Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau thời gian dài nghiên cứu làm tốt nghiệp,đến em hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc cô giáo hướng dẫn TS.Lê Minh Thắng, người trực tiếp hướng dẫn tận tình,chỉ bảo cho em mặt khoa học thực nghiệm suốt trình thực đồ án Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo, cô giáo Bộ mơn Cơng nghệ Hữu cơ-Hóa dầu, chú,anh chị phụ trách phịng Thí nghiệm Lọc Hóa Dầu Vật Liệu Xúc Tác, Khoa Cơng Nghệ Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dạy bảo tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập nghiên cứu Em gửi lời cảm ơn tới người thân bạn bè giúp đỡ em suốt trình học tập Hà nội, ngày 20/6/2009 Sinh viên Lê Quang Linh Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I.TỔNG QUAN VỀ Ơ NHIỄM KHÍ THẢI .7 I.1.Các thành phần gây nhiễm từ khí thải .7 I.2.Tình hình nhiễm khơng khí .8 II.PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 10 II.1.Xử lý NOx 10 II.2.Xử lý hydrocacbon 11 II.3.Xử lý CO 11 II.4 Xử lý đồng thời ba thành phần ô nhiễm………………… 11 III.XÚC TÁC CHỨC NĂNG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 13 IV.CHẤT NỀN CORDIERITE .15 IV.1.Giới thiệu Cordierite 15 IV.2.Một số phương pháp nghiên cứu .15 IV.3.Ứng dụng làm chất 16 V.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG - Al2O3 17 V.1Giới thiệu - Al2O3 17 V.1.1.Cấu trúc - Al2O3 .18 V.1.2.Cấu tạo bề mặt -Al2O3 19 V.2.Ứng dụng gamma oxyt nhôm .20 VI.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE 20 Đồ án tốt nghiệp VI.1.Giới thiệu Nhôm oxyt nguyên liệu để tổng hợp .21 VI.1.1.Nhôm oxyt 21 VI.1.2.Nhôm nitrat 23 VI.2.Giới thiệu Magiê oxyt nguyên liệu để tổng hợp 25 VI.2.1.Magiê oxyt .25 VI.2.2.Magiê nitrat 27 VI.3.Giới thiệu Silic oxyt nguyên liệu để tổng hợp .28 VI.3.1.Silic oxyt .28 VI.3.2.Giới thiệu thủy tinh lỏng (TEOS) 32 VI.4 Giới thiệu Citric axit 33 VI.4.1.Tính chất vật lý axit citric .33 VI.4.2.Tính chất hố học axit citric 34 VI.4.3.Ứng dụng citric axit 35 VII.CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP XÚC TÁC .36 VII.1.Phương pháp phản ứng trạng thái rắn 36 VII.1.1.Cơ chế phản ứng pha rắn 37 VII.1.2.Quá trình phát triển tinh thể sản phẩm 37 VII.2.Phương pháp kết tủa 37 VII.3.Phương pháp kết tinh thủy nhiệt 38 VII.4.Phương pháp phân hủy trực tiếp từ muối .38 VII.5.Phương pháp sol-gel 38 VII.5.1.Khái niệm sol 39 VII.5.2.Khái niệm gel 40 VII.5.3.Ưu nhược điểm phương pháp sol – gel 40 VII.5.4.Các giai đoạn trình sol-gel .40 PHẦN II: THỰC NGHIỆM .45 I.HÓA CHẤT SỬ DỤNG 45 Đồ án tốt nghiệp I.1.Hóa chất 45 I.2.Thiết bị 45 II.QUY TRÌNH TỔNG HỢP CORDIERITE 45 II.1.Tiến hành theo phương pháp phản ứng pha rắn 45 II.1.1.Quá trình tổng hợp Al2O3 .45 II.1.2.Quá trình tổng hợp MgO 46 II.1.3.Quá trình tổng hợp SiO2 từ thủy tinh lỏng .47 II.1.4.Tiến hành phối trộn 48 II.2.Tổng hợp Cordierite phương pháp sol-gel từ đầu 48 II.3.Đưa chất mang lên chất 49 III.CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA-LÝ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC 50 III.1.Phương pháp phân tích nhiệt (Thermal Analysis _TA) 50 III.2.Phương pháp nhiễu xạ rơnghen (X-ray diffaction: XRD) .52 III.3.Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 53 III.4.Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ nhả hấp phụ N2 xác định diện tích bề mặt 53 PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56 I.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT 56 I.1.Kết phân tích nhiệt mẫu Cordierite theo phương pháp phản ứng pha rắn ……………………………………………………………………….56 I.2.Kết phân tích nhiệt mẫu Cordierite theo phương pháp sol-gel 57 II.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH RƠNGHEN 58 III.KẾT QUẢ ĐO DIỆN TÍCH BỀ MẶT .59 IV.KẾT QUẢ CHỤP SEM 64 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày ô nhiễm môi trường ngày trở thành vấn đề nhức nhối với người Trong đó, phần khơng nhỏ ngun nhân có nguồn gốc từ khí thải động Các thành phần khí gây nhiễm oxyt nitơ, oxyt lưu huỳnh, hydrocacbon dễ bay hơi, cacbon monoxyt, …ngày gia tăng gây tượng mưa axit, hiệu ứng nhà kính, lỗ hổng tầng ozon, đặc biệt thay đổi khí hậu Do vấn đề xử lý khí thải q trình đốt cháy nhiên liệu, đặc biệt khí thải xe giới thu hút nhiều nghiên cứu Đa số nghiên cứu sử dụng chuyển hóa xúc tác với xúc tác kim loại quý bạch kim, paladi, rhodi…Xúc tác thường gồm lớp: chất làm từ loại gốm Cordierite từ phoi kim loại, chất mang phổ biến - Al2O3 phủ bên lớp chất cuối lớp xúc tác kim loại Xúc tác phải có khả xử lý đồng thời ba thành phần ô nhiễm CO, NOx hydrocacbon dễ bay Cordierite loại vật liệu thuộc hệ cấu tử MgO-Al 2O3-SiO2 Thành phần hóa học Cordierite MgO.2Al2O3.5SiO2 Cordierite loại vật liệu phổ biến, có độ bền nhiệt bền cao nên ứng dụng làm chất điều chế xúc tác xử lý khí thải trình đốt cháy nhiên liệu Các nghiên cứu chủ yếu tổng hợp Cordierite từ nguồn nguyên liệu tự nhiên cao lanh, talc, alumosilicat tự nhiên…nhưng diện tích bề mặt thấp Đồ án đặt vấn đề tổng hợp Cordierite theo hướng nhằm tăng diện tích bề mặt, đồng thời đưa chất mang Al2O3 lên để ứng dụng chế tạo xúc tác xử lý khí thải động đốt Đồ án gồm phần chính: Phần 1: Tổng quan lý thuyết: Giới thiệu nhiễm khí thải, xúc tác chức xử lý khí thải động cơ, chất Cordierite, chất mang - Al2O3, nguyên liệu để tổng hợp để tổng hợp phương pháp tổng hợp xúc tác Đồ án tốt nghiệp Phần 2: Thực nghiệm: Giới thiệu phương pháp tổng hợp chất nền, chất mang, phương pháp nghiên cứu đặc tính xúc tác, Phần 3: Kết thảo luận: Nêu kết phân tích,các phép đo diện tích bề mặt, phân tích Rơnghen Phần 4: Kết luận Đồ án tốt nghiệp PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I.TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÍ THẢI Ơ nhiễm khơng khí hậu từ hoạt động sống đại như: gia tăng tiêu thụ lượng, phát triển ngành công nghiệp mũi nhọn: công nghiệp luyện kim, hóa học, giao thơng đường hàng khơng, … Ơ nhiễm có nguồn gốc từ ba nguồn chính: nguồn gốc thiên nhiên (thực vật, đất), nguồn gốc cố định (sưởi ấm gia đình, sản xuất điện, cơng nghiệp), giao thơng Trong đó, ơtơ phương tiện vận chuyển phần ngun nhân của tình trạng mơi trường ô nhiễm ngày I.1.Các thành phần gây ô nhiễm từ khí thải Các hợp chất ô nhiễm khí thải chia làm hai nhóm: khí hạt rắn Người ta phân biệt chất ô nhiễm sơ cấp thải từ nguồn xác định (CO, HC,…) với chất ô nhiễm thứ cấp (O 3, …) sản sinh từ p hản ứng chất ô nhiễm sơ cấp với tác động điều kiện môi trường xạ mặt trời Nhìn chung chất gây nhiễm môi trường thải từ động gồm chất sau :  Carbone dioxyde (CO2), sản phẩm trình oxi hóa hồn tồn nhiên liệu  Carbone monoxyde (CO), đến từ q trình oxi hóa khơng hồn tồn nhiên liệu  Oxyt Nitơ bao gồm NO, NO2  Các hạt rắn, sản phẩm trình hình thành phức tạp  Các hợp chất hữu dễ bay (VOCs-volatile organic compounds), hợp chất hóa học hữu có áp suất đủ cao để điều kiện bình thường bay lượng đáng kể vào khơng khí Về thành phần VOCs kết hợp hydrocarbure (như alkan, alken, aromatic…) hợp chất chứa oxy (aldehyde, xetone, …)  Các hợp chất hữu đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP), benzoapyrene  Oxyt lưu huỳnh gồm có SO2 SO3 hình thành từ lưu huỳnh có sẵn nhiên liệu Đồ án tốt nghiệp  Các kim loại, có dầu nhiên liệu [14] Những chất ô nhiễm thải môi trường dẫn đến nhiều ảnh hưởng tai hại cho sức khỏe mơi trường Một vài chất góp phần hình thành sương mù thị (brouillards urbains), mưa axit từ SO2 NOx Trong NOx VOCs nguyên nhân gây phản ứng khác dẫn đến hình thành ozone tầng đối lưu khí Các hydrocarbon chưa cháy gây bệnh ung thư, hạt rắn, đặc biệt hạt rắn nhỏ, nguy hiểm cho sức khỏe, vào phổi, gây bệnh hô hấp Kết nghiên cứu đô thị lớn nước ta, nồng độ bụi vượt tiêu chuẩn cho phép 1,5÷3 lần, nồng độ SO2 gấp 2÷3 lần Tác nhân gây nhiễm chủ yếu khí thải xe giới, lượng khí thải từ ống xả phương tiện giao thông chiếm tới 25% khí NO khoảng 98% khí CO Khí thải môtô, xe máy kết hợp với chất ô nhiễm thứ cấp gây nguy hại đến sức khỏe người dân gây nên bệnh như: ngạt thở, viêm phù phổi, lao phổi, ung thư phổi, bệnh tim mạch bệnh thần kinh Báo cáo trạng môi trường quốc gia (2005) cho thấy, 70÷90% nhiễm khơng khí đô thị hoạt động giao thông vận tải, 10÷30% cơng nghiệp sinh hoạt Trong khí thải từ xe giới khí thải xe mơ tơ, xe máy chiếm phần chủ yếu I.2.Tình hình ô nhiễm không khí Theo số liệu thống kê Bộ Tài ngun & Mơi trường, khí thải từ loại xe giới nguồn gây ô nhiễm không khí lớn nguy hại Hầu hết tất chất khí độc thải mơi trường như: oxyt Lưu huỳnh, loại bụi lơ lửng, bụi hạt trình đốt cháy nhiên liệu phương tiện giao thông Thời gian gần đây, số địa phương, đặc biệt Hà Nội TP.HCM bắt đầu xuất nhiều đám mây mù, sương nồng độ chất khí thải q lớn tích tụ Tình hình nhiễm khơng khí trở nên khó kiểm soát số lượng xe giới tăng nhanh với tốc độ chóng mặt Tính đến cuối năm 2004, số lượng ô tô qua trung tâm đăng kiểm tồn quốc lên tới 523 nghìn chiếc, số xe máy lưu hành vượt số 13 triệu Thống kê năm 2006 Tổ chức Y tế giới cho biết, có khoảng 777.000 người (châu Á 531.000 người) chết ô nhiễm không khí Phát thải xe gắn máy nguyên gây nên tình trạng Đồ án tốt nghiệp Một thực trạng đáng buồn nữa, suốt thời gian qua việc kiểm tra nồng độ khí thải xe tơ mơ tơ lưu hành gần bỏ ngỏ Hầu hết xe giới phương tiện giao thông cá nhân phân bố rộng khắp vùng miền, nên việc triển khai công tác kiểm tra siết chặt giới hạn khí thải gặp nhiều khó khăn tốn Thêm vào đó, giới hạn khí thải áp dụng cho loại xe qua sử dụng nước ta so với nước khu vực thấp Một số nước Thái Lan, Malaysia, Singapore, Trung Quốc, áp dụng tiêu chuẩn Châu Âu 1, chí khí thải xe giới đường từ nhiều năm nước ta dừng lại việc áp dụng TCVN từ năm 1998 (tiêu chuẩn Việt Nam) với hàng rào kỹ thuật mức thấp Đặc biệt với nhóm người có tiền sử hen nhạy cảm với môi trường dễ có nguy mắc bệnh nguy hiểm khác khơng khí nhiễm  Áp dụng tiêu chuẩn châu Âu – Một yêu cầu thiết Kinh nghiệm nước giới cho thấy, áp dụng siết chặt thêm mức tiêu chuẩn cắt giảm mức phát thải 30% lượng khí CO, 55% HC NOx từ khí thải xe giới Riêng nước ta, năm 2001 việc loại bỏ hồn tồn xăng pha chì kiện đánh dấu bước quan trọng việc cắt giảm mức phát thải ô nhiễm phương tiện tham gia giao thông Việc áp dụng tiêu chuẩn châu Âu siết chặt quản lý cắt giảm khí thải xe giới thiết Theo đánh giá chuyên gia môi trường giới, thời điểm Việt Nam đưa vào áp dụng tiêu chuẩn châu Âu thích hợp, so với nước khác áp dụng trước Việt Nam có nhiều lợi thế, nguồn nhiên liệu nước chủ yếu nhập từ nước áp dụng tiêu chuẩn châu Âu Nhà máy lọc dầu Dung Quất trình xây dựng vào hoạt động nên áp dụng cơng nghệ mới, đại Thêm vào đó, ngành công nghiệp ô tô giai đoạn đầu với công nghệ linh kiện chủ yếu nhập từ nước ngồi nên áp dụng nhiều kinh nghiệm nước trước Từ đánh giá trên, thấy tình hình nhiễm khơng khí nghiêm trọng Trong đó, nhiễm khơng khí từ khí thải động xăng nguồn lớn Các thành phần CO, NO x hydrocacbon chiếm tỉ lệ lớn Đồ án tốt nghiệp khí thải động xăng có nhiều tác hại nên cần phải xử lý để đạt giới hạn cho phép theo quy định [1,18] II.PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ Có nhiều biện pháp xử lý khác thành phần gây ô nhiễm khác Ở đây, đề cập đến biện pháp xử lý ba thành phần ô nhiễm khí thải động xăng:CO, NOx, hydrocacbon II.1.Xử lý NOx Có hai phương pháp để loại bỏ oxyt nitơ: a Phương pháp 1: oxy hóa NO thành nitrat nitrit trường hợp cần phải xử lý sản phẩm tạo b Phương pháp 2: Khử NOx thành N2 Đây cách thường chọn Tác nhân khử NH3, nhiệt độ xử lý từ 9000C ÷10000C, khơng cần xúc tác Nhưng tác nhân cần tỷ lệ NH3/NOx cao mà độ chuyển hóa khơng cao Các chất khử CH4, CO, H2 xem có hiệu Cơ chế phản ứng khử có mặt oxy là: NO + NH3 + O2 → N2 + 3H2O NO + NO2 + 8/3 NH3 + 1/2 → 7/3 N2 + 4H2O (1) (2) đó, vận tốc phản ứng (2) > vận tốc phản ứng (1) Xúc tác cho phản ứng thường V2O5 chất mang TiO2, Fe2O3 Al2O3 Còn tác nhân khử CO, CH4 hydrocacbon chất xúc tác zeolit trao đổi với ion kim loại chuyển tiếp kim loại chất mang Để loại bỏ oxyt nitơ động diezen động xăng hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu nghèo, xúc tác cần có hoạt tính, độ chọn lọc (N 2, N2O, NO2) chọn lọc theo chất khử, bền nhiệt, thời gian hoạt động dài Các phản ứng xử lý là: - Phân huỷ xúc tác: phương pháp không cần chất khử, xảy nhiệt độ nhỏ 7000C Nhưng muốn tăng tốc độ trình cần dùng xúc tác kim loại quý, zeolit 10