Tiểu luận động học xúc tác: Ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit H2SO4 lên bentonite

Tiểu luận động học xúc tác: Ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit H2SO4 lên Bentonite . Sự ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit sulphuric lên tinh thể ,diện tích bề mặt ,độ xốp ,độ axit bề mặt và khả năng tẩy trắng của Bentonite.Tiểu luận động học xúc tác: Ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit H2SO4 lên Bentonite . Sự ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit sulphuric lên tinh thể ,diện tích bề mặt ,độ xốp ,độ axit bề mặt và khả năng tẩy trắng của Bentonite.Tiểu luận động học xúc tác: Ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit H2SO4 lên Bentonite . Sự ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit sulphuric lên tinh thể ,diện tích bề mặt ,độ xốp ,độ axit bề mặt và khả năng tẩy trắng của Bentonite.Tiểu luận động học xúc tác: Ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit H2SO4 lên Bentonite . Sự ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit sulphuric lên tinh thể ,diện tích bề mặt ,độ xốp ,độ axit bề mặt và khả năng tẩy trắng của Bentonite.

TIỂU LUẬN ĐỘNG HỌC XÚC TÁC

 Đề tài 16: Sự ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa axit sulphuric lên tinh thể ,diện tích bề mặt ,độ xốp ,độ axit bề mặt và khả năng tẩy trắng của Bentonite.

GVHD : PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Sinh viên thực hiện:

Nội dung

Giới thiệu chung

Vật liệu và phương pháp điều chế

Kết quả đo Kết luận

 Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit Thành phần chính của bentonit là montmorillonit (MMT), ngoài ra còn có một số khoáng chất khác như quartz, cristobalit, Đôi khi người ta còn gọi khoáng bentonit là montmorillonit

 Công thức đơn giản nhất của montmorillonit (Al2O3.4SiO2.nH2O)

 Công thức lý tưởng của montomrillonit là Si8Al4O20(OH)4

 Tuy nhiên, do có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại như

Al3+, Fe2+, Mg2+ …với Si trong tứ diện và Al trong bát diện như vậy thành phần hoá học của montmorillonit với thành phần chủ yếu là các nguyên tố Si và Al, còn có các nguyên tố như Mg, Fe, Na,

Ca,…Ngoài ra trong khoáng có thêm một số nguyên tố vi lượng khác như: Ti, Tl, Trong đó tỷ lệ của Al2O3: SiO2 dao động từ 1 : 2 đến 1 :

4

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BENTONITE

1.1 CẤU TRÚC MONTMORILLONIT

Bề dày của tiểu cầu có kích thước khoảng 1 nm (10 Å) và chiều dài của tiểu cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm.Sự hình thành nanoclay trong

tự nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong lớp tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị 3 trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị 2 như Fe và Mg Sự thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến

bề mặt của các tiểu cầu sét mang điện tích âm Điện tích âm này được cân

bằng bởi các ion kim loại kiềm và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Mg2+, Na+, K+,

….) chiếm giữ khoảng không gian giữa các lớp này

2 KHẢ NĂNG BIẾN TÍNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA BENTONITE

2.1 Biến tính giữ nguyên cấu trúc của lớp nhôm silicat.

Đặc trưng cơ bản của bentonit là tính chất trao đổi, tính chất đó có được là do:

 Sự thay thế đồng hình Si4+bằng Al3+trong mạng tứ diện và Al3+bằng Mg2+

trong mạng lưới bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ thuộc lượng điện tích âm trên bềmặt và số lượng ion trao đổi

 Khả năng trao đổi của lớp nhôm silicat còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính cation

+ Cation hóa trị thấp dễ trao đổi hơn cation hóa trị cao theo dãy sau: Me+ >Me2+ > Me3+

+ Đối với các cation cùng điện tích, bán kính càng nhỏ thì khảnăng trao đổi càng lớn

VD: Li+ >Na+ >K+ >Cu2+ >Fe2+ >Al3+

 Tuy nhiên khả năng trao đổi của nhôm silicat chủ yếu còn phụ thuộc vào điện tích âm bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới Bề mặt củabentonit gồm bề mặt trong và bề mặt ngoài

 Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phản ánh kích thước tinh thể Kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn

 Khả năng trao đổi bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trên mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit Nó phụ thuộc vào lượng

cation bù trừ trong mạng lưới Số lượng cation càng lớn thì khả trao đổi càng lớn

Trong đó nhóm hydroxyl của liên kết Si-OH (I) không có khả năng trao đổi hidro Nhóm hydroxyl của liên kết Al-OH (II) có tính axit yếu nên khả năng trao đổi yếu Nhóm hydroxyl trong liên kết Si-O-Al (III) có tính trao trao đổi mạnh nên có tính quyết định đến trao đổi cation H+.

2.2 BIẾN TÍNH LÀM BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC LỚP CỦA NHÔM

* Quá trình hoạt hóa bentonite bằng axit

 Dựa vào điều này người ta sử dụng các điều kiện hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách chất, đây cũng là điểm khác nhau giữa bentonit và chất hấp phụ khác.

• Do Bentonite có cấu trúc lớp ,lại có thể có sự thay thế các ion Al 3+ , và

Si 4+ trong mạng lưới của nó bằng các ion có dương có điện tích bé hơn,đồng thời trên bề mặt tồn lại các nhóm OH – có khả năng trao đổi H+ đối với các cation có mặt trong dd nước.

• Việc hấp phụ các cation vào trong khe giữa các lớp phụ thuộc vào kích thước của khe trống, kích thước của các cation, bản chất của cation

• Vì vậy dung lượng hấp phụ trong trường hợp này phụ thuộc nhiều vào điện tích bề mặt của bentonit

B CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HẤP PHỤ

 pH là một yếu tố quan trọng ảnh

hưởng đến sự hấp phụ của kim loại

trên bentonite Theo khảo sát giá trị

pH thích hợp để khả năng hấp phụ

của bentonite hiệu quả nhất vào

khoảng pH=4

 Bên cạnh đó còn có các yếu tố

khác như nhiệt độ, thời gian hoạt

hóa, sự khuấy trộn và kích thước

hạt chẳng hạn sẽ có ảnh hưởng rất

đến khả năng cũng như hiệu quả

của bentonite

II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC

TRƯNG CỦA BENTONITE

1 Vật liệu và phương pháp điều chế

 Một mẫu betonite giàu canxi (CaB) đã được sử dụng để nghiên cứu Các phân tích bentonite theo phần trăm khối lượng thu được là SiO2(60,85%),TiO2(0,85%), Al2O3(16,5%), Fe2O3(5.74%), MgO(2.71%), CaO(2.37%),

Na2O(1.53%), K2O(0.83%), và lượng mất khi nung(8.4%) Axit H2SO4 (98%, d=1.98 gcm -3 ) và các hóa chất khác được sử dụng trong phân tích được cung cấp từ một nhà máy hóa chất

 Mẫu sét bentonite sẽ đi qua sàng có kích thước 0.074mm sấy khô ở 105̣ °C trong 24h và được đựng trong các chai chai đậy kín để dùng trong các thí nghiệm Dầu đậu nành được sử dụng trong thí nghiệm tẩy trắng được cung cấp từ nhà máy dầu thực vật.

 Có 11 mẫu, từng mẫu có một khối lượng 40 g, được cân từ bột bentonitekhô Các mẫu sẽ được hoạt hóa với H2SO4 Các nồng độ của H2SO4 tronghỗn hợp bentonite-axit khô đã được thay đổi từ 0% đến 70% theo khối lượng Mười một hỗn hợp gel-như đã được chuẩn bị bằng cách thêm axit đậm đặc cótính toán lượng của H2SO4 Việc hoạt hóa axit được thực hiện bằng cách nungnóng hỗn hợp trong lò ở 97°C trong 6 h.

 Mỗi mẫu mới đã được cho vào trong nước và khuấy ly tâm Kết tủa thu

được đã được rửa sạch bằng nước cất cho đến khi hết SO42- ở dạng tự do bằng cách thử bằng dung dịch BaCl2 5% Sau khi sấy ở 105 °C trong 4 giờ, các mẫu mới đã được lưu trữ trong đóng chặt chai nhựa Bằng cách này, ta thuđươc mười một mẫu đất tẩy trắng Có cách thành lập như nhau và các

bentonite khác chỉ ra rằng các tính chất lý hóa của axit xử lý mẫu bentonitekhông có sự khác biệt đáng kể từ mỗi mẽ Do đó quá trình xử lý axit đượcthực hiện một lần

2 PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG

A PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X(XRD)

 Một trong các phương pháp xác định là phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) cho

ta xác đinh được cấu trúc tinh thể của vật liệu ,ngoài ra nó còn dùng để xác địnhđộng học của quá trình chuyển pha ,kích thước hạt…

 Các mẫu bentonit tự nhiên và hoạt hóa đã được chuẩn bị sẽ được đem đi phântích XRD ,giản đồ XRD sẽ được ghi lại trên máy sử dụng ống phát bằng Cu vớibước sóng Kα=0.15418 nm ,điện áp sử dụng là 40 kV với cường độ 30mA

,bước quét là 2° 2Φ min-1,với Φ là góc quét

B PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẤP ĐẲNG NHIỆT N2

 Đây là một trong nhưng phương pháp phổ biến để xác định diện tích bề mặt

riêng của một chất rắn ,nguyên tắc là N2 sẽ thâm nhập vào các mao quản ,khi

đó ta sẽ xây dựng được đường đẳng nhiệt hấp phụ ,dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ này ta sẽ xác định được diện tích bề mặt vật liệu dựa vào phương trình BET

 Trước khi đo ,các mẫu được hút chân không ở 150 °C trong 4h dưới áp suất chân không 10 -3 mmHg Kỹ thuật của cách đo áp lực khí hấp phụ được sử dụng cho việc xác định số lượng hấp phu.̣ Thủ tục từng điểm dựa trên việc đo áp suất khí trong 1 thể tích không đổi hiệu chỉnh tại nhiệt độ đã biết

C SỰ HẤP PHỤ N-BUTYLAMIN HÒA TAN TRONG DD CYCLOHEXANE ĐƯỢC GHI LẠI

BẰNG CÁCH SỬ DỤNG MÁY QUANG PHỔ UV-VIS

 Trong mỗi thí nghiệm, một loạt ống nghiệm 10ml đã được nạp với 0.1g mẫu bentonite Sau đó cho vào ống 10ml dd n-butylamin mới đã được chuẩn bị với nồng độ từ 2.10-3 đến 1.8x10 -2 từ pi-pét Để đạt được cân bằng hấp phụ của các dung dịch được đo ở bước sóng tối đa bằng 227nm, và nồng độ cân bằng được xác định từ một thước đo chuẩn (mẫu chuẩn ) hay biểu đồ chuẩn

 Mỗi thí nghiệm tẩy trắng được thực hiện trong 1 cốc 40ml mở có chứa hệ thống treo khuấy chứa 1% khối lượng đất tẩy trắng trong dầu đậu nành Hỗn hợp sau

đó được làm nóng đến 95-105°C, giữ ở nhiệt độ này trong khoảng 15 phút Dầu sau đó được lọc qua giấy lọc Sự biến đổi màu sắc của dầu, chỉ số màu sắc của dầu, màu đơn vị là đỏ –vàng đã được xác định bằng cách xác định bằng cách sử dụng máy đối chiều màu Lovibond tự động (loại d)

III KẾT QUẢ CỦA PHÉP ĐO

3.1 Phân tích XRD

 Các pic XRD cho một mẫu tự nhiên

và hoạt hóa axit , được biểu diễn trên

hình bên Các bentonite hiển thị ở các

đỉnh thuộc về khoáng sét tẩy bẩn (với

giá trị của d001 là 1.49 nm ) và khoáng

phi sét, thạch anh(Q), khoáng chất

o-pan(O), khoáng chất phen –xpat(F)

 Mẫu XRD cho thấy rằng khả năng kết

tinh của sét tẩy bẩn giảm khi tỷ lệ phần

trăm khối lượng của H2SO4trong axit

xử lý vượt quá 10%

 Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của séttẩy bẩn vẫn được giữ nguyên ngaysau khi hoạt hóa với H2SO4có nồngđộ 50 % khối lượng

 Các tinh thể của khoáng phi sétkhông bị ảnh hưởng bởi quá trìnhhoạt hóa axit

3.2 Hấp phụ Nitrogen và nhả hấp phụ đẳng nhiệt

 Sự hấp phụ N2 và nhả hấp phụ đẳngnhiệt tại nhiệt độ của N2 lỏng ( xấp xỉ 77 K) của các đại diện cho mẫu tự nhiên vàmẫu hoạt hóa axit được thể hiện trên

hình 2

 Ở đây p là áp suất mà hấp phụ cân bằngvới nhả hấp phụ, p0 là áp suất hơi củanito lỏng ở nhiệt độ thử nghiệm, p/p0 =x

là áp suất cân bằng tương đối và n là khảnăng hấp phụ được định nghĩa là số molcủa Nito hấp phụ trên 1g của mẫu tại x bất kỳ

 Các đường đẳng nhiệt trên hình cho thấykhả năng hấp phụ gia tăng với sự gia

tăng của hàm lượng axit hoạt hóa lênđến 50% H2SO4 và giảm mạnh ở 70%

H2SO4

 Các hình dạng của đường đẳng nhiệt hấp phụ / giải hấp chỉ ra rằng đất tẩy trắng được chuẩn bị chứa chủ yếu các mao quản trung bình ở thể rắn nhưng cũng chứa một hàm lượng của vi mao quản

 Sự chông chéo của các đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ trong khoảng 0<x<0.35 cho thấy sự hấp phụ đa phân tử và hấp phụ đơn phân

tử có thể bị đảo ngược Sau khi sự hấp phụ đa phân tử hoàn tất tại x= 0.35, các mao quản bắt đầu ngưng tụ

và tất cả các mao quản trung bình được điền lên đến x= 0.96

 Toàn bộ Nito lỏng được biểu diễn tại

x=1.Trong khoảng 0.96<x < 1,N2 lỏng bên ngoài mao quản trung bình bốc hơi một cách

tự nhiên miễn là áp suất cân bằng tương đối

 Mao quản ngưng tụ trên bentonite đã xử lý axit (50-70 % H2SO4) là rõ rệt dưới một áp suất tương đối với x xấp xỉ bằng 0.2 trong khi vật liệu tự nhiên có mao quản ngưng tụ

có thể xảy ra khi x=0.4.

3.3 Diện tích bề mặt

Bằng cách sử dụng các dữ liệu hấp phụ N2 trong khoảng 0,05 <x <0,35, xâydựng đường thẳng BET tương ứng với nồng độ đã được đưa ra trong hình 3

 Những khoảng phù hợp với phương trình BET trong công thức :

x/n(1-x)=1/nm .x+[(c-1)/nm .c]x (1)Trong đó nm là khả năng hấp phụ đơn phân tử và c là một hằng số Các giá trị nm

và c được xác định bằng cách giải đồng thời các phương trình thu được từ độ dốc

và bị chặn của đường thẳng BET

 Như đã thấy trong hình 4, giátrị S tăng nhanh chóng từ 25 m2

g-1 đến giá trị tối đa của nó là

285 m2 g-1 cũng như tăng hàmlượng axit từ 0 đến 40-45%

H2SO4, và sau đó giảm dần

3.4 Thể tích vi mao quản và mao quản trung bình.

 Sự biến thiên của thể tích maoquản trung bình – nhỏ khi

H2SO4 được sử dụng trong sựhoạt hóa được thể hiện tronghình.4

 Sự tăng độ xốp:

3.5 Nghiên cứu sự phân bố kích

 Mẫu H2SO4 70% có hai cực đại1,84 và 2,68 nm trong hình 5

 Đối với các mẫu acid 50% trởxuống, tất cả các mẫu có một giá trị r cực đại và các khu vực của các

đường cong PSD hiển thị tăng nhẹ

3.6 ĐỘ AXIT BỀ

MẶT

Độ axit bề mặt trung bình (nm / mol g-1) của mỗi mẫu đã được xácđịnh từ phương trình Langmuir rút rabằng cách sử dụng các dữ liệu thuđược từ hấp phụ n-butylamine

3.7 Khả năng tẩy trắng

Khả năng tẩy trắng hoặc đề clo(BP) của đất tẩy trắng tại các nồng

độ acid khác nhau được biểu diêntrên hình 6

 Những thay đổi trong S, V, nm,

và BP là tương tự cho đến khi

H2SO4 lên đến 40%,tuy nhiêncác số liệu tối đa của chúng

không chồng chéo lên nhau mộtcách chính xác BP đạt đến gíatrị cực đại tại điều kiện tối ưu, nghĩa là, 50-60% H2SO4, S=250-

230 m2 g-1, V = 0,46-0,47 cm3 g

-1, và nm = 9,0x10-4 - 8,4 x10-4

mol g-1

 Về đặc tính giữ dầu của tự nhiên và Bentonites acid-hoạt hóa, các

bentonite sau khi sử dụng có chứa khoảng 20% khối lượng dầu ban đầu, trong khi đó, sau khi hoạt hóa acid, khối lượng của dầu còn lại tăng lên đến40% Tóm lại,khả năng giữ dầu tăng khi hàm lượng acid hoạt hóa tăngnhưng không bao giờ vượt quá 40%

IV KẾT LUẬN

Khả năng trao đổi cation giảm dần, cation cấu trúc của smectite trong khoángsét được loại bỏ Diện tích bề mặt, số lượng lỗ mao quản nhỏ - trung bình, phân bố kích thước lỗ mao quản trung bình, acid bề mặt và sức mạnh tẩy trắngcủa khoáng sét bị ảnh hưởng rất nhiều việc hoạt hóa axit ở hàm lượng axithạn chế mà không có bất kỳ thay đổi đáng kể trong cấu trúc tinh thể của

smectite.Mặc dù khả năng tẩy trắng , diện tích bề mặt tăng cùng với độ xốp và

độ axit bề mặt, nhưng nó phụ thuộc nhiều hơn vào sự phân bố kích thước lỗmao quản của đất tẩy trắng Đất tẩy trắng thu được bằng cách hoạt hóa axit làvật liệu xốp hơn bentonite tự nhiên để sử dụng như các chất hấp phụ, chất xúctác

HẾT

-CẢM ƠN MỌI NGƯỜI ĐÃ CHÚ Ý

LẮNG NGHE