Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu quá trình tổng hợp xúc tác NiO/γ-Al2O3

Chia sẻ: Nguyễn Ngọc Hiếu | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

96
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày tổng quan về vật liệu nhôm oxit và các phương pháp tổng hợp; nghiên cứu định hướng ứng dụng của xúc tác NiO/γ-Al2O3 đối với phản ứng oxy hóa p-xylen; nghiên cứu quy trình tổng hợp NiO/γ-Al2O3; đánh giá các đặc trưng tính chất hóa lý của NiO/γ-Al2O3.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu quá trình tổng hợp xúc tác NiO/γ-Al2O3

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm khoa Công nghệ Hóa – Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, cùng với sự cố gắng của bản thân và sự giúp đỡ của mọi người em đã hoàn thành xong khóa luận tốt nghiệp của mình. Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, cùng toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ Hóa đã tận tình giúp đỡ tạo mọi điều kiện tốt nhất để em tiến hành nghiên cứu tại trường. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới cô giáo TS. Nguyễn Thị Thu Thủy, giáo viên trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Người đã luôn chu đáo, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian thực hi ện khóa luận. Cuối cùng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè người thân trong gia đình luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập. Trong suốt quá trình nghiên cứu tại trường, dưới sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy cô cùng sự giúp đỡ của mọi người, em đã cố gắng nỗ lực hết sức mình để hoàn thành nghiên cứu này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp, thời gian có hạn và nguồn tài liệu còn hạn chế nên bản khóa luận của em không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để bản khóa luận của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC 1
2
DANH MỤC BẢNG 3
DANH MỤC HÌNH 4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BET: Brunauer – Emnet – Teller (tên riêng) BJH: Barrett – Joyer – Halenda (tên riêng) SEM: Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) XRD: Phương pháp phổ nhiễu xạ Rơnghen (XRay diffration) DTA: Phương pháp phân tích nhiệt visai (Differential Thermal Analysis) TGA: Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis) MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nhôm và các hợp chất của nhôm đã được phát hiện từ rất lâu và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để phục vụ đời sống con người. Trong số các hợp chất đó, nhôm oxit hoạt tính với nhiều ưu điểm như bề mặt riêng lớn, hoạt tính cao, bền cơ, bền nhiệt,… đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Hơn 90% sản lượng alumina (được gọi là alumina luyện kim) được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác như các ngành thủy tinh, gốm sứ, vật liệu chịu lửa, gốm kĩ thuật nhu cầu nhôm oxit kĩ thuật vào khoảng 15.000 đến 20.000 tấn/năm. Đặc biệt, trong công nghiệp chế biến dầu khí nhôm oxit không những làm chất xúc tác để năng cao số lượng chất lượng sản phẩm, góp phần làm tăng hiệu quả của các quá trình mà còn làm chất mang cho các chất xúc tác của các quá trình khác. Hiện nay, hầu hết các nhà máy sản xuất ở Việt Nam có sử dụng nhôm oxit làm chất mang, chất xúc tác đều phải nhập ngoại. Trong khi đó nước ta có nguồn nguyên liệu nhôm (quặng Bauxite) với trữ lượng lớn, tương đối phổ biến (trữ lượng Bauxite được đánh giá khoảng 2,4 tỷ tấn). 5
Mặt khác, trong thời gian sắp tới nhu cầu nhôm oxit hoạt tính trong các nhà máy sản xuất và chế biến, đặc biệt trong nhà máy lọc dầu là rất lớn. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ điều chế nhôm oxit hoạt tính từ nhôm hydroxyt có chất lượng cao là việc làm rất cần thiết và mang lại hiệu quả kinh tế. Hiện nay, ở nước ta chưa có công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống và bài bản về điều chế nhôm oxit bằng phương pháp kết tủa ở quy mô phòng thí nghiệm. Ngoài nhóm nghiên cứu của Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Công Nghiệp Lọc Hóa Dầu. Tuy nhiên, để có thể tiến tới việc triển khai sản xuất ở quy mô công nghiệp, còn cần phải hoàn thiện quy trình công nghệ tổng hợp nhôm oxit ở quy mô lớn hơn, đồng thời phải nghiên cứu hoàn thiện công đoạn tạo hạt. 2. Nội dung nghiên cứu. Tổng quan về vật liệu nhôm oxit và các phương pháp tổng hợp; nghiên cứu định hướng ứng dụng của xúc tác NiO/γAl2O3 đối với phản ứng oxy hóa pxylen; Nghiên cứu quy trình tổng hợp γAl2O3; Phân tích các đặc trưng hóa lý của γAl2O3 tổng hợp được; Nghiên cứu quy trình tổng hợp NiO/γAl2O3; Đánh giá các đặc trưng tính chất hoá lý của NiO/γAl2O3. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÔM OXIT 1.1.1. Định nghĩa và sự hình thành nhôm oxit Nhôm oxit là một hợp chất hóa học của nhôm và oxy với công thức hóa học Al2O3. Nó còn được biết đến với tên gọi Alumina trong cộng đồng các ngành khai khoáng, gốm sứ, và khoa học vật liệu. 6
Nhôm ôxit là chất rắn, màu trắng, không tan và không tác dụng với nước. Nóng chảy ở nhiệt độ rất cao (trên 20000C), có hệ số giãn nở nhiệt 0.063 K1. Trong vỏ quả đất, Al2O3 tồn tại dưới dạng tinh thể Al 2O3 khan hoặc quặng nhôm oxit không nguyên chất. Tinh thể Nhôm oxit trong suốt không màu hoặc có màu, một phần dùng làm đồ nữ trang, một phần dùng chế tạo các chi tiết trong các ngành kĩ thuật chính xác, như chân kính đồng hồ, máy phát laze... Nhôm oxit lẫn tạp chất có độ rắn cao, được dùng làm vật liệu mài (đá mài, bột giấy ráp, bột đánh bóng...) Trong công nghiệp, nhôm oxit hoạt tính được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp dầu khí: chất hấp phụ trong quá trình chế biến khí thiên nhiên, chất mang xúc tác hoặc xúc tác trong quá trình chế biến các phân đoạn dầu mỏ và xúc tác cho phản ứng chuyển hoá hydrocacbon. Diện tích bề mặt riêng, phân bố lỗ xốp và độ axit là các yếu tố quan trọng của nhôm oxit khi ứng dụng trong công nghiệp dầu khí. Hình 1.1: Nhôm oxit thô. 1.1.2. Phân loại nhôm oxit 1.1.2.1. Phân loại dựa vào nhiệt độ chuyển hóa từ nhôm hydroxit Nhôm oxit được phân loại dựa vào nhiệt độ chuyển hoá từ hydroxit và được chia thành: + Nhôm oxit được tạo thành ở nhiệt độ thấp (Al2O3.nH2O) 0
+ Nhôm oxit tạo thành ở nhiệt độ cao từ 900 đến 1000ºC được gọi là nhóm delta nhôm oxit ( Al2O3), gồm , và Al2O3. 1.1.2.2. Phân loại theo cấu trúc + Nhóm : Có cấu trúc mạng lưới bát diện bó chặt, nhóm này duy nhất chỉ có Al2O3. + Nhóm : Có cấu trúc mạng lưới bó chặt luân phiên, nhóm này có Al2O3, trong đó gồm oxit kim loại kiềm, kiềm thổ và sản phẩm phân huỷ Gibbsit có cùng họ cấu trúc và Al2O3. + Nhóm : Với cấu trúc mạng khối bó chặt, trong đó bao gồm sản phẩm phân huỷ nhôm hydroxit dạng Bayerit, Nordstrandit, và Boehmite. Nhóm này bao gồm , Al2O3 được tạo thành ở nhiệt độ thấp và , Al2O3 tạo thành ở nhiệt độ cao. Nhìn chung, trong các quá trình xúc tác và hấp phụ người ta thường sử dụng nhôm Al2O3, trong khuôn khổ của đồ án này tập trung nghiên cứu nhôm Al2O3 (phân loại theo cấu trúc) và nhóm các nhôm oxit tạo thành ở nhiệt độ thấp. Al2O3 Khối lượng riêng của Al2O3: 2,50 3,60 g/cm3. Al2O3 được tạo thành khi nung Bayerit ở nhiệt độ lớn hơn 230 oC, cấu trúc của Al2O3 gần giống như cấu trúc của Al2O3 và được ổn định bằng một số ít nước tinh thể. Tuy nhiên lượng nước dư trong Al2O3 nhỏ hơn trong Al2O3 Khi nung lượng nước dư trong Al2O3 tồn tại đến 900oC. Al2O3 và Al2O3 khác nhau về kích thước lỗ xốp, bề mặt riêng, tính axit. Mặc dù chúng có số tâm axit như nhau, nhưng lực axit ở Al2O3 lớn hơn. Al2O3 kết tinh trong khối lập phương, mạng tinh thể thuộc dạng spinel. 8
Trong cấu trúc tinh thể của Al2O3 ion nhôm Al3+ phân bố chủ yếu trong khối tứ diện, đối với Al2O3 phần lớn Al3+ ở khối bát diện. Al2O3 khác với Al2O3 ở mức độ cấu trúc trật tự hơn và cấu trúc oxy bó chặt hơn. Trong khoảng nhiệt độ 800 850oC, Al2O3 chuyển hoá thành Al2O3. Al2O3 Khối lượng riêng của Al2O3: 3,00 g/cm3 Al2O3 tạo thành trong quá trình nung Gibbsit trong không khí hoặc nitơ ở nhiệt độ 230 300oC. Có ý kiến cho rằng Al2O3 là trạng thái trung gian của quá trình kết tinh Al2O3, Al2O3 kết tinh trong hệ lục diện, ô mạng cơ sở là giả lập phương. Nguyên tử nhôm nằm trong bát diện được bó chặt bằng các nguyên tử ôxy. Khi nung tới nhiệt độ 800 1000oC, Al2O3 biến đổi thành Al2O3 Al2O3 Khối lượng riêng của Al2O3: 3,2 3,77 g/cm3 Khối lượng riêng của Al2O3 bằng 72% của Al2O3 Dạng Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó được tạo thành khi nung Gibbsit, Bayerit, Nordstrandit và Bemit ở nhiệt độ khoảng 400 600oC hay trong quá trình phân huỷ muối nhôm từ 900 950oC. Nhiều thí nghiệm đã chứng minh rằng Al2O3 chứa một lượng nhỏ nước trong cấu trúc ngay cả khi chúng được nung lâu ở nhiệt độ xấp xỉ 1000oC. Khi nung ở 1000oC trong 12 giờ thấy lượng nước tinh thể còn lại khoảng 0,2%. Có thể chuyển hoá một phần hoặc hoàn toàn Al2O3 thành Al2O3 không cần nung nóng mà chỉ cần tác động bằng sóng va chạm có áp suất và thời gian tác động khác nhau. Nguyên nhân làm chuyển pha ở đây là tăng nội năng và thay đổi cấu trúc không gian hoàn thiện của mạng tinh thể Al2O3. 9
Trên bề mặt của Al2O3 còn tồn tại hai loại tâm axit, đó là tâm axit Lewis và tâm Bronsted. Tâm axit Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit Bronsted có khả năng nhường proton cho phân tử chất hấp phụ. Tính axit của Al2O3 liên quan với sự có mặt của các lỗ trống trên bề mặt của nó với số cấu trúc khác nhau trong cấu trúc của spinel. Tính bazơ do ion nhôm trong lỗ trống mang điện tích dương không bão hoà quyết định. Qua nghiên cứu sơ đồ phân huỷ nhiệt ta thấy có sự chuyển pha Al2O3 sang các dạng nhôm oxit khác do đó trong quá trình điều chế cần có chế độ nhiệt độ thích hợp để thu được Al2O3 có hàm lượng tinh thể cao. 1.1.3. Cấu trúc của nhôm oxit Cấu trúc của nhôm ôxit được xây dựng từ các đơn lớp của các quả cầu bị bó chặt. Lớp này có dạng tâm đối mà ở đó mọi ion O 2 được định vị ở vị trí 1 như hình. Lớp tiếp theo được phân bố trên lớp thứ nhất, ở đó tất cả những quả cầu thứ hai nằm ở vị trí lõm sâu của lớp thứ nhất như hình vẽ (vị trí 2). Lớp thứ 3 có thể được phân bố ở vị trí như lớp thứ nhất, và tiếp tục như vậy thứ tự phân bố của kiểu cấu trúc này là : 1,2; 1,2 …hoặc được phân bố trên những hố sâu khác của lớp thứ nhất vị trí 3, còn lớp thứ 4 lại được phân bố như vị trí 1, thứ tự phân bố của cấu trúc này : 1,2,3; 1,2,3… 10
Hình 1.2: Cấu trúc khối của nhôm oxit Vị trí của các ion Al3+: Các cation Al3+ nhất thiết được phân bố trong không gian giữa các lớp bó chặt anion. Lỗ hổng duy nhất mà ion Al3+ có thể phân bố là ở giữa 2 lớp. Khả năng, các ion Al3+ nằm ở vị trí trên lỗ hổng tứ diện hoặc nằm ở vị trí tâm bát diện. Xét lớp oxy thứ hai của oxit trong vị trí 2 phân bố trên Al3+. Nếu tiếp tục sắp xếp bằng phương pháp này : O2, Al3+, O2,và Al3+ trong sự bó chặt lục giác như trường hợp thì thấy rằng có bao nhiêu vị trí dành cho cation thì có bấy nhiêu vị trí dành cho O2 ở lớp anion. Sự bố trí này không thoả mãn tính trung hoà điện tích. Để thoả mãn độ trung hoà điện tích thì cần thiết trống 1 trong 3 vị trí của cation. 3+ Al O2 Hình 1.3: Vị trí của ion Al3+ trong cấu trúc bó chặt anion 11
Ở trường hợp khi có mặt Hydro (H) trong và Al2O3 các ion nhôm nằm trong khối tứ diện còn proton không nằm trong lỗ trống tứ diện mà nằm trên bề mặt trong dạng nhóm OH. Suy diễn ra rằng một trong 8 ion O 2 nằm trên bề mặt trong dạng OH. Điều đó có nghĩa tinh thể bé và phần lớn các nhóm OH nằm trên bề mặt. Giả thiết này phù hợp với kết quả thực nghiệm thu được và Al2O3 có diện tích bề mặt lớn và trên bề mặt chứa nhiều OH liên kết. Các nhôm oxit khác nhau về tỷ lệ ion nhôm trong khối bát diện và tứ dịên, cũng như mức độ bao bọc đối xứng ion Al 3+ trong lỗ trống tứ và bát diện. Al2O3 chứa ion Al3+ trong tứ diện lớn hơn trong Al2O3. Đặc điểm cấu trúc bề mặt của nhôm oxit có vai trò quan trọng trong xúc tác. Do nhôm oxit có cấu trúc lớp nên có thể trên mỗi bề mặt chỉ có một dạng xác định bề mặt tinh thể. Al2O3 có độ axit lớn hơn do mật độ Al3+ lớn hơn trong vị trí tứ diện trên bề mặt. Trong quá trình nung nhôm oxit đến khoảng 900oC, gần như toàn bộ nước được giải phóng, kéo theo sự thay đổi cơ bản nước bề mặt. Rõ ràng ở đây đồng thời xảy ra sự tuơng tác giữa các bề mặt tinh thể tạo nên tinh thể lớn hơn. Bề mặt các ôxit hoàn toàn mất proton, do vậy chúng được cấu tạo hoàn toàn từ các ion O2 và các lỗ trống anion. Nhiều tính chất của chúng khác hẳn với Nhôm oxit khác. 1.1.4. Bề mặt riêng của nhôm oxit Thông thường diện tích bề mặt riêng của nhôm oxit khoảng từ 100 300 m2/g. Diện tích bề mặt riêng của Al2O3 khoảng từ 150280 m2/g còn diện tích bề mặt riêng của Al2O3 rất bé chỉ khoảng vài m2/g. Al2O3 là một loại vật liệu có mao quản trung bình, từ trước đến nay có rất ít những chất xúc tác mang trên chất mang Al2O3 có diện tích bề mặt lớn hơn 300 m2/g. Theo Lippen, Bayerit và Gibbsit ban đầu có diện tích bề mặt riêng thấp khoảng 35 m2/g, trái lại dạng gel Boehmite có thể có diện tích bề mặt riêng lớn. Al2O3 đi từ gel Boehmite có diện tích bề mặt riêng khoảng 280 12
325 m2/g, dạng Al2O3 và Al2O3 cũng được tạo thành từ dạng gel Boehmite và có diện tích bề mặt trong khoảng 100150 m 2/g. Dạng Al2O3 có diện tích bề mặt lớn có thể đi từ Gibbsit và phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian nung, diện tích bề mặt có thể đạt tới 300 m 2/g. Al2O3 có diện tích bề mặt lớn có thể được điều chế bằng phương pháp nung gel Boehmite ở 10000C trong một khoảng thời gian nhất định. 1.1.5. Tính axit của nhôm oxit Trên bề mặt nhôm oxit hydrat hoá toàn phần, tồn tại một số tâm axit Bronsted do có nhóm OH. Bề mặt của Al2O3 và Al2O3 có tâm axit Lewis, không có tâm Bronsted, Al2O3 và Al2O3, phụ thuộc vào mức độ dehydrat hoá có cả hai loại tâm axit. Nói chung nhôm oxit và nhôm hydroxit hoá không biểu hiện tính axit mạnh. Chính vì vậy nhôm oxit rất thích hợp làm chất mang cho phản ứng khử lưu huỳnh của nhiên liệu bởi vì chất mang có tính axit cao sẽ thúc đẩy các phản ứng cracking tạo cốc, cặn các bon làm giảm hoạt tính và thời gian sống của xúc tác. 1.1.6. Giới thiệu về Al2O3 Dạng Al2O3 được tạo thành khi nung Gibbsit, Bayerit, Nordtrandit và Boehmite ở nhiệt độ 4506000C. Tuy nhiên, Al2O3 thu được từ quá trình nhiệt phân Boehmite, dạng thù hình của mônô nhôm hydroxit là tốt nhất, chứa nhiều lỗ xốp có đường kính vào khoảng 30120 A0, thể tích lỗ xốp 0,51 cm3/g. Diện tích bề mặt phụ thuộc vào cả nhiệt độ nung và thời gian nung. Môi trường khí khi nung cũng đóng vai trò quan trọng, tốt nhất là giàn đều sản phẩm thành lớp mỏng để nung. Nhôm oxyt ở dạng Al2O3 có độ phân tán cao và cấu trúc khuyết, chủ yếu được dùng làm xúc tác trong công nghiệp chế biến dầu và hoá dầu, làm chất mang và chất hấp phụ, chất xử lý nước chứa flo và asen… Ngoài ra, nhôm hydroxyt hoạt tính còn được dùng trong dược phẩm. Việc sản xuất nhôm oxyt và nhôm hydroxyt hoạt tính chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế vẫn còn là vấn đề cần nghiên cứu. 13
Trong công nghiệp nhôm oxit Al2O3 thường được sử dụng làm chất mang cho xúc tác hai chức năng hoặc chất mang tương tác. Với vai trò làm chất mang tương tác, nhôm oxit oxit hoạt tính tác dụng với các pha hoạt tính làm cho chúng phân tán tốt hơn đồng thời làm tăng độ bền cho xúc tác. Thực tế sự tương tác này tạo ra một bề mặt xúc tác tối đa so với chất mang, nghĩa là tương tác giữa xúc tác và chất mang có vai trò ngăn chặn sự chuyển động của các tinh thể chất xúc tác trên bề mặt chất mang. 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NHÔM OXIT Nhôm oxit là loại vật liệu có ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều quá trình công nghệ ở quy mô công nghiệp như làm chất xúc tác, chất mang xúc tác hoặc chất hấp phụ trong công nghiệp ô tô và lọc dầu .Có nhiều phương pháp tổng hợp nhôm oxit hoạt tính. Các phương pháp tổng hợp khác nhau tạo ra các nhôm oxit có cấu trúc xốp khác nhau. Có 3 phương pháp tổng hợp nhôm oxit chính trong công nghiệp + Phương pháp kết tủa: Nguồn nhôm được hòa tan trong dung dịch NaOH để tạo thành dung dịch NaAlO2. Axit hóa dung dịch này bởi dung dịch axit tạo kết tủa. Lọc rửa và sấy kết tủa thu được boehmite. Nung boehmite ở chế độ thích hợp và tạo viên ta thu được nhôm oxit. + Phương pháp solgel: Trước tiên, nguồn nhôm Alkocide được hòa tan trong nPropanol bằng cách đun hồi lưu trong 3 giờ. Sau đó, hỗn hợp của nước, axit nitric và nPropanol được thêm từ từ vào dung dịch này cùng với việc khuấy mạnh. Gel tạo thành đuợc già hóa trong 3 ngày, lọc hết dung môi mẫu thu được tiến hành sấy và nung, tạo viên thu được nhôm oxit. + Phương pháp solgel sử dụng chất tạo cấu trúc: Thực nghiệm tổng hợp theo phương pháp này bao gồm các bước: Polyme Pluronic đựợc hòa tan trong Etanol tuyệt đối thu được dung dịch A. Điều chế dung dịch B gồm axit Clohydric, Etanol tuyệt đối, và Nhôm tritertbutoxide đựoc điều chế. Sau đó 2 dung dịch được trộn lẫn với nhau và được khuấy mạnh. Sol đồng 14
thể được già hóa, loại dung môi, sấy nung ở nhiệt độ thích hợp thu được nhôm oxit. Đề tài này chủ yếu nghiên cứu theo phương pháp kết tủa. Phương pháp này có quy trình đơn giản, nguyên liệu sử dụng dễ tìm, có sẵn tại việt nam, giá thành thấp, rẻ hơn so với các phương pháp khác, phù hợp với điều kiện nền kinh tế Việt Nam, đặc biệt có thể triển khai trong công nghiệp. Nhôm oxit thu được theo phương pháp này có diện tích bề mặt riêng 50300 m2/g, có mao quản phù hợp đảm bảo được các yêu cầu của chất mang và chất xúc tác trong công nghiệp hiện nay trong khi đó giá thành lại phù hợp với kinh tế của nền công nghiệp việt nam. Vì vậy, phương pháp này đang được nghiên cứu để điều chế nhôm hoạt tính có chất lượng cao có ứng dụng trong công nghiệp. 1.2.1. Tổng quan về phương pháp kết tủa Phương pháp truyền thống điều chế nhôm hidroxit hoạt tính dựa trên quá trình tái kết tủa từ hidroxit kết tinh qua các muối chứa nhôm. Quá trình tái kết tủa qua muối trung tính: Al2(SO4)3 + 6 NaOH → 2Al(OH)3 + 3Na2SO4 Hoặc qua muối kiềm: Al2(OH)5Cl + NaOH → 2Al(OH)3 + NaCl Người ta đã tính rằng, để tái kết tủa 1 tấn Al 2O3 (không kể tổn thất) qua muối trung tính cần 2,9 tấn axít H2SO4 và 2,4 tấn xút còn qua muối kiềm chi phí có thể giảm hơn. Phương pháp mới tạo muối kép với muối Liti có dạng Lin, XnAl(OH)3.pH2O (x: Cl, Br, I, SO42) sau đó xử lý bằng nước sẽ thu được Nhôm Trihydroxyt có cấu trúc khuyết, còn dung dịch nước chứa muối Liti được cô đặc và dùng lại. Tuy nhiên phương pháp này chưa được phổ biến trong công nghiệp. Phần lớn các công trính nghiên cứu Al2O3 dùng làm chất mang xúc tác hoặc chất xúc tác, chất hấp phụ theo phương pháp tổng hợp chung chủ 15
yếu là phân giải muối Natrialuminat bằng axit hoặc muối Nhôm như: HCl, H2SO4, HNO3, Al(OH)Cl2. Quá trình kết tủa Nhôm Hydroxit qua muối Natrialuminat với sự có mặt của axit: AlO2 + H+ = AlO(OH) Bản chất của phương pháp là dùng axít điều chỉnh độ pH của dung dịch Aluminat tới giá trị pH = 8 ở nhiệt độ 80ºC để thu được Nhôm Hydroxyt tinh thể. Sau khi thực hiện axit hóa cần thực hiện già hóa để kích thích sự lớn lên của các tinh thể AlO(OH) và lọc rửa kết tủa để loại bỏ hoàn toàn SO42. Rồi sau đó lần lượt thực hiện sấy ở 100ºC trong 24h và nung ở 550ºC trong 5h. 1.2.2. Đặc điểm của phương pháp Sự tạo thành Nhôm Hydroxit khi kết tủa là một quá trình phức tạp, cùng với sự thuỷ phân trong dung dịch chứa nhôm lại có quá trình tách kết tủa nhôm hidroxit kèm theo sự tạo thành mầm kết tinh, phát triển cấu trúc thứ sinh. Thành phần của dung dịch ban đầu, điều kiện kết tủa Hydroxyt, già hoá và rửa kết tủa có ảnh hưởng rất lớn không những đến thành phần pha của nhôm hydroxyt (boehmite, giả boehmite, bayerit hoặc pha vô định hình) mà cả về hình dạng kích thước tinh thể, đặc tính cấu trúc không gian… Tiến hành khử nước của nhôm hydroxyt sẽ thu được nhôm oxyt và sản phẩm này thường thừa kế cấu trúc của nhôm hydroxyt ban đầu do hiệu ứng giả hình, nhất là với dạng giả boehmite và boehmite, chính vì vậy người ta cho rằng những đặc trưng cấu trúc cơ học cơ bản của nhôm oxyt (diện tích bề mặt riêng, thể tích và bán kính trung bình của lỗ xốp, sự phân bố lỗ xốp theo kích thước, độ bền cơ học) được khởi thảo ngay ở giai đoạn điều chế nhôm hydroxyt. Phần lớn khung của nhôm hydroxyt được hình thành ở giai đoạn kết tủa và già hoá, rửa. Còn có một số công đoạn xử lý thêm để nhôm hydroxyt có tính chất cần thiết cho tạo hình . Các phương 16
pháp xử lý bổ sung có thể là hoá học (dùng axit hoặc kiềm), nhiệt (sấy và làm đậm đặc), cơ học (đảo trộn trong máy trộn). 1.3. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NIO/YAL2O3 Oxit kim loại được mang trên chất mang γAl2O3 là NiO. Bằng phương pháp tẩm ướt, dung dịch tẩm được sử dụng là: Ni(NO3)2.6H2O. Khối lượng muối nitrate của các kim loại tẩm ướt được tính sao cho hàm lượng của mỗi oxit kim loại trong một mẫu xúc tác là 25%. Sau khi tẩm, hỗn hợp được sấy ở 100oC trong 24 giờ nhằm làm mất nước trong xúc tác và tinh thể muối. Xúc tác tiếp tục được nung trong không khí ở 650oC trong 5giờ nhằm định vị các oxit kim loại trong hệ xúc tác. Xúc tác được bảo quản trong bình hút ẩm. Phản ứng oxi hóa pxylen được tiến hành trên sơ đồ dòng vi lượng ở nhiệt độ 390oC. Tốc độ dòng khí tổng là 12 l/h. Nồng độ của pxylen là 5,5 hơi nước trong dòng không khí là 14 g/m3, nồng độ H S là g/m3 nồng độ 2 16,7 g/m3. Khối lượng xúc tác là 1 gam. Thành phần hỗn hợp phản ứng được phân tích trên sắc ký khí HP 6890. 1.4. ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC NIO/YAL2O3 TRONG PHẢN ỨNG OXY HÓA PXYLEN Hiện nay, có hai hướng chính trong việc nghiên cứu xúc tác đồng thể tạo acid terephthalic: oxy hóa trong nước siêu tới hạn và dị thể hóa của xúc tác đồng thể. Phương pháp thứ hai, oxy hóa pxylene sử dụng xúc tác bằng cách dị thể hóa xúc tác đồng thể. Mặc dù xúc tác đồng thể có nhiều ưu điểm, nhưng lại bộc lộ các nhược điểm như: tâm xúc tác kim loại bị kết tủa, làm ngăn cản sự hoạt động của xúc tác, khó tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng cũng như tái sử dụng xúc tác. Vì vậy, việc dị thể hóa xúc tác đồng thể được các nhà khoa học quan tâm. Tác giả GhiaciM đã sử dụng bentonite làm chất mang cho xúc tác Niken. Với cách này, các xúc tác được tái tạo. Các nhà nghiên cứu khác cũng nỗ lực dị thể hóa xúc tác đồng thể bằng cách 17
“gắn” tâm xúc tác Niken ở dạng phức lên chất mang zeolit . Phương pháp này đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong việc ứng dụng loại xúc tác này. dị thể hóa xúc tác phức đồng thể lên bề mặt chất mang mao quản trung bình và ứng dụng làm xúc tác trong phản ứng oxy hóa p xylene tạo acid terephthalic. Oxy hóa pxylene trên xúc tác dị thể Cách đây 30 năm, Hronec và Hrabe 1986 đã sử dụng xúc tác dị thể để oxy hóa pha lỏng hydrocarbon thơm và cho thấy không mang lại hiệu quả như xúc tác đồng thể. Oxy hóa pxylene bằng xúc tác Nizeolit cho độ chọn lọc acid terephthalic thấp hơn 15%. Gần đây đã có nhiều nghiên cứu oxy hóa pha lỏng pxylene bằng xúc tác dị thể, Chavan đã ứng dụng xúc tác chứa phức Ni/Mn trên chất mang zeolit Y với dung môi acid acetic và nước ở nhiệt độ dưới 200 oC, áp suất không khí 6,1 MPa cho độ chuyển hóa 100% và hiệu suất tạo acid terephthalic đạt 68,9% trong 20 giờ phản ứng. Tuy nhiên, hoạt tính cao của xúc tác dị thể đã chứng tỏ rằng có thể tạo acid terephthalic ở hiệu suất cao. Ngoài ra, việc ứng dụng xúc tác dị thể tốt hơn xúc tác đồng thể như: dễ dàng tách khỏi hỗn hợp sản phẩm, dễ tái sinh, không có sự hiện diện của ion brom cũng như các chất xúc tiến gây ăn mòn thiết bị. Có nhiều xúc tác dị thể đã được công bố và cho độ chuyển hóa pxylene cũng như độ chọn lọc acid terephthalic cao. Các xúc tác này bao gồm Pd, Sb và Mo gắn trên TiO2, các xúc tác này có thể kết hợp với muối acetate. Tuy nhiên, tính tái sinh xúc tác vẫn còn nhiều vấn đề cần phải thông nhất trong các công bố. Mặt khác, để đạt độ chọn lọc tốt thì phải có lượng xúc tác thích hợp. Đối với quá trình oxy hóa pxylene bằng xúc tác đồng thể gồm Niken, manganese và brom, khi tỉ lệ Br/kim loại giảm thì làm giảm sản phẩm 4 CB , điều này là do hàm lượng brom nhỏ làm giảm hoạt tính xúc tác. Vì vậy, khi hàm lượng kim loại cao hơn hàm lượng brom trong xúc tác thì xúc tác sẽ không có hoạt tính cao. Giải pháp tốt nhất là khi tăng hàm lượng Niken, manganese thì phải tăng hàm lượng brom thích hợp để đạt được 18
hoạt tính xúc tác cao. Hoạt tính xúc tác được đánh giá bằng quá trình xúc tác cho sự phân hủy peroxide tạo các gốc tự do. Tuy nhiên, yêu cầu của giải pháp này là phải kiểm soát tốt để tránh các quá trình oxy hóa không mong muốn. Ngoài ra, các đặc tính của xúc tác dị thể có ảnh hưởng lớn đến độ chọn lọc của quá trình oxy hóa pxylene, ví dụ như công bố của Chavan xúc tác chứa hợp kim NiMn2zeolit Y cho độ chọn lọc acid terephthalic cao hơn xúc tác chứa Ni và Mn trên zeolit Y, điều này là do có sự tương tác tốt giữa Ni và Mn trong xúc tác chứa NiMn2 cho độ chọn lọc acid terephthalic đạt 92,8%. Hơn nữa, sự biến dạng hình học của các vật liệu được gắn trên zeolit cũng có thể ảnh hưởng đến độ chọn lọc do sự thay đổi mật độ điện tích trên tâm ion kim loại. Vì vậy, khả năng oxy hóa của xúc tác thay đổi. Mặt khác, độ chọn lọc của xúc tác dị thể có thể được cải thiện bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng của xúc tác và hoạt hóa bề mặt xúc tác. Nói chung, độ chọn lọc của sản phẩm mong muốn có thể kiểm soát bằng cách thay đổi điều kiện phản ứng như: nhiệt độ, áp suất, chất oxy hóa, các chất đồng oxy hóa, thời gian phản ứng hoặc làm mất hoạt tính ở một số tâm xúc tác do bị nhiễm độc, bị tách ra của tâm xúc tác hoặc bị thiêu kết. 1.5. ỨNG DỤNG CỦA NHÔM OXIT Gammanhôm oxit được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là lọc hoá dầu, xúc tác cho các phản ứng hoá học, trong vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường,... do đặc tính có bề mặt riêng lớn, hoạt tính cao, bền cơ, bền nhiệt. Ngoài ra Al2O3 là loại chất mang trơ có diện tích bề mặt riêng thấp. Loại chất mang này có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt của môi trường bởi đặc tính chịu nhiệt, độ bền hoá học và độ bền vật lý cao. 19
1.5.1. Ứng dụng của Gammanhôm oxit trong công nghệ lọc hoá dầu 1.5.1.1. Ứng dụng làm chất xúc tác a. Xúc tác cho quá trình Clause Trong quá trình này nhôm oxit được sử dụng như một chất xúc tác nhằm chuyển hóa H2S thành muối Sunfua. Lưu huỳnh là chất khí độc với sức khỏe con người, sự có mặt của nó trong dòng khí công nghệ gây ngộ độc chất xúc tác, ăn mòn thiết bị, tạo cặn đường ống, tạo ra khí thải làm ô nhiễm môi trường bởi vậy cần khống chế hàm lượng H2S tối thiểu trong dòng khí công nghệ và khí thiên nhiên bằng cách chuyển hóa nó sang dạng khác ít gây độc hơn. Có nhiều phương pháp biến Hydrosunfua (H2S) có trong khí dầu mỏ thành lưu huỳnh đơn chất S nhưng công nghệ được ứng dụng rộng rãi nhất là công nghệ claus. Quá trình Clause bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn nhiệt và giai đoạn xúc tác + Giai đoạn nhiệt : Giai đoạn này chủ yếu do tác dụng của một phần khí H2S với không khí ở nhiệt độ cao khoảng 100014000C theo phản ứng 2H2S + 3O3 → 2SO2 + 2H2O + Giai đoạn xúc tác : Trong giai đoạn xúc tác chủ yếu xử lí lượng khí còn lại trên các tâm hoạt tính aluminn. Phản ứng chính xảy ra trong giai đoạn này được gọi là phản ứng Clause. Khi sử dụng tầng xúc tác, hiệu suất thu lưu huỳnh có thể lớn hơn 97% của tổng lượng lưu huỳnh của cả quá trình. Nếu đưa vào khoảng hơn 2,6 tấn dòng khí công nghệ thì sẽ sản xuất được 1 tấn lưu huỳnh. 20