Than hoạt tính từ vỏ trấu ứng dụng làm chất mang trong xúc tác nano vàng

1. Học viên :
Mã học viên :
GVHD :
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN HÓA LÝ
“Chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu và ứng dụng làm
chất mang trong xúc tác vàng nano”
TIỂU LUẬN BÁO CÁO HỌC PHẦN HÓA HỌC NANO

2. A sustainable route for the preparation of activated carbon and silica
from rice husk ash
Một phương pháp bền vững chế tạo than hoạt tính và silica từ tro trấu
Yan Liu, Yupeng Guo, Yanchao Zhu, Dongmin An, Wei Gao, Zhuo Wang, Yuejia Ma, Zichen Wang∗
College of Chemistry, Jilin University, Qianjin Street, 2699, Changchun 130012, China

4. - Hoạt động sản xuất công nghiệp,
nông nghiệp, sinh hoạt…
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TIỄN
- Sử dụng nhiên liệu hóa thạch
Gia tăng khí nhà kính
Khai thác
nguồn năng lượng
tái tạo sạch
Cạn kiệt nguồn nhiên liệu
hóa thạch
- Trấu là phụ phẩm nông nghiệp
có sản lượng lớn (40-80 tr tấn/năm)
- Hầu hết trấu được đốt hoặc bỏ gây
lãng phí và ô nhiễm môi trường
- Thành phần chính của tro trấu là
cacbon và silic

5. Tro trấu
Carbon Silic
SilicaThan hoạt tính
Chất
kết dính
composite
Thixotropicagents
Chất
cách điện
Điện cực
Bảo vệ môi trường
Xử lý
nước thải
Lọc khí

6. Quy trình điều chế

7. Kết quả
Tách và thu hồi một phần CO2
Hoạt hóa tro trấu tạo than hoạt tính
Tách và thu Silica
Thu hồi Na2CO3 sau quá trình sản
xuất

8. Đặc tính của than hoạt tính thu được
Hoạt tính của than được đặc trưng bởi lượng lỗ rỗng trong cấu trúc
Cấu trúc của cacbon hoạt
tính chủ yếu là các mao quản
nhỏ, trung bình với kích
thước khoảng từ 1- 15 nm và
một lượng nhỏ mao quản có
kích thước rộng hơn.
Diện tích bề mặt của than
hoạt tính có thể đạt được
570m2/g

9. Đặc tính của silica
Phổ Xquang của silica điển hình
cho cấu trúc vô định hìnhHạt silica hình cầu có đường kính
trung bình khoảng 40-50 nm

10. Thu hồi Na2CO3
Tất cả các đỉnh nhiễu xạ là
khá giống với Na2CO3 tinh
khiết, không có đặc điểm đỉnh
của tạp chất.
Sản phẩm thu hồi được
Na2CO3 tinh khiết có thể
sử dụng làm chất phản
ứng ban đầu.

11. Đặc điểm hóa lý của than hoạt tính từ vỏ trấu
* Kích hoạt vật lý: sử dụng CO2, hơi hoặc không khí…
* Kích hoạt hóa học: thường sử dụng KOH / NaOH,
K2CO3, ZnCl2, H3PO4, kích hoạt ở 650-800°C
SBET
khoảng 1180 m2/g
Khối lượng lỗ rỗng
khoảng 1,09 cm3/g
SBET
(2800-3014 m2 /g)
Khối lượng lỗ rỗng
khoảng 1,88 cm3/g
1. Diện tích bề mặt và khối lượng lỗ rỗng

12. Kết quả xác định BET của RHB
SBET = 47,14 ± 1,18 m2/g trong khoảng áp suất tương đối p/po từ 0,049 đến
0,299; tương ứng với thể tích hấp phụ từ 9,87 cm3/g đến 14,86 cm3/g)
Dựa trên công thức Halsey, khảo sát trong khoảng độ rỗng vật liệu từ 1,7 nm đến
300 nm; thể tích lỗ rỗng hấp phụ và giải hấp phụ tối đa của RHB là 0,0425 cm3/g
(độ rỗng trung bình 1,8 nm) và 0,0285 cm3/g (độ rỗng trung bình 1,91 nm)

13. Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Vật liệu có dạng carbon vô định hình, không có cấu trúc tinh thể,
những điểm đậm trên ảnh là những nơi có lỗ mao quản lớn và
trung bình từ 1-20 nm

14. Ưu
điểm Hiệu suất thu silica 72-98%
Hiệu suất thu than hoạt tính 20-50%
Tỷ lệ thu hồi natri cacbonat 92,25%.
Chi phí về nguyên liệu thấp
Quy trình đơn giản
Thời gian phản ứng ngắn
Thân thiện với môi trường

15. Xúc tác Au nano trên nền chất
mang than hoạt tính được điều
chế bằng phương pháp ngâm
tẩm
Ứng dụng: xúc tác cho phản ứng oxyhoa toluen
Yêu cầu: hệ xúc tác Au/C* phải có kích thước nano

16. Quá trình điều chế
Tẩm khô
Đưa một lượng dung dịch HAuCl4 có nồng độ
xác định lên 3 g than hoạt tính)
Sấy khô : 1000C
Nung trong không khí :
3000C trong 2 giờ

17. Tính chất của sản phẩm
Kích thước mao quản (ảnh TEM)
Cấu trúc mao quản nano của than không bị ảnh hưởng, Kích thước
hạt Au từ 10 – 45 nm phân bố chủ yếu trên bề mặt than

18. Tính chất của sản phẩm
Phân bố kích thước mao quản
Kích thước mao quản của than hoạt tính từ 1-20 nn
Khi đưa Au lên than hoạt tính kích thước mao quản <6nm

19. Tính chất của sản phẩm
Diện tích bề mặt riêng
Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính trước và sau khi ngâm tẩm Au
gần như không thay đổi do lượng mao quản lớn trong than không nhiều

20. Hoạt tính xúc tác
Ảnh hưởng của hàm lượng Au
Độ chuyển hóa tăng khi hàm
lượngAu tăng từ 0,5%-0,75%
nhưng tăng ít khi nồng độ Au
tăng tới 1% do các tinh thể Au
nano bị co cụm thành hạt Au lớn
hơn => giảm diện tích tiếp xúc
=> giảm hoạt tính

21. Hoạt tính xúc tác
Ảnh hưởng của nồng độ HAuCl4 đến quá trình tẩm xúc tác
Độ chuyển hóa giảm khi tăng
nồng độ dung dịch HAuCl4 do
khi tăng nồng độ dd tẩm loãng
thì mật độ hạt Au cao => giảm
khả năng đưa hạt Au lên bề mặt
xúc tác=> giảm hoạt tính

22. Hoạt tính xúc tác
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Độ chuyển hóa tăng khi tăng
nhiệt độ nhưng trên 2500 độ
chuyển hóa giảm nhẹ do ở nhiệt
độ cao các hạt Au có sựu co cụm
=> giảm diện tích tiếp xúc
=> giảm hoạt tính

23. KẾT LUẬN
1. Nhóm nghiên cứu thứ nhất chế tạo được than hoạt tinh
từ vỏ trấu và chỉ ra than hoạt tính có khả năng hấp phụ
cao do có các mao quản có kích thước nano
2. Nhóm nghiên cứu thứ 2 đã chế tạo được vật liệu xúc tác
Au nano trên chất mang than hoạt tính có kích thước
khoảng 10 – 45nm phân bố trên bề mặt chất mang và khảo
sát được hoạt tính xúc tác trong phản ứng chuyển hóa
toluene chỉ ra rằng hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào kích
thước mao quản

25. Ảnh hưởng của các điều kiện xử lý nhiệt lên hiệu suất
tách silica và chất lượng than hoạt tính
1. Nhiệt độ
Để có hiệu suất tách silica và lượng lỗ rỗng tối ưu, nhiệt độ nên khoảng 900 ºC.
Hiệu suất tách silic tăng lên khi nhiệt độ xử lý
nhiệt tăng lên. Khi nhiệt độ dao động từ 875°C
đến 950°C, sản lượng silica đạt giá trị lớn nhất
(96,17%). Khối lượng lỗ rỗng tăng lên khi nhiệt
độ xử lý nhiệt tăng lên và đạt đến mức tối đa
(0,76 ml / g) ở 900 ◦C. Khối lượng lỗ rỗng tăng
đáng kể từ 850◦C đến 875◦C. Do nhiệt phân hủy
của Na2CO3 là 850°C. Khi quá nhiệt độ tới hạn
này, Na2CO3 bị phân hủy nhanh chóng và thúc
đẩy quá trình kích hoạt. Khi nhiệt độ xử lý dao
động từ 875°C đến 900°C, khối lượng lỗ rỗng
than hoạt tính gia tăng và đạt đến mức tối đa
(0,76 ml / g). Với nhiệt độ tăng lên trên 900oC, lỗ
rỗng giảm do tăng lượng carbon "đốt cháy".

26. Ảnh hưởng của các điều kiện xử lý nhiệt lên hiệu suất
tách silica và chất lượng than hoạt tính
2. Thời gian xử lý nhiệt
Để có lượng lỗ rỗng tối ưu, thời gian xử lý nhiệt nên duy trì khoảng 45-55 phút.
Khi thời gian dao động từ 45 phút đến 75 phút, sản
lượng silica tăng chậm và đạt tới giá trị lớn nhất
(94,92%). Thời gian xử lý nhiệt rất ít ảnh hưởng đến
hiệu suất tách silic. Lượng lỗ trống của than hoạt tính
bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ khác nhau và thời gian xử
lý(30-75 phút) được mô tả trong đường cong (b). Như
đã thấytrong hình, khi thời gian xử lý nhiệt tăng từ 30
phút đến 45 phút, sự gia tăng thể tích lỗ rỗng trong
một thời gian ngắn có thể là là do thời gian tiếp xúc
lâu hơn đối với cacbonat natri và tro trấu. Khi thời
gian tăng từ 45 phút đến 60 phút, khối lượng lỗ của
than hoạt tính đạt đến giá trị lớn nhất (0,92 ml / g) do
thời gian tiếp xúc đầy đủ. Tuy nhiên, sự giảm thể tích
lỗ rỗng trong một thời gian dài có thể là do thời gian
tiếp xúc lâu hơn của thuốc thử, làm tăng lượng carbon
"đốt cháy".

27. Ảnh hưởng của các điều kiện xử lý nhiệt lên hiệu suất
tách silica và chất lượng than hoạt tính
3. Tỉ lệ trộn Na2CO3
Để có hiệu suất tách silica và lượng lỗ rỗng tối ưu, tỉ lệ trộn nên ở khoảng 1:1.75
Lượng silica tăng với sự gia tăng tỷ lệ
ngâm tẩm, và đạt tối đa với tỉ lệ 1: 3. Khối
lượng lỗ rỗng tăng lên và đạt tối đa ở mức
1: 1,75 và sau đó giảm. Các lỗ rỗng được
tạo ra do tăng lượng natri silicat và sự oxy
hoá xúc tác của bề mặt cacbon bằng muối
kim loại natri. Ở tỷ lệ cao Na2CO3, sự phát
triển của lỗ trống chủ yếu là do sự liên kết
của natri kim loại trong cấu trúc cacbon.
Các lỗ trống sẽ bị phá hủy theo lượng
Na2CO3 thừa.

28. Ảnh hưởng của các điều kiện xử lý nhiệt lên hiệu suất
tách silica và chất lượng than hoạt tính
4. Lượng nước trào ngược
Để có hiệu suất tách silica và lượng lỗ rỗng tối ưu, nước nên lấy khoảng 350 ml
Hiệu suất của silic tăng lên khi lượng nước tăng lên
từ 100 đến 350 ml. Tuy nhiên, hiệu suất của silic
tăng lên chậm trong thể tích nước từ 200 đến 300 ml,
và giá trị tối đa là 94,22%. Do Na2SiO3 được hòa tan
trong nước nên lượng nước tăng lên, đường cong của
khối lượng lỗ rỗng tăng lên và đạt tới giá trị lớn nhất
(0,92 ml / g). Một phần silicat natri có thể tồn tại
trong lộ rỗng của cacbon, và sau khi tan trong nước,
silic được tách ra khỏi cacbon để tạo thành các lỗ
trống. Ngay cả khi một thay đổi nhỏ trong hiệu suất
tách silicon dioxide, chất rắn silicat còn sót lại sẽ ảnh
hưởng mạnh mẽ đến lỗ trống âm lượng.

29. Ảnh hưởng của các điều kiện xử lý nhiệt lên hiệu suất
tách silica và chất lượng than hoạt tính
5. Thời gian rửa trôi
Để có lượng lỗ rỗng tối ưu, thời gian rửa trôi nên kéo dài khoảng 2h
Các điều kiện xử lý nhiệt đã được cố định và ảnh
hưởng của thời gian trào ngược được nghiên cứu ở 100
° C. Như thể hiện trong hình 6, năng suất của silica tăng
với thời gian trào ngược tăng từ 0.5 đến 2.5 giờ. Tuy
nhiên, từ độ dốc của đường cong chúng ta có thể thấy
rằng năng suất có ít sự khác biệt. Như thể hiện trong
hình 6, khối lượng lỗ của than hoạt tính tăng nhẹ với
thời gian tăng. Lý do là trong thí nghiệm này Natri bên
ngoài đã được hòa tan nhanh chóng, trong khi natri silic
nội bộ di chuyển đến bề mặt hạt một cách chậm chạp
và nó sẽ mất một thời gian dài cho điều đó. Kết quả rõ
rang cho thấy rằng thay đổi thời gian có ít ảnh hưởng
đến năng suất của silica.