Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp Nano-NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu để xử lý nhiên liệu kém chất lượng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu tổng hợp Nano-NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu để xử lý nhiên liệu kém chất lượng" nghiên cứu một cách có hệ thống các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp Nano-NaX bằng phương pháp thủy nhiệt để lựa chọn được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp vật liệu... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp Nano-NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu để xử lý nhiên liệu kém chất lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT QUANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ZEOLITE NaX TRỰC TIẾP TỪ METACAOLANH VÀ TRO TRẤU ĐỂ XỬ LÝ NHIÊN LIỆU KÉM CHẤT LƯỢNG Ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9520301 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Tạ Ngọc Đôn 2. TS. Trịnh Xuân Bái Phản biện 1: GS.TS. Vũ Thị Thu Hà Phản biện 2: GS.TSKH. Ngô Thị Thuận Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Bích Thủy Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 8 giờ 30 phút, ngày 15 tháng 01 năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài Zeolite là vật liệu vi mao quản cấu trúc tinh thể nên có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ. Zeolite thường được tổng hợp từ các nguồn chứa nhôm và silic trong môi trường kiềm và có hoặc không có mặt chất tạo cấu trúc. Hiện nay zeolite NaX được tổng hợp chủ yếu từ nguồn hóa chất tinh khiết, một số khác được tổng hợp từ hóa chất tinh khiết và cao lanh, vỏ trấu, tro bay. Cho đến nay chưa tìm thấy công bố về tổng hợp zeolite NaX hoàn toàn từ nguồn nguyên liệu tự nhiên là metacaolanh và tro trấu mà không bổ sung thêm hóa chất tinh khiết nào khác, đặc biệt là tổng hợp nano zeolite NaX có chứa mao quản trung bình. Đây là vật liệu có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực, ngành nghề khác nhau, trong đó có việc hấp phụ các tạp chất trong nhiên liệu kém chất lượng. Hiện nay ở Việt Nam, một số tàu biển đặc thù sử dụng nhiên liệu diesel L62 sau khi kết thúc hành trình còn tồn dư một lượng nhiên liệu có chất lượng rất kém do hoạt động ở các điều kiện khắc nghiệt. Việc nhiên liệu bị xuống cấp là do xuất hiện hàm lượng cặn, hàm lượng nhựa và hàm lượng asphaltene tăng hơn so với nhiên liệu ban đầu. Chính vì vậy, nhiên liệu diesel L62 khi bị xuống cấp cần xử lý tiêu hủy như chất thải nguy hại gây tốn kém, lãng phí nguồn tài nguyên và ảnh hưởng xấu tới môi trường. Ngoài ra, trong quá trình tồn chứa để đảm bảo cho mục đích an ninh quốc phòng, nhiên liệu phản lực TC-1 cũng bị xuống cấp kém chất lượng do bị oxy hóa, xảy ra các phản ứng trùng hợp, trùng ngưng... tạo ra các hợp chất cao phân tử như các chất nhựa, asphaltene. Vì vậy, nghiên cứu tổng hợp nano zeolite NaX từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên là vỏ trấu và cao lanh nội địa mà không cần bổ sung thêm nguồn nhôm, silic, chất tạo cấu trúc nào khác từ hóa chất tinh khiết, đồng thời sử dụng vật liệu tổng hợp được làm chất hấp phụ cho quá trình xử lý nhiên liệu kém chất lượng phát sinh trong quá trình hoạt động của tàu, thuyền trên biển và nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng do tồn chứa lâu năm của đề tài này là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn tốt.
2 2. Mục tiêu - Nghiên cứu một cách có hệ thống các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp nano zeolite NaX bằng phương pháp thủy nhiệt để lựa chọn được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp vật liệu. - Nghiên cứu tổng hợp trực tiếp vật liệu nano zeolite NaX có diện tích bề mặt lớn, chứa mao quản trung bình từ metacaolanh làm nguồn cung cấp nhôm, silic và tro trấu làm nguồn bổ sung silic cho quá trình tổng hợp mà không bổ sung thêm các hóa chất tinh khiết hoặc chất tạo cấu trúc nào khác. - Nghiên cứu một cách có hệ thống các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ xử lý nhiên liệu kém chất lượng bằng vật liệu hấp phụ nano zeolite NaX tổng hợp được, từ đó lựa chọn điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ để thu được nhiên liệu có thể tái sử dụng. 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: + Zeolite, zeolite NaX, nano zeolite NaX, cao lanh, metacaolanh, vỏ trấu, tro trấu. + Nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phản lực TC-1. - Phương pháp nghiên cứu: + Nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về tổng hợp vật liệu zeolite và vật liệu nano zeolite NaX. + Sử dụng phương pháp kết tinh thủy nhiệt để tổng hợp vật liệu nano zeolite NaX và nghiên cứu đặc trưng vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp hóa lý hiện đại. + Sử dụng các phương pháp hóa lý khác để phân tích, đánh giá hàm lượng và chất lượng của nhiên liệu. + Sử dụng phương pháp hấp phụ để loại bỏ các chất gây ảnh hưởng xấu tới nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Đã tổng hợp được vật liệu nano zeolite NaX hoàn toàn từ nguồn nguyên liệu tự nhiên mà không bổ sung thêm hóa chất tinh khiết hay chất tạo cấu trúc nào khác, với vỏ trấu làm nguồn cung cấp
3 silic và cao lanh làm nguồn cung cấp nhôm, silic cho quá trình tổng hợp. - Đã đưa ra được quy trình tổng hợp đơn giản với các điều kiện tổng hợp thích hợp để thu được vật liệu nano zeolite NaX có đặc trưng và tính chất tốt. - Đóng góp vào cơ sở lý thuyết tổng hợp vật liệu nano zeolite NaX chứa mao quản trung bình, đặc biệt là vật liệu được tổng hợp trực tiếp từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên sẵn có và rẻ tiền tại Việt Nam. - Lần đầu tiên sử dụng vật liệu đã tổng hợp được để xử lý nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng. Nhiên liệu kém chất lượng này sau khi xử lý có thể tái sử dụng, tiết kiệm nguồn tài nguyên và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 5. Điểm mới của luận án - Đã tổng hợp thành công vật liệu nano zeolite NaX trực tiếp từ nguồn nguyên liệu tự nhiên là metacaolanh và tro trấu mà không cần bổ sung thêm chất tạo cấu trúc hay nguồn silic hoặc nhôm từ hóa chất sạch. Đã tìm ra điều kiện tổng hợp nano zeolite NaX thích hợp với tỷ lệ mol trong hợp phần gel ban đầu: 4Na2O.Al2O3.4SiO2. 160H2O.NaCl. Hỗn hợp gel được làm già trong 72 giờ ở nhiệt độ phòng có khuấy trộn và kết tinh thủy nhiệt ở 95 oC trong 24 giờ không khuấy trộn. - Đã sử dụng vật liệu nano zeolite NaX tổng hợp được để loại bỏ các hợp chất nhựa, asphaltene trong nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng cho kết quả tốt, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật cho nhiên liệu thương mại theo TCVN 5689, ГOCT 305, ГOCT 10227 và có thể tái sử dụng. 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 105 trang, ngoài phần Mở đầu và Kết luận, những đóng góp mới của luân án, danh mục các công trình đã công bố của tác giả, danh mục tài liệu tham khảo, luận án được chia làm 3 chương với nội dung chính: Chương 1- Tổng quan (42 trang), Chương 2- Thực nghiệm (9 trang) và Chương 3- Kết quả và thảo luận (53 trang). Luận án có 28 bảng, 49 hình và 177 tài liệu tham khảo. Phần Phụ lục gồm một số kết quả phân tích kiểm tra chất lượng nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phản lực TC-1.
4 NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về nguyên liệu cho tổng hợp zeolite, tổng quan về zeolite và zeolite NaX, tổng quan về nhiên liệu diesel L62, nhiên liệu phản lực TC-1 và giới thiệu nhiên liệu diesel L62, nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Nghiên cứu tổng hợp nano zeolite NaX từ metacaolanh và tro trấu Quy trình tổng hợp nano zeolite NaX (Nano-NaX) được tiến hành tại phòng thí nghiệm Hóa Hữu cơ, Bộ môn Hóa hữu cơ, Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách khoa Hà Nội. Các bước tổng hợp nano zeolite NaX được tiến hành theo sơ đồ trên hình 2.1. NaOH, Tro trấu Metacaolanh NaCl, NaOH, H2O H2O Khuấy Khuấy Dung dịch Dung dịch b a Làm già to phòng, 24-72 giờ, có khuấy Dung dịch đã già hóa Kết tinh 75-95 oC, 12-36 giờ, không khuấy Hỗn hợp sau kết tinh Lọc, rửa, sấy, nghiền, nung Nano-NaX Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp nano zeolite NaX từ metacaolanh và tro trấu
5 Theo quy trình này, hợp phần tro trấu được trộn với metacaolanh, natri hydroxide, natri clorua và nước cất theo tỷ lệ mol (3,5-5,0)Na2O.Al2O3.(2-5)SiO2.(140-170)H2O.(0-3)NaCl. Hỗn hợp được làm già trong thời gian 24-72 giờ ở nhiệt độ phòng có khuấy trộn, kết tinh thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 75-95 oC trong 12-36 giờ không khuấy trộn. Sản phẩm sau kết tinh được rửa bằng nước cất đến khi nước rửa có độ pH = 8, sấy khô ở nhiệt độ 100 oC rồi nghiền qua sàng 0,15 mm và nung ở 250 oC trong 4 giờ để ổn định cấu trúc. 2.2. Nghiên cứu xử lý nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng Các mẫu nhiên liệu diesel L62 được phân tích kiểm tra, đánh giá chất lượng bằng Cột hấp phụ các phương pháp hóa lý thông dụng tại phòng hóa nghiệm Nano zeolite Viện kỹ thuật xăng dầu Quân NaX đội theo phương pháp ГOCT 305, TCVN/QS 1564:2012 và TCVN 5689:2013. Giấy lọc Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ xử lý nhiên liệu diesel Cốc thu hồi L62 kém chất lượng: Thời gian hấp phụ, yếu tố khuấy trộn, quá trình nén, nhiệt độ xử lý, các Hình 2.2. Cột hấp phụ sử dụng chất hấp phụ khác nhau, hiệu nano zeolite NaX làm chất hấp suất xử lý của chất hấp phụ và phụ xử lý nhiên liệu diesel L62 khả năng tái sử dụng của vật kém chất lượng liệu hấp phụ (sử dụng cột hấp phụ có đường kính 6 cm, dài 50 cm, phía dưới bên trong cột được lót giấy lọc (hình 2.2). Chiều dày vật liệu hấp phụ nano zeolite NaX 15 cm). Để phân tích, kiểm tra, đánh giá chất lượng nhiên liệu, luận án sử dụng các phương pháp theo tiêu chuẩn quy định hiện hành tại Việt Nam như: Xác định thành phần cất, xác định độ nhớt động học, xác định nhiệt độ đông đặc, xác định nhiệt độ vẩn đục, xác định độ axit, xác định nhiệt độ chớp lửa cốc kín, xác định trị số iot, xác định tạp
6 chất cơ học, xác định hàm lượng nước, xác định hàm lượng lưu huỳnh, xác định axit, kiềm tan trong nước, xác định ăn mòn đồng, xác định hàm lượng tro, xác định cặn carbon, xác định nhiệt độ giới hạn lọc, xác định hàm lượng nhựa, xác định chỉ số xetan, xác định hàm lượng asphaltene, xác định hàm lượng lưu huỳnh mercaptan. 2.3. Nghiên cứu xử lý nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng Bên cạnh quá trình nghiên cứu xử lý nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng như đã trình bày trong mục 2.2, luận án cũng đã nghiên cứu sử dụng vật liệu nano zeolite NaX tổng hợp được để xử lý nhiên liệu phản lực TC-1 kém chất lượng và quy trình thực hiện được tiến hành tương tự như mục 2.2. 2.4. Các phương pháp đặc trưng vật liệu nghiên cứu Các mẫu được đặc trưng cấu trúc và tính chất bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hấp thụ hồng ngoại (IR), đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ Nitơ (BET), phân tích thành phần hóa học và xác định tổng dung lượng trao đổi cation (CEC). CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả tổng hợp nano zeolite NaX 3.1.1. Kết quả xử lý nguyên liệu Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - MTCL Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Tro 1 300 200 290 190 280 270 180 260 170 250 240 160 230 150 220 210 140 200 130 190 180 120 170 Lin (Cps) Lin (Cps) 110 160 150 100 140 90 130 120 80 d=4.024 d=3.344 110 70 100 90 60 80 50 d=4.275 70 60 40 50 30 d=1.729 40 30 20 20 10 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale 2-Theta - Scale File: Herovn Tro1.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Anode: Cu - WL1: 1.5406 - Generator kV: 40 kV - Generator mA: 40 mA - Creation: 09/08/2017 10:12:37 AM File: HEROVN MTCL.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 01-079-1906 (A) - Quartz - alpha-SiO2 - Y: 100.00 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91340 - b 4.91340 - c 5.40520 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3121 (152) - 3 - 113.007 - I/Ic PDF Hình 3.1. Giản đồ XRD Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu metacaolanh của mẫu tro trấu Kết quả phân tích XRD trên hình 3.1 của metacaolanh và hình 3.2 của tro trấu cho thấy nguồn nguyên liệu để tổng hợp zeolite là
7 metacaolanh và tro trấu cơ bản ở dạng vô định hình, phù hợp với yêu cầu làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp zeolite. 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp nano zeolite NaX 3.1.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng kiềm Trong khảo sát này, các mẫu thực nghiệm có tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 trong gel phản ứng thay đổi từ 3,5 đến 5,0 với bước thay đổi 0,5. Các điều kiện khác được giữ nguyên là tỷ lệ mol SiO2/Al2O3 = 4, H2O/Al2O3 = 160, NaCl/Al2O3 = 1, thời gian làm già ở nhiệt độ phòng trong 72 giờ có khuấy trộn, thời gian kết tinh trong 24 giờ không khuấy trộn tại nhiệt độ 95 oC (bảng 3.1). Mẫu có tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 = 4 trong gel phản ứng là thích hợp nhất để tổng hợp nano zeolite NaX (Nano-NaX). Bảng 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng kiềm đến sự kết tinh Nano-NaX Ký Tỷ lệ mol Độ tinh Độ hấp phụ, % CEC, Kích thước hạt tinh thể, nm hiệu Na2O/Al2O3 thể khối lượng TT Meq mẫu trong gel zeolite /100g Nước Toluene XRD TEM SEM NaX, % NX- 1 3,5 88 296 26,8 25,9 59 61 85 3.5N NX- 2 4,0 95 320 29,1 27,8 45 45 70 4.0N NX- 3 4,5 91 285 26,3 23,2 56 75 85 4.5N NX- 4 5,0 63+13P1 264 22,1 20,4 74 100+364 120+700 5.0N 3.1.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng silic Silic và nhôm là hai thành phần chính tạo nên khung cấu trúc của zeolite trong môi trường có độ kiềm và độ điện ly thích hợp. Trong nghiên cứu này, 4 mẫu thực nghiệm có tỷ lệ mol SiO2/Al2O3 thay đổi từ 2 đến 5 với bước thay đổi bằng 1, tỷ lệ Na2O/Al2O3 = 4, các điều kiện khác được giữ nguyên như đã trình bày trong mục 3.1.2.1. Kết quả trong bảng 3.2 chỉ ra rằng, khi độ tinh thể càng cao và kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng hấp phụ cả nước và toluene đều tăng. Dung lượng trao đổi cation đạt cực đại ở mẫu NX-4S khi độ tinh thể của mẫu này cũng đạt cực đại (bằng 95 %), chứng tỏ tứ diện AlO4– đã cân bằng với Na+ trong dung dịch và tỷ lệ SiO2/Al2O3 = 4 được xem là tỷ lệ thích hợp.
8 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng silic đến sự kết tinh Nano-NaX TT Ký Tỷ lệ mol Độ tinh CEC, Độ hấp phụ, % Kích thước hạt tinh thể, nm hiệu SiO2/Al2O3 thể Meq khối lượng mẫu trong gel zeolite /100g Nước Toluene XRD TEM SEM NaX, % 1 NX-2S 2 82 273 26,5 24,6 100 100 135 2 NX-3S 3 85 292 27,2 25,1 90 87 110 3 NX-4S 4 95 320 29,1 27,8 45 45 70 4 NX-5S 5 0 15 8,1 3,2 2.980(*) 3.000(*) 8.800(*) 3.1.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nước Trong quá trình tổng hợp zeolite, nước có vai trò điều tiết pH của dung dịch phản ứng, bởi vậy hàm lượng nước trong hệ gel phản ứng sẽ có ảnh hưởng đến quá trình kết tinh zeolite. Trong nghiên cứu này, 4 mẫu thực nghiệm khác nhau có tỷ lệ mol H2O/Al2O3 thay đổi từ 140 đến 170 với bước thay đổi bằng 10, tỷ lệ Na2O/Al2O3 = 4, SiO2/Al2O3 = 4, các điều kiện khác được giữ nguyên như đã trình bày trong mục 3.1.2.1. Bảng 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng nước đến sự kết tinh Nano-NaX TT Ký hiệu mẫu Tỷ lệ mol Độ tinh thể CEC, Độ hấp phụ, % Kích thước hạt tinh H2O/Al2O3 zeolite NaX, Meq khối lượng thể, nm trong gel % /100g Nước Toluene XRD TEM SEM 1 NX-140H 140 78 256 24,2 23,5 42 44 55 2 NX-150H 150 84 292 26,8 25,5 43 45 68 3 NX-160H 160 95 320 29,1 27,8 45 45 70 4 NX-170H 170 86 285 26,0 25,6 75 146 175 Từ bảng 3.3, khi tỷ lệ H2O/Al2O3 ≤ 150 hoặc tỷ lệ H2O/Al2O3 ≥ 170 thì độ tinh thể zeolite NaX đều giảm so với khi tỷ lệ H2O/Al2O3 = 160. Điều này cho thấy hàm lượng nước ít thì dung dịch phản ứng trở nên đậm đặc hơn và hàm lượng nước cao quá thì dung dịch phản ứng trở nên loãng hơn, đều có ảnh hưởng đến quá trình hình thành các tứ diện AlO4– mà Na+ sẽ đính vào tứ diện mang điện tích âm này, sau khi các tứ diện AlO4– liên kết với các tứ diện SiO4 tạo nên cấu trúc của zeolite. Mẫu NX-160H luôn cho CEC, độ hấp phụ nước và toluen lớn nhất, chứng tỏ mẫu này có nhiều tứ diện AlO4– nhất và có độ xốp lớn nhất. Vì vậy, tỷ lệ mol H2O/Al2O3 = 160 được xem là tỷ lệ thích hợp. 3.1.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng muối Trong quá trình tổng hợp zeolite, NaCl thường được thêm vào hệ gel phản ứng nhằm mục đích cung cấp thêm Na+ và xúc tiến hình thành AlO4–. Trong nghiên cứu này, 4 mẫu thực nghiệm khác nhau có tỷ lệ mol NaCl/Al2O3 thay đổi từ 0 đến 4, với bước thay đổi bằng
9 1. Tỷ lệ Na2O/Al2O3 = 4, SiO2/Al2O3 = 4, H2O/Al2O3 = 160, các điều kiện khác được giữ nguyên như đã được trình bày trong mục 3.1.2.1. Khi có mặt NaCl, hai mẫu NX-1NaCl và NX-2NaCl với các giản đồ XRD đều xuất hiện pic đặc trưng cho zeolite NaX với cường độ rất mạnh, tuy nhiên độ rộng chân pic đặc trưng của mẫu NX- 1NaCl lớn hơn, chứng tỏ kích thước hạt tinh thể zeolite NaX trong mẫu này nhỏ hơn trong mẫu NX-2NaCl. Kết quả này phù hợp với kết quả chụp SEM và TEM được thống kê trong bảng 3.4. Bảng 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng muối đến sự kết tinh Nano-NaX Độ tinh Độ hấp phụ, % Kích thước hạt tinh Tỷ lệ mol CEC, T Ký hiệu thể khối lượng thể, nm NaCl/Al2O3 Meq T mẫu zeolite trong gel /100g Nước Toluene XRD TEM SEM NaX, % NX- 0 18 180 17,2 16,4 42 43 62+V 1 0NaCl ĐH NX- 1 95 320 29,1 27,8 45 45 70 2 1NaCl NX- 2 93 278 26,8 24,9 60 95 140 3 2NaCl NX- 3 25 206 19,4 17,3 165 - - 4 3NaCl Khi NaCl được thêm vào hệ gel phản ứng với tỷ lệ mol NaCl/Al2O3 = 3 thì giản đồ XRD lại xuất hiện thêm pic đặc trưng của zeolite NaP1. Như vậy, khi dung dịch phản ứng có tỷ lệ mol NaCl/Al2O3 = 3 đã làm tăng mạnh cường độ điện ly Na+ và Cl– làm cho sự kết nối giữa các tứ diện SiO4 và AlO4– có xu hướng tạo thành zeolite NaP1 có cấu trúc đặc khít hơn so với zeolite NaX. Các số liệu thống kê trong bảng 3.4 cũng cho thấy độ tinh thể zeolite NaX trong mẫu NX-3NaCl chỉ bằng 25 %, độ hấp phụ toluene giảm mạnh còn 17,3 % – chứng tỏ zeolite NaP1 chiếm tỷ lệ không nhỏ trong mẫu. Lưu ý là zeolite NaP1 có kích thước mao quản nhỏ hơn zeolite NaX nhiều, chỉ hấp phụ nước mà không hấp phụ toluene. Mẫu NX-3NaCl có kích thước tinh thể theo XRD bằng 165 nm, cũng cho thấy đây là kích thước trung bình của các hạt, bao gồm cả zeolite NaX và zeolite NaP1 có trong mẫu phân tích. Như vậy, sự có mặt của NaCl trong dung dịch kết tinh đã làm tăng khả năng ghép nối các tứ diện AlO4– và SiO4 để tạo thành mầm và đồng thời xúc tiến mầm lớn lên thành tinh thể hoàn chỉnh của zeolite NaX. Tuy vậy, tỷ lệ mol NaCl/Al2O3 = 1 trong gel được xem là phù hợp hơn tỷ lệ NaCl/Al2O3 = 2 do có độ tinh thể cao hơn (95 so với 93 %) và nhất là kích thước tinh thể đồng đều và nhỏ hơn (45, 45
10 và 70 nm so với 60, 95 và 140 nm – tương ứng theo các phương pháp XRD, TEM và SEM – bảng 3.4). , 3 mẫu thực nghiệm khác nhau được khuấy trộn tại nhiệt độ phòng, có thời gian làm già thay đổi từ 48 đến 96 giờ với bước thay đổi bằng 24 giờ. Các yếu tố khác được giữ nguyên như tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 = 4, SiO2/Al2O3 = 4, H2O/Al2O3 = 160, NaCl/Al2O3 = 1, kết tinh không khuấy trộn tại 95 oC trong 24 giờ. Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian làm già đến sự kết tinh Nano-NaX TT Ký hiệu Thời Độ tinh CEC, Độ hấp phụ, % Kích thước hạt tinh thể, nm mẫu gian làm thể zeolite meq khối lượng già, giờ NaX, % /100g Nước Toluene XRD TEM SEM 1 NX48-24 48 0 56 5,4 4,6 - - Q+VĐH 2 NX72-24 72 95 320 29,1 27,8 45 45 70 3 NX96-24 96 42X+35P1 216 20,3 16,4 148+659 155+860 260+930 +VĐH
11 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian kết tinh đến sự kết tinh Nano-NaX TT Ký hiệu Thời gian Độ tinh CEC, Độ hấp phụ, % Kích thước hạt tinh thể, nm mẫu kết tinh, thể zeolite meq/ khối lượng giờ NaX, % 100g Nước Toluene XRD TEM SEM 1 NX72- 12 85 283 25,4 25,0 42 105 125+VĐH 12 2 NX72- 24 95 320 29,1 27,8 45 45 70 24 3 NX72- 36 58X+23P1 275 21,5 18,2 50+358 50+435 70+890 36 +VĐH
12 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ kết tinh đến sự kết tinh Nano-NaX TT Ký hiệu Nhiệt độ Độ tinh CEC, Độ hấp phụ, Kích thước hạt tinh thể, nm mẫu kết tinh, thể zeolite meq % khối lượng o C NaX, % /100g Nước Toluene XRD TEM SEM o 1 NX-75 C 75 80 220 23,5 22,1 32 43 50+VĐH 2 NX-85oC 85 82 265 25,2 25,4 38 45 60+VĐH 3 NX-95oC 95 95 320 29,1 27,8 45 45 70 3.1.3. Đặc trưng nano zeolite NaX được tổng hợp trong điều kiện thích hợp Bảng 3.8 thống kê kết quả đặc trưng cấu trúc và tính chất của nano zeolite NaX được tổng hợp từ luận án này và hai công trình so sánh. Cả ba phương pháp này đều cho kết quả được đánh giá là không khác nhau nhiều khi xem xét điều kiện tổng hợp và chất lượng sản phẩm thu được. Nhưng rõ ràng, phương pháp tổng hợp nano zeolite NaX từ luận án này không phải sử dụng nguồn silic và nguồn nhôm tinh khiết nên không chỉ mang lại ý nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn tốt hơn.
13 Bảng 3.8. CEC, độ hấp phụ và kích thước tinh thể trong các mẫu nghiên cứu TT Ký hiệu Phương Cấu phần Nhiệt Thời Độ Bề CEC, Kích thước hạt tinh mẫu pháp gel độ kết gian tinh mặt meq/ thể, nm tổng hợp tinh, kết tinh, thể, riêng, 100g XRD TEM SEM o C giờ % m2/g 1 Nano zeolite Thủy Tro trấu, NaX tổng nhiệtmetacaolanh 95 24 95 492 320 45 45 70 hợp từ luận NaOH, NaCl, án này H2O 2 Nano zeolite Thủy TEOS, NaX nhiệt NaAlO2/ SM- 60 48 99 530 - 23 - 20-100 30, NaOH, H2O 3 Nano zeolite Vi sóng Fumed silica, NaX NaAlO2, 90 3 100 536 - - - 70 NaOH, H2O 3.1.4. Kết quả đạt được - Đã tổng hợp thành công lần đầu tiên vật liệu nano zeolite NaX trực tiếp từ nguồn cung cấp silic và nhôm là metacaolanh và tro trấu trong điều kiện thủy nhiệt một bước tại 95 oC trong 24 giờ. Quy trình tổng hợp cho độ lặp lại tốt, sản phẩm thu được có kích thước 45 nm, độ tinh thể nano zeolite NaX đạt 95 %, bề mặt riêng BET đạt 492 m2/g, phân bố lỗ xốp tập trung tại vùng vi mao quản 0,8 nm và vùng mao quản trung bình 5,5 nm; dung lượng trao đổi cation đạt 320 meq Ba2+/100g, khả năng hấp phụ nước và toluene tốt. - Đã nghiên cứu một cách có hệ thống các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu nano zeolite NaX trực tiếp từ nguồn cung cấp silic và nhôm là metacaolanh và tro trấu. Theo đó, tất cả các yếu tố khảo sát đều có ảnh hưởng đến quá trình kết tinh nano- NaX. Khi tỷ lệ mol trong gel phản ứng Na2O/Al2O3 < 4, SiO2/Al2O3 < 4 và H2O/Al2O3 < 160 thì quá trình kết tinh cho độ tinh thể nano zeolite NaX thấp. Khi tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 > 4, SiO2/Al2O3 > 4 và H2O/Al2O3 > 160 thì quá trình kết tinh có xu hướng chuyển pha tạo thành hydroxysodalite, zeolite NaP1 hoặc α-quartz. Sự có mặt của NaCl trong gel phản ứng khi tỷ lệ mol NaCl/Al2O3 = 1 đã làm tăng độ kết tinh so với khi không có mặt NaCl hoặc có mặt NaCl với tỷ lệ mol NaCl/Al2O3 > 1. Khi tăng nhiệt độ kết tinh thì độ tinh thể nano zeolite NaX tăng dần và đạt cực đại bằng 95 %, cùng với sự tăng nhẹ kích thước hạt nano zeolite NaX và đạt cực đại bằng 45 nm tại 95 oC.
14 - Điều kiện phản ứng thích hợp cho tổng hợp vật liệu nano zeolite NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu khi thành phần mol trong gel là 4Na2O.4SiO2.Al2O3.160H2O.NaCl, thời gian làm già tại nhiệt độ phòng có khuấy trộn là 72 giờ, thời gian kết tinh tại nhiệt độ 95 oC không khuấy trộn là 24 giờ. 3.2. Kết quả ứng dụng nano zeolite NaX để xử lý nhiên liệu kém chất lượng 3.2.1. Kết quả xử lý nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng 3.2.1.1. Đánh giá thành phần hóa học của các mẫu nhiên liệu diesel L62 Hiện nay ở Việt Nam có một số tàu thuyền trên biển thường xuyên sử dụng nhiên liệu diesel. Do nhiên liệu trong bồn chứa của các phương tiện này thường xuyên tiếp xúc với môi trường biển nên giữa nơi tiếp xúc của nước biển và nhiên liệu thường hình thành pha nhũ tương, làm xuống cấp chất lượng nhiên liệu. Nhiên liệu sau khi sử dụng hoặc kém chất lượng cần phải được xử lý đạt yêu cầu kỹ thuật mới có thể tái sử dụng. Trong mục 2.2 ở phần thực nghiệm đã mô tả quá trình hấp phụ xử lý nhiên liệu diesel L62 đã qua sử dụng hoặc kém chất lượng trên vật liệu nano-NaX đã tổng hợp; kết quả thu được thể hiện qua các nội dung sau đây. Bảng 3.9. Hàm lượng hydrocarbon, hàm lượng napthalen, hàm lượng nhựa, hàm lượng asphaltene của các mẫu nghiên cứu TT Ký hiệu mẫu Hàm lượng Hàm Hàm Hàm hydrocarbo lượng lượng lượng n thơm, % napthalen, nhựa, asphaltene KL % KL mg/100ml % KL 1 Diesel L62 thương 18,45 8,23 22,00 0,00 mại 2 Diesel L62 kém 33,89 6,17 909,00 0,75 chất lượng 3 Diesel L62 kém 25,23 7,37 8,00 0,00 chất lượng sau xử lý
15 Hình 3.3. Màu sắc của nhiên liệu diesel L62 thương phẩm (a), nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng (b), nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng sau xử lý (c). Kết quả trong bảng 3.9 cho thấy, hàm lượng hydrocarbon thơm ban đầu chỉ chiếm 18,45 % khối lượng, nhưng trong mẫu diesel L62 kém chất lượng đã tăng mạnh lên đến 33,89 %. Như vậy, trong quá trình sử dụng, nhiên liệu được tồn chứa trong điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, áp suất và tiếp xúc với môi trường biển đã làm cho chất lượng diesel L62 kém đi, có thể một số phản ứng hoá học đã xảy ra làm tăng hàm lượng hydrocarbon thơm (phản ứng ngưng tụ, đóng vòng…). Hình 3.3 cho thấy rõ hình ảnh về màu sắc của các mẫu nhiên liệu nghiên cứu. Rõ ràng, màu sắc của mẫu nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng có màu đen, nhưng sau khi xử lý đã chuyển lại màu vàng tương tự như mẫu diesel L62 thương mại, cho thấy quá trình xử lý là hiệu quả. Đánh giá hàm lượng naphthalen Đối với hàm lượng naphthalen, số liệu thống kê trong bảng 3.9 cho biết, mẫu diesel L62 sau khi sử dụng đã giảm đáng kể (từ 8,23 xuống còn 6,17 %), chứng tỏ trong quá trình sử dụng, một phần naphthalen ban đầu đã ngưng tụ thành các hydrocarbon thơm có kích thước phân tử lớn hơn và hợp chất nhựa hoặc asphaltene. Bên cạnh đó, trong mẫu diesel L62 kém chất lượng sau xử lý hấp phụ bởi vật liệu nano zeolite NaX lượng hydrocarbon thơm có trong mẫu diesel L62 kém chất lượng sau xử lý giảm mạnh từ 33,89 % xuống còn 25,23 %, và hàm lượng nhựa giảm từ 909 mg/100ml xuống còn 8 mg/100ml dẫn tới thành phần của các chất còn lại trong nhiên liệu kém chất lượng sẽ tăng lên. Điều này đã lý giải vì sao hàm lượng naphthalene tăng từ 6,17 % lên 7,37 % khối lượng.
16 Đánh giá hàm lượng nhựa và asphaltene Đây là hai thành phần nặng trong nhiên liệu diesel L62 và là các thành phần không mong muốn khi cần diesel L62 có chất lượng. Kết quả phân tích hàm lượng nhựa và asphaltene thống kê trong bảng 3.9 cho thấy nhiên liệu diesel L62 thương mại chỉ cho phép hàm lượng nhựa thấp (22 mg/100ml) và không xuất hiện asphaltene. Sau khi sử dụng, hàm lượng nhựa trong nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng đã tăng vọt lên 909 mg/100ml và hàm lượng asphaltene đã tăng lên đáng kể (bằng 0,75 % khối lượng). Chính các thành phần này đã làm cho chất lượng diesel L62 xuống cấp và làm cho nhiên liệu chuyển sang màu đen (hình 3.3). Sau khi xử lý hấp phụ bằng vật liệu nano-NaX, hàm lượng nhựa giảm mạnh, chỉ còn 8 mg/100ml và hàm lượng asphaltene bằng 0. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ vật liệu nano-NaX đã hấp phụ rất tốt phần lớn lượng nhựa và asphaltene, ngoài ra còn cải thiện rất đáng kể mầu của nhiên liệu (Hình 3.3). Có thể cho rằng, nhiên liệu L62 kém chất lượng đã được tái nâng cấp hầu như hoàn toàn. Có thể giải thích khả năng nâng cấp nhiên liệu diesel kém chất lượng L62 (loại hydrocarbon thơm đa vòng, nhựa, asphaltene, hấp phụ mầu) bằng vật liệu zeolite nano-NaX như sau: a. Khả năng chọn lọc hình dáng rất tốt của vật liệu nano-NaX đối với các chất nhiễm bẩn trong nhiên liệu: Có thể kể đến các chất làm kém đi chất lượng của nhiên liệu diesel đó là nhựa, asphaltene, hydrocarbon đa vòng ngưng tụ và một số vi chất tạo mầu khác. Vật liệu nano-NaX có khả năng xử lý, hấp phụ tốt các loại chất này đầu tiên là do đặc điểm kích thước mao quản rộng của nó (đường kính là 7,3 Å - hình 1.17). Với đường kính mao quản rộng nên zeolite NaX cho phép các chất hydrocarbon mạch thẳng (thành phần chính của nhiên liệu diesel) và một số hydrocarbon thơm, vòng no có kích thước nhỏ đi qua, ví dụ như: n- hexane (kích thước 4,5 Å), n-octane (4,8 Å), isooctane (0,62 Å), n- pentadecane (0,66 Å), naphthalene (6,3x4,2 Å) và với athracene có kích thước 8,7x4,2 Å vẫn sẽ đi qua được mao quản của zeolite NaX do hiệu ứng chọn lọc hình dáng. Đồng thời các hợp chất nhựa và asphaltene có kích thước lớn hơn đường kính mao quản của zeolite NaX sẽ bị giữ lại trong các mao quản trung bình thứ cấp 5,5 nm của nó.
17 Mặt khác, nano zeolite NaX có cấu trúc tương tự vật liệu nanocomposit, trong đó các hạt nano NaX phân tán trong bề mặt các mao quản trung bình, yếu tố này giúp các hạt nano NaX trở nên ổn định hơn khi không có chất phân tán. Nhờ đó, bề mặt hiệu dụng của các hạt nano NaX trở nên lớn hơn (do hạn chế được sự kết tụ thành các đám hạt lớn), giúp thu hút các phân tử asphaltene vào trong hệ thống mao quản trung bình, nâng cao khả năng hấp phụ. Kích thước các hạt nano NaX càng nhỏ càng tốt, để có thể phân tán đồng đều hơn trong bề mặt các mao quản trung bình, đồng thời không bít kín các kênh mao quản. Yếu tố này cũng hỗ trợ tốt khả năng hấp phụ asphaltene trong dầu. Với các đặc tính trên của vật liệu nano NaX tổng hợp mà sau khi xử lý nhiên liệu xuống cấp (có mầu tối sẫm) bằng vật liệu hấp phụ nano-NaX này thì nhiên liệu lại trở về màu vàng sáng. Kết quả này cũng cho thấy tính ưu việt của vật liệu chứa mao quản trung bình khi được sử dụng làm vật liệu hấp phụ các phân tử cồng kềnh như nhựa, asphaltene và hydrocarbon thơm đa vòng ngưng tụ có mặt trong nhiên liệu diesel kém chất lượng. b. Có thể do sự hình thành hợp chất có khả năng hấp phụ mầu đặc biệt: Dựa vào chỉ dẫn của các công bố quốc tế có thể giải thích sự hấp phụ mầu rất tốt của vật liệu nano-NaX trong luận án là do: trong điều kiện tổng hợp nano-NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu có thể đã xảy ra quá trình hình thành hợp chất magnesium aluminium silicate (MAS) dạng hạt nano vô định hình (do trong nguyên liệu ban đầu là nguồn nguyên liệu thô metacaolanh, đặc biệt là tro trấu có chứa một lượng rất nhỏ các kim loại oxit như MgO, Al2O3 dạng vô định hình). Vật liệu MAS có đặc tính đặc biệt là vừa tích điện âm và vừa tích điện dương trên bề mặt. Với đặc tính đặc biệt này nên vật liệu này tạo được momen lưỡng cực tốt, do đó có khả năng hấp thụ mạnh với các hợp chất hydrocarbon chứa dị nguyên tố nitơ, oxy và lưu huỳnh. Các chất tạo màu trong nhiên liệu có thể là các hợp chất hydrocacbon dị vòng chứa các nguyên tố nitơ, oxy và lưu huỳnh. Nitơ trong các hợp chất hydrocacbon chứa nitơ với 1 hoặc nhiều hơn 1 orbitan lai hóa sp3 chưa tham gia liên kết có thể dễ dàng lai hóa với
18 electron dư ở đầu mang điện tích âm của vật liệu MAS (dạng liên kết cộng hóa trị sigma) tạo liên kết bền vững. Các nguyên tố oxy và lưu huỳnh trong các hợp chất hydrocacbon chứa oxy và lưu huỳnh có các cặp electron chưa tham gia liên kết, có độ âm điện cao sẽ tương tác dễ dàng với đầu mang điện dương của vật liệu MAS (dạng tương tự liên kết ion) tạo liên kết bền vững. Do đó, vật liệu MAS có khả năng hấp thụ và lưu giữ các chất màu rất tốt. MAS có thể ở dạng nano phân tán trên bề mặt mao quản của zeolite rất chắc nên giúp tăng cường khả năng hấp phụ màu của vật liệu nano-NaX. Các kết quả thu được ở trên đã minh chứng rằng, sử dụng vật liệu nano-NaX tổng hợp trong luận án để xử lý, hấp phụ các thành phần không mong muốn trong nhiên liệu diesel L62 đã qua sử dụng nhằm nâng cấp loại nhiên liệu này là rất hiệu quả. 3.2.1.2. Đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật các mẫu nhiên liệu diesel L62 Bảng 3.10. Tiêu chuẩn kỹ thuật thương mại của các mẫu diesel L62 nghiên cứu Kết quả Chỉ tiêu Diesel Diesel Diesel Chỉ tiêu theo L62 L62 L62 kém theo TCVN STT Chỉ tiêu phân tích thương kém chất ГOCT 5689 mại chất lượng 305 loại lượng sau xử lý Euro 2 Thành phần cất, oC: - Tại 50 % 279 281 280 ≤ 280 1 - Tại 90 % 350,4 340,6 ≤ 360 - Tại 96 % 353,5 377,7 355,7 ≤ 360 Độ nhớt động học ở: 2 20 oC, cSt 4,52 6,27 5,49 3,0-6,0 40 oC, cSt 4,12 4,72 4,16 2,0-4,5 3 Nhiệt độ đông đặc, oC -14 -9 -10 ≤ -10 ≤6 4 Nhiệt độ vẩn đục, oC -6 - -7 ≤ -5 5 Độ axit, mg KOH/100ml 2,67 7 0,11 ≤5 6 Trị số Iốt, gI2/100g 0,23 2,35 0,60 ≤6 Nhiệt độ chớp lửa cốc kín, 72 70 74 7 o ≥ 62 ≥ 55 C 8 Tạp chất cơ học, % KL Không có - Không có Không có ≤ 10 mg/l 9 Hàm lượng nước, %KL Không có - Không có Không có ≤ 0,02 Hàm lượng lưu huỳnh, 0,08 0,17 0,05 10 ≤ 0,2 ≤ 0,25 %KL