Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu xúc tác fe mgo

MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới, một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như sắt, coban trên các loại chất mang khác nhau (các oxit, carbon, bentonite…). Vật liệu xúc tác trên cơ sở các hợp chất sắt trên một số chất mang là các oxit MgO, Al2O3, SiO2 và ZrO2… đã được tổng hợp và khảo sát khả năng xúc tác, đặc biệt là xúc tác cho quá trình oxy hóa loại H2S, một chất khí rất độc hại đối với môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe/MgO thể hiện hoạt tính cao nhất khi thực hiện quá trình loại H2S ở nhiệt độ thường. Với những ưu điểm này, vật liệu Fe/MgO nhận được sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu. MgO là một trong vật liệu vô cơ đặc biệt quan trọng có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: vật liệu hấp phụ, chất xử lý chất thải độc hại, chất hút bám làm phụ gia trong sơn và rất nhiều ứng dụng khác. Đặc biệt tinh thể nano magie oxit có nhiều ứng dụng do tính chất xúc tác trong các phản ứng hóa học với ưu thế về diện tích bề mặt và độ bền nhiệt cao. Nano MgO có thể tổng hợp bằng nhiều phương pháp như: phương pháp ướt, sol-gel, thủy nhiệt, nhiệt phân, bay hơi laser và phương pháp lắng đọng bề mặt… . Đặc trưng và tính chất của MgO là khác nhau, phụ thuộc mạnh mẽ vào con đường tổng hợp và điều kiện của quá trình. Do đó, nghiên cứu tổng hợp MgO và vật liệu Fe/MgO là cần thiết để cải thiện đặc tính và sự ổn định của nó. Trên thế giới những nghiên cứu về vật liệu nano Fe/MgO đã và đang diễn ra hết sức sôi nổi. Trong khi đó ở Việt Nam vật liệu nano Fe/MgO còn chưa được quan tâm chú ý nhiều. Thêm vào đó, xử lý môi trường ở nước ta -11- những năm gần đây đã trở thành vấn đề bức thiết. Do vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu xúc tác Fe/MgO”. Mục đích của đề tài: Tổng hợp được vật liệu xúc tác Fe/MgO hướng đến ứng dụng làm xúc tác trong xử lý H2S cho biogas. Nội dung nghiên cứu: - Tổng hợp vật liệu MgO. - Tổng hợp vật liệu Fe/MgO. - Xác định các đặc trưng vật liệu tổng hợp được: thành phần pha, hình dạng, kích thước. -12- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Sắt và các oxit sắt 1.1.1. Sắt [5] Kí hiệu hóa học: Fe (Z=26) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. Sắt thuộc phân nhóm VIIIB, chu kỳ IV bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. 1.1.1.1. Tính chất vật lý Sắt là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn, dát mỏng. Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền 54Fe, 56Fe , 57Fe và 58 Fe. tonóng chảy = 1536oC, tosôi = 2800oC, tỷ khối d = 791 g/cm3 [5]. Sắt có 4 dạng thù hình tồn tại bền vững ở những nhiệt độ xác định (αFe, β-Fe và δ-Fe tồn tại ở điều kiện thường, còn γ-Fe ở áp suất rất cao). Những dạng α, ß và δ có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối (Hình 1.a), dạng γ có kiến trúc tinh thể lập phương tâm diện (Hình 1b) [1,5]. Hình 1.1: a. Cấu trúc tinh thể của α-Fe, β-Fe và δ-Fe b. Cấu trúc tinh thể của γ-Fe -13- 1.1.1.2. Tính chất hóa học [5] Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, sắt không tác dụng ngay với những nguyên tố không kim loại điển hình như O2, S, Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ. Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt nhất là khi kim loại ở trạng thái chia nhỏ. Ở dạng bột mịn khi đun nóng sắt tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại. Fe + 5CO → Fe(CO)5 Sắt bền với kiềm ở các trạng thái dung dịch và nóng chảy. Sắt tan trong dung dịch HCl, H2SO4 loãng: 2HCl + Fe → FeCl2 + H2↑ Còn trong dung dịch H2SO4 đặc, sắt bị oxi hóa đến Fe (III): 2Fe + 6H2SO4(đ) → Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O Với HNO3 loãng và nồng độ vừa phải thì sắt bị hòa tan: Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O Khi nồng độ HNO3 lớn, sự hòa tan bị chậm lại và sắt trở nên trơ. Đối với không khí và nước, sắt tinh khiết bền. Ngược lại sắt có chứa tạp chất bị ăn mòn dần dưới tác dụng đồng thời của hơi ẩm, khí CO2 và khí O2 ở trong không khí tạo nên gỉ sắt. 2Fe + 3/2 O2 + nH2O → Fe2O3.nH2O -14- Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ được sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra. 1.1.1.3. Phƣơng pháp điều chế [1,4] Cách đây 4000 năm loài người đã biết luyện sắt từ quặng. Ngày này, sắt được sản xuất trên quy mô công nghiệp bằng lò cao. Nguyên liệu để luyện gang là quặng sắt, than cốc, chất chảy và không khí. Các phản ứng diễn ra: C + O2 → CO2 CO2 + Cnóng đỏ→ 2CO Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2↑ Sắt luyện thường bị lẫn tạp chất, sắt tinh khiết thường được điều chế bằng phương pháp sau: Dùng H2 tinh khiết để khử oxit sắt tinh khiết Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O Nhiệt phân sắt Pentacacbonyl Fe(CO)5 → Fe + 5CO Sắt rất tinh khiết có thể điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch muối Fe(II), với dương cực là tấm Fe-Cr, còn âm cực là sắt tinh khiết. 1.1.1.4. Ứng dụng Sắt là kim loại quan trọng nhất đối với các ngành kỹ thuật và công nghiệp hiện đại. Sắt được dùng chủ yếu để tạo ra các hợp kim, đặc biệt là các loại thép. -15- Nhiều hợp chất của sắt có ý nghĩa quan trọng trong thực tế như FeCl3 dùng làm chất đông tụ khi làm sạch nước, làm chất cầm máu, làm chất xúc tác trong hóa học hữu cơ. Các muối ferit của kim loại hóa trị hai dùng trong kỹ thuật máy tính. Các oxit của sắt không những là nguồn điều chế nhiều hợp chất của sắt mà còn là nguồn nguyên liệu của ngành luyện kim đen. 1.1.2. Các oxit của sắt Oxit sắt tồn tại trong tự nhiên ở một số dạng, trong đó có magnetit (Fe3O4), hematit (α – Fe2O3) và maghemit (γ-Fe2O3) là phổ biến nhất. Trong các oxit, sắt có thể ở dạng hóa trị hai - sắt(II) oxit, hóa trị ba – sắt(III) oxit và hóa trị hỗn hợp hai và ba – sắt(II, III) oxit hay oxit sắt từ. 1.1.2.1. Sắt(II) oxit FeO là một oxit của sắt có màu đen (Hình 2), phân tử gam 81,8g/mol, nhiệt độ nóng chảy 1420°C [10]. Hình 1.2: Sắt(II) oxit Chất này có thể lấy từ nguồn oxit sắt màu đen. Nó cũng có thể được tạo ra bằng phản ứng hóa học trong môi trường khử; Fe2O3 dễ dàng bị khử thành FeO theo phản ứng sau ở 900°C: Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2 -16-