nghiên cứu khả năng hấp thụ VOCs

Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
1

Mục lục
Trang
Mục lục 1
Lời cảm ơn 3
Mở đầu 4
Giải thích các ký hiệu viết tắt được sử dụng 5
Chương 1: Tổng quan lý thuyết 6
I.
GAMMA OXIT NHÔM
1.Nhôm ôxít 6
1.1 Giới thiệu về nhôm ôxít 6
1.2 Phân loại nhôm ôxít 7
1.3 Nhóm gamma nhôm ôxít 9
1.4 Nhóm delta nhôm ôxít 11
1.5 Giới thiệu về

γ
- Al
2
O
3
12
1.6Tính axit của nhôm ôxít 16
1.7Cấu tạo bề mặt của
γ
-Al
2
O
3
16
1.8 Diện tích bề mặt của nhôm ôxít 17
1.9 Cấu trúc xốp của nhôm ôxít 17
2. Ứng dụng của nhôm ôxít 18
2.1 Ứng dụng chung của nhôm ôxít 18
2.2 Ứng dụng của gamma ôxít nhôm 20
2.2.1Ứng dụng trong lọc hóa dầu 20
2.2.2 Ứng dụng làm chất hấp phụ 20
II.ZEOLIT
II.1. Giới thiệu về zeolit 25
II.1.1. Khái niệm về zeolit 25
II.1.2. Tính chất hấp phụ của zeolit 26
II.1.3. Ưngs dụng của zeolit X, P
1
27
II.2. Giới thiệu về chất hấp phụ chứa zeolit X, P
1

29
II.2.1. Zeolit X 29
II.2.2. Zeolit P
1
32

Chương 2: Thực nghiệm 33
1. Điều chế nhôm ôxít hoạt tính 33
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
2
1.1. Hóa chất thí nghiệm 33

1.2. Dụng cụ thí nghiệm 33
1.3. Quy trình thực nghiệm điều chế nhôm ôxít 33
2. Trộn hôn hợp γ-Al
2
O

3
-Zeolit X, P
1
35
3. Đo khả năng hấp phụ tĩnh xylen, rượu và nước cất 35
3.1. Dụng cụ và hóa chất thí nghiệm 35
3.2 Tiến hành thí nghiệm 36
4. Đo khả năng hấp phụ động xylen 36
4.1. Dụng cụ và hóa chất thí nghiệm 37
4.2. Tiến hành thí nghiệm 37
4.3.Tính toán kết quả hấp phụ 38

Chương 3. Kết quả và thảo luận
1. Hấp phụ tĩnh nước, rượu và xylen 40
1.1 Hấp phụ nước 41
1.2 Hấp phụ rượu 42
1.3 Hấp phụ xylem 43
2. Hấp phụ động xylen 44
2.1 Xây dựng đường chuẩn xylen 44
3.
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ của
hỗn hợp
γ-Al
2
O
3
-zeolit X.P
1
46
4.

Ảnh hưởng của lưu lượng dòng tới khả năng hấp phụ của
hỗn hợp
γ-Al
2
O
3
-zeolit X.P1 48
5.

So sánh khả năng hấp phụ
γ-Al
2
O
3
với
hỗn hợp
γ-Al
2
O
3
-zeolit X.P
1
51

6. Kết quả phổ phân tích hồng ngoại FTIR 52
Kết luận 55

Tài liệu tham khảo 56

Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
3





Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thanh Huyền đã hướng dẫn rất tận tình và đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em có thể hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội, các thầy cô giáo và cán bộ thuộc phòng thí nghiệm Công nghệ hữu cơ – hóa dầu
đã chỉ bảo, giúp
đỡ em trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp này đúng thời gian quy
định.
Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2009
SVTH: Nguyễn Tiến Huy










Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
4


Mở đầu

Vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là sự suy giảm chất lượng không khí hiện đang là
mối quan tâm hàng đầu trên thế giới, nhất là tại các quốc gia có nền công nghiệp phát
triển. Một lượng lớn các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác nhau (VOCs) được thải vào khí
quyển hàng ngày. Trong những năm gần đây, ngưỡng cho phép của hàm lượng VOCs
trong khí thải đã được giảm xuống rất nhiều nh
ờ những nỗ lực tích cực của thế giới trong
việc bảo vệ môi trường. Chính phủ các nước đang ngày càng thắt chặt các quy định liên
quan đến hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong các nguồn khí thải ra môi trường. Công
nghệ xử lý các chất VOCs gây ô nhiễm hiện nay được chia thành hai nhóm: công nghệ
phân hủy (gồm phương pháp oxy hóa nhiệt và oxy hóa xúc tác), và công nghệ thu hồi
(gồm phương pháp hấp phụ, hấp thụ, ngưng tự và tách qua màng lọc). Để
đạt được hiệu
quả làm sạch cao, người ta có thể kết hợp nhiều phương pháp với nhau. Hấp phụ là
phương pháp làm sạch hiệu quả nhất khi các khí gây ô nhiễm ở nồng độ thấp (cỡ ppm
hoặc dưới ppm), hơn nữa, các chất hấp phụ có thể tích mao quản lớn để chứa đựng các
phân tử chất khí gây ô nhiễm và có thể thu hồi lại một cách dễ dàng. Cho đến hiện t
ại, kỹ
thuật hấp phụ mới chỉ được ứng dụng 10% trong xử lý các chất gây ô nhiễm, nhưng tỷ lệ
này sẽ tăng lên nhanh chóng trong tương lai gần do tính hiệu quả và kinh tế của nó trong
việc xử lý khí thải. Trong số các
chất hấp phụ, thì hỗn hợp γ-Al

2
O
3
-zeolit X.P
1
là chất
rất có triển vọng để ứng dụng trong ngành công nghiệp hấp phụ và xử lý khí thải, do nó
có diện tích bề mặt riêng lớn và kích thước mao quản phân bố hẹp, dễ điều chỉnh kích
thước mao quản. Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng tới
khả năng hấp
phụ của hỗn hợp γ-Al
2
O
3
-zeolit
X.P
1
là rất cần thiết, kết quả nghiên cứu
sẽ là cơ sở quan trọng cho việc lựa chọn các điều kiện tối
ưu cho quá trình hấp phụ của
hỗn hợp
γ-Al
2
O
3
-zeolit X.P
1
.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
5

Các ký hiệu viết tắt được sử dụng

VOCs: Volatile organic compounds: các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.
CAS ID (hoặc CAS RN): Số hiệu CAS, là dãy số nhận dạng của các chất hóa học, được
phân loại theo tổ chức hóa học Hoa Kỳ ( />)
ChemSpider: Cơ sở dữ liệu về đặc tính và cấu trúc các hợp chất
( />).
MSDS, Material safety data sheets: Cơ sở dữ liệu về sự an toàn của vật liệu.
ppm, parts per million: phần triệu
vpm, volume per volume: cm
3
m
–3
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
6

Chương 1. Tổng quan lý thuyết
I.GAMMA OXIT NHÔM
1. Nhôm ôxít
1.1. Giới thiệu về nhôm ôxít
Nhôm ôxít là một hợp chất lưỡng tính có công thức Al
2
O
3
. Nhôm ôxít thường có mặt
trong các khoáng vật côrunđum, saphia, ruby hoặc alôxít, oxít nhôm, xêramíc và các
loại vật liệu khác.

Hình 1. Cấu trúc tinh thể nhôm ôxít
Dạng cấu trúc tinh thể phổ biến nhất của nhôm ôxít trong tự nhiên là α-nhôm ôxít
(trong hợp chất côrunđum), các dạng khác của nhôm ôxít như η, χ, γ, δ và θ nhôm
ôxít. Mỗi dạng nhôm ôxít có một kiểu cấu trúc tinh thể và đặc tính riêng.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
7



Bảng 1. Bảng tóm tắt các đặc tính của nhôm ôxít
[1]
Nhận dạng
Số hiệu CAS [1344-28-1]
ChemSpider ID 14086
Đặc tính
Công thức phân tử Al
2
O
3

Khối lượng mol 101,96 g/mol

Tỷ trọng 4000 kg m
-3

Nhiệt độ nóng chảy 2072
0
C
Nhiệt độ sôi 2980
0
C
Khả năng hòa tan Không tan trong nước
Chiết suất n
ω
=1,768 – 1,772 n
ε
=1,760 – 1,763, Birefringence
0,008
Cấu trúc
Cấu trúc hình học Bát diện
Nhiệt hóa học
Enthanpy tạo thành Δ
f
H
o
298
−1675,7 kJ.mol
−1

Entropy S
o
298

50,92 J.mol
−1
·K
−1

Mức độ nguy hiểm
MSDN
Tiêu chuẩn châu Âu Chưa xếp loại
Điểm bắt cháy Không bắt cháy

1.2. Phân loại nhôm ôxít
Nhôm ôxít được tạo thành từ nhôm hydrôxít đem nhiệt phân, với các nhiệt độ khác
nhau sẽ thu được các dạng cấu trúc tinh thể nhôm ôxít với các đặc tính lý, hóa khác
nhau.
Giản đồ chuyển pha của hydrôxít nhôm
[2]
được trình bày trong hình 2 và hình 3.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
8

Hình 2. Giản đồ thể hiện sự hình thành các dạng nhôm ôxít ở các nhiệt độ khác nhau


Hình 3. Nhiệt độ chuyển pha của các dạng hợp chất hydrôxít thành Bemít
[3]


Trong đó:
•
Bayerite (CAS RN: 20257-20-9, alpha-aluminium trihydroxide, alpha-Al(OH)
3

hoặc alpha- Al
2
O
3
.3H2O)
Eta Alpha Theta
Diaspore Alpha
Gibbsite Chi Alpha Kappa
Boehmite
Bayerite
Alpha Theta
Delta
Gamma
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0
C
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
9
•
Boehmite (CAS RN:1318-23-6, gamma-AlO(OH) hoặc gamma-Al
2
O
3
.H
2
O)
•
Corundum (CAS RN:1302-74-5, alpha-Alumina, Al
2
O
3

)
•
Diaspore (CAS RN:14457-84-2, alpha-AlO(OH) hoặc alpha-Al
2
O
3
.H
2
O)
•
Gibbsite (CAS RN: 14762-49-3, gamma-aluminium, gamma-Al(OH)
3
hoặc
gamma-Al
2
O
3
.3H
2
O)
•
Nordstrandite (CAS RN: 13840-05-6, beta-aluminium trihydroxide, beta-Al(OH)
3

hoặc beta-Al
2
O
3
.3H
2

O)

Theo giản đồ trên, nhôm ôxít thu được từ sự nhiệt phân nhôm hydrôxít có hai nhóm
chính:
• Nhóm gamma nhôm ôxít thu được khi nhiệt phân nhôm hydrôxít ở nhiệt độ
không quá 600
0
C, nhóm này gồm: χ- Al
2
O
3
, η- Al
2
O
3
và γ- Al
2
O
3
.
• Nhóm delta nhôm ôxít thu được khi nhiệt phân nhôm hydrôxít ở nhiệt độ cao
khoảng 900 – 1000
0
C, nhóm này gồm: δ- Al
2
O
3
; κ- Al
2
O

3
; θ- Al
2
O
3
và α-
Al
2
O
3
.
1.3. Nhóm gamma nhôm ôxít
[4]

1.3.1. χ- Al
2
O
3

Tạo thành trong quá trình nung gibbsite trong không khí hoặc nitơ ở nhiệt độ
230 – 300
0
C. χ- Al
2
O
3
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 oxy.
Khối lượng riêng của χ- Al
2

O
3
: 3,00 g/cm
3
.
Thông số ô mạng cơ sở của χ- Al
2
O
3
: a = 7,95 A
0
; c = 13,44 A
0
.
Khi nung ở nhiệt độ 800- 1000
0
C thì χ- Al
2
O
3
biến đổi thành κ- Al
2
O
3
.
1.3.2. η- Al
2
O
3

η- Al
2
O
3
được tạo thành khi nung Bayerite ở nhiệt độ lớn hơn 230
0
C. Cấu
trúc của η-Al
2
O
3
gần giống như cấu trúc của γ-Al
2
O
3
và được ổn định bằng một số
ít nước tinh thể. Tuy nhiên lượng nước dư trong η- Al
2
O
3
bé hơn trong γ- Al
2
O
3
.
Khi nung lượng nước dư trong η-Al
2
O
3
tồn tại đến 900

0
C.
η-Al
2
O
3
và γ-Al
2
O
3
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 η- Al
2
O
3
lớn hơn.
η-Al
2
O
3
kết tinh trong khối lập phương. Trong cấu trúc tinh thể của η-Al
2
O
3

ion nhôm Al
3+
phân bố chủ yếu trong khối tứ diện, đối với γ-Al
2
O

3
phần lớn Al
3+
ở
khối bát diện. η-Al
2
O
3
khác với γ-Al
2
O
3
ở mức độ cấu trúc trật tự hơn và cấu trúc
oxy bó chặt hơn.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
10
• Khối lượng riêng của

η
-Al
2
O
3
: 2,50 – 3,60 g/cm
3
.
• Thông số ô mạng cơ sở: a = 7,90 – 7,92 A
0
.
• Trong khoảng nhiệt độ 800 – 850
0
C
η
-Al
2
O
3
bị chuyển hoá thành dạng
θ
-
Al
2
O
3
.
1.3.3. γ- Al
2
O

3

Dạng γ-Al
2
O
3
không tìm thấy trong tự nhiên mà nó được tạo thành khi nung
Gibbsit, Nordstrandit và Bemit ở nhiệt độ khoảng 450 – 600
0
C, hay trong quá
trình phân huỷ muối nhôm từ 900 – 950
0
C.
Trên bề mặt của γ- Al
2
O
3
tồn tại hai loại tâm axit: tâm axit Lewis và tâm
axit 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.
[4]
Tính axit của γ- Al
2
O
3
liên quan tới sự có mặt của các lỗ trống trên bề mặt
của nó với số phối trí khác nhau. Tính bazơ do ion nhôm trong lỗ trống mang điện
tích dương không được bão hoà quyết định.
Tinh thể γ-Al

2
O
3
có hình dáng khối bát diện. γ- Al
2
O
3
kết tinh trong hệ khối
lập phương, dựa trên cấu trúc lập phương tâm diện (FCC). Cấu trúc của γ- Al
2
O
3

thường được miêu tả là cấu trúc lập phương khuyết, trong đó thiếu một phần các
vị trí cation. Trong cấu trúc của γ- Al
2
O
3
bao gồm các lớp nhôm bát diện xen kẽ
với các lớp đồng thời có cả nhôm bát diện và nhôm tứ diện (Hình 4). Mỗi cấu trúc
cơ sở chứa 32 ion oxy và 64/3 ion nhôm để phù hợp hóa trị. Ion nhôm bị khuyết cả
ở vị trí bát diện và tứ diện, nhưng tỷ lệ khuyết ở mỗi phần vẫn còn là đề tài gây
tranh cãi.
a
b

Hình 4. Cấu trúc tinh thể gamma nhôm ôxít
a. Lớp nhôm bát diện
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
11
b. Lớp nhôm bát và tứ diện
Ô mạng cơ sở của γ- Al
2
O
3
gồm 32 ion oxy và 21
1
/
3
ion nhôm (trong spinel bình
thường có 24 ion kim loại) tức là gồm 8 phân tử Al
2
O
3
, 8 ion Al
3+
(30%) được

phân bố trong khối tứ diện và 16 (70%) trong khối bát diện.
Khối lượng riêng của γ- Al
2
O
3
: 3,20 – 3,77 g/cm
3
.
Thông số ô mạng cơ sở: a = 7,70 – 7,96 A
0
; c = 7,82 – 7,92 A
0
.
1.4. Nhóm delta nhôm ôxít
[4]

1.4.1. κ - Al
2
O
3

κ- Al
2
O
3
được tạo thành khi nung χ- Al
2
O
3
ở nhiệt độ 800 – 1000

0
C.
κ- Al
2
O
3
kết tinh trong hệ tinh thể lục phương. Ion Al
3+
phân bố trong khối bát và
tứ diện của cấu trúc bó chặt. ¼ các ion nhôm chiếm các vị trí kẽ hở của khối tứ
diện, ¾ chiếm vị trí ở khối bát diện. Các ion nhôm tứ diện được sắp xếp theo
đường zig zag dọc theo cấu trúc tinh thể (hình 1 bên trái). Ngoài ra còn có những
đường thẳng kẽ hở dọc theo cấu trúc (hình 5 bên phải).

Hình 5. Giản đồ cấu trúc tinh thể hai lớp đầu tiên của
κ
- Al
2
O
3

Màu đen là các ion nhôm bát diện, màu đen là các ion nhôm tứ diện.
• Khối lượng riêng của
κ
-Al
2
O
3
: 3,1 – 3,7 g/cm
3

.
• Thông số ô mạng: a = 9,71 A
0
; c = 17,86 A
0
.
• Ở nhiệt độ 1100 – 1200
0
C
κ
- Al
2
O
3
chuyển thành
α
- Al
2
O
3
.
1.4.2. δ - Al
2
O
3
:
δ- Al
2
O
3

tạo thành khi nung γ- Al
2
O
3
ở nhiệt độ 600 – 800
0
C, làm lạnh nhanh
nhôm ôxít nóng chảy, làm mất nước Al
2
O
3
.6H
2
O.
δ- Al
2
O
3
kết tinh trong hệ tứ diện.
Khi nung δ- Al
2
O
3
ở nhiệt độ 900 – 1050
0
C sẽ tạo thành θ- Al
2
O
3
.

1.4.3. θ- Al
2
O
3

Dạng θ- Al
2
O
3
được tạo thành từ η- Al
2
O
3
hoặc δ- Al
2
O
3
ở nhiệt độ 550–1050
0
C.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
12
Dạng θ- Al
2
O
3
thể hiện một cấu kiểu spinel biến dạng. Một nửa các ion nhôm
trong tinh thể chiếm khoảng không bát diện, số còn lại ở tứ diện. Trong ô mạng
của θ- Al
2
O
3
lớp nhôm bát diện xếp xen kẽ với lớp tứ diện.
Khi chuyển γ- Al
2
O
3
thành θ- Al
2
O
3
vẫn giữ nguyên cấu trúc khối đơn giản, nhưng
cấu trúc của θ- Al
2
O
3
trật tự hơn γ- Al

2
O
3
. Tại nhiệt độ 1100- 1200
0
C θ- Al
2
O
3

chuyển thành corundum với sự thay đổi dạng bó nguyên tử oxy.
Khối lượng riêng của θ-Al
2
O
3
: 3,40 – 3,90 g/cm
3
.
Thông số ô mạng cơ sở: A = 11,24 – 11,74 A
0
; b = 5,72 A
0
; c = 11,74 A
0
.
1.4.4. α- Al
2
O
3
:

α- Al
2
O
3
là dạng nhôm ôxít duy nhất có trong tự nhiên, tồn tại dưới dạng
corundum thường (bột mài, spat kim cương) hoặc dưới dạng đá quý (rubi, xafia).
α- Al
2
O
3
được điều chế bằng cách nung các dạng thù hình của nhôm ôxít ở nhiệt
độ trên 1000
0
C.
α- Al
2
O
3
kết tinh trong hệ lập phương. Ô mạng cơ sở đơn giản nhất của α-
Al
2
O
3
là hình thoi nhọn được cấu tạo từ 4 ion nhôm và 6 ion oxy, tương ứng với 2
phân tử Al
2
O
3
.

Hình 6. Giản đồ cấu trúc tinh thể lớp đầu tiên của tinh thể
α
- Al
2
O
3

Tinh thể α- Al
2
O
3
được cấu tạo từ các lớp ion oxy chồng lên nhau tạo thành hệ lục
diện bó chặt, giữa các lớp là ion Al
3+
. Ion nhôm chiếm 2/3 khoảng không của khối
bát diện. Các khối bát diện được nối với nhau bằng các cạnh, đỉnh.
1.5. Giới thiệu về γ- Al
2
O
3

1.5.1. Cấu trúc của γ- Al
2
O
3

1.5.1.1. Cấu trúc của tinh thể của γ- Al
2
O
3

.
Cấu trúc của nhôm ôxít được xây dựng từ các đơn lớp của các quả cầu bị
xếp chặt, lớp này có dạng tâm đối mà ở đó mọi ion O
2-
được định vị ở vị trí 1.
Lớp tiếp theo được phân bố trên lớp thứ nhất, ở đó tất cả các quả cầu thứ hai
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
13
nằm ở vị trí lõm sâu của lớp thứ nhất (vị trí 2). Lớp thứ ba được phân bố trên
các hố sâu khác của lớp thứ nhất (vị trí 3) (Hình 7).

Hình 7. Cấu trúc khối của
γ
- Al
2
O
3

.
Các cation kim loại trong đó Al
3+
nhất thiết được phân bố trong không gian
giữa các lớp bó chặt anion. Lỗ hổng duy nhất mà ion Al
3+
có thể phân bố là ở
giữa hai lớp. Một khả năng khác, các ion Al
3+
nằm ở vị trí trên lỗ hổng tam
giác, lớp oxy thứ hai thuộc vị trí 2 được phân bố trên ion Al
3+
. Ion Al
3+
trong
trường hợp này nằm ở vị trí tâm bát diện (hình 8).
Hình 8. Sự phân bố của Al
3+
trong mạng không gian.
Lớp oxy thứ hai của ôxít trong vị trí 2 phân bố trên Al
3+
. Nếu tiếp tục sắp
xếp bằng phương pháp này thì một ion Al
3+
được bao bọc bởi 3 ion oxy, để
thoả mãn độ trung hoà điện tích thì cần thiết phải trống một trong ba vị trí của

Al
3+
1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

3
3
3
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
14
cation. Sự thiếu vắng này dẫn đến khả năng sắp xếp trong mạng thành các hình
lục giác đều mà đỉnh là các Al
3+
(hình 9).

Hình 9. Vị trí ion Al
3+
trong cấu trúc bó chặt anion.
Khi tách nước cấu trúc có thể đưa đến cấu trúc bó chặt khối lục diện chuyển
sang lập phương. Trong cấu trúc lập phương bó chặt khối bát diện rỗng chứa
các ion nằm ở trung tâm, đồng thời khối bát diện kết hợp với khối tứ diện và

tạo khoảng không gian cho các cation bé. Al
3+
có thể vào khối bát diện và tứ
diện
[4][5]
.

Hình 10. Hai lớp đầu tiên của tinh thể
γ
- Al
2
O
3
[6]
Trong nhôm ôxít, oxy được bao gói theo kiểu khối lập phương bó chặt, còn
đối với cation thì một trong hai cation nằm ở khối 4 mặt, cation kia nằm trong
khối 8 mặt. Ở trường hợp này khi có mặt hydro thì công thức của η-Al
2
O
3
và
γ-Al
2
O
3
có thể viết tương ứng: (H
1/2
Al
1/2
)Al

2
O
4
hay Al(H
1/2
Al
3/4
)O
4
trong đó
các ion nhôm nằm trong khối tứ diện. Proton không nằm trong lỗ trống tứ diện
mà nằm trên bề mặt trong dạng nhóm OH
-
. Như vậy 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. Vì vậy η- Al
2
O
3
và γ- Al
2
O
3
có diện tích bề mặt

lớn và trên bề mặt chứa nhiều OH
-
liên kết.
1

1

1
1 1
1
1
1
1
1
O
2-
Al
3+
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
15
Các nhôm ôxít khác nhau về tỷ lệ ion nhôm trong khối tứ diện và bát diện,
cũng như mức độ bao bọc đối xứng ion Al
3+
trong lỗ trống tứ và bát diện. η-
Al
2
O
3
chứa ion Al
3+
trong khối tứ diện lớn hơn trong γ- Al
2
O
3
.
η- Al
2
O
3
có cấu trúc lập phương bó chặt, có 2 dạng phân bố ion Al
3+
. Dạng thứ
1 tạo thành do sự chuyển dịch 2/3 cation từ vị trí bát diện sang tứ diện. Dạng
thứ 2, ion Al
3+
chỉ phân bố trong lỗ trống bát diện.
Trong γ- Al

2
O
3
, ở lớp thứ 2 ion Al
3+
chỉ phân bố trong lỗ trống bát diện, còn
lớp thứ nhất ion Al
3+
phân bố đều trong lỗ trống tứ và bát diện.
1.5.1.2. Cấu trúc của γ- Al
2
O
3


mao quản trung bình
Tùy theo phương pháp tổng hợp mà γ-Al
2
O
3
MQTB tạo thành có cấu trúc
khác nhau. Nếu tổng hợp trong môi trường bazơ, người ta chia thành ra ba
dạng cấu trúc xác định. Đó là:
• Dạng cấu trúc với các mao quản hình trụ, sắp xếp trật tự thành hình lục
giác. Giữa các mao quản không có sự kết nối với nhau (hình 11a).
• Dạng cấu trúc không gian ba chiều, các mao quản phân bố không trật tự
tạo ra cấu trúc giống như quả cầu (hình 11b).
• Dạng cấu trúc vớ
i các mao quản sắp xếp trật tự theo lớp thành các phiến
mỏng (hình 11c).

Hình 11. Ba dạng cấu trúc hình thành khi tổng hợp trong môi trường bazơ
[7]
Nếu tổng hợp trong môi trường axit, vật liệu MQTB tạo thành có thể có cấu
trúc không gian dạng lập phương (hình 12).
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
16

Hình 12. Dạng cấu trúc hình thành khi tổng hợp trong môi trường axit
[7]

1.6. Tính axit của nhôm ôxít
Nhôm ôxít không biểu hiện tính axit mạnh. Nhóm OH
-
liên kết với ion nhôm trong tứ
diện có khả năng biểu thị tính axit lớn hơn. Độ axit của nhóm OH trên bề mặt tăng
mạnh khi cạnh đó có ion Cl

-
. Điều này được giải thích do sự chuyển dịch điện tử từ
nhóm OH
-
sang Cl
-
.
Khi chuyển một phần bề mặt nhôm ôxít được hydrat hoá hoàn toàn…
OH
-
OH
-
OH
-
OH
-
OH
-
OH
-

Al
3+
Al
3+
Al
3+
Al
3+

…sang bề mặt có chứa Cl
-
và OH
-
:
Cl
-
OH
-
Cl
-
OH
-
Cl
-
OH
-

Al
3+
Al
3+
Al
3+
Al
3+

Làm tăng mạnh tính axit của các nhóm OH
-
còn lại. Tính axit của nhôm ôxít tăng

dần lên khi tăng số Cl
-
thay thế OH
-
trên bề mặt nhôm ôxít. Như vậy trên bề mặt
nhôm ôxít có thể thay đổi độ axit và số tâm axit
[2][9][10]
.
1.7. Cấu tạo bề mặt của γ-Al
2
O
3

Tính chất hóa học bề mặt của γ-Al
2
O
3
liên quan trực tiếp đến tính chất xúc tác và
hấp phụ của chúng. γ-Al
2
O
3
hoạt tính, ngoài Al
2
O
3
tinh khiết thường chứa từ 1 ÷ 5%
nước. Tùy theo điều kiện chế tạo, trong γ-Al
2
O

3
có thể chứa ôxít kim loại kiềm, ôxít
sắt, ion sunfat. Các tạp chất này có ảnh hưởng đến tính chất xúc tác của γ-Al
2
O
3
. Ví
dụ như sự có mặt của SO
4
2-
và một số anion khác làm tăng độ axit của γ-Al
2
O
3
[8]
.
Cấu tạo bề mặt của γ-Al
2
O
3
cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, γ-Al
2
O
3
có thể hấp phụ
nước ở dạng phân tử H
2
O hoặc dạng ion OH
-
. Khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ

thường, γ-Al
2
O
3
hấp phụ nước ở dạng phân tử H
2
O không phân ly. Nước liên kết với
bề mặt bằng liên kết hidro bền vững. Ở áp suất hơi nước cao, quan sát thấy quá trình
hấp phụ vật lý một lượng nước lớn, nhưng lượng nước này dễ tách ra khi nung mẫu ở
nhiệt độ 120
0
C. Bằng phương pháp phổ hồng ngoại đã chứng minh được rằng, ở nhiệt
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
17
độ thấp trên bề mặt γ-Al
2
O

3
tồn tại nước ở dạng không phân ly, khi sấy mẫu ở 300
0
C
lượng nước phân tử không bị tách khỏi bề mặt tạo nên nhóm hidroxyl bề mặt.
[8]

Ở nhiệt độ cao, ion OH
-
dần tách khỏi ôxít ở dạng H
2
O, nhưng ngay cả ở nhiệt độ
800 ÷ 1000
0
C và áp suất chân không trong nhôm ôxít vẫn chứa một lượng nước nhất
định.
Ion OH
-
thể hiện tính chất tâm axit Bronsted. Trong quá trình dehidrat hóa, hai
nhóm OH
-
hợp lại tạo thành một phân tử nước, ion oxi ở lại trên bề mặt tạo nên cầu
oxi. Ở một khía cạnh khác có thể thấy rằng khi hai nhóm OH
-
ở cạnh nhau tác dụng
để lại một nguyên tử nhôm thiếu điện tử và nó thể hiện như một tâm Lewis. Như vậy,
trên bề mặt nhôm ôxít tồn tại cả hai loại tâm: tâm Bronsted và Lewis. Tâm Bronsted
và Lewis là các trung tâm xúc tác hoạt tính trên bề mặt nhôm ôxít.
[1]

1.8. Diện tích bề mặt của nhôm ôxít
Nhôm ôxít là loại vật liệu mao quản trung bình, có diện tích bề mặt lớn thường từ
150 – 450 m
2
/g
[8]
.
Bayerit và Gibbsit ban đầu có diện tích bề mặt riêng thấp khoảng 3 – 5 m
2
/g, trái
lại dạng gel Bemit có thể có diện tích bề mặt riêng lớn. γ- Al
2
O
3
đi từ gel Bemit có
diện tích bề mặt riêng khoảng 280 – 325 m
2
/g, dạng δ- Al
2
O
3
và θ- Al
2
O
3
cũng được
tạo thành từ dạng gel Bemit và có diện tích bề mặt trong khoảng 100 – 150 m
2
/g. Các
dạng nhôm ôxít có diện tích bề mặt lớn phụ thuộc vào nguyên liệu, nhiệt độ và thời

gian nung.
[8]

1.9. Cấu trúc xốp của nhôm ôxít
Các đặc tính quan trọng của vật liệu mao quản là bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp,
hình dáng và kích thước mao quản.
Hầu hết diện tích bề mặt của nhôm ôxít đi từ Gibbsit, Bayerit được tạo thành từ
những lỗ xốp nhỏ có đường kính khoảng 10 – 20 A
0
. γ- Al
2
O
3
chứa nhiều lỗ xốp có
đường kính 30 – 120 A
0
, thể tích lỗ xốp thường từ 0,5 ÷ >1 cm
3
/g. Khi nung dạng gel
Bemit tạo γ- Al
2
O
3
thì lỗ xốp có đường kính khoảng 30 – 100 A
0
.
[4]
Dùng phương pháp hấp phụ nitơ để nghiên cứu cho thấy rằng, tinh thể nhôm
trihydrôxít có diện tích bề mặt riêng lớn và thể tích mao quản không lớn. Khi nung
nóng tới nhiệt độ gần nhiệt độ bắt đầu tạo ôxít thấy xuất hiện các mao quản. Đối với

Gibbsit trong điều kiện khoảng nhiệt độ đó tạo thành một số tinh thể Bemit kết tinh
tốt, các mao quản có hình dáng cổ chai. Đối với Bayerit và Nordstrandit các mao qu
ản
này xuất hiện ít hơn và có hình dáng khe rãnh.
Sau khi nung lên nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tạo ôxít thấy bề mặt theo BET tăng
mạnh, đa phần đường kính mao quản không vượt quá 20 A
0
. Tiếp tục nung đưa đến
thiêu kết thì diện tích bề mặt riêng giảm. Nung tiếp đến 550
0
C diện tích bề mặt riêng
giảm gấp 2 lần so với cực đại, thể tích mao quản giảm xuống còn rất bé.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
18
Khi nung Gibbsit và Bayerit ở nhiệt độ thấp xuất hiện các mao quản dạng khối
song song với bề mặt nối của hydrôxít ban đầu. Các pore dạng khối này tạo nên hệ
thống mao quản và chúng dần dần biến mất do kết quả thiêu kết trong quá trình nung.

Đối với Bemit và Diaspor khi nung bề mặt riêng cũng giảm nhưng đặc biệt vẫn giữ lại
dạng cấu trúc khe của mao quản, ngay cả khi nung chúng tới 750
0
C.
2. Ứng dụng của nhôm ôxít
2.1. Ứng dụng chung của nhôm ôxít
Sản lượng alumina hàng năm trên thế giới vào khoảng 45 triệu tấn, hơn 90% trong
số đó được sử dụng để sản xuất nhôm. Ứng dụng chủ yếu của nhôm ôxít là trong các
ngành công nghiệp sản xuất vật liệu chịu nhiệt, gốm, đánh bóng bề mặt và mài mòn,
một lượng đáng kể nhôm ôxít còn được sử dụng trong sản xuất zeolite, làm chất phủ
b
ề mặt và vật liệu chống cháy
[11]
. Nhôm ôxít dạng bột được sử dụng làm chất mang
trong máy phân tích sắc ký, với 3 trạng thái: bazơ (pH 9,5), dạng axit (pH 4,5) và
dạng trung hòa
[12]
.
Trong lĩnh vực quang học, hãng GE đã phát triển “Lucalox” vào năm 1961
[13]
, một
dạng alumina trong suốt được sử dụng trong đèn hơi natri, đèn hơi flo
[14]
.
Trong các ứng dụng y học và sức khỏe, alumina được sử dụng để chế tạo các chi
tiết thay thế xương hông
[11]
. Alumina và các hợp chất hóa học của alumina được sử
dụng để lọc nước, một vài hợp chất như: nhôm sunfat Al
2

(SO
4
)
3
, nhôm clorohydrat
Al
n
Cl
3n-m
(OH)
m
, natri aluminat NaAlO
2
hiện đang được sử dụng để lọc bỏ các hợp
chất flo trong nước
[17]
. Alumina cũng có mặt trong thành phần chế tạo kem đánh răng.
Alumina được sử dụng vì độ cứng và bền của nó. Hầu hết các loại ván gỗ lát nền
hiện nay đều có lớp phủ cứng bảo vệ bên ngoài là nhôm ôxít. Vào năm 2004, công ty
3M đã phát triển một kỹ thuật tạo ra một loại vật liệu gốm mới, kết hợp từ nhôm ôxít
và các nguyên tố đất hiếm, tạo thành một loạ
i thủy tinh rất bền, được gọi là “alumina
trong suốt”
[16]
. Alumina có thể được phát triển trên bề mặt nhôm nhờ quá trình anốt
hóa hoặc oxy hóa điện phân bằng plasma. Chính sự bền vững và tính mài mòn của
nhôm ôxít đã khiến nó có độ cứng rất cao, đạt tới vị trí thứ 9 trên thang chia Mohs
(thang chia tính cứng của vật liệu).
Alumina được sử dụng rộng rãi làm bột mài thô và bột mài mịn, được sử dụng
thay thế cho những loại bột mài chế tạo từ kim cương. Nhiều lo

ại giấy nhám cũng sử
dụng nhôm ôxít tinh thể. Mặt khác, alumina có nhiệt dung riêng thấp nên được sử
dụng rộng rãi trong các hệ thống thiết bị nghiền, đặc biệt là sử dụng trong các công cụ
cắt gọt. Các loại bột nghiền alôxíte có thành phần chủ yếu là nhôm ôxít, có trộn thêm
silic, được sử dụng để chế tạo phần đầu cơ bi-a. Bột nhôm ôxít được sử dụng trong
các thiết bị mài nhẵn và kh
ử xước đĩa CD/DVD
[16]
.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
19
Alumina được sử dụng để sản xuất các thiết bị siêu dẫn, đặc biệt là các transitor
một electron và các thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID)
[15]
.
Trong công nghệ hóa học, nhôm ôxít được sử dụng làm chất xúc tác, chất mang
xúc tác (dạng trơ, có tương tác với chất nền hoặc chất mang đa chức năng), chất hấp

phụ, chất kết dính
[18]
…Do mỗi loại nhôm ôxít có những đặc tính lý, hóa và cấu trúc
tinh thể khác nhau, nên phạm vi ứng dụng của chúng cũng rất khác nhau, ví dụ: khi sử
dụng nhôm ôxít làm chất mang, tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà người ta chọn các
cấu trúc nhôm ôxít khác nhau:

• Dạng gamma ôxít nhôm thường được sử dụng làm chất mang đa chức năng, vì
ngoài chức năng thông thường như: phân tán pha hoạt động của xúc tác, tăng
diện tích tiếp xúc của pha hoạt độ
ng xúc tác với môi trường, ngăn cản quá trình
thiêu kết và tái kết tinh pha hoạt động, tăng độ bền, tăng khả năng truyền nhiệt
của xúc tác... nó còn có vai trò hỗ trợ xúc tác giống như một xúc tác thứ hai
[21]
.

Bảng 2. Một số ứng dụng của ôxít nhôm


Các ứng dụng Vai trò của Al
2
O
3
Ví dụ sản xuất
Ankyl hoá Xúc tác Phenol
Dehyđrô hoá Xúc tác Axit focmic
Isome hoá
Xúc tác
Chất mang
1- metylxyclohexan

Isophtaonitril
Hydrô desunfua hoá Chất mang Tinh chế dầu
Hyđrô denitơ hoá Chất mang Tinh chế dầu
Reforminh và vòng
hoá
Xúc tác
và Chất mang
Phenolhydrozon
Cyclohexan
Cracking
Xúc tác
và chất mang
Hyđrôcacbon
Naphtalen
Hyđrô hoá
Xúc tác
và Chất mang
Etyl ete
Ancol không no
Polyme hoá
Xúc tác
và Chất mang
Xyclolefin
Etylenôxít
Oxi hoá từng phần Chất mang Etylenôxít


Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ

- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
20


2.2. Ứng dụng của gamma ôxít nhôm
Do có các đặc tính là bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, hoạt tính cao, bền cơ, bền
nhiệt nên γ-Al
2
O
3
được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lọc hóa dầu, xúc tác
cho các phản ứng hóa học, chất hấp phụ…
2.2.1. Ứng dụng trong lọc hóa dầu
Trong công nghệ lọc hóa dầu γ- Al
2
O
3
được dùng làm xúc tác để tách các cấu
tử không mong muốn, bảo vệ thiết bị lọc dầu, tăng chất lượng sản phẩm. Quá trình
Clause, γ-Al

2
O
3
được sử dụng nhằm chuyển hóa H
2
S thành muối sunfua. Trong
quá trình xử lý bằng hydro, γ- Al
2
O
3
được sử dụng như một chất mang xúc tác để
tách các hợp chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh, nitơ
[19][29]
.
Trong quá trình isome hóa, γ- Al
2
O
3
làm chất mang để phân tán Pt tạo xúc tác
Pt/γ- Al
2
O
3
cho phản ứng. Ngày nay Pt/γ- Al
2
O
3
cũng được sử dụng làm xúc tác
lưỡng chức trong quá trình reforming, trong đó Pt mang chức năng oxy hóa khử,
xúc tiến cho phản ứng hydro hóa, dehydro hóa còn Al

2
O
3
là chất mang có tính
axit, đóng vai trò chức năng axit – bazơ thúc đẩy phản ứng izome hóa,
hydrocracking
[23]
.
2.2.2. Ứng dụng làm chất hấp phụ
Ngày nay, ứng dụng của vật liệu lỗ xốp, vật liệu có cấu trúc mao quản ngày
càng nhiều trong công nghệ hoá học điển hình là ứng dụng hấp phụ. Vật liệu có
cấu trúc mao quản chính là vật liệu mà trong lòng nó có các ống nhỏ. Việc sắp xếp
các mao quản có trật tự hay không còn phụ thuộc vào phương pháp và quá trình
tổng hợp vật liệu.
Ứ
ng dụng của các vật liệu mao quản là vô cùng rộng trong nhiều ngành, nhiều
lĩnh vực. Nhôm ôxít hoạt tính có độ phân tán cao và cấu trúc khuyết, ở dạng γ-
Al
2
O
3
do có thể tích mao quản và diện tích bề mặt lớn, nên được sử dụng làm chất
hấp phụ, đặc biệt là trong công nghiệp dược phẩm, đặc tính hấp phụ của γ-Al
2
O
3
dùng để tách asen, flo trong nước sinh hoạt, tách các hợp chất đa vòng, các chất
hữu cơ dễ bay hơi và nghiên cứu khả năng tách một số chất độc trong khói thuốc
lá. Nhôm ôxít còn có vai trò quan trọng trong việc làm khô chất lỏng và khí, hấp
phụ chọn lọc trong ngành xăng dầu

[20]
.
Nhôm ôxít mao quản trung bình có thể hấp phụ hơi nước trong quá trình bảo
quản mức độ ẩm của không khí trong các thiết bị, máy móc đặc biệt và kho chứa,
làm khô các vật liệu ở nhiệt độ thấp, bảo vệ các tranzito và các phần tử bán dẫn.
γ- Al
2
O
3
mao quản trung bình có thể hấp phụ hỗn hợp của các hydrocacbon
nhẹ (C
1
– C
3
), hoặc các khí có nhiệt độ sôi thấp. Để làm giàu và tinh chế các phân
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
21

đoạn dầu như phân tách các hợp chất vòng từ các parafin hay olefin thì nhôm ôxít
có thể hấp phụ hỗn hợp các vòng thơm, vòng no. Nhôm ôxít cũng có thể hấp phụ
hỗn hợp của các hydrocacbon chưa bão hòa có nhiệt độ sôi cao, các hợp chất màu
từ sáp, dầu, chất béo
[23]
.
Nhôm ôxít mao quản trung bình hấp phụ hỗn hợp khí có nhiệt độ sôi thấp như:
các khí hiếm, không khí, nitơ ôxít, metan, axetylen trong quá trình phân tách.
Trên thực tế Mitsubishi Heavy Industries đã sử dụng nhôm ôxít mao quản
trung bình cho quá trình thu hồi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Do có
diện tích bề mặt lớn mà người ta có thể thực hiện quá trình hấp phụ VOCs ở ngay
nhiệt độ thường. Sự hấp phụ bão hòa xảy ra với dòng không khí nóng ở 120 ÷
150
0
C
[20]
.
a) Sử dụng nhôm ôxít hoạt tính để loại bỏ các độc tố trong khói thuốc lá
Hiện nay trên toàn thế giới hàng năm sản xuất khoảng 5,5 tỷ bao thuốc lá,
và số người hút thuốc lá là khoảng 1,1 tỷ người
[40]
. Ở Mỹ có nhiều nghiên cứu
về sự liên quan giữa sử dụng thuốc lá và ung thư đã được tiến hành, các nghiên
cứu ước tính rằng khoảng một phần ba trong tổng số người chết vì ung thư liên
quan tới sử dụng thuốc lá. Thuốc lá gây ra xấp xỉ 90% tổng số người chết vì
ung thư phổi trên toàn thế giới, đồng thời nguy cơ bị ung thư phổi đối với
những người hút thuốc lá cao hơn gấp 10 lần so với những người không hút
thuốc
[35]
. Chỉ khoảng 13% bệnh nhân ung thư phổi sống sót sau 5 năm. Tỉ lệ

chết do ung thư phổi ở nam giới có hút thuốc cao gấp 22 lần so với nam giới
không hút thuốc, còn ở nữ thì gấp khoảng 12 lần
[36]
. Hút thuốc thụ động (hít
phải khói thuốc lá của những người hút thuốc xung quanh) cũng làm tăng nguy
cơ mắc ung thư phổi với chỉ số nguy cơ tương đối khoảng từ 1,2 đến 1,5. Khi
đồng thời hút thuốc và có tiếp xúc với yếu tố độc hại khác thì nguy cơ gây ung
thư phổi sẽ tăng lên gấp nhiều lần. Việt Nam hiện vẫn là một trong những nước
có tỷ l
ệ nam giới hút thuốc cao nhất trên thế giới, 56%. Theo ước tính, mỗi
năm nước ta có khoảng 40.000 ca tử vong vì các bệnh có liên quan đến thuốc
lá, con số này tại Mỹ là hơn 2,4 triệu. Một nghiên cứu khác được tiến hành ở
Anh cho thấy: mỗi năm nước này có khoảng 2700 ca tử vong trong độ tuổi từ
20 – 64, và hơn 8000 ca tử vong ở độ tuổi trên 65 do hút thuốc lá thụ động.
Khoảng 17000 trẻ em sống trong các gia đình có bố mẹ hút thu
ốc lá đã phải
nhập viện vì các bệnh có liên quan tới khói thuốc lá
[36]
. Tuy thuốc lá nguy hiểm
như vậy, nhưng nó đem lại nguồn lợi về kinh tế rất lớn, tạo công ăn việc làm
cho hàng trăm ngàn người trên khắp thế giới, nên chính phủ các nước vẫn chưa
mạnh tay loại bỏ hoàn toàn việc sản xuất và sử dụng thuốc lá, mà chỉ cảnh báo
và đưa ra các quy định nhằm giảm hàm lượng các độc chất trong khói thuốc lá
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3

-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
22
một cách có lộ trình. Nhôm ôxít là chất hấp phụ rất có triển vọng trong tương
lai gần để ứng dụng loại bỏ các độc tố trong khói thuốc lá.
Trong khói thuốc lá chứa hơn 4000 chất hóa học, trong đó hơn 200 chất độc
có hại cho sức khỏe con người, bao gồm
[10]
:
• Hợp chất thơm đa vòng: các chất này có trong dòng khói chính của
một điếu thuốc cỡ nanogram. Trong đó có một chất đã được khẳng
định chắc chắn gây ung thư cho người đó là benzopyren.
• Các hợp chất N-nitroamin: Có trong dòng khói chính của điếu thuốc
cỡ nanogram.
• Các amin thơm bao gồm: 2-naphtytamin, 4-amino biphenyl, 2-
toludin… Các chất này cũng chỉ tồn tại trong dòng khói chính của
điếu thuốc cỡ nanogram.
• Các hợ
p chất hữu cơ như: benzen, acrylonitril, vinyl clorua…Các
chất này cũng tồn tại trong dòng khói chính của điếu thuốc cỡ
nanogram.
• Các hợp chất vô cơ: Gồm các chất như As, Ni, Cr, Cd, Pb,
210
Po…
Đó chủ yếu là các chất gây độc và gây nghiện được chia thành ba nhóm

chính là: nhóm nicotin, nhóm monoxit cacbon và nhóm các chất gây ung
thư
[38]
.
Như vậy, trong khói thuốc lá có rất nhiều hợp chất với các kích thước phân
tử khác nhau. So sánh sự tương đồng giữa đường kính động học của phân
tử các chất hóa học trong khói thuốc, người ta lựa chọn xylen là chất đại
diện điển hình để thực hiện quá trình nghiên cứu khả năng hấp phụ xylen
trên ôxít nhôm. Ôxít nhôm hoạt tính có kích thước mao quản phù hợp sẽ có
được sử dụng để nghiên cứ
u khả năng hấp phụ xylen, từ đó có thể đưa ra
các kết luận về khả năng hấp phụ các hợp chất có kích thước phân tử tương
tự như nicotin, các hydrocacbon thơm…nhằm làm giảm làm lượng các chất
độc trong khói thuốc lá. Mặt khác, do nhôm ôxít là hợp chất không độc,
không mùi, nên nó sẽ không gây hại cho người sử dụng và không làm thay
đổi mùi vị của thuốc lá, đây là đề tài mới nhất và duy nhất tại Việ
t Nam
hiện đang được nghiên cứu tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội và công
ty thuốc lá Thăng Long (Hà Nội).
b) Sử dụng nhôm ôxít hoạt tính để loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(VOCs)
[35]

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs – volatile organic compounds) là các
chất hữu cơ có áp suất hơi đủ cao trong điều kiện bình thường dễ bay hơi và đi
vào không khí và gây ô nhiễm không khí. Có hàng triệu hợp chất hữu cơ dễ
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al

2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
23
bay hơi như: benzen, toluen, xylen, metan, formaldehyt, etylen glycol, n-
butanol, 1-3 butadien, axeton…. VOCs được tạo ra từ rất nhiều nguồn khác
nhau. Chúng thoát ra môi trường từ khí thải khi đốt các loại nhiên liệu như
xăng dầu, gỗ, than đá của các quá trình công nghiệp. Chúng cũng được sản
sinh ra từ ngành công nghiệp sơn, polyme, dung môi, chất lỏng làm sạch, làm
khô, hoặc các sản phẩm khác được sử dụng trong gia đình hay công sở, như
máy photocopy, máy điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, mỹ
phẩm, hóa chất dùng đánh
bóng sàn nhà…
[36]

Nhiều nghiên cứu khoa học đã cho thấy rằng nồng độ của VOCs trong nhà
có khi cao gấp nhiều lần ngoài trời. Khi hàm lượng VOCs trong không khí
vượt quá 25mg/m
3
thì sẽ gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người.
VOCs thải vào khí quyển, chúng kết hợp với nitơ oxit, dưới tác dụng của tia
cực tím tạo thành sương mù quang hóa:
VOCs + NO

2
+ O
2
+ ánh sáng → O
3
+ NO + CO
2
+ H
2
VOCs hấp thụ tia hồng ngoại gây hiệu ứng nhà kính
[36]
.
Khi hít phải VOCs có thể bị : nhức đầu, nôn mửa, chóng mặt, cảm thấy như bị
“say”, những người lao động tiếp xúc với VOCs trong nhiều năm có thể:
• Có vấn đề về khả năng phối hợp hoạt động trong cơ thể.
• Các vấn đề về khả năng học tập.
• Ung thư, hại thận, hủy hoại hệ thống thầ
n kinh, hại gan….
Xylene là một trong những chất VOCs phổ biến, nó thoát ra từ quá trình sản
xuất của công nghiệp dầu mỏ, khí thải động cơ xăng, dung môi. Xylene là
dung môi quan trọng cho thuốc trừ sâu, chất béo, parafin, nhựa tự nhiên và
nhựa tổng hợp. Xylen còn dùng làm dung môi, chất pha loãng cho sơn, men,
vecni, là dung môi đóng rắn trong quá trình tổng hợp polyme, và được sử dụng
rộng rãi trong sản xuất mực in, keo dán.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
24
Bảng 3. Tính chất lý hóa đặc trưng của xylen
Các đồng phân của xylen

Tên thông thường
Xylen o – xylen m – xylen p – xylen
Danh pháp IUPAC
Đimêtylben
zen
1,2-
Đimêtylbenz

en
1,3-
Đimêtylbenz
en
1,4-
Đimêtylben
zen
Tên khác Xylol
o-Xylol;
Octoxylen
m-Xylol;
Metaxylen
p-Xylol;
Paraxylen
Công thức hóa học C
8
H
10

Khối lượng mol 106,16 g/mol
Bề ngoài Chất lỏng trong suốt, không màu
Số hiệu CAS [1330-20-7] [95-47-6] [108-38-3] [106-42-3]
Tỷ trọng và pha
0,864 g/ml,
lỏng
0,88 g/ml,
lỏng
0,86 g/ml,
lỏng
0,86 g/ml,

lỏng
Độ tan trong nước Không tan
Độ tan trong các dung
môi khác
Hoàn tan trong các dung môi không phân cực như các
hydrocacbon thơm
Nhiệt độ nóng chảy
– 47,4
0
C
(226 K)
– 25
0
C
(248 K)
– 48
0
C
(225 K)
13
0
C
(286 K)
Nhiệt độ sôi
138,5
0
C
(412 K)
144
0

C
(417 K)
139
0
C
(412 K)
138
0
C
(411 K)
Độ nhớt
(tại 20
0
C)
0,812 cP 0,62 cP 0,34 cP
Mức độ nguy hiểm
Phân loại của EU Gây hại (Xn)
NFPA 704

Điểm bốc cháy 24
0
C 17
0
C 25
0
C 25
0
C
Nguy hiểm và an toàn R10, R20/21, R38: S2, S25
Giới hạn nổ trong

không khí
Dưới 1% thể tích hoặc 5,3 –7,6 % thể tích
Nồng độ xylen cho
phép trong không khí
TCVN 150ppm (700mg/m
3
)

3
2
0
Nghiên cứu khả năng hấp phụ VOCs của hỗn hợp

γ
- Al
2
O
3
-zeolit X.P
1



Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Tiến Huy
Lớp Hóa Dầu K49-QN
25
Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý VOCs, có thể chia thành 2 nhóm: các
kỹ thuật phân hủy (oxy hóa nhiệt và oxy hóa xúc tác) nhằm loại bỏ các hợp
chất không mong muốn, và các kỹ thuật thu hồi (hấp phụ, hấp thụ, ngưng tự)
cho phép thu hồi các loại VOCs. Nói chung, các phương pháp hấp thụ, ngưng

tụ, oxy hóa thường được sử dụng để loại bỏ VOCs với hàm lượng lớn (trên
1%), còn phương pháp hấp phụ hiệu quả hơn khi cầ
n loại bỏ VOCs ở nồng độ
nhỏ (cỡ ppm hoặc dưới ppm). Cho đến hiện tại, chỉ khoảng 10% ngành công
nghiệp xử lý VOCs sử dụng kỹ thuật hấp phụ, nhưng tỷ lệ này sẽ gia tăng trong
tương lai gần do sự thắt chặt các quy định về hàm lượng VOCs trong khí
thải
[35]
. Điều này cũng giải thích cho tốc độ phát triển nhanh chóng của các
công nghệ sử dụng chất hấp phụ trong việc xử lý, loại bỏ VOCs trong khí thải.
Than hoạt tính thường được sử dụng trong các quá trình này, do chúng có khả
năng hấp phụ cao và tính kinh tế. Tuy nhiên, khả năng thu hồi than hoạt tính là
rất khó khăn do chúng không bền nhiệt và không bền hóa. Nếu sử dụng zeolit
kị nước thì giá thành lại cao gấp 10 lần, và chúng rất nh
ạy cảm với sự có mặt
của hơi ẩm. Nhôm ôxít hoạt tính là chất hấp phụ rất tốt. Vì vậy hỗn hợp

γ-
Al
2
O
3
-zeolit X.P
1
có triển vọng trong việc sử dụng làm chất hấp phụ loại bỏ
VOCs từ khí thải.
II.ZEOLIT
II.1. Giới thiệu về zeolite
II.1.1. Khái niệm về zeolite
Cách đây hơn hai trăm năm, zeolite đã được phát hiện, tuy nhiên mãi đến tận năm

1925 mới được D. Veigel và E. Steinhof bắt đầu nghiên cứu ứng dụng trong một vài lĩnh
vực. Vào khoảng năm 1938 ÷ 1940, Barrer R.M cùng cộng tác đã bắt đầu nghiên cứu một
cách có hệ thống quá trình tổng hợp zeolite ở trong phòng thí nghiệm với điều kiện khắc
nghiệt và áp suất cao. Hơn 20 năm lại đây, ng
ười ta đã tổng hợp zeolite ở áp suất thường.
Hiện nay có khoảng 40 loại zeolite tự nhiên được tìm thấy như faujazite, sabazit,
mondenit, clinoptitonit…, trong đó chỉ có faujazite là có ý nghĩa quan trọng nhất. Các
khoáng tự nhiên này thường nằm rải rác nên quá trình tinh chế rất khó khăn, vì vậy trong
kỹ thuật thường sử dụng zeolite tổng hợp. Ngày nay, người ta đã tổng hợp được khoảng
200 loại zeolite từ hoá chất tinh khiết và khoáng sét tự nhiên.
Zeolite là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba chiề
u với hệ thống
mao quản (pore) đồng đều và rất trật tự. Hệ thống mao quản này có kích cỡ phân tử, cho
phép phân chia (rây) các phân tử theo hình dạng và kích thước. Vì vậy,zeolite còn được
gọi là vật liệu rây phân tử. Hệ thống mao quản này có kích cỡ phân tử, thay đổi từ 3 đến
12 Ǻ.