tinh
thể có khoảng cách giữa các mặt là d. Chùm tia X tương tác với các electron trong
hỗn hợp vỏ nguyên tử trong mạng zeolit sẽ tán xạ đàn hồi và truyền ra mọi hướng.
35
Do các nguyên tử trong zeolit sắp xếp một cách quy luật, tuần hoàn vô hạn trong
không gian nên có những hướng mà theo hướng đó các tia tán xạ từ những nguyên
tử khác nhau giao thoa, hiện tượng chùm tia sáng song song, tán xạ từ các nút mạng
khi chồng chập tạo ra vân giao thoa có biên độ tăng cường là hiện tượng nhiễu xạ.
Hình I.15. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể
Theo điều kiện giao thoa để các sóng phản xạ trên 2 mặt phẳng cùng pha thì
hiệu quang trình =2d.sinθ phải bằng số nguyên lần độ dài sóng:
=2d.sinθ = n.
Trong đó: - d là khoảng cách giữa hai mặt liền kề.
- θ là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ.
- là hiệu quang trình của hai tia phản xạ.
Đây chính là hệ thức Vulf – Bragg, là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu
trúc mạng tinh thể [1], [9].
Với một nguồn tia X có bước sóng xác định, khi thay đổi góc tới θ thì mỗi vật
liệu đều có một giá trị d đặc trưng. Do vậy, để đánh giá định tính ta so sánh giá trị d
đã xác định với giá trị d của mẫu chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng
tinh thể của chất nghiên cứu.
Độ tinh thể tương đối được xác định theo công thức [9]:
Độ tinh thể (%) = 100.A/B.
Trong đó: A và B tương ứng là cường độ pic đặc trưng của mẫu nghiên cứu và
mẫu chuẩn.
d
36
Sử dụng XRD cũng có thể xác định được kích thước trung bình của các tinh thể
có độ chọn lọc tinh thể cao trong khoảng 40-20000Å theo phương trình Scherrer's:
D =
22 SFWHM**)Cos(
180**K
Trong đó:
- D là kích thước tinh thể hạt.
- 2θ là vị trí tại 1/2 chiều cao của pic đặc trưng.
- FWHM là độ rộng trung bình của pic đặc trưng.
- K : là hằng số xấp xỉ bằng 1.
- λ : là bước sóng chùm tia tới.
- S : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ rộng khe của máy chụp XRD.
I.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phổ hồng ngoại đã được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của tinh thể từ khá
lâu. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế nhất định vì nó chỉ phát huy được ưu
điểm khi nghiên cứu cấu trúc của những pha tinh khiết. Phương pháp IR gặp phải
những khó khăn nhất định khi phân tích hỗn hợp nhiều pha khác nhau, nên nó chỉ
được sử dụng như là một phương pháp để nhận diện. Cơ sở lý thuyết của phương
pháp này là dựa vào khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của các phân tử khi dao
động. Tuy nhiên, chỉ có những phân tử khi dao động gây sự thay đổi momen lưỡng
cực điện thì có hiệu ứng này.
Nguyên tắc của phương pháp là khi chiếu một chùm tia đơn sắc qua chất ta cần
phân tích với số sóng nằm trong vùng hồng ngoại, một phần năng lượng bị hấp thụ
sẽ giảm cường độ tia tới. Sự hấp thụ năng lượng này tuân theo định luật Lambe-
Beer.
D = lg(I0/I) = k.d.c
Trong đó:
- D: là mật độ quang.
- I, I0: cường độ ánh sáng trước và sau khi ra khỏi chất phân tích.
37
- C: nồng độ chất phân tích.
- K: hệ số hấp thụ.
- T = I/I0: độ truyền qua.
Đối với zeolit, khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại phụ thuộc vào năng lượng
liên kết của các cấu tử khác nhau trong cấu trúc tinh thể.
Độ dài liên kết giữa các nguyên tử và góc hoá trị tăng giảm tuần hoàn do phân
tử bị hấp phụ năng lượng sẽ làm xê dịch các hạt nhân nguyên tử xung quanh vị trí
cân bằng của nó. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ truyền qua vào bước
sóng gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại [1], [4], [8]. Trên phổ hồng ngoại sẽ xuất hiện
một bước sóng đặc trưng bằng các điểm cực đại ở mỗi nhóm chức hoặc mỗi liên
kết. Căn cứ vào điểm cực đại này có thể xác định được liên kết giữa các nguyên tử
hoặc nhóm nguyên tử, từ đó xác định được cấu trúc của chất nghiên cứu.
Hình I.16. Phổ IR trong vùng dao động tinh thể của một số loại zeolit.
Phổ IR của zeolit chủ yếu được ghi trong vùng dao động từ 400 cm-1 đến
1300cm-1 và được chia làm hai nhóm [1]:
+ Nhóm 1: gồm các dao động bên trong tứ diện TO4 (T là Al hay Si). Các
dao động này được thể hiện trong mọi loại zeolit và ít nhạy với sự thay đổi cấu trúc.
+ Nhóm 2: gồm các dao động bên ngoài tứ diện TO4, nó bị chi phối bởi liên
kết giữa các tứ diện TO4 với nhau và phụ thuộc vào cấu trúc của zeolit.
Năm nhóm phổ đặc trưng của các aluminosilicat vô định hình và zeolit là:
38
+ Vùng 420 – 500 cm-1 đặc trưng dao động hoá trị đối xứng của T-O-T bên
trong tứ diện TO4. Đám phổ này có cả dao động vô định hình và tinh thể. Vì vậy, nó
không đặc trưng cho cấu trúc tinh thể.
+ Vùng 500 – 650 cm-1 đặc trưng cho các dao động của các vòng kép 4,5,6
cạnh. Nó đặc trưng cho trạng thái tinh thể của zeolit.
+ Vùng 650– 950 cm-1 đặc trưng cho các dao động đối xứng của T-O-T trong
và ngoài tứ diện TO4. Vùng này cũng đặc trưng cho trạng thái tinh thể.
+ Vùng 950 – 1200 cm-1 đặc trưng cho các dao động hoá trị bất đối xứng của
các liên kết ngoài tứ diện TO4.
+ Vùng xung quanh 1200 cm-1 đặc trưng cho các dao động hoá trị bất đối
xứng xung quanh các liên kết ngoài tứ diện TO4 nên rất nhạy với các biến đổi cấu
trúc. Tuy nhiên trong vùng này cường độ đám phổ bé hơn nhiều so với cường độ
đám phổ gần vùng 540 - 620cm-1 nên không dùng để xác định độ tinh thể.
I.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Đây là phương pháp khá hiện đại sử dụng để nghiên cứu bề mặt, hình dạng và
kích thước của các hạt vật chất [1], [4], [18].
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là dùng chùm điện tử để tạo ảnh
của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại rất
lớn từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần.
Chùm điện tử được tạo ra từ catốt qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu
nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi
điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu
sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn
hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên
màn hình tuỳ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ
thuộc sự khuyết tật bề mặt của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt do sự hội tụ các chùm tia
nên có thể nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất.
39
Đối với phương pháp SEM, độ phân giải của phép tán xạ có thể tới 0,01 x 10-
6m. Do đó phương pháp này thường dùng để nghiên cứu những khoáng vật phân tán
nhỏ, kích thước dưới 1 x 10-6m với hiệu quả rất cao.
Khi phân tích cần đem khoáng vật khuyếch tán trong dung dịch nước amon
thành dung dịch keo, sau đó nhỏ những giọt keo lên một mạng lưới có nhiều lỗ nhỏ
đường kính khoảng 2mm, rồi đặt vào chỗ khô ráo cho bay hơi nước. Sau đó phủ
một lớp mỏng cacbon hoặc kim loại nặng lên bề mặt mẫu đã phân tán để làm tăng
độ tương phản. Cuối cùng đưa vào kính hiển vi điện tử để quan sát. Trong điều kiện
chân không, khi chùm tia điện tử đi qua màng keo sẽ chiếu hình dạng các hạt lên
một màn huỳnh quang giúp chúng ta quan sát gián tiếp các hạt và chụp ảnh nó.
Như vậy, bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ta có thể quan sát cấu
trúc bề mặt của mẫu khoáng sét cũng như zeolit, từ đó cho thấy được cấu trúc xốp
và kích thước hình học của mẫu nghiên cứu.
I.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Nếu như phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) thường sử dụng để quan sát
bề mặt hạt rắn và xác định kích thước hạt đối với tinh thể lớn (khoảng 0,5 m) thì
phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) lại được sử dụng để xác định vi cấu
trúc và vi kết cấu của vật liệu rắn có kích thước hạt cỡ nanomet. Đặc biệt, phương
pháp TEM rất có hiệu quả khi sử dụng để đo kích thước hạt nano do độ phân giải có
thể đạt tới 0,2nm và độ phóng đại cao hơn nhiều so với phương pháp SEM.
Sự khác nhau giữa phương pháp TEM và SEM có thể được mô tả bằng hình
ảnh sau:
Hình I.17. Nguyên lý của phương pháp nghiên cứu TEM và SEM.
TEM
SEM
Io
I2
I1Mẫu
40
Hình I.18. Hình ảnh vật thể 3D được chuyển thành ảnh dạng 2D
Phương pháp TEM có thể cho ta những hình ảnh dạng 2D và 3D của các hạt
kích thước rất nhỏ cỡ nano.
Từ vật thể hình khối 3D phương pháp TEM có thể cho chúng ta thấy dưới
dạng hình ảnh 3D. Đối với công nghệ hiện đại ngày nay thì phương pháp TEM còn
có thể cho chúng ta quan sát vật thể dạng ảnh không gian 3D kích thước nanomet
như kết quả chụp ảnh trong hình I.23.
Hình I.19. Hình ảnh (TEM) 3D của tinh thể Ag trên hạt Zeolit Y
I.4.5. Áp dụng phương pháp BET để xác định bề mặt riêng
Bề mặt riêng của zeolit xác định theo phương trình BET là tích số của số phân
tử bị hấp phụ với tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề mặt zeolit.
Trường hợp phổ biến nhất là hấp phụ đa phân tử đối với nitơ ở 770K. Diện tích
bề mặt BET được xác định bằng công thức:
SBET = α.am.N = 4,35.Vm
Trong đó: - SBET là diện tích bề mặt riêng của zeolit, m2/g.
41
- α = 0,162nm2, là tiết diện ngang của phân tử nitơ.
- am là độ hấp thụ cực đại của một lớp, mol/g.
- N = 6,0255.1023 mol-1, là số Avogadro.
- Vm là thể tích hấp phụ cực đại của một lớp, cm3/g.
Như vậy, để xác định được SBET cần phải biết được Vm. Đại lượng này
thường được tính toán dựa vào phương trình BET ở dạng :
Trong đó:
P/P0 là áp suất hơi tương đối của nitơ
V là thể tích hấp phụ cân bằng tại P/P0
C là hằng số đặc trưng cho năng lượng hấp phụ của lớp đầu tiên.
Hình I.24. Đồ thị xác định các thông số của phương trình BET
Tiến
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- luan_van_tong_hop_dac_trung_va_nghien_cuu_tinh_chat_hap_phu.pdf