tổng hợp cordierite bằng phương pháp hóa học

Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
1
MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC………………………………………………………1
MỞ ĐẦU 4
PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 5
I.CƠ SỞ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 5
I.1.Ô nhiễm khí thải : tổng quan 5
I.1.1.Các thành phần gây ô nhiễm từ khí thải 5
I.1.2.Tình hình ô nhiễm không khí 6
I.2.Phương pháp xử lý ô nhiễm không khí 7
I.2.1.Xử lý NO
x
8
I.2.2.Xử lý hydrocacbon 9
I.2.3.Xử lý CO 9
I.2.3.1.2.4. Xử lý đồng thời cả ba thành phần ô nhiễm………………… 9
II.XÚC TÁC 3 CHỨC NĂNG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 11
III.CHẤT NỀN CORDIERITE 13
III.1.Giới thiệu về Cordierite 13
III.2.Một số phương pháp đã được nghiên cứu 13
III.3.Ứng dụng làm chất nền 14
IV.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG 15
IV.1Giới thiệu về γ- Al
2
O
3
15

IV.1.1.Cấu trúc của γ- Al
2
O
3
15
IV.1.2.Cấu tạo bề mặt của γ-Al
2
O
3
18
IV.2.Ứng dụng của gamma oxyt nhôm 19
V.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE 19
V.1.Giới thiệu về Nhôm oxyt và nguyên liệu để tổng hợp 19
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
2
V.1.1.Nhôm oxyt 20
V.1.2.Nhôm nitrat 22
V.2.Giới thiệu về Magiê oxyt và nguyên liệu để tổng hợp 24
V.2.1.Magiê oxyt 24
V.2.2.Magiê nitrat 26
V.3.Giới thiệu về Silic oxyt và nguyên liệu để tổng hợp 28
V.3.1.Silic oxyt 28
V.3.2.Giới thiệu về thủy tinh lỏng (TEOS) 31
V.4. GIỚI THIỆU VỀ CITRIC AXIT 32
V.4.1.Tính chất vật lý của axit citric 32
V.4.2.Tính chất hoá học của axit citric 34
V.4.3.Ứng dụng của citric axit 35
VI.CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP XÚC TÁC 35
VI.1.Phương pháp phản ứ

ng ở trạng thái rắn 35
VI.1.1.Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn 36
VI.1.2.Quá trình phát triển của tinh thể sản phẩm 36
VI.2.Phương pháp kết tủa . 37
VI.3.Phương pháp kết tinh thủy nhiệt 37
VI.4.Phương pháp phân hủy trực tiếp từ muối 37
VI.5.Phương pháp sol-gel 38
VI.5.1.Khái niệm về sol 38
VI.5.2.Khái niệm về gel 39
VI.5.3.Ưu nhược điểm của phương pháp sol – gel 39
VI.5.4.Các giai đo
ạn của quá trình sol-gel 39
PHẦN II: THỰC NGHIỆM 44
I.HÓA CHẤT SỬ DỤNG 44
I.1.Hóa chất 44
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
3
I.2.Thiết bị 44
II.QUY TRÌNH TỔNG HỢP CORDIERITE 44
II.1.Tiến hành theo phương pháp phản ứng pha rắn 44
II.1.1.Quá trình tổng hợp Al
2
O
3
44
II.1.2.Quá trình tổng hợp MgO 45
II.1.3.Quá trình tổng hợp SiO
2
từ thủy tinh lỏng 46

II.2.Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp hóa học (sol-gel ngay từ
đầu) 47
II.3.Tạo hình sản phẩm và đưa chất mang lên chất nền 48
III.CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA-LÝ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG XÚC
TÁC 49
III.1.Phương pháp phân tích nhiệt (Thermal Analysis _TA) 49
III.2.Phương pháp nhiễu xạ rơnghen (X-ray diffaction: XRD) 51
III.3.Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 52
III.4.Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ N
2
xác định diện
tích bề mặt 52
PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. 54
I.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT 54
I.1.Kết quả phân tích nhiệt mẫu Cordierite theo phương pháp phản ứng pha
rắn.……………………………………………………………………… 55
I.2.Kết quả phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp theo phương pháp sol-gel 55
II.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH RƠNGHEN
III.KẾT QUẢ ĐO DIỆN TÍCH BỀ MẶT
IV.KẾT QUẢ CHỤP SEM
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KH
ẢO



Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
4
MỞ ĐẦU

Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một vấn đề nhức nhối
với con người. Trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ
khí thải động cơ. Các thành phần khí gây ô nhiễm như các oxyt nitơ, oxyt lưu
huỳnh, hydrocacbon dễ bay hơi, cacbon monoxyt, …ngày càng gia tăng gây
ra các hiện tượng mưa axit, hiệu ứng nhà kính, lỗ hổng tầng ozon, đặc biệt là
những thay đổi về khí hậu. Do vậy vấn đề xử lý khí thả
i của các quá trình đốt
cháy nhiên liệu, đặc biệt là khí thải xe cơ giới đang thu hút được nhiều nghiên
cứu.
Đa số các nghiên cứu đều sử dụng các bộ chuyển hóa xúc tác với xúc tác
là kim loại quý như bạch kim, paladi, rhodi…Xúc tác này thường gồm 3 lớp:
chất nền làm từ các loại gốm như Cordierite hoặc từ phoi kim loại, chất mang
phổ biến là γ- Al
2
O
3
phủ bên ngoài lớp chất nền và cuối cùng là lớp xúc tác
kim loại. Xúc tác phải có khả năng xử lý đồng thời ba thành phần ô nhiễm
chính là CO, NO
x
và hydrocacbon dễ bay hơi.
Cordierite là loại vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al
2
O
3
-SiO
2
. Thành phần
hóa học của Cordierite là 2 MgO.2Al

2
O
3
.5SiO
2
. Cordierite là loại vật liệu phổ
biến, có độ bền nhiệt và bền cơ cao nên được ứng dụng làm chất nền điều chế
xúc tác xử lý khí thải của các quá trình đốt cháy nhiên liệu. Các nghiên cứu
chủ yếu tổng hợp Cordierite đi từ nguồn nguyên liệu tự nhiên như cao lanh,
talc, alumosilicat tự nhiên…chưa đạt được các thông số mong muốn. Đồ án
đặt vấn đề tổng hợp Cordierite theo một hướng
đi mới nhằm tăng diện tích bề
mặt, tăng khả năng hoạt động trong khi giảm xuống tối thiểu lượng chất xúc
tác cần dùng vì giá thành rất đắt.



Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
5
PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
I.CƠ SỞ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU.
I.1.Ô nhiễm khí thải : tổng quan.
Ô nhiễm không khí là hậu quả từ các hoạt động của cuộc sống hiện đại
như: sự gia tăng tiêu thụ năng lượng, sự phát triển của các ngành công nghiệp
mũi nhọn: công nghiệp luyện kim, hóa học, giao thông đường bộ và hàng
không, …. Ô nhiễm có nguồn gốc từ ba nguồn chính: nguồn gốc thiên nhiên
(thực vật, đất), nguồn g
ốc cố định (sưởi ấm gia đình, sản xuất điện, công
nghiệp), và giao thông. Trong đó, ôtô và các phương tiện vận chuyển là một

phần nguyên nhân của tình trạng môi trường ô nhiễm như ngày nay.
I.1.1.Các thành phần gây ô nhiễm từ khí thải.
Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm: khí
và hạt rắn. Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các
nguồn xác định (CO, HC,…) với các chất ô nhiễ
m thứ cấp (O
3
, …) được sản
sinh ra từ các phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động
của điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời.
Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất
sau :
 Carbone dioxyde (CO
2
), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn
nhiên liệu.
 Carbone monoxyde (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn
nhiên liệu.
 Oxyt Nitơ bao gồm NO, NO
2
.
 Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp.
 Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composes organiques volatils),
là các hợp chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều
kiện bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí. Về
thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alkan, alken,
aromatic…) và các hợp chất chứa oxi (aldehyde, xetone, …).
 Các hợ
p chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques
polycycliques – HAP), như benzoapyrene.

 Oxyt lưu huỳnh gồm có SO
2
và SO
3
hình thành từ lưu huỳnh có sẵn
trong nhiên liệu.
 Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu.
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
6
Những chất ô nhiễm này thải ra môi trường sẽ dẫn đến rất nhiều ảnh hưởng
tai hại cho sức khỏe và môi trường. Một vài chất trong đó sẽ góp phần hình
thành sương mù trong đô thị (brouillards urbains), mưa acide từ SO
2
và NOx.
Trong đó NOx và VOCs là nguyên nhân gây ra các phản ứng khác nhau dẫn
đến sự hình thành ozone ở tầng đối lưu của khí quyển. Các hydrocarbon chưa
cháy gây ra bệnh ung thư, còn các hạt rắn, đặc biệt là các hạt rắn nhỏ, rất nguy
hiểm cho sức khỏe, vì nó có thể đi vào trong phổi, gây ra các bệnh về hô hấp.
Kết quả nghiên cứu mới nhất tại các đô thị lớn của nước ta, nồng độ bụi đã
v
ượt quá tiêu chuẩn cho phép 1,5÷3 lần, nồng độ SO2 gấp 2÷3 lần. Tác nhân
gây ô nhiễm chủ yếu do khí thải xe cơ giới, trong đó lượng khí thải từ ống xả
của các phương tiện giao thông chiếm tới trên 90% về Chì, 25% khí NO2 và
khoảng 98% khí CO.
Khí thải do môtô, xe máy kết hợp với các chất ô nhiễm thứ cấp gây nguy
hại đến sức khỏe của người dân gây nên các bệnh như: ngạt thở, viêm phù
phổi, lao phổi, ung thư phổ
i, bệnh tim mạch và bệnh thần kinh.
Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia (2005) cho thấy, 70÷90% ô nhiễm

không khí đô thị là các hoạt động giao thông vận tải, chỉ 10÷30% là do công
nghiệp và sinh hoạt. Trong khí thải từ xe cơ giới thì khí thải xe mô tô, xe máy
chiếm phần chủ yếu.
I.1.2.Tình hình ô nhiễm không khí.
Theo số liệu thống kê của Bộ Tài nguyên & Môi trường, khí thải từ các
loại xe cơ giới là nguồn gây ô nhiễm không khí lớn và nguy hại nhất.
Hầu h
ết tất cả các chất khí độc thải ra môi trường như: Chì, oxyt Lưu
huỳnh, các loại bụi lơ lửng, bụi hạt đều do quá trình đốt cháy nhiên liệu của
các phương tiện giao thông. Thời gian gần đây, ở một số địa phương, đặc biệt
là Hà Nội và TP.HCM đã bắt đầu xuất hiện nhiều đám mây mù, sương do
nồng độ chất khí thải quá lớn tích tụ.
Tình hình ô nhiễm không khí càng tr
ở nên khó kiểm soát hơn khi số lượng
xe cơ giới đang tăng nhanh với tốc độ chóng mặt. Tính đến cuối năm 2004, số
lượng ô tô qua các trung tâm đăng kiểm trên toàn quốc đã lên tới hơn 523
nghìn chiếc, còn số xe máy đang lưu hành đã vượt quá con số 13 triệu.
Thống kê năm 2006 của Tổ chức Y tế thế giới cho biết, đã có khoảng
777.000 người (châu Á là 531.000 người) chết do ô nhiễm không khí. Phát
thả
i xe gắn máy là một trong những nguyên gây nên tình trạng này.
Một thực trạng đáng buồn nữa, trong suốt thời gian qua việc kiểm tra nồng
độ khí thải đối với xe ô tô và mô tô đang lưu hành gần như còn bỏ ngỏ.
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
7
Hầu hết xe cơ giới hiện nay đều là các phương tiện giao thông cá nhân và
phân bố rộng khắp các vùng miền, nên việc triển khai công tác kiểm tra và
siết chặt giới hạn khí thải gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém.
Thêm vào đó, giới hạn khí thải áp dụng cho các loại xe đã qua sử dụng ở

nước ta so với các nước trong khu vực vẫn còn quá thấp.
Một số nước như Thái Lan, Malaisia, Singapore, Trung Quốc, đã áp
d
ụng những tiêu chuẩn Châu Âu 1, 2 thậm chí 3 đối với khí thải xe cơ giới
đường bộ từ nhiều năm nay thì ở nước ta vẫn chỉ dừng lại ở việc áp dụng
TCVN từ năm 1998 (tiêu chuẩn Việt Nam) với hàng rào kỹ thuật còn ở mức
rất thấp.
Đặc biệt với những nhóm người có tiền sử về hen sẽ rất nhạy cảm với môi
trường và dễ
có nguy cơ mắc các bệnh nguy hiểm khác do không khí ô nhiễm.
• Áp dụng tiêu chuẩn châu Âu – Một yêu cầu bức thiết.
Kinh nghiệm của các nước trên thế giới cho thấy, khi áp dụng siết chặt
thêm một mức tiêu chuẩn sẽ cắt giảm được mức phát thải 30% lượng khí CO,
55% HC và NOx từ khí thải của các xe cơ giới.
Riêng ở nước ta, năm 2001 việc loại bỏ hoàn toàn xăng pha chì là sự kiện
đánh dấu mộ
t bước quan trọng trong việc cắt giảm mức phát thải ô nhiễm của
các phương tiện tham gia giao thông. Việc áp dụng các tiêu chuẩn châu Âu và
siết chặt quản lý và cắt giảm khí thải đối với xe cơ giới là hết sức bức thiết.
Theo đánh giá của các chuyên gia môi trường trên thế giới, thời điểm này
Việt Nam đưa vào áp dụng tiêu chuẩn châu Âu là rất thích hợp, so với các
nước khác đã áp dụng trước đ
ó.
Việt Nam có rất nhiều lợi thế, nguồn nhiên liệu trong nước vẫn chủ yếu
nhập khẩu từ các nước đang áp dụng tiêu chuẩn châu Âu. Nhà máy lọc dầu
Dung Quất đang trong quá trình xây dựng đi vào hoạt động nên có thể áp
dụng ngay những công nghệ mới, hiện đại nhất.
Thêm vào đó, ngành công nghiệp ô tô vẫn đang ở giai đoạn đầu với công
nghệ và linh kiện chủ yếu nh
ập khẩu từ nước ngoài nên có thể áp dụng được

nhiều kinh nghiệm của các nước đi trước.
Nhận xét: Từ các đánh giá trên, có thể thấy tình hình ô nhiễm không khí là
rất nghiêm trọng. Trong đó, ô nhiễm không khí từ khí thải các động cơ xăng
là một nguồn khá lớn. Các thành phần CO, NO
x
và hydrocacbon chiếm tỉ lệ
lớn trong khí thải động cơ xăng và có nhiều tác hại nên rất cần phải xử lý để
đạt được giới hạn cho phép theo quy định.[1,19]

Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
8
I.2.Phương pháp xử lý ô nhiễm không khí.
Có nhiều biện pháp xử lý khác nhau đối với các thành phần gây ô nhiễm
khác nhau. Ở đây, chúng tôi chỉ đề cập đến các biện pháp xử lý ba thành phần
ô nhiễm chính trong khí thải động cơ xăng:CO, NO
x
, hydrocacbon.
I.2.1. Xử lý NO
x
.
Có hai phương pháp để loại bỏ các oxyt nitơ:
a. Phương pháp 1: oxy hóa NO thành nitrat hoặc nitrit nhưng trường hợp
này cần phải xử lý các sản phẩm tạo ra.
b. Phương pháp 2: Khử NO
x
thành N
2
. Đây là cách thường được chọn. Tác
nhân khử là NH

3
, nhiệt độ xử lý từ 900
0
C ÷1000
0
C, không cần xúc tác. Nhưng
tác nhân này cần một tỷ lệ NH
3
/NO
x
cao mà độ chuyển hóa không cao.
Các chất khử CH
4
, CO, H
2
được xem là có hiệu quả hơn.
Cơ chế của phản ứng khử khi có mặt oxy là:
NO + 2 NH
3
+ O
2
→→ N
2
+ 3H
2
O(1)
NO + NO
2
+ 8/3 NH
3

+ 1/2 → 7/3 N
2
+ 4H
2
O (2)
trong đó, vận tốc phản ứng (2) > vận tốc phản ứng (1)
Xúc tác cho phản ứng này thường là V
2
O
5
trên các chất mang TiO
2
, Fe
2
O
3

và Al
2
O
3
.
Còn nếu tác nhân khử là CO, CH
4
hoặc hydrocacbon thì các chất xúc tác là
zeolit được trao đổi với các ion kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại trên chất
mang.
Để loại bỏ oxyt nitơ của động cơ diezen và động cơ xăng hoạt động với hỗn
hợp nhiên liệu nghèo, xúc tác cần có hoạt tính, độ chọn lọc (N
2

, N
2
O, NO
2
)
chọn lọc theo chất khử, bền nhiệt, thời gian hoạt động dài. Các phản ứng xử
lý là:
- Phân huỷ bằng xúc tác: phương pháp này không cần chất khử, xảy ra ở nhiệt
độ nhỏ hơn 700
0
C. Nhưng muốn tăng tốc độ quá trình thì cần dùng các xúc tác
như kim loại quý, zeolit.
- Khử chọn lọc: bằng các hợp chất nitơ, NH
3
, hoặc urê,, hydrocacbon chứa
oxy và hydrocacbon không chứa oxy, muội hoặc chất mang C.
- Bẫy tạm thời NO
x
: Người ta tích trữ NO
2
, trong môi trường nghèo nhiên liệu
bằng cách chuyển NO thành NO
2
khi có mặt O
2
trên các oxyt kim loại kiềm
cho đến mức bão hòa. Thực tế vấn đề là sự hấp phụ, NO
x
được tích tụ dưới
Đồ án tốt nghiệp

Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
9
dạng nitrat. Sau đó, người ta thực hiện một phép loại bỏ bằng cách nâng cao
nhiệt độ để phân huỷ hoặc khử bằng hydrocacbon đưa thêm vào. Việc này cần
thực hiện rất nhanh để lượng tiêu hao của CO hoặc của hydrocacbon không
tăng mạnh. Độ chọn lọc theo nitơ thay đổi theo hệ sử dụng. Các xúc tác được
nghiên cứu nhiều nhất là Pt/Al
2
O
3
được biến tính với kim loại kiềm, kiềm thổ
(Ba) hoặc các oxyt đất hiếm, các oxyt BaO, CuO, YSrCuO, MoZrO
2
…
I.2.2. Xử lý hydrocacbon.
Có ba cách xử lý chính
a.Phương pháp 1: Khi nồng độ hydrocacbon cao sử dụng biện pháp thu hồi
dựa vào các quá trình vật lý như ngưng tụ, hấp thụ, tách bằng màng….
b.Phương pháp 2: Dựa trên sự oxy hóa và các quá trình hoá học. Quá trình
đốt cháy COV thường sử dụng những xúc tác trên cơ sở Pd, Pt, hoặc Rh hay
các xúc tác oxyt crôm, sắt, molipđen, vônfram, đồng, niken… Chất mang
thường dùng là oxyt nhôm.
c.Phương pháp 3: Xử lý bằng sinh học. Các COV được sử dụng như các cơ
chất cho vi sinh vật. Vi sinh vậ
t tiêu thụ COV như một nguồn cacbon để tạo
ra sinh khối cũng như năng lượng:
Cơ chất + Sinh khối + O
2
→Sinh khối
Hoặc →Sản phẩm oxy hóa, H

2
O, CO
2
.
I.2.3. Xử lý CO.
a.Phương pháp 1: Oxy hóa CO bằng oxy:
CO + 1/2 O
2
→CO
2

Xúc tác cho phản ứng là kim loại quý.
b.Phương pháp 2: Chuyển hóa khí than ướt
CO + H
2
O → CO
2
+ H
2

Phản ứng này được xúc tác chủ yếu bởi Pt, trợ xúc tác oxyt xeri.
c.Phương pháp 3: Khử oxyt nitơ:
NO + CO → CO
2
+ 1/2 N
2

Xúc tác hoạt động nhất cho phản ứng là Rd.
1.2.4. Xử lý đồng thời cả ba thành phần ô nhiễm.
Đồ án tốt nghiệp

Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
10
a.Phương pháp 1: Có thể xử lý đồng thời ba khí NO
x
, CO và hydrocacbon
dễ bay hơi bằng cách thiết kế hai hộp xúc tác oxy hóa và khử kế tiếp nhau.
Các phản ứng hóa học chính trong quá trình xử lý là:
Phản ứng khử:
NO →1/2N
2
+ 1/2O
2

Các phản ứng oxy hóa:
CO + 1/2O
2
→CO
2

C
x
H
y
+ (x+y/4)O
2
→xCO
2
+ y/2 H
2
O

Hơi nước sinh ra phản ứng với CO tạo thành CO
2
, H
2
và kéo theo một
phản ứng khác như:
CO + H
2
O → CO
2
+ H
2

NO + 5/2 H
2
→ NH
3
+ H
2
O
NH
3
+ 5/4 O
2
→ NO + 3/2 H
2
O
Theo phương pháp này, hộp khử chỉ hoạt động tốt trong môi trường dư
nhiên liệu. Ngoài ra, trong môi trường khử hình thành NH
3

, chất này khi
chuyển qua hộp oxy hóa sẽ bị oxy hóa thành NO, nghĩa là tái tạo lại chất ô
nhiễm.[1]
b.Phương pháp 2: Phương pháp này ưu việt hơn phương pháp 1 và hiện
nay được sử dụng phổ biến trên thế giới. Phương pháp sử dụng xúc tác ba
nhiệm vụ (three ways catalyst), nghĩa là xúc tác vừa có khả năng oxy hóa CO
và hydrocacbon vừa có khả năng khử NO
x
. Phản ứng tổng cộng là:
NO + CO + COV →N
2
+ CO
2
+ H
2
O.
Xúc tác phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Chuyển hóa tốt NO
x
với tác nhân khử chính là CO và hydrocacbon chưa
cháy hết trong khí thải. CO và hydrocacbon dư phải bị oxy hóa hoàn toàn
thành CO
2
và H
2
O. Hoạt tính xúc tác cao để đạt độ chuyển hóa mong muốn
khi vận tốc thể tích của khí thải cao (150.000h
-1
)
- Có thể làm việc ở nhiệt độ thấp cần thiết vì trong một vài giây khởi động,

nhiệt độ của lớp xúc tác chưa cao mà khí thải lại nhiều. Xúc tác phải làm việc
bình thường ở 300
0
C÷470
0
C (phụ thuộc vào vị trí của lớp xúc tác), có thể chịu
được nhiệt độ 1000
0
C trong một thời gian ngắn khi động cơ hoạt động không
bình thường.
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
11
- Hoạt động ổn định trong khoảng thời gian xe chạy là 50.000 dặm hoặc
khoảng 5năm. Xúc tác phải làm việc tốt trong mọi điều kiện vì tỉ số không
khí/nhiên liệu thay đổi liên tục nên thành phần khí thải cũng thay đổi liên tục
và do đó nhệit độ xúc tác không bao giờ ổn định. Xúc tác phải không đòi hỏi
chế độ quan tâm, bảo dưỡng đặc biệt hoặc hoàn nguyên xúc tác.[23]
II.XÚC TÁC 3 CHỨC NĂNG XỬ LÝ KHÍ THẢ
I ĐỘNG CƠ.
Đa số các xe hiện đại được trang bị bộ lọc 3 chức năng (three way
catalyst). Chúng tập trung vào việc làm giảm lượng phân tử carbon monoxide,
VOC và NOx có trong khí thải. Bộ trung hòa khí sử dụng hai lớp xúc tác, một
làm giảm khí thải và một oxy hóa chúng. Cả hai bao gồm cấu trúc ceramic
được tráng phủ một lớp kim loại, thường là platinum, rhodium, hoặc
palladium. Người ta cố gắng tạo ra bề mặt tiếp xúc lớn nhất giữa lớp ceramic
v
ới dòng khí thải chạy ngang, trong khi giảm xuống tối thiểu lượng chất xúc
tác cần dùng vì giá thành rất đắt.
Cấu tạo của hệ thống xúc tác 3 chức năng:

3
3
4
5
3
2
1

1.vỏ , 2.lớp đệm, 3.lõi, 4.lớp chất mang, 5.lớp xúc tác
Hình1 : Cấu tạo bộ xử lý 3 chức năng.
Hệ thống xúc tác bao gồm khối chất nền,lớp chất mang và lớp kim loại
hoạt tính. Ngày nay khối chất nền được chế tạo bằng gốm hay kim loại liền
một khối, gọi là monolithe, được dùng rộng rãi nhất. Khối chất nền monolithe
là những ống trụ tiết diệ
n tròn, bầu dục, bên trong được chia nhỏ bởi những
vách ngăn song song với trục. Mặt cắt ngang của khối chất nền vì vậy có dạng
tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông. Đối với động cơ có công suất khoảng
100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các pha hoạt động khoảng 130cm
2
và
thể tích tổng cộng của monolithe khoảng 2÷3 lít (0,02÷0,03 dm
3
/KW).
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
12
Một bộ trung hòa khí thải 3 chức năng gồm những thành phần như sau:
Lớp xúc tác khử (the Reduction Catalyst): lớp lọc đầu tiên của bộ trung hòa
khí thải. Nó sử dụng platinum và rhodium để làm giảm khí NOx. Khi một
phân tử NO hay NO

2
tiếp xúc với lớp xúc tác, nguyên tử nitrogen sẽ bị tách ra
khỏi phân tử, bám lại trên bề mặt lớp xúc tác. Các nguyên tử nitrogen kết hợp
với nhau, tạo ra N
2
:
2NO → N
2
+ O
2
hoặc 2NO
2
→ N
2
+ 2O
2

Lớp xúc tác oxy hóa (the Oxidization Catalyst): đây là lớp lọc thứ hai. Nó
làm giảm lượng hydrocarbon và carbon monoxide bằng cách đốt cháy (oxy
hóa) chúng nhờ platinum và palladium. Lớp này giúp CO và hydrocarbon
phản ứng với lượng oxy còn lại trong khí thải ra:
2CO + O
2
→ 2CO
2

Đóng vai trò quan trọng trong việc biến khí độc hại thành các chất khí
không ảnh hưởng đến môi trường là oxy. Lượng oxy này được điều chỉnh khi
đưa vào để đốt cháy cùng nhiên liệu. Lớp thứ ba chính là hệ thống kiểm soát
dòng khí thải và sử dụng thông tin này để điều chỉnh hệ thống phun nhiên

liệu. Một cảm biến không khí gắn giữa bộ trung hòa khí và động cơ (gần động
cơ hơn). Cả
m biến này giúp xác định lượng oxy còn lại trong khí thải ra để
giúp điều chỉnh lượng xúc tác đưa vào.
Vật liệu gốm làm monolithe dùng phổ biến là cordierite:
2MgO.2Al2O3.5SiO2. Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao
(1400
0
C) do đó nó có thể chịu đựng được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác
(đôi lúc lên đến 1100
0
C).
Khối chất nền monolithe kim loại ngày nay có nhiều ưu thế hơn. Nó được
chế tạo bằng thép lá không rỉ có bề dày rất bé. Ưu điểm của kim loại là dẫn
nhiệt tốt cho phép giảm được thời gian khởi động hệ thống xúc tác.
Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những
kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệ
u mang (wash-coat). Vật liệu
mang rất cần thiết vì khối chất nền (kim loại hay gốm) có diện tích bề mặt
riêng thấp. Vật liệu mang chủ yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng
20÷50 micron được tráng trên bề mặt của rãnh của khối chất nền. Sự hiện
diện của nó cho phép làm tăng bề mặt riêng của khối chất nền do đó thuận lợi
cho hoạt tính xúc tác của kim loạ
i quý. Ngoài nhôm ra, vật liệu mang còn
chứa những thành phần ổn định cũng như những kim loại hoạt động cho hoạt
tính xúc tác.
Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu
mang: Platine, Palladium, Rhodium. Đây là những pha hoạt tính của phản ứng
xúc tác.[23,24]

Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
13
III. CHẤT NỀN CORDIERITE.
III.1.Giới thiệu về Cordierite.
Cordierite là loại vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al
2
O
3
-SiO
2
. Thành phần
hóa học của Cordierite là 2 MgO.2Al
2
O
3
.5SiO
2
. Cordierite chứa 13,7℅ MgO;
34,9℅ Al
2
O
3
và 54,1℅ SiO
2
.Với thành phần này, Cordierite thuộc nhóm gốm
có thành phần mullite (3Al
2
O

3
.2SiO
2
) cao.
Cordierite là một loại tinh thể có trong tự nhiên được nhà khoáng vật
người Pháp Pierre Louis A. Cordier (1777-1861) phát hiện. Cordierite kết tinh
ở dạng lục phương và có cấu trúc là các vòng Silicat 6 cạnh. Tinh thể
Cordierite có nhiều đặc tính quý như có hệ số giãn nở nhiệt thấp, tổn thất điện
môi nhỏ. Gốm Cordierite là một loại gốm mà tinh thể chính là Cordierite,
gốm Cordierite có độ bền nhiệt cao, dễ tạo xốp nên được ứng dụng rất nhiều
trong các ngành công nghệ
mà có sự biến đổi rất nhanh về nhiệt độ như làm
bộ lọc trong các động cơ, làm chất mang xúc tác, làm vật liệu lót trong công
nghệ Hàn hồ quang (Mig-Mag). Tuy nhiên, gốm Cordierite là một loại gốm
rất khó nung do có khoảng nung rất hẹp (từ 20
0
C÷30
0
C). Cho đến nay sau gần
200 năm trôi qua đã có nhiều công trình nghiên cứu phát triển nhằm hạ thấp
nhiệt độ nung và kéo dài khoảng nung của loại vật liệu này. . Ngoài nhu cầu
trong công nghệ hàn trong đóng tàu, công nghiệp hàn nói chung cũng có nhu
cầu rất lớn về loại vật liệu này. Ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều công trình
nghiên cứu để tổng hợp Cordierite nhưng ứng dụng chưa nhiều. Việc phát
triển công nghệ s
ản xuất Cordierite nói chung và Cordierite làm chất nền cho
xúc tác xử lý khí thải là rất cần thiết.
Cordierite là loại vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO-Al
2
O

3
-SiO
2
. Thành phần
hóa học của Cordierite là 2 MgO.2Al
2
O
3
.5SiO
2
. Cordierite chứa 13,7℅ MgO;
34,9℅ Al
2
O
3
và 54,1℅ SiO
2
.Với thành phần này, Cordierite thuộc nhóm gốm
có thành phần mullite (3Al
2
O
3
.2SiO
2
) cao.[21]
III.2.Một số phương pháp đã được nghiên cứu.
Rất nhiều các nghiên cứu khoa học đã tổng hợp thành công vật liệu gốm
Cordierite đi từ nguyên liệu tự nhiên.
• Tổng hợp dùng nguồn nguyên liệu đi từ cao lanh A lưới bằng phương
pháp đồng kết tủa.

• Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hỗ trợ của
phương pháp c
ơ hóa.
• Tổng hợp Cordierite từ các nguyên liệu tự nhiên là cao lanh, talc, và
bột nhôm hydroxyt thương mại.
• Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp phân tán rắn –lỏng trên nền
khoáng alumosilicat tự nhiên.
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
14
• Tổng hợp Cordierite bằng phương pháp sol –gel đi từ Na
2
SiO
3
và muối
có chứa Magiê và Nhôm.[21,22,25]
III.3.Ứng dụng làm chất nền.
Cordierite là loại vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất nền cho
xúc tác 3 nhiệm vụ. Sở dĩ như vậy vì vật liệu này đạt được những tính chất cơ
bản của chất nền là:
• Có độ bền nhiệt và bền cơ cao nên độ bền chung cao và không bị vỡ.
• Khả nă
ng chịu được những chấn động nhiệt rất tốt do có độ xốp nhỏ, hệ
số dãn nở nhiệt nhỏ.
• Chịu được tốc độ nhanh của dòng khí ra.
• Độ sụt áp thấp.
Chất nền bằng gốm Cordierite thường được chế tạo dưới dạng khối liền
hình trụ có nhiều lỗ nhỏ đi qua. Khi cần có thể ghép 2 khối lại với nhau, cách
nhau 1 vòng đệm bằng titanat nhôm. Những đặc trưng cơ bản của khối liền
Cordierite là :

Số lỗ trên 1 cm
2
: 46 hoặc 62
Bề dày của thành 1 lỗ, mm : 1,11; 1,15; 1,30
Độ xốp ,℅ : 30
Bề mặt hình học, m/l : 2,19 hoặc 2,79
Khối lượng riêng của vật liệu, g/cm
3
: 1,68
Khối lượng riêng biểu kiến, g/cm
3
: 0,58 hoặc 0,41
Nhiệt dung riêng C
p
,cal/g
0
C: 0,086
Hệ số dãn nở nhiệt, 10
-6
/
0
C: 0,7
Giới hạn nhiệt độ sử dụng,
o
C: 1100
Kích thước lỗ to, Å : 7000 ÷ 10000
Kích thước vi lỗ, Å : 70 ÷ 90
Bề mặt riêng BET,m
2
/g : <1

Ngoài Cordierite, người ta còn dùng chất nền là chính oxyt nhôm chế tạo
dưới dạng các viên cầu kích thước cỡ 3mm,hoặc các lá kim loại uốn hình
lượn sóng hay các phoi kim loại ở dạng lưới. Dùng phoi kim loại có một số
tính năng tốt hơn Cordierite như dễ gia công lỗ và số lỗ lớn hơn, chịu dãn nở
nhiệt tốt hơn, khó gãy vỡ hơn, làm tăng tuổi thọ của xúc tác…Nhưng ưu điểm
củ
a chất nền cordierite là độ dãn nở nhiệt thấp (nhỏ nhất trong các loại vật
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
15
liệu chịu lửa) làm cho nhiệt của khí thải được giữ ở lớp xúc tác nên chất nền
này đạt đến nhiệt độ hoạt động nhanh hơn. Khối chất nền từ Cordierite cũng
có thể chịu được những chấn động nhiệt. Bề măt xù xì hơn kim loại nên khả
năng bám dính của xúc tác lớn hơn.[30]
IV.GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG γ- Al
2
O
3
.
IV.1Giới thiệu về γ- Al
2
O
3
.
IV.1.1 Cấu trúc của γ- Al
2
O
3
.
Cấu trúc của tinh thể của γ- Al

2
O
3
.
Cấu trúc của nhôm oxyt 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
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 2).

Hình 2. 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 3).
1
1
1
1 1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
16

Hình3. Sự phân bố của Al
3+
trong mạng không gian.
Lớp oxy thứ hai của oxyt 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
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 4).


Hình 4. 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.
1
1
1
1 1
1
1
1

1
1
O
2-
Al
3+

Al
3
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
17

Hình 5. Hai lớp đầu tiên của tinh thể
γ
- Al
2
O
3

Trong nhôm oxyt, 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.
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
0
C ÷ 600
0
C, hay
trong quá trình phân huỷ muối nhôm từ 900
0
C ÷ 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.

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 ). Mỗi cấu trúc cơ
sở chứa 32 ion oxy và 64/3 ion nhôm để phù hợp hóa trị. Ion nhôm bị khuyết
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
18
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

Hình6 . Cấu trúc tinh thể gamma nhôm oxyt
a. Lớp nhôm bát diện
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 Å.
IV.1.2.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 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 oxyt kim loại
kiềm, oxyt 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

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 hydro 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 độ thấp trên bề mặt γ-Al
2
O
3

Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
19
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 hydroxyl bề mặt.
Ở nhiệt độ cao, ion OH
-
dần tách khỏi oxyt ở dạng H

2
O, nhưng ngay cả ở
nhiệt độ 800
0
C ÷ 1000
0
C và áp suất chân không trong nhôm oxyt vẫn chứa
một lượng nước nhất định.
Ion OH
-
thể hiện tính chất tâm axit Bronsted. Trong quá trình dehydrat
hóa, hai nhóm OH
-
hợp lại tạo thành một phân tử nước, ion oxy ở lại trên bề
mặt tạo nên cầu oxy. 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 oxyt 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 oxyt.[8,31]
IV.2.Ứng dụng của gamma oxyt nhôm.
Dạng gamma oxyt 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 di
ện tích tiếp xúc của pha hoạt động 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.
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.
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.
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.[17,18]
V.NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP CHẤT NỀN CORDIERITE.
V.1.Giới thiệu về Nhôm oxyt và nguyên liệu để tổng hợp.
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
20
V.1.1.Nhôm oxyt.
Nhôm oxyt là một hợp chất lưỡng tính có công thức Al
2
O
3
. Nhôm oxyt
thường có mặt trong các khoáng vật côrunđum, saphia, ruby hoặc alôxyt, oxyt

nhôm, xêramic và các loại vật liệu khác.
Dạng cấu trúc tinh thể phổ biến nhất của nhôm oxyt trong tự nhiên là α-
nhôm oxyt (trong hợp chất côrunđum), các dạng khác của nhôm oxyt như η,
χ, γ, δ và θ nhôm oxyt. Mỗi dạng nhôm oxyt có một kiểu cấu trúc tinh thể và
đặc tính riêng.
a.Tính chất vật lý của oxyt nhôm được liệt kê trong bảng:
Tên thường gọi : Alumina
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
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
21
Điểm bắt cháy Không bắt cháy
Bảng1: Tính chất vật lý của oxyt nhôm.
b. Tính chất hóa học :

Tính lưỡng tính
- Tác dụng với axit.
Al
2
O
3
+ 6HCl → 2AlCl
3
+ 3H
2
O
Al
2
O
3
+ 6H
+
→ 2Al
3+
+ 3H2O
- Tác dụng với kiềm.
Al
2
O
3
+ 2 NaOH + 3H
2
O → 2Na[Al(OH)
4
]

Al
2
O
3
+ 2 OH
-
+ 3H
2
O → 2Al(OH)
4
]
-

Ở nhiệt độ thường Al
2
O
3
rất trơ về mặt hóa học,nó không tan trong nước
nhưng ở nhiệt độ khoảng 1000
0
C, nó tương tác mạnh với cacbonat,
hydrosunfat và đisunfa kim loại kiềm ở trạng thái nóng chảy.
Ví dụ : Al
2
O
3
+ Na
2
CO
3

→ 2NaAlO
2
+ CO
2

Al
2
O
3
+ 3K
2
S
2
O
7
→ Al
2
(SO
4
)
3
+ 3K
2
SO
4

Ở nhiệt độ cao Al
2
O
3

tương tác với oxyt của một số kim loại tạo nên những
sản phẩm có tính chất của đá quý, như alexanđrit Al
2
O
3
.BeO và spinen MgO
c.Điều chế.
Trong công nghiệp, nhôm oxyt được điều chế bằng cách nung Al(OH)
3
ở
nhiệt độ 1200
0
C ÷ 1400
0
C:
2Al(OH)
3
→ Al
2
O
3
+ 3H
2
O
Kết tủa Al(OH)
3
được điều chế chủ yếu đi từ quặng Boxit ( Al
2
O
3

.xH
2
O)
chứa nhiều tạp chất và phải qua tinh chế.
d.Ứng dụng chung của nhôm oxyt.
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 oxyt 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 oxyt còn được s
ử
dụng trong sản xuất zeolite, làm chất phủ bề mặt và vật liệu chống cháy.
Nhôm oxyt 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.
Trong các ứng dụng y học và sức khỏe, alumina được sử dụng để chế tạo
các chi tiết thay thế xương hông. Alumina và các hợp chất hóa học của
alumina được sử dụng để lọc nước, mộ
t vài hợp chất như: nhôm sunfat
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
22
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. Alumina cũng có
mặt trong thành phần chế tạo kem đánh răng.
Trong công nghệ hóa học, nhôm oxyt 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…Do mỗi loại nhôm oxyt có những đặc tính
lý, hóa và cấu trúc tinh thể khác nhau, nên phạ
m vi ứng dụng của chúng cũng
rất khác nhau, ví dụ: khi sử dụng nhôm oxyt làm chất mang, tùy thuộc vào
mục đích sử dụng mà người ta chọn các cấu trúc nhôm oxyt khác nhau:[6,7,8]

Các ứng dụng Vai trò của Al
2
O
3
Ví dụ sản xuất
Ankyl hoá Xúc tác Phenol
Dehyđrô hoá Xúc tác Axit foocmic
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
Reforming 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
Etylenoxyt
Oxi hoá từng phần Chất mang Etylenoxyt

Bảng2: Một số ứng dụng của oxyt nhôm.

Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
23
V.1.2.Nhôm nitrat.
Công thức cấu tạo :

Tên gọi theo IUPAC: Aluminum nitrate
Công thức phân tử: Al(NO
3
)
3

Khối lượng mol: 213,00 g/mol
Là muối của Nhôm và acid Nitric. Bình thường nó tồn tại ở dạng tinh thể
hydrat Al (NO
3
)
3
9H
2
O ,tồn tại ở dạng chất rắn màu trắng.
Trọng lượng phân tử: 375,117 g/mol
Khối lượng riêng: 1,72 g/cm
3

Nhiệt độ nóng chảy: 73
0
C
Nhiệt độ sôi: 135
0
C
Độ hòa tan trong nước :
Ở 0
0
C : 60,0 g/100 ml

Ở 25
0
C: 64 g/ 100 ml
Độ hòa tan trong methanol: 14,45 g/ 100 ml
Độ hòa tan trong etylen glycol: 118,32 g/100 ml
Nhôm Nitrat là chất oxy hóa rất mạnh. Nó được sử dụng nhiều trong lĩnh
vực thuộc da, tinh lọc xăng dầu, và khai thác uranium.
Các nonanitrat và các hydrat nhôm nitrat có nhiều ứng dụng.Muối này
được sử dụng để sản xuất oxyt nhôm,làm giấy cách nhiệt ,ngoài ra nó còn
được sử dụng cho việc khai thác các nguyên tố họ Actini.
Nó được ứng dụng nhiều trong phòng thí nghiệm như trong phản ứng:
Al(NO
3
)
3
+ 3NaOH → Al (OH)
3
↓ + 3NaNO
3
Al(OH)
3
+ NaOH → NaAlO
2
+ 2H
2
O
Cho Al và Al
2
O
3

tác dụng với acid HNO
3
tạo muối Al(NO
3
)
3
.
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
24
Al + HNO
3
→ Al(NO
3
)
3
+ NO
2
+ H
2
O
Al
2
O
3
+ HNO
3
→ Al(NO
3
)

3
+ H
2
O. [9]
V.2.Giới thiệu về Magiê oxyt và nguyên liệu để tổng hợp.
V.2.1.Magiê oxyt.
MgO hiếm khi tồn tại như là một khoáng thiên nhiên, nó được tìm thấy
trong đá vôi,dolomit,trong dung nham núi lửa và trong đá xecpentin.Nó
không tạo thành đá hay muối kết tủa do nó bị chuyển hóa thành magiê
hydroxyt bởi hơi nước trong không khí.Trong công nghiệp MgO được sản
xuất chủ yếu từ magiêzit (MgCO
3
),nước muối.Magiê hydroxyt được tạo thành
như là một sản phẩm trung gian trong quá trình điều chế MgO từ nước
muối.MgO được sử dụng trong kĩ thuật do nó có nhiệt độ nóng chảy cao (do
có năng lượng mạng lưới lớn ,có thể bay hơi mà không bị phân hủy), bền hóa,
tính dẫn nhiệt tốt, tính dẫn điện kém, và có hoạt tính sinh học.
a.Tính chất vật lý .
Nhiệt độ nóng chảy: 3073 K (2800
0
C)
Nhiệt độ sôi: 3873 K (3600
0
C)
Chỉ số khúc xạ tại 589 nm: 1736
Khối lượng riêng: 3,58 g/cm
3

Độ tan: 0,00062 g trong 100g nước
Nhiệt hóa học :

∆fH
o

rắn
: -601 kj/mol
S
o
rắn
: 32,51 J/mol.K
Nhiệt dung riêng (Cp):
20 ÷ 200
0
C : 1,0 kj/kg.K
200 ÷ 1000
0
C: 1,2kj/kg.K
Nhiệt hydrat hóa của oxit MgO: -81,24 kj/mol
Năng lượng mạng lưới: 3925 kj/mol
Bán kính ion Mg
2+
: 0.74 Å
MgO kết tinh theo mạng lập phương (giống tinh thể NaCl)
b.Tính chất hóa học .
Đồ án tốt nghiệp
Sv: Lê Quang Linh – Lớp Hóa dầu K49-QN
25
MgO công nghiệp chủ yếu được nung để tạo MgO xốp ,chất được sử dụng
làm vật liệu chịu lửa và trong công nghiệp thép, MgO tan ít và tan rất chậm
trong nước:
MgO + H

2
O → Mg(OH)2
MgO ở áp suất khí quyển bền trong môi trường oxy hóa tới 2300
0
C và
trong môi trường khử tới 1700
0
C.
MgO có khả năng hút ẩm và CO
2
của không khí.
Khi nung nóng thật mạnh MgO thăng hoa sau đó lắng xuống ở dạng tinh
thể khó tan trong axit.
Phản ứng điều chế MgCl
2
(MgCl
2
được dùng để điện phân điều chế Mg
trong kỹ thuật):
MgO + CO + Cl
2
→ MgCl
2
+ CO
2
↑
Phản ứng với CaC
2
:
MgO + CaC

2
→ Mg + CaO + 2C
Hỗn hợp MgO + CaO với silic dạng fero-silic nung nóng dưới áp suất
thường và ở nhiệt độ 1200
0
C ÷ 1300
0
C xảy ra theo phương trình:
2MgO + 2CaO + Si → Ca
2
SiO
4
+ 2Mg
Phản ứng với axit:
MgO + 2H
+
→ Mg
2+
+ H
2
O
c.Điều chế MgO.
MgO được điều chế bằng cách đốt Mg trong không khí, hoặc nung
hydroxyt, cacbonat, sunfat, và một số muối chứa oxi khác của Mg.
2Mg(NO
3
)
2
→ MgO + 4NO
2

+ O
2
↑
Trong công nghiệp người ta điều chế MgO bằng cách manhezit thiên nhiên
(MgCO
3
):
MgCO
3
→ MgO + CO
2
↑
Hoặc chế hóa từ nước biển bằng cách cho nước biển tác dụng với vôi sữa
để chuyển ion HCO
-
3
thành kết tủa CaCO
3
, sau khi lọc tách CaCO
3
, nước lại
được xử lý thêm bằng nước vôi với tỉ lệ thích hợp để kết tủa ion Mg
2+
ở dạng
Mg(OH)
2
:
Ca(HCO
2
)

3
+ Ca(OH)
2
→ CaCO
3
↓ + 2H
2
O