Tổng hợp và ứng dụng xúc tác quang hóa trên cơ sở Titan Dioxit và cacbon nano dạng ống để khử lưu hùynh sâu trong Diesel

Tổng hợp và ứng dụng xúc tác quang hóa trên cơ sở Titan Dioxit và cacbon nano dạng ống để khử lưu hùynh sâu trong Diesel

TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG HÓA TRÊN CƠ SỞ

NANOTUBE-CNT) ĐỂ KHỬ LƯU HUỲNH SÂU TRONG DIESEL

AND CARBON NANOTUBE (CNT) BY DEEP DESULFURIZATION OF DIESEL

SVTH: Lê Văn Long, Phan Thanh Sơn

Lớp 05H5, Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa

KS Trần Thị Ne

Học viên Cao học “Vật liệu Hữu Cơ cấu trúc Nano và Bền vững, Đại học Nam Toulon Var Pháp – Đại học Quốc gia Hà nội

TS Vũ Thị Thu Hà

Viện Hóa học Công nghiệp

GVHD: TS Nguyễn Đình Lâm

Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa

TÓM TẮT

Xúc tác quang hóa trên cơ sở “composite” của TiO2 anatase-CNT được tạo hạt bằng phương pháp gel hóa dị thể từ CNT tổng hợp tại Việt Nam và TiO2 thương mại (TiO2 TM) Các phép phân tích hiện đại như phép đo hấp phụ đẳng nhiệt nitơ, nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được thực hiện để làm nổi bật những đặc trưng của xúc tác tổ hợp Những kết quả thu được từ các phép đo đã chỉ ra rằng sự có mặt của CNT trong thành phần của xúc tác ngăn không cho các hạt TiO2 kết tụ lại với nhau, không những thế nó còn góp phần làm tăng khả năng quang hóa của TiO2 trong vùng ánh sáng khả kiến Hoạt tính quang hóa của xúc tác được đánh giá thông qua hiệu quả khử lưu huỳnh trong dầu diesel thương mại Sự chuyển điện tử (e) giữa TiO2 và CNT là nhân tố quyết định tạo nên hiệu ứng synergic của hai thành phần chính trong composite

ABSTRACT

“Composite TiO2-Carbon nano” based photocatalysts was synthetized in form of the bead

by heterogenous gelation methods from the CNT that was synthetized in Vietnam and commercial TiO2 N2 adsorption–desorption isotherm measurements, powder X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy were carried out to characterize the composite catalysts The results suggest that the presence of CNT embedding in the composite catalysts matrix prevents TiO2 particle agglomeration Furthermore, its presence contribute to enhance the photocatalytic activities of the composite catalysts The photocatalytic activities were evaluated throughout the effect of the desulfurization of diesel The transfer of electron (e-) between TiO2 and CNT is the determining factor which forms the synergic effect of two main components of the composite

Key words: Photocatalytic, desulfurization, TiO2-CNT

1 Đặt vấn đề

Trong quá trình cháy của nhiên liệu, các hợp chất chứa lưu huỳnh trong dầu được giải phóng vào không khí dưới dạng SOx, gây nên sự ô nhiễm không khí và mưa axit Với mục đích giảm thiểu những tác động xấu đến sức khỏe và môi trường từ khí thải động cơ,

nhiều nghiên cứu đã được đầu tư để tìm ra phương pháp hạ hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu xuông thấp Khử lưu huỳnh bằng Hydro với sự có mặt của xúc tác (HDS) thường được sử dụng để giảm hàm lượng lưu huỳnh trong dầu Tuy nhiên, phương pháp này khó có thể đáp ứng được yêu cầu khử lưu huỳnh sâu (< 50 ppm) Bởi vì dibenzothiophene (DBT) và các dẫn xuất của nó rất bền với quá trình hydro hóa do đó đòi hỏi sử dụng những xúc tác cải tiến với các điều kiện phản ứng nghiêm ngặt hơn Gần đây, Việc sử dụng TiO2 như là một chất xúc tác quang hóa để loại bỏ DBT và các hợp chất dị vòng của lưu huỳnh trong dầu diesel đã được đầu tư nghiên cứu rất nhiều trên thế giới[1-3] Ngoài TiO2 thì một số chất bán dẫn khác cũng có thể được sử dụng làm chất xúc tác quang hóa như ZnO[4], CdS và GaP [5] Các chất này hấp phụ nhiều phổ mặt trời hơn so với TiO2 song chúng bị phân hủy trong quá trình quang hóa xúc tác Chính vì vậy mà TiO2

dạng anatase với hoạt tính quang hóa cao, bền hóa học, không độc hại và giá thành thấp được sử dụng nhiều nhất cho ứng dụng quang hóa Tuy nhiên, chỉ có những bức xạ tử ngoại, chiếm khoảng 4% bức xạ từ mặt trời [4], ứng với các photon có năng lượng lớn hơn 3,2 eV (năng lượng band gap của TiO2 anatase) mới được hấp thụ và tạo ra hiệu quả quang hóa Vì vậy, việc tăng khả năng quang hóa của TiO2 trong vùng ánh sáng khả kiến đã thu hút được rất nhiều sự đầu tư nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới Một trong những phương pháp thường được sử dụng gần đây đó là kết hợp CNT và TiO2 [7-9] Nhờ vào các đặc tính ưu việt của CNT như độ dẫn điện tốt, độ hấp phụ cao, đường kính với kích thước nano và độ đen tuyệt đối [10] mà nó làm tăng cường khả năng quang hóa của TiO2 trong vùng ánh sáng khả kiến

Composit trên cơ sở TiO2-CNT có thể được tổng hợp từ nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp Sol – gel [7],[8], phương pháp electro – spinning [11],[12], phương pháp lắng đọng điện di [13] hay phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi (Chemical Vapor Deposition – CVD) Song các phương pháp này khá phức tạp, đòi hỏi các thiết bị đặc biệt đồng thời giá nguyên liệu tương đối cao Do đó, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp tạo hạt đồng nhất bằng phương pháp gel hóa dị thể hệ phân tán chứa CNT và TiO2

Nhờ cấu trúc dẫn điện của CNT làm giảm tốc độ tái kết hợp của electron và lỗ trống ở bề mặt tiếp xúc của CNT-TiO2 mà vật liệu composit trên cơ sở CNT-TiO2 làm tăng tốc độ oxi hóa quang hóa DBT và các dẫn xuất của nó trong diesel

2 Thực nghiệm

2.1 Tổng hợp xúc tác

CNT như mô tả ở hình 1 được tổng hợp bằng phương pháp CVD trên xúc tác Fe/

-Al2O3 [14] tại phòng thí nghiệm lọc hóa dầu, trường đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng với nguyên liệu là LPG ở nhiệt độ 690o

C – 710oC Đường kính ống cacbon nano khoảng

11 - 16 nm, diện tích bề mặt riêng 180 – 200 m2.g-1 [15] TiO2 thương mại (độ tinh khiết 99,4%), kích thước hạt trung bình khoảng 130 nm sản xuất bởi công ty TNHH ROHA Dyechem Việt Nam được sử dụng trực tiếp không qua bất kỳ quá trình xử lý nào

Xúc tác quang hóa trên cơ sở composite của TiO2-CNT được tổng hợp từ một hệ chứa TiO2 và CNT được phân tán bằng sóng siêu âm và được tạo hạt theo phương pháp gel

hóa dị thể trong dung dịch CaCl2 theo quy trình sau: 0,4g sodium alginate được cho từ từ vào 60 ml nước cất, đồng thời khuấy cơ học cho đến khi đạt hỗn hợp đồng nhất, CNT và TiO2 TM được phân tán đều trong hệ keo nhờ sóng siêu âm trên máy VC 505 – VC 750 theo

tỉ lệ khối lượng TiO2:CNT là 1:0,05 Xúc tác được tạo hạt trong dung dịch CaCl2 nồng độ 0,5 M [16], các hạt này được rửa sạch, để khô ngoài không khí rồi sấy ở nhiệt độ 80oC trong 5h, hạt xúc tác sau đó được nung ở nhiệt độ 400oC dưới không khí trong vòng 5h

Hình 1 Ảnh cấu trúc CNT được chụp theo phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM (a) và

phương pháp hiển vi điện tử quét SEM (b)

2.2 Các phương pháp đánh giá đặc trưng

Giãn đồ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) được ghi lại trong dải 2θ = 10 –

80o nhờ máy D8 advance của hãng Bruker, sử dụng sự phát xạ Cu Kα1 ( = 0,16 Å) là nguồn phát xạ tia X, thiết bị được trang bị một đầu dò phân tán năng lượng SOL-XE Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) được thực hiện nhờ thiết bị SEM S-4800 của hãng Hitachi Ảnh hiển vi điện tử truyền qua được quan sát nhờ thiết bị JEOL JEM-1010 (80 kV) Mẫu được phân tán trong ethanol, được đánh siêu âm và chuyển lên một lưới bằng đồng có phủ cacbon

2.3 Khử lưu huỳnh trong dầu diesel thương mại

Hình 2 Thiết bị phản ứng quang hóa và hấp phụ lưu huỳnh trong dầu diesel thương mại

Diesel thương mại (hàm lượng lưu huỳnh tổng 2500 ppm) sau khi mua về được xử

lý bằng hấp phụ qua cột silicagel để loại bỏ các hợp chất gây màu và các hợp chất chứa lưu huỳnh có hàm lượng nhỏ (Sulfoxide và sulfone) Diesel này sau đó được xử lý bằng xúc tác quang hoá (1 g xúc tác cho 100 ml dầu diesel) dưới tác dụng của bức xạ từ đèn hơi cao

áp thủy ngân OSRAM 250W như nguồn phát quang phổ mặt trời (ánh sáng trắng) Sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 2 Mẫu được lấy ra tuần tự từ thiết bị phản ứng theo

(a)

(b)

thời gian 20, 40, 60, 80, 100 và 120 phút, được ly tâm để tách xúc tác và đem đi hấp phụ Sulfone trên silicagel (hình 2) trước khi đem xác định hàm lượng lưu huỳnh bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) trên máy TS-100V của hãng MITSHUBISHI

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Những đặc trưng của xúc tác quang hóa trên cơ sở composite TiO 2 -CNT

Hình thái học và cấu trúc vi mô của composit TiO2-CNT được kiểm tra bởi ảnh SEM và TEM trong hình 3

Từ các ảnh thu được ở trên ta có thể thấy rằng CNT và TiO2 đã được phân tán rất tốt vào nhau, tạo nên một loại vật liệu đồng nhất và bền vững Kết quả thu được từ các ảnh TEM và SEM trên hình 3 cho thấy rằng tất cả các hạt TiO2 đã được gắn kết với các ống cacbon nano, hầu như không tìm thấy các cấu trúc TiO2 nằm riêng rẽ

Giãn đồ nhiễu xạ tia X của composite TiO2-CNT sau khi nung ở 400oC trong 5h được thể hiện trong hình 4 Theo các tài liệu nghiên cứu, pha anatase của TiO2 được tạo thành ở nhiệt độ dưới 500oC, bắt đầu chuyển sang dạng cấu trúc dạng rutile ở nhiệt độ trên

600oC và chuyển hoàn toàn thành dạng rutile ở nhiệt độ 700 – 900 o

C [9]

Hình 3 Ảnh mô tả cấu trúc của xúc tác Micro nanocomposite thu được từ phương pháp hiển vi học

điện tử quét (a) và phương pháp hiển vi học điện tử truyền qua (b)

Quả vậy, trong giãn đồ trên ta thấy cấu trúc của TiO2 trong xúc tác hầu như không thay đổi so với cấu trúc ban đầu của TiO2

Hình 4 Phổ nhiễu xạ tia X của TiO 2 TM (a), xúc tác quang hóa tổ hợp TiO 2 -CNT (b)

3.2 Hoạt tính quang hóa quá trình khử lưu huỳnh trong dầu diesel

Quan hệ giữa hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel và thời gian phản ứng được thể hiện trên hình 5 kết quả cho thấy rằng tốc độ quang hóa của TiO2 TM thấp hơn rất nhiều

so với tốc độ quang hóa của xúc tác tổ hợp TiO2-CNT điều này một lần nữa chứng minh hiệu ứng synergic giữa TiO2-CNT trong việc loại bỏ các hợp chất của lưu huỳnh trong dầu diesel

Sự chuyển hóa của DBT và các dẫn xuất của nó thành Sulfone bởi xúc tác quang hóa được chứng minh dựa vào kết quả phân tích theo phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourrier (FT-IR) với các peak đặc trưng cho dao động của các hợp chất sulfone xuất hiện ở hai vị trí tương ứng với số sóng là 1160 cm-1

và 1280 cm-1[17]

Hình 5 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng lưu huỳnh (ppm) và thời gian phản ứng (phút)

Quan sát kết quả phổ hồng ngoại thu được ở trên ta thấy rằng diesel sau khi xử lý bằng silicagel đã loại bỏ được hầu hết tất cả các hợp chất của sulfone và các hợp chất này xuất hiện trở lại sau quá trình quang hóa xúc tác như được chứng minh nhờ kỹ thuật FT-IR được trình bày trên hình 6

Hình 6 Phổ hồng ngoại của diesel sau khi hấp thụ bằng silicagel và sau khi xử lý bằng xúc tác ở

hai vị trí xuất hiện peak các hợp chất sulfone 1280(a) và 1160 (b)

Cơ chế của quá trình ô-xy hóa quang hóa trên xúc tác TiO2 các hợp chất chứa S trong sản phẩm diesel tạo ra Sulfone và các dẫn xuất của nó có thể được minh họa trong hình 7

3.3 Cơ chế tăng cường tính chất quang hóa composite TiO 2 -CNT

Có hai cơ chế được nêu ra để giải thích sự tăng cường hoạt tính quang hóa của composite TiO2- CNT [18]

Cơ chế 1: Theo Hoffmann và các cộng sự thì khi một photon ánh sáng có năng lượng cao kích thích một electron chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn của TiO2 anatase Các e- này được hấp thụ bởi CNT, và lỗ trống còn lại trên TiO2 tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử Sơ đồ của cơ chế được minh họa trong hình 8 (a)

Hình 7 Sơ đồ cơ chế oxi hóa DBT và các dẫn xuất thành các hợp chất sulfone (a), các sản phẩm

của quá trình quang oxi hóa DBT và dẫn xuất của nó (b)

Cơ chế 2: Theo Wang và cộng sự thì CNT được xem như một chất làm nhạy, nó sinh ra các e- khi hấp thụ các photon ánh sáng, các electron này sau đó được chuyển vào vùng dẫn của TiO2 rồi được hấp phụ bởi các phân tử oxy tạo thành các gốc oxi hóa mạnh (superoxide) Một khi quá trình trên xảy ra, điện tích dương trên CNT (tạo thành khi e

-chuyển vào vùng dẫn của TiO2) lấy đi một electron ở vùng hóa trị của TiO2 và để lại một

lỗ trống, lúc này TiO2 được tích điện dương có thể phản ứng với các phân tử nước bị hấp phụ tạo các gốc hydroxyl (OH.

)

Hình 8 cơ chế đề xuất cho khả năng tăng cường tính quang hóa của composite TiO 2 -CNT a) cơ chế của Hoffmann, CNT lấy electron và ngăn không cho electron tái kết hợp với lỗ trống b) cơ chế được đề xuất bởi Wang, CNT nhường electron ở vùng dẫn và lấy electron ở vùng hóa trị của TiO 2

4 Kết luận

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp một loại xúc tác quang hóa, trên cơ sở

tổ hợp các vật liệu có kích thước micro - nanomet (TiO2 TM và CNT), với hoạt tính cao được thể hiện qua việc chuyển hóa hoàn toàn các hợp chất dị vòng (DBT và dẫn xuất) khó tách trong dầu diesel thương mại thành các hợp chất sulfoxide và sulfone có thể dễ dàng được hấp phụ bởi silicagel Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel được giảm xuống rất

thấp chỉ sau hai giờ phản ứng Thành công này đã góp phần tìm ra giải pháp để hạn chế sự phát thải ô nhiễm của các hợp chất chứa lưu huỳnh vào không khí, đáp ứng được các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe về môi trường Xúc tác được tổng hợp từ các nguyên liệu có thể sản xuất tại Việt Nam với chi phí tương đối thấp nên giá thành của sản phẩm được giảm xuống đáng kể Composite được tổng hợp có độ bền khá tốt trong dầu do đó trong tương lai quá trình khử lưu huỳnh bằng xúc tác quang hóa có thể được tiến hành liên tục Đây chính là một yếu tố quan trọng góp phần đưa nghiên cứu vào ứng dụng công nghiệp

Cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Nguyễn Đình Lâm, sự hợp tác từ các đơn

vị nghiên cứu và sản xuất: Viện Hóa Học Công Nghiệp, Phòng hóa nghiệm công ty xăng dầu khu vực V, Trung tâm Phân tích và Phân loại hàng hóa Hải quan Miền Trung – Tổng cục Hải quan, phòng thí nghiệm hóa dầu trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng đã

hỗ trợ cho chúng tôi thực hiện các nghiên cứu đặc trưng xúc tác và sản phẩm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J Robertson and T.J Bandosz, “Photooxidation of dibenzothiophene on

TiO2/hectorite thin films layered catalyst,” Journal of Colloid and Interface Science,

vol 299, Jul 2006, pp 125-135

[2] S Matsuzawa, J Tanaka, S Sato, and T Ibusuki, “Photocatalytic oxidation of dibenzothiophenes in acetonitrile using TiO2: effect of hydrogen peroxide and

ultrasound irradiation,” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry,

vol 149, Jun 2002, pp 183-189

[3] D Zhao, J Zhang, J Wang, W Liang, and H Li, “Photocatalytic Oxidation

Desulfurization of Diesel Oil Using Ti-containing Zeolite,” Petroleum Science and Technology, vol 27, 2009, p 1

[4] J Rabani, “Sandwich colloids of zinc oxide and zinc sulfide in aqueous solutions,”

The Journal of Physical Chemistry, vol 93, Nov 1989, pp 7707-7713

[5] I Honma, T Sano, and H Komiyama, “Surface-enhanced Raman scattering (SERS) for semiconductor microcrystallites observed in silver-cadmium sulfide hybrid

particles,” The Journal of Physical Chemistry, vol 97, Jun 1993, pp 6692-6695

[6] A Linsebigler, G Lu, and J.T Yates Jr., “The bimetallic Pt/Mo(110) surface:

Structural and CO chemisorption studies,” Surface Science, vol 294, Sep 1993, pp

284-296

[7] W Wang, P Serp, P Kalck, and J.L Faria, “Photocatalytic degradation of phenol on MWNT and titania composite catalysts prepared by a modified sol-gel method,”

Applied Catalysis B: Environmental, vol 56, Apr 2005, pp 305-312

[8] A Jitianu, T Cacciaguerra, M Berger, R Benoit, F Béguin, and S Bonnamy, “New carbon multiwall nanotubes - TiO2 nanocomposites obtained by the sol-gel method,”

Journal of Non-Crystalline Solids, vol 345-346, Oct 2004, pp 596-600

[9] M Chen, F Zhang, and W Oh, “Synthesis, characterization, and photocatalytic

analysis of CNT/TiO2 composites derived from MWCNTs and titanium sources,”

Carbon, vol 47, Oct 2009, p 2943

[10] Ngô Tuấn Anh, “Xúc tác quang hóa trên cơ sở TiO2-CNTs mang trên vật liệu có cấu

trúc,” Báo cáo hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ 6, Đại học Đà Nẵng,

2008

[11] S Aryal, C.K Kim, K Kim, M.S Khil, and H.Y Kim, “Multi-walled carbon

nanotubes/TiO2 composite nanofiber by electrospinning,” Materials Science and Engineering: C, vol 28, Jan 2008, pp 75-79

[12] J Cho, S Schaab, J Roether, and A Boccaccini, “Nanostructured carbon

nanotube/TiO2 composite coatings using electrophoretic deposition (EPD),” Journal

of Nanoparticle Research, vol 10, Jan 2008, pp 99-105

[13] H Yu, X Quan, S Chen, and H Zhao, “TiO2−Multiwalled Carbon Nanotube

Heterojunction Arrays and Their Charge Separation Capability,” The Journal of Physical Chemistry C, vol 111, 2007, pp 12987-12991

[14] M Corrias, B Caussat, A Ayral, J Durand, Y Kihn, P Kalck, and P Serp, “Carbon nanotubes produced by fluidized bed catalytic CVD: first approach of the process,”

Chemical Engineering Science, vol 58, Oct 2003, pp 4475-4482

[15] Nguyễn Đình Lâm, “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nano cacbon (nanotube và nanofiber) bằng phương pháp phân hủy các hợp chất chứa cacbon trong điều kiện Việt

Nam,” Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp bộ, 2008

[16] P Del Gaudio, P Colombo, G Colombo, P Russo, and F Sonvico, “Mechanisms of

formation and disintegration of alginate beads obtained by prilling,” International Journal of Pharmaceutics, vol 302, Sep 2005, pp 1-9

[17] M.F Ali, A Al-Malki, and S Ahmed, “Chemical desulfurization of petroleum

fractions for ultra-low sulfur fuels,” Fuel Processing Technology, vol 90, Apr 2009,

pp 536-544

[18] K Woan, G Pyrgiotakis, and W Sigmund, “Photocatalytic Carbon-Nanotube-TiO2

Composites,” Advanced Materials, vol 21, 2009, pp 2233-2239