BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CÔNG ANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮT FE ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA MORDENITE BẰNG PHƯƠNG PHÁ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CÔNG ANH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮT (FE) ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA MORDENITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
NHIỄU XẠ TIA X
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204
Tp Hồ Chí Minh, năm 2014
S K C0 0 4 4 7 9
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CÔNG ANH
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204
Tp Hồ Chí Minh, năm 2014
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮT (FE) ĐẾN
TÍNH CHẤT CỦA MORDENITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
NHIỄU XẠ TIA X
Trang 3
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CÔNG ANH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮT (FE) ĐẾN
TÍNH CHẤT CỦA MORDENITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
NHIỄU XẠ TIA X
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204
Hướng dẫn khoa học: TS Trần Quốc Dũng
Tp Hồ Chí Minh, năm 2014
Trang 4i
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN CÔNG ANH Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 03/05/1985 Nơi sinh: Đồng Nai
Quê quán: Phú Thọ Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 36/13, kp4, phường Quyết Thắng, Biên Hòa Điện thoại di động: 0945679673.E-mail: conganhbh1985@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 08/ 2008 Nơi học (trường, thành phố): ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Ngành học: KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Môn thi tốt nghiệp: MAT LAB, Vi mạch, Kỹ thuật số
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
2008 đến
nay CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG NAI GIÁO VIÊN
Trang 5ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Trang 6iii
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian theo học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ
Chí Minh, em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình
Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến
thức để tiến hành giải quyết một bài toán cụ thể Đề tài luận văn nghiên cứu và giải
quyết vấn đề dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán chuyên sâu về lĩnh vực nhiễu xạ tia
X nên bước đầu tiếp cận em đã gặp rất nhiều khó khănvà hạn chế Tuy nhiên, với sự
hướng dẫn của Thầy TS Trần Quốc Dũng, Th.S Lê Anh Tuyên cùng với sự hỗ trợ
từ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp,em đã lĩnh hội được nhiều kiến thức mới bổ ích về
chuyên ngành và cho công tác chuyên môn sau khi ra trường Vì vậy, em xin chân
thành cảm ơn
- Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
- Thầy TS.Trần Quốc Dũng – Giám Đốc Trung tâm hạt nhân Tp.Hồ Chí Minh
Thầy Th.S Lưu Anh Tuyên, các anh chị công tác tại Trung tâm hạt nhân
- Gia đình, bạn bè và đồng nghiệp cùng các anh chị ngành Công Nghệ Chế
Tạo Máy khóa 2011-2013
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên quý báu của tất
cả mọi người Xin trân trọng cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Công Anh
Trang 7ABSTRACT
The influence of Iron(Fe), after the synthesis of the Fe-Mordenite by the ion exchange method on different salts, were studied by X-ray diffraction (XRD) The samples were performed on the device of PANalytical X-pert Pro with the technology of powder samples.The sample results, which were analyzed by X-ray diffraction (XRD) method and also were combined with X-ray fluorescence analysis (XRF ) shows the influence of the piece of salts in the ion exchange process on the iron status with the samples Fe-Mordenite
Trang 8v
MỤCLỤC
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Tóm tắt iv
Mục lục v
Danh sách các chữ viết tắt ix
Danh mục các ký hiệu x
Danh sách các hình xii
Danh sách các bảng xv
Chương 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Lý do chọn đề tài 2
1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2
1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2
1.4 Thực tiễn của đề tài 2
1.5 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2
1.6 Khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 3
1.7 Nhiệm vụ nghiên cứu 3
1.8 Giới hạn của đề tài 3
1.9 Phương pháp nghiên cứu 3
1.10 Kế hoạch thực hiện 3
Chương 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5
2.1.Tổng quan về Zeolite 5
2.1.1 Giới thiệu 5
2.1.1.1.Cấu trúc tinh thể của Zeolite 5
2.1.1.2.Phân loại Zeolite 8
Trang 9vi
2.1.1.3.Các tính chất cơ bản của Zeolite 9
2.2.Tổng quan về tia X và nhiễu xạ tia X 15
2.2.1.Tia X 15
2.2.1.1.Khái quát về Tia X: 15
2.2.1.2.Nguồn phát tia X 16
2.2.1.3.Hiện tượng nhiễu xạ tia X 17
2.2.1.4.Định luật Bragg 19
2.2.2.Nhiễu xạ tia X 21
2.2.2.1.Khái niệm đường nhiễu xạ 21
2.2.2.2.Chuẩn hóa đường nhiễu xạ 21
2.2.2.3.Phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X 23
2.2.2.4.Xác định chỉ số cho giản đồ nhiễu xạ 24
2.2.2.5.Sự mở rộng đường nhiễu xạ 27
a.Khái niệm độ rộng vật lý đường nhiễu xạ 27
b.Các yếu tố ảnh hưởng đến sự mở rộng đường nhiễu xạ 28
2.3.Phân tích huỳnh quang tia X 30
2.3.1 Cơ chế phát xạ tia X 31
2.3.1.1.Phổ tia X: 31
2.3.1.2.Cơ chế phát bức xạ hãm 32
2.3.1.3.Cơ chế phát tia X đặc trưng 34
2.3.1.4.Hiệu suất huỳnh quang 36
2.3.2.Nguồn phát tia X 37
2.3.3.Cường độ tia X đặc trưng 37
2.3.4.Đo và phân tích phổ tia X đặc trưng 38
2.3.4.1.Yêu cầu về nguồn khích thích tia X 38
2.3.4.2.Đetectơ đo tia X 39
a.Đetectơ nhấp nháy Nal( T1) 40
b.Ống đếm tỷ lệ 40
c.Đetectơ bán dẫn 41
Trang 10vii
2.3.4.3.Đo phổ tia X đặ trưng 41
2.3.5.Các phương pháp xác định hàm lượng 43
2.3.5.1.Phương pháp so sánh tương đối 43
2.3.5.2.Phương pháp chuẩn trong 44
2.3.5.3.Phương pháp pha loãng mẫu 45
Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 47
3.1.Cấu trúc mạng tinh thể 47
3.1.1.Khái niệm mạng tinh thể: 47
3.1.1.1.Mạng tinh thể 47
3.1.1.2.Ô cơ sở, chỉ số phương, chỉ số Miller của mặt tinh thể 48
3.1.2.Mạng đảo 50
3.1.2.1.Khái niệm mạng đảo 50
3.1.2.2.Tính chất mạng đảo 51
3.1.2.3.Ý nghĩa của mạng đảo 52
3.2.Cơ sở lý thuyết xác định kích thước tinh thể: 53
3.2.1.Kích thước hạt tinh thể 53
3.2.2.Hàm toán học trong chương trình Xpert Highscore 54
Chương 4 THỰC NGHIỆM 57
4 1.Chuẩn bị các mẫu Mordenite 57
4 2.Mô tả thiết bị thực nghiệm, thực nghiệm và thông số 57
4.2.1.Thiết bị Panalytical X‟pert Pro………57
4.2.2.Thiết bị Bruker S8-tiger 61
4.2.3.Mô tả thí nghiệm, thông số 62
4.2.3.1.Phân tích trên hệ phổ kế nhiễu xạ tia X 62
4.2.3.2.Phân tích trên hệ phổ huỳnh quang tia X 63
4.3.Kết quả và thảo luận 63
4.3.1.Kết quả phân tích huỳnh quang tia X( XRF) 63
4.3.2.Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X( XRD) 66
4.3.3.Thảo luận 72
Trang 11viii
Chương 5 KẾT LUẬN 73
5.1.Tóm tắt và đánh giá kết quả đề tài 73
5.2.Đề nghị hướng phát triển đề tai 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75
TIẾNG VIỆT 75
TIẾNG NƯỚC NGOÀI 75
Trang 12ix
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CI Constraint Index: chỉ số cản trở hình học
FWHM Full Width at Half Maximum: độ rộng của đường nhiễu xạ tại
nửa chiều cao cường độ cực đại ICDD The International Centre for Diffraction Data: thư viện dữ
liệu nhiễu xạ quốc tế
IR Infrared: phổ hấp thụ hồng ngoại
RE Rare earth: đất hiếm
PBU Primary Buiding Units: đơn vị sơ cấp
SBU Secondary Building Unit: đơn vị cấu trúc thứ cấp
SDA Structure Directing Agent: chất tạo cấu trúc
SEM Scanning Electron Microscope: Hiển vi điện tử quét
UV VIS Ultraviolet visible: miền tia cực tím có thể nhìn thấy được X‟Pert PRO MPD Multi-Purpose Diffractometer : tên máy
XRD X-ray diffraction: Nhiễu xạ tia X
Mordenite Tên của một loại Zeolite
Trang 13𝑉∗: thể tích ô cơ sở của mạng đảo
G hkl: chiều dài của vectơ mạng đảo
a 0: thông số mạng trong hệ lập phương
μ: hệ số suy giảm tuyến tính
x: bề dày tia X xuyên qua
I0: cường độ tia X ban đầu
Trang 15xii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Các đơn vị cấu trúc sơ cấp của Zeolite - tứ diện TO4: SiO4 và AlO4- [1]6
Hình 2.2 Các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) trong Zeolite.[1] 7
Hình 2.3 Sự hình thành cấu trúc Zeolite A, X, Y từ các kiểu ghép nối khác nhau 7
Hình 2.4 Sự thay thế đồng hình của Si bởi P Và các dẫn xuất của rây phân tử AlPO (Me: Co(II), Fe(II), Mg(II), Zn(II), El: Li(I), B(III), Be(II), Ga(III), Ge(IV), Ti(IV), As(V)).[6] 8
Hình 2.5 Sự chọn lọc hình dạng chất tham gia phản ứng (a); sản phẩm phản ứng (b); hợp chất trung gian (c).[1] 14
Hình 2.6 Chỉ số cản trở hình học của một số Zeolite mao quản trung bình 15
Hình 2.7 Hình ảnh mô phỏng trật tự dãy ánh sáng 16
Hình 2.8 Sơ đồ giới thiệu các thành phần chính của ống phát tia X 17
Hình 2.9 Nhiễu xạ tia X 19
Hình 2.10 Nguyên lý nhiễu xạ theo định luâ ̣t Bragg 20
Hình 2.11 Đường nhiễu xạ của vật liệu Al 2024-T3 21
Hình 2.12 Sự phát tán từ một electron đến điểm M [14] 22
Hình 2.13 Chuẩn hóa đường phông của đường nhiễu xạ.[14] 23
Hình 2.14 Cấu tạo của ống đếm ion 24
Hình 2.15 Độ rộng Scherrer đường nhiễu xạ 27
Hình 2.16 Độ rộng Laue đường nhiễu xạ 28
Hình 2.17 Ảnh hưởng của kích thước tinh thể đến nhiễu xạ [11] 30
Hình 2.18 Đường nhiễu xạ chung và các đường nhiễu xạ thành phần 30
Hình 2.19 Cấu tạo của ống phóng tia X 30
Hình 2.20 Phổ năng lượng bức xạ hãm 30
Hình 2.21 Phổ bức xạ tia X 30
Hình 2.22 Quá trình làm chậm eletron trong trường Culong của hạt nhân và phát bức xạ hãm……… 33
Hình 2.23 Quá trình hình thành lỗ trống và tạo ra tia X đặc trưng 30
Trang 16xiii
Hình 2.24 Hình học nguồn mẫu đetectơ minh họa cho phương pháp tính cường độ
tia X huỳnh quang đặc trưng 38
Hình 2.25 Bố trí hình học nguồn mẫu đetectơ trong phân tích huỳnh quang tia X 39 Hình 2.26 So sánh độ phân giải năng lượng của đetectơ 40
Hình 2.27 Phổ tia X đặc trưng kích thích bằng nguồn tia X đơn năng (năng lượng E) đo bằng đetectơ bán dẫn Si(Li) 41
Hình 2.28 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng và cường độ tia X đặc trưng 44 Hình 3.1 Mạng tinh thể phân tử Iôt (I2) 47
Hình 3.2 Các bậc đối xứng của mạng tinh thể.[9] 48
Hình 3.3 Ô cơ sở (a), chỉ số phương (b) và chỉ số Miller của tinh thể (c) 49
Hình 3.4 Mô tả một mặt phẳng trong mạng tinh thể (bên trái) tương ứng với một nút trong mạng đảo (bên phải).[11] 51
Hình 3.5 Vectơ mạng đảo ghkl vuông góc với mặt (hkl)của mạng tinh thể 52
Hình 3.6 Hình ảnh TEM của zeolite A [15] 53
Hình 3.7 Ảnh hưởng của kích thước tinh thể trên đường nhiễu xạ [11] 55
Hình 4.1 Holder chứa mẫu đo 57
Hình 4.2 Cấu tạo ống phát tia X 58
Hình 4.3 Ống phát tia X 58
Hình 4.4 Hệ giác kế của máy nhiễu xạ tia X X‟Pert Pro 59
Hình 4.5 Detector tỉ lệ 60
Hình 4.6 Hệ thống thu nhận 60
Hình 4.7 Thiết bị Panalytical X‟pert Pro 61
Hình 4.8.Thiết bị Bruker S8-tiger 62
Hình 4.9.Phổ phân tích XRD của Mordenite (MOR) 66
Hình 4.10.Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M1 (Mordenite trao đổi ion với muối Fe(NO3)3 66
Hình 4.11.Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M2 67
Hình 4.12.Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M3 68
Hình 4.13.Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M4 69
Trang 17xiv
Hình 4.14.Phổ nhiễu xạ tia X của sắt oxalate 69Hình 4.15.Toàn bộ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu Mordenite trong thí nghiệm 70Hình 4.16.Phổ phóng lớn nhiễu xạ tia X của 2 đỉnh đặc trƣng của Mordenite ở các góc 25.7o và 26.25o………..
71
Trang 18Mordenite MOR và Mordenite đã trao đổi với ion Fe 3+ từ M1 đến M4………….64
Trang 19Trong những năm gần đây, vật liệu Mordenite đã và đang thu hút được sự quan tâm, đầu tư cũng như nỗ lực rất lớn trên thế giới và ở Việt Nam trong cả hai lĩnh vực nghiên cứu khoa học và phát triển công nghiệp bởi ứng dụng
đa dạng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Mordenite đang được sử dụng nhiều làm chất xúc tác và chất mang của xúc tác lưỡng chức cho nhiều phản ứng trong công nghiệp hóa dầu như hydrocracking, hydroisomerization, alkylation
và sản suất dimethylamine [1-9].Ngoài ra Mordenite còn được sử dụng trong tách hấp phụ các chất lỏng như một rây lọc phân tử - molecular seive[4,8] Và gần đây Mordenite được nghiên cứu như vật liệu chủ yếu cho công nghệ bán dẫn, sensor hóa học và quang học phi tuyến[4,7]
Ngày nay, người ta có ý tưởng thay thế một số kim loai khác nhau Ga,Fe, B…[6,7]vào trong mạng lưới tinh thể của Mordenite nhằm tạo ra những vật liệu có tính chất xúc tác ưu việc, việc thay thế Fe vào khung mạng tinh thể Mordenite tạo nên vật liệu Fe-Mordenite là một loại xúc tác vừa có tính axit, vừa có khả năng oxi hóa khửDo tính thiết thực và qua tìm hiểu bản thân học viên rất tâm đắc lĩnh vực
này nên chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học “ Nghiên cứu ảnh hưởng của sắt( Fe) đến tính chất của Mordenite bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.”
Trang 201.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu, tìm kiếm, tái tạo những nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền có khả năng ứng dụng cao để thay thế cho các nguồn nguyên liệu đang dần cạn kiệt được thế giới rất quan tâm Muốn khai thác hết khả năng ứng dụng để có được nguồn vật liệu với những đặc tính mong muốn đòi hỏi ta phải tổng hợp Với nhiều ưu điểm,Mordenite là nguồn vật liệu cần được nghiên cứu, tổng hợp và đây là nguồn vật liệu chưa bị thay thế Bên cạnh đó, để nghiên cứu đặc trưng cấu trúc Mordenite và khả năng ứng dụng cũng như cải tiến công nghệ, khả năng hấp thụ cũng làmột thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu, do đó ta cần phải nghiên cứu, tính toán trước khi tổng hợp
1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của sắt( Fe) đến tính chất của Mordenite bằng phương pháp nhiễu xạ tia X” đã chỉ ra được các tham số cần điều chỉnh
trong quá trình tổng hợp và phương pháp so sánh tương đối giữa nhiễu xạ tia X kết hợp với phương pháp huỳnh quang tia X để tính toán hàm lượng sắt( Fe) đưa vào Mordenite
1.4 Thực tiễn của đề tài
Đề tài có khả năng ứng dụng thành công vào thực tiễn cuộc sống Ngoài việc
áp dụng tính toán kích thước tinh thể và độ kết tinh cho quá trình tổng hợp vật liệu Mordenite, đề tài có thể nghiên cứu mở rộng cho các vật liệu vi mao quản khác cũng như ngành công nghệ nano đang được toàn thế giới rất quan tâm
1.5 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu xác định các tham số ảnh hưởng đến sự khả năng hấp thụ của sắt( Fe) nào Mordenitebằng phương pháp nhiễu
xạ tia X nhằm điều chỉnh phù hợp trong quá trình tổng hợp
Trang 213
1.6 Khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu dựa trên các kiến thức:
- Cơ sở lý thuyết nhiễu xạ tia X
- Cơ sở lú thuyết huỳnh quang tia X
- Vật liệu vi mao quản Zeolite
1.7 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết nhiễu xạ XRD
- Nghiên cứu tìm hiểu vật liệu Mordenite
- Nghiên cứu tìm hiểu cơ chế kết tinh Mordenite
- Nghiên cứu ảnh hưởng của sắt(Fe) đến tính chất của Mordenite bằng phương
pháp nhiễu xạ tia X kết hợp với phương pháp huỳnh quang tia X
1.8 Giới hạn của đề tài
Vì thời gian và điều kiện thí nghiệm có hạn nên đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu nội dung sau:
- Khảo sát khả năng trao đổi của ion Fe3+ vào Mordenite bằng phương pháp trao đổi ion trong các điều kiện khác nhau qua phương pháp nhiễu xạ tia X kết hợp với phương pháp huỳnh quang tia X
1.9 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết áp dụng phương pháp nhiễu xạ tia X trong xác định kích thước tinh thể của vật liệu nói chung
- Nghiên cứu áp dụng lý thuyết cho các đo đạc thực nghiệm trên các mẫu Mordenite
Fe Nghiên cứu ảnh hưởng của sắt( Fe) đến tính chất của Mordenite bằng phương pháp nhiễu xạ tia X kết hợp với phương pháp huỳnh quang tia X