Luận văn Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu composite trên cơ sở Fe₂O₃, ứng dụng xử lý khí H₂S cho biogas
Hiện nay trên thế giới một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như Fe ,Co trên các loại chất mang khác nhau (các oxit, cacbon, bentonite). Trong số đó, người ta chú ý nhiều đến các vật liệu trên nền sắt và các hợp chất của sắt hoặc tổ hợp composite của chúng với các thành phần khác vì những lý do sau: o Với năng lượng bề mặt và diện tích bề mặt lớn, nhiều dạng hợp chất của sắt như Feo, a-FeOOH, a-Fe2O3, g-Fe2O3, Fe3O4, … đều có hoạt tính hóa học đặc biệt là khả năng hấp phụ/xúc tác rất cao. o Nguyên liệu rẻ, thân thiện với môi trường. o Không khó khăn trong việc chế tạo.Vật liệu xúc tác oxit sắt Fe2O3 trên cơ sở các hợp chất sắt trên một số chất mang là các oxit MgO, Al2O3, SiO2 , ZrO2 đã được tổng hợp và khảo sát khả năng oxi hóa loại H2S , một chất khí rất độc hại đối với con người và môi trường xung quanh. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe/MgO thể hiện hoạt tính cao nhất khi thực hiện quá trình loại H2S ở nhiệt độ thường.Trên thế giới, việc sử dụng biogas ngày càng trở nên phổ biến, những nghiên cứu về vấn đề xử lý H2S trong biogas đang rất phát triển. Ở Việt Nam nghiên cứu và ứng dụng công nghệ biogas bắt đầu phát triển mạnh từ sau năm 1995 trong khi những nghiên cứu loại H2S từ biogas ở nước ta cũng mới ở tình trạng lẻ tẻ, chưa hệ thống.
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu composite trên cơ sở Fe₂O₃, ứng dụng xử lý khí H₂S cho biogas, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
TẠ HOÀNG CHÍNH
TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG
CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ Fe2O3, ỨNG DỤNG
XỬ LÝ KHÍ H2S CHO BIOGAS
Chuyên ngành: Hoá vô cơ
Mã số: 60.44.0113
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phan Thị Ngọc Bích
Thái Nguyên, năm 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới
sự hướng dẫn của TS: Phan Thị Ngọc Bích. Các số liệu và kết quả nêu trong
luận văn là hoàn toàn trung thực.
Tác giả luận văn
Tạ hoàng Chính
XÁC NHẬN CỦA TRƯỞNG KHOA XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH
HÓA HỌC HỘI ĐỒNG
TS. Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS. Nguyễn Duy Lƣơng
i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành nhất tới
TS: Phan Thị Ngọc Bích đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Hóa Học, các anh chị em
trong phòng Hóa Vô Cơ – Viện Hóa Học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, các thầy cô trong trường Đại học Sư Phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình
giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề
tài.
Cuối cùng tôi xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia đình
đã luôn luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tác giả luận văn
Tạ Hoàng Chính
ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỤC LỤC
Trang
TRANG BÌA PHỤ
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 2
1.1. Sắt và các oxit sắt ..................................................................................... 2
1.1.1. Sắt .......................................................................................................... 2
1.1.1.1. Tính chất vật lý ................................................................................... 2
1.1.1.2. Tính chất hóa học [5] ......................................................................... 3
1.1.1.3. Phương pháp điều chế [1, 6] .............................................................. 4
1.1.1.4. Ứng dụng ............................................................................................ 5
1.1.2. Các oxit của sắt ..................................................................................... 6
1.1.2.1. Sắt(II) oxit .......................................................................................... 6
1.1.2.2. Sắt(III) oxit ......................................................................................... 7
1.1.2.3. Sắt(II, III) oxit .................................................................................... 9
1.2. Vật liệu MgO .......................................................................................... 10
1.2.1. Tính chất vật lý .................................................................................... 10
1.2.2. Tính chất hóa học ................................................................................ 10
1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................. 11
1.2.4. Điều chế............................................................................................... 12
1.2.5. MgO hoạt tính ..................................................................................... 13
1.3. Vật liệu Fe/MgO và vật liệu Fe/MgO/bentonite .................................... 14
iii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1.3.1. Fe/MgO ............................................................................................... 14
1.3.2. Fe/MgO/bentonite ............................................................................... 15
Khoáng sét bentonite ..................................................................................... 16
Cấu trúc tinh thể, thành phần hoá học và phản ứng trao đổi cation của
montmorilonite .............................................................................................. 16
Chế tạo vật liệu xốp vô cơ thông qua việc chế tạo composite trên chất
mang bentonite .............................................................................................. 17
1.4. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu ................................. 18
1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................... 18
1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ...................................................... 20
1.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt (TA) ...................................................... 21
1.4.4. Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) ......................... 21
1.4.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................... 22
Chƣơng 2. MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
VÀ THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 24
2.1. Mục đích nghiên cứu .............................................................................. 24
2.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 24
2.3. Thực nghiệm .......................................................................................... 24
2.3.1. Dụng cụ hóa chất ................................................................................. 24
2.3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ........................................................... 25
2.3.2.1. Tổng hợp vật liệu MgO .................................................................... 25
2.3.2.2. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO ............................................................... 26
2.3.2.3 Tổng hợp Fe2O3/MgO/Bentonite ...................................................... 27
2.4 Xác định các đặc trưng của vật liệu ........................................................ 28
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................... 28
2.4.2. Phương pháp phân tích nhiệt (TA) ...................................................... 28
2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (FESEM ........................................ 28
2.4.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................. 29
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.4.5 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) ......................... 29
2.4.6. Phương pháp xác định diện tích bề mặt .............................................. 29
2.4.7. Xác định khả năng loại H2S của vật liệu Fe/MgO .............................. 29
Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 30
3.1. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO ..................................................................... 30
3.1.1 Tổng hợp MgO ..................................................................................... 30
3.1.2 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO ................................................................... 36
3.1.2.1.Ảnh hưởng của nồng độ Fe đến cấu trúc vật liệu ............................. 36
3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian tẩm đến cấu trúc vật liệu .......................... 37
3.1.2.3. Thành phần nguyên tố trong vật liệu ............................................... 38
3.1.2.4. Đặc trưng SEM của vật liệu ............................................................. 39
3.1.2.5. Diện tích bề mặt vật liệu .................................................................. 40
3.2. Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite ............................................. 41
3.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite bằng phương pháp trộn cơ học. . 41
3.2.1.1. Điều chế α-Fe2O3 .............................................................................. 41
3.2.1.2. Tổng hợp Fe/bentonite từ dung dịch FeCl3 (Mẫu FB) ..................... 43
3.2.1.3. Chuẩn bị vật liệu Fe/MgO/Bentonite bằng phương pháp trộn cơ học . 44
3.2.2. Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite bằng phương pháp kết tủa
(mẫu F2BM) .................................................................................................. 45
3.2.2.1. Hình thái vật liệu - ảnh SEM ........................................................... 45
3.2.2.2. Đặc trưng pha tinh thể - giản đồ XRD. ............................................ 48
3.2.2.3. Cấu trúc xốp ..................................................................................... 48
3.3. Khả năng loại H2S của vật liệu .............................................................. 49
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 52
v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tên đầy đủ
PVA Polivinyl ancol
PEO Polyetylen oxit
PAM Polyacrylamit
PVP Polyvinylpyrolidone
MMT Montmorillonite
SEM Kính hiển vi điện tử quét
XRD Nhiễu xạ tia X
EDX Phương pháp hấp phụ BET
FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại
TA Phương pháp phân tích nhiệt
SBET Diện tích bề mặt riêng
0
M1: MgO được điều chế từ MgC2O4, nung ở 600 C, thời gian 4h
0
M1.1: MgO được điều chế từ MgC2O4, nung ở 500 C, thời gian 2h
0
M1.2: MgO được điều chế từ MgC2O4, nung ở 500 C, thời gian 8h
M2: MgO được điều chế từ Mg(OH)2
M3: MgO thương mại
F1MB: Fe/MgO/bentonite bằng phương pháp trộn cơ học
F2MB: Fe/MgO/bentonite bằng phương pháp kết tủa trong dung dịch
FB: FeCl3.9H2O/bentonite
vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Kích thước tinh thể trung bình (d) của các mẫu MgO ..................... 32
Bảng 3.2 Diện tích bề mặt (SBET) của các mẫu MgO ....................................... 35
Bảng 3.3. Kết quả EDX .................................................................................... 38
2
Bảng 3.4 Diện tích bề mặt SBET(m /g) của các mẫu Fe/MgO (so sánh với
MgO ban đầu) ................................................................................................... 41
Bảng 3.5. Các thông số cấu trúc xốp của hai mẫu Fe/MgO/bentonite ............. 49
vii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: a. Cấu trúc tinh thể của α-Fe, β-Fe và δ-Fe b. Cấu trúc tinh thể của
γ-Fe ..................................................................................................................... 2
Hình 1.2: Sắt(II) oxit .......................................................................................... 6
Hình 1.3: Sắt(III) oxit ......................................................................................... 7
Hình 1. 4: Sắt(II, III) oxit ................................................................................... 9
Hình 1.5: a- Magie oxit, b- Cấu trúc tinh thể MgO .......................................... 10
Hình 1.6. Mô hình cấu trúc của montmorillonite và phản ứng trao đổi cation17
Hình 1.7. Sơ đồ tổng hợp vật liệu xốp composite với chất mang bentonite ... 18
Hình 1.8: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột .................................................... 19
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................... 23
Hình 2.1 Sơ đồ quá trình lỏng- khí xử lý H2S sử dụng vật liệu Fe/MgO ......... 29
Hình 3.1: Giản đồ TA: a. Mẫu MgC2O4, b. Mẫu Mg(OH)2 ............................. 31
Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu MgO ....................................... 32
Hình 3.3: Phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu MgO: M1.1 (a), M2 (b) .......... 34
Hình 3.4: Ảnh SEM của ba mẫu vật liệu MgO: M1.1 (a) và M2 (b) và M3
(c) ...................................................................................................................... 35
Hình 3.5: Giản đồ XRD của mẫu MgO M1.1(a) và các mẫu Fe/MgO với
nồng độ Fe 6%(b), 15%(c), 25%(d), 30%(e) – (#) pha MgO, (*) pha α-Fe2O3 36
Hình 3.6: Giản đồ XRD của các mẫu Fe/MgO-Fe 30% với thời gian tẩm từ
1-4h ................................................................................................................... 37
Hình 3.7: Phổ EDX của mẫu Fe/MgO (Fe 6%) ............................................... 38
Hình 3.8: Ảnh SEM của các mẫu vật liệu Fe/MgO: FM1 (a), FM2 (b), FM3
(c) ...................................................................................................................... 40
Hình 3.9. Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe2O3 với nhiệt độ phản ứng khác
nhau ................................................................................................................... 42
Hình 3.10. Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe2O3 với thời gian ủ khác nhau ..... 43
viii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu Fe/bentonite (a) và mẫu trước khi nung
(b) ...................................................................................................................... 44
Hình 3.12. Phổ FTIR của mẫu FB và mẫu F1BM ............................................ 45
Hình 3.13. Ảnh SEM của mẫu α-Fe2O3 ............................................................ 45
Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu vật liệu FB ....................................................... 46
Hình 3.15. Ảnh SEM của mẫu vật liệu F1BM ................................................. 46
Hình 3.16. Ảnh SEM của mẫu vật liệu F2BM ................................................. 47
Hình 3.17. Giản đồ XRD của mẫu F2BM ........................................................ 48
Hình 3.18. Hiệu suất loại H2S của các vật liệu Fe/MgO theo qui trình lỏng ... 50
ix
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
