tiểu luận ứng dụng xúc tác nano vàng trong hóa dầu

Bài thu hoạch này sẽ được viết theo các mục sau:
1. Nguồn nhiên liệu từ có nguồn gốc không tái tạo (dầu mỏ, than, mỏ khí).
2. Vài nét về xúc tác.
3. Xúc tác nano vàng (hiện đang được quan tâm nhất là xúc tác nano vàng).
4. Xúc tác Zeolit.
5. Một số vấn đề xúc tác bản thân quan tâm.
1. Nguồn nhiên liệu từ có nguồn gốc không tái tạo (dầu mỏ, than, mỏ khí).
1.1. Dầu mỏ:
Page 1
Trong các nguồn nhiên liệu trên, có thể xem hiện nay dầu mỏ là nguồn nhiên liệu quan
trong nhất. Nên chúng ta xem xét đến dầu mỏ là chủ yếu.
“Dầu mỏ là ngành kinh doanh lớn nhất và toàn diện nhất thế giới, là ngành công
nghiệp vĩ đại nhất trong số các ngành công nghiệp vĩ đại từng xuất hiện trong mấy thập
kỷ cuối thế kỷ 19…”
Đôi nét về dầu mỏ: dầu mỏ là hỗn hợp paraffin kết hợp với aren – từ C1 đến C100
(không có olefin, olefin được tạo ra trong quá trình tổng hợp), thường có tỷ trọng từ 0,81
đến 0,86; trong mỏ dầu mỏ có nhiệt độ cao thường từ 140 đến 150
o
C.
Trong dầu có khí, lỏng, rắn nhưng hòa tan với nhau nên thường ở dạng lỏng sệt, tuy
nhiên nếu có nhiều n-parafin hoặc cacbon mạch dài thì ở dạng rắn.
Dầu khi được khai thác khoảng 25% thì dầu không tự phun lên được nữa, phải tác động
bằng nhiều cách để tăng trữ lượng khai thác, kỹ thuật càng tiến bộ thì khả năng khai thác
dầu càng nhiều (hiện nay có thể khai thác được khoảng 40% hoặc hơn trên trữ lượng của
dầu). Một số phương pháp tăng lượng dầu khai thác được tại một mỏ là:
+ Bơm nước (hoặc khí) (yêu cầu nước (khí) phải “sạch”- không có các hạt làm bít lỗ
xốp, không có hóa chất làm hư dầu, không có vi sinh vật có khả năng ăn dầu).
+ Thêm chất hoạt động bề mặt làm giảm độ nhớt của dầu.
Sự phân chia trữ lượng dầu trên thế giới:
Các định nghĩa về trữ lượng
Nói về trữ lượng dầu, có các khái niệm như sau:

• Trữ lượng tại chỗ (Stock Tank Original Oil in Place – STOOIP);
• Trữ lượng có thể (Possible Reserve): < 50%;
• Trữ lượng xác suất (Probable Reserve): 50 – 90%;
Page 2
• Trữ lượng xác minh (Proven Reserve): có thể khai thác được (100%): Bằng
STOOIP nhân với hệ số thu hồi (Recovery Factor).
Trữ lượng dầu mỏ trên thế giới:


Country
Reserve
(10
9
bbl)
Reserve
(10
9
m
3
)
Production
(10
6
bbl/d)
Production
(10
3
m
3
/d)

Life Time
*

(năm)
Venezuela 296.5 47.14 2.1 330 387
Saudi Arabia 265.4 42.20 8.9 1,410 81
Canada 175 27.8 2.7 430 178
Iran 151.2 24.04 4.1 650 101
Iraq 143.1 22.75 2.4 380 163
Kuwait 101.5 16.14 2.3 370 121
United Arab Emirates 136.7 21.73 2.4 380 156
Russia 74.2 11.80 9.7 1,540 21
Kazakhstan 49 7.8 1.5 240 55
Libya 47 7.5 1.7 270 76
Nigeria 37 5.9 2.5 400 41
Qatar 25.41 4.040 1.1 170 63
China 20.35 3.235 4.1 650 14
United States 19.4 3.08 5.5 870 10
Angola 13.5 2.15 1.9 300 19
Algeria 13.42 2.134 1.7 270 22
Brazil 13.2 2.10 2.1 330 17
Total
(*)
1,324 210.5 56.7 9,010 64

(*)
According to the BP Statistics 2012, the total world reserve already reached figure 1,652 bbl
or 234 bbl. m
3

Bảng 1. Sự phân bố trữ lượng và sản lượng khai thác dầu mỏ trên thế giới theo quốc gia (2010)
Như đã thấy ở trên (bảng 1), các dạng năng lượng hóa thạch đang chiếm vị trí áp đảo
trong cân bằng năng lượng toàn cầu. Trữ lượng xác minh của dầu mỏ hiện nay khoảng
1.300 tỉ thùng hoặc 210 tỉ m
3
, tương đương sản lượng 64 năm khai thác (hiện nay) [2].
Bảng 1 cho thấy sự phân bố trữ lượng và sản lượng khai thác của 17 nước đứng đầu các
quốc gia có tài nguyên dầu mỏ. Đối với Việt Nam thì dầu mỏ Việt Nam nhẹ nhưng có tỷ
trọng parafin cao nên dễ bị đóng rắn, khi vận chuyển phải luôn giữ dầu ở trạng thái lỏng,
đối với Việt Nam thì chi phí chuyển dầu từ mỏ Bạch Hổ (cách Vũng Tàu 100Km) đến
Vũng Tàu và đến Dung Quốc không khác nhau nhiều (do chi phí bốc xếp …).
Page 3
1.2. Than
Đối với than, theo đánh giá hiện nay , trữ lượng toàn cầu có khoảng 860 tỉ tấn, trong
đó trên 400 tỉ tấn là than anthracite và than mỡ, đủ cho thế giới dùng khoảng 180 năm.
Các nước có trữ lượng than lớn nhất là Hoa Kỳ 237 tỉ tấn, Nga 157 tỉ tấn, Trung Quốc 114
tỉ tấn, Australia 76 tỉ tấn, Ấn Độ 60 tỉ tấn…Việt Nam không có trữ lượng lớn, cũng như
không phải là nước khai thác nhiều than, nhưng lại là quốc gia xuất khẩu than đứng thứ 9
(trên cả Trung Quốc, thứ 10) với trên 24 triệu tấn (số liệu 2010).
1.3. Khí
Theo nhiều tài liệu, trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay được đánh giá là 300.000 tỉ m
3
,
cao hơn nhiều so với các đánh giá trước đây. Trong số các nước có trữ lượng hàng đầu thì
Nga chiếm vị trí số 1, Iran – thứ 2, Turkmenistan – thứ 3, Qatar – thứ 4, v.v…Việt Nam,
với trữ lượng 600 tỉ m
3
, được xếp thứ 30 trong số 103 nước có trữ lượng khí được đưa vào
danh sách xếp hạng.
1.4. Một số nguồn nhiên liệu khác

- Hydrat Metan: Trong những năm 1830, Faraday đã tìm ra Hydrart metan bằng các thí
nghiệm, đây là dạng metan tan trong nước ở điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp, với
điều kiện tồn tại này thì hydrat metan chỉ tồn tại ở những vùng biển sâu.
-
Page 4
Hình 1: Điều kiện áp suất và nhiệt độ tồn tại của hydrat metan trong nước biển

Hình 2: Cấu trúc của hydrat metan
Theo dự đoán thì loại nhiên liệu hydrat metan có trữ lượng vô cùng lớn, có thể nhiều
hơn gấp đôi so với trữ lượng của tất cả các nhiên liệu hóa thạch (dầu+ khí + than) cộng
lại. Với vùng biển sâu thì Nhật có trữ lượng lớn loại nhiên liệu này.
Tuy có trữ lượng rất lớn nhưng việc khai thác loại nhiên liệu này là một thách thức lớn
đối với công nghệ và tài chính cũng như môi trường.
- Dầu và khí nằm trong cát và đá: đây là loại nhiên liệu khó khai thác, chi phí cao tuy
nhiên dựa trên xu thế phát triển về khoa học và công nghệ thì việc khai thác loại nhiên
liệu này vẫn có thể khả thi.
Các nguồn năng lượng hóa thạch (đặc biệt là dầu mỏ) có giá thành rẻ, tuy nhiên trữ
lượng của chúng không phải là vô tận, hơn thế nữa vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng
nghiêm trọng . Hiện nay, các nguồn năng lượng tái tạo đang được chú ý phát triển và đạt
Page 5
đến trên 16 %, trong đó, nếu không tính đến thủy điện thì cũng đạt con số gần xấp xỉ 13
% tổng cân bằng năng lượng. Tuy nhiên, trong tổng tỷ phần 13 % đó, tỷ lệ các dạng năng
lượng tái tạo không phát thải hoặc phát thải thấp vẫn còn thấp.
Như vậy, mục đích giảm thiểu lượng phát thải là một vấn đề hóc búa đối với loài
người nói chung, các nhà khoa học nói riêng, đặc biệt là đối với các nhà hóa học trong đó
lĩnh vực xúc tác đóng vai trò cực kỳ quan trọng.
2. Vài nét về xúc tác.
Thuật ngữ “xúc tác” lần đầu tiên được Berzelius đưa ra để đặt tên cho hiện tượng làm
tăng tốc độ phản ứng hoá học dưới tác động của một chất không tham gia vào phản ứng
gọi là chất xúc tác (ta có thể xem những trường hợp làm giảm tốc độ phản ứng thì không

gọi là quá trình xúc tác). Một số người cho rằng lượng xúc tác ít thì tốc độ phản ứng xảy
ra chậm, lượng xúc tác nhiều thì tốc độ phản ứng nhanh, nhận thức trên là không chính
xác, vì tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào số lượng xúc tác mà phụ thuộc vào hoạt
tính của chất xúc tác đó, tức là một tâm xúc tác sẽ chuyển hóa được bao nhiêu tác chất
thành sản phẩm.
Khi nói đến xúc tác chúng ta cần biết một số khái niệm quan trọng về chất xúc tiến,
chất độc xúc tác.
- Chất xúc tiến: là chất có thể đóng vai trò xúc tác (khi làm tăng vận tốc phản ứng), có thể
làm giảm tốc độ phản ứng nhưng làm tăng độ bền của chất xúc tác (tăng khả năng chịu
nhiệt, tăng khả năng chống lại sự nhiễm độc của chất xúc tác qua đó tăng thời gian sử
dụng của chất xúc tác-thời gian sử dụng là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với xúc tác),
… nói chung tùy vào mục đích cụ thể mà người ta chọn chất xúc tiến phù hợp. Các oxit
của Ca, K hoặc một số lim loại, oxit kim loại … thường được dùng làm chất xúc tiến, chất
xúc tiến làm thay đổi sự bố trí của chất xúc tác.
Ví dụ:
Pt/Al
2
O
3
: hoạt tính rất tốt
Page 6
Pt-Sn/ Al
2
O
3
: hoạt tính yếu hơn, tuy nhiên, Sn là chất xúc tiến làm cho xúc tác kém đi
nhưng lại có tác dụng tốt về các mặt khác khi làm loãng Pt ra, tạo ta những tập hợp Pt
nhỏ.
Xét phản ứng:
Phản ứng Hydro phân và cracking trong trường hợp trên nhạy cảm với cấu trúc, dễ

dàng xảy ra đối với các tập hợp tập hợp Pt lớn, Sn làm giảm hoạt tính Pt nhưng đồng thời
giảm phản ứng hydro phân, cracking không mong muốn trong một số trường hợp nào đó.
Có xúc tiến tăng hoạt tính xúc tác như CeO
2
.
Có hàng triệu chất xúc tiến, nhà sản xuất hơn nhau ở việc chọn chất xúc tiến. Xúc tác
cracking thì hiện nay Zeolit là một trong những loại tốt nhất, tuy nhiên có thể thêm vào 5,
6 chất (chất xúc tiến).
- Chất độc: trong khoa học xúc tác, chất độc đóng một vai trò cực kỳ quan trọng, vì nó ảnh
hưởng tuổi thọ của chất xúc tác, chất độc có thể tự có trong chất phản ứng (như hơi nước,
hoặc S trong dầu thô …) hoặc được sinh ra trong quá trình phản ứng hoặc do môi trường,
thông thường độc với người thì độc với chất xúc tác.
Có thể phân loại chất độc thuận nghịch và chất độc bất thuận nghịch.
. Chất độc thuận nghịch: có thể đuổi đi được cũng như có thể khôi phục tương đối dễ
dàng hoạt tính xúc tác, ví dụ như những chất độc hấp phụ vật lý.
. Chất độc xúc tác bất thuận nghịch: do hấp phụ hóa học, không đuổi được cần xử lý bằng
hóa học nên xúc tác bị thay đổi một phần.
Ví dụ:
Pt
nano
Pt
vón cục
hoạt tính Pt giảm
C
2
H
2
+ H
2
C

2
H
4
(chất độc là (CH
3
COO)
2
Pb)
2.1. Đặc điểm của hiện tượng xúc tác
Nguyên nhân xúc tác:
Page 7
n-Hexan → Bezen
↘ Hydro phân, cracking
Đun nóng
Pt
Xúc tác + Tác chất [hợp chất trung gian] Xúc tác + Sản phẩm
Trong hợp chất trung gian có sự thay đổi trong cấu trúc của tác chất và chất xúc tác (ví
dụ khoảng cách trong cấu trúc xúc tác trong quá trình phản ứng dài hơn, sau khi phản ứng
kết thúc thì bình thường lại – thí nghiệm hiện đại đã chứng minh).
• Tính đa năng: một số chất xúc tác hoạt động trong nhiều phản ứng khác nhau, ví dụ Pt (Pt
là kim loại đặc biệt xúc tác cho rất nhiều phản ứng khác nhau).
• Tính đa dạng: thể hiện ở chỗ hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn các nguyên tố
đều có thể là chất xúc tác hoặc cấu tử của các chất xúc tác và chất xúc tác tồn tại với mọi
dạng (đơn chất, hợp chất, phức, hữu cơ-enzyme).
• Tính đặc thù: nhờ tính đặc thù người ta có thể điều chỉnh được phản ứng- tạo ra nhiều sản
phẩm mong muốn, khống chế các sản phẩm phụ không mong muốn-thể hiện cao nhất là
enzyme (có thể được lựu chọn xúc tác để tạo ra sản phẩm mong muốn).
• Tính không thay đổi trạng thái nhiệt động: dù tham gia vào các tương tác trung gian với
các tác chất, các chất xúc tác vẫn bảo toàn được thành phần hoá học của mình. Trong thực
tế, do tác động của môi trường phản ứng, kể cả các tạp chất hay thậm chí các tác chất,

chất xúc tác có thể chịu một số biến đổi về cấu trúc hoặc đôi khi cả thành phần hoá học,
Page 8
tuy nhiên, những biến đổi đó chỉ là những quá trình phụ không phải là nguyên nhân của
hiện tượng xúc tác.
2.2. Tính hấp phụ của xúc tác
Một chất muốn là chất xúc tác trước hết phải là chất hấp phụ, nếu hấp phụ rồi chưa
chắc là chất xúc tác, nếu nó không đủ khả năng trở thành hợp chất trung gian, những hấp
phụ như vậy là hấp phụ vật lý.
Phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học:
+ Hấp phụ vật lý: xảy ra nhanh, không cần năng lượng hoạt hóa, nếu năng lượng hoạt hóa
tăng thì hấp phụ vật lý giảm.
+ Hấp phụ hóa học: nhiệt hấp phụ lớn, có thể phải vượt qua hàng rào năng lượng, hấp phụ
hóa học tăng lên nếu nhiệt độ tăng.
Như vậy quá trình hấp phụ là giai đoạn đầu tiên và quan trọng đối với xúc tác rắn
(trong đó hấp phụ hóa học đóng vai trò quan trọng).
Xúc tác [hợp chất trung gian]
2.3. Hợp chất trung gian:
Giữa chất xúc tác và chất phản ứng phải có một tương tác gì đấy để hình thành sản
phẩm phản ứng, sự tương tác đấy hình thành nên hợp chất gọi là hợp chất trung gian, vậy
có thể nói không có hợp chất trung gian thì không có xúc tác, hợp chất trung gian rất đa
dạng.
Để hiểu như thế nào là hợp chất trung gian chúng ta phải giải quyết một số vấn đề như
sau.
Page 9
Nhờ vào quá trình hấp phụ
Hợp chất trung gian là hợp chất như thế nào?
Bản chất của hợp chất trung gian là gì?
Cái gì xảy ra trong hợp chất trung gian? (chưa có câu trả lời thích hợp cho trường hợp
này)
Axit Fomic H

2
+ CO
2
Có quan điểm cho rằng hợp chất trung gian phải có độ bền nhất định, tức là nó không
được quá bền và cũng không được quá kém bền, vì quá bền thì sản phẩm sẽ không thể
hình thành được, còn quá kém bền thì quá trình chuyển hóa chưa đạt được chúng đã
không còn.
Hợp chất trung gian là hợp chất rất đặc biệt, để thấy được hợp chất trung gian rất khó
vì thời gian tồn tại của chúng cực kỳ ngắn nên cần đến thiết bị rất tối tân để phát hiện.
Một số thuyết về hợp chất trung gian:
Thuyết đa vị: theo Baladin thì trên bề mặt xúc tác có các tâm, khi chất phản ứng hấp
phụ trên bề mặt thì quá trình phản ứng sẽ xảy ra trên những tâm này.
Ví dụ: Cyclohexan Benzen
Khi cyclohexan hấp phụ trên Pt thì chúng sẽ bố trí trên mặt 1, 1, 1; phản ứng dehydro
hóa sẽ xảy ra trên 6 tâm phản ứng.
Baladin thấy rằng các kim loại khác có cấu trúc giống Pt nhưng khoảng cách giữa các
nguyên tử trong tinh thể khác Pt thì hoạt tính sẽ yếu hơn so với Pt.
Với quan điểm về lục vị và lưỡng vị thì Baladin đã giải quyết về cơ bản hai câu hỏi
(Hợp chất trung gian là hợp chất như thế nào? Bản chất của hợp chất trung gian là gì?)
Page 10
phân hủy
trên kim loại
hợp chất trung
gian muối Fomat
-3H
2
Thuyết Taylor về tâm hoạt động:
Theo Taylor thì nếu bề mặt kim loại có độ bão hòa càng thấp thì hoạt tính càng cao,
những nguyên tử nằm trên bề mặt thì không bão hòa, do đó bề mặt càng gập gềnh thì hoạt
tính càng mạnh (nguyên tử có điện tử tự do thì có khả năng xúc tác cao)

Vậy điện tử nào là điện tử có khả năng tham gia xúc tác tốt, tại sao kim loại kiềm dễ
mất điện tử không có khả năng tham gia xúc tác tốt nhất?
Thực tế thì các nguyên tố có điện tử d thì có khả năng tham gia xúc tác tốt, do đó các
kim loại chuyển tiếp có điện tử d nên có năng lực xúc tác, và nguyên tố nào có nhiều điện
tử d thì khả năng xúc tác tốt
Đối với oxit thì như thế nào?
Những oxit d10 thì không hoạt động xúc tác, thường d5 – d6 có khả năng hoạt động
xúc tác, điện tử d quan trong nhưng còn có các yếu tố khác cũng rất quan trọng. Ví dụ,
thêm một nguyên tử khác vào Pt thì hoạt độ Pt thay đổi (có thể làm giảm hoạt độ xúc tác
nhưng các tính chất khác như độ chọn lọc, độ bền … tốt hơn).
Hoạt độ xúc tác: là năng lực của từng tâm xúc tác không phụ thuộc vào lượng xúc tác,
là khái niệm xét trên một tâm hoạt động. Hoạt độ xúc tác là khả năng một tâm xúc tác
chuyển hóa các tác chất trong một thời gian nhất định.
Hoạt độ xúc tác phụ thuộc vào phương pháp chế tạo, mỗi phương pháp chế tạo cho
hoạt độ khác nhau mặc dầu từng phân tử, nguyên tử giống nhau, trong thực tế rất khó xác
định đại lượng này, có thể tính được số tâm xúc tác nhưng chưa chắc xác định được số
tâm hoạt động, do đó phải dùng đại lượng gián tiếp, do vậy đánh giá và so sánh hai chất
xúc tác ở hai nhiệt độ khó có thể đánh giá trực tiếp và tuyệt đối.
3. Xúc tác nano vàng (hiện đang được quan tâm nhất là xúc tác nano vàng)
Lý thuyết về xúc tác nano có thể đã có cách đây hơn 70 năm, theo ý tưởng của
Kobozev (ứng dụng cho xúc tác mang), theo Kobozev thì trên bề mặt chất mang được
chia ra thành những ô khác nhau (ví dụ như mang Pt trên bề mặt xúc tác), giữa các ô là
Page 11
các rãnh là hàng rào năng lượng hay hàng rào hình học, để các phần tử trong ô này chạy
ra ngoài được thì chúng phải vượt qua một mức năng lượng nào đó tương đối lớn, do đó
các nguyên tử Pt nằm cố định trên bề mặt của các ô này (có hiện tượng một nguyên tử sẽ
chạy từ ô này sang ô khác khi nung lên, nhưng cần năng lượng rất cao).
Khi chúng ta tẩm xúc tác trên chất mang thì xúc tác sẽ phân bố ngẫu nhiên vào các ô
khác nhau, và trong các ô này không phải ô nào cũng có hoạt tính xúc tác, chỉ có một số ô
có hoạt tính xúc tác (ví dụ chỉ có những ô nào có 4 nguyên tử Pt thể hiện hoạt tính xúc tác

thôi, còn những ô có 3, 5, … thì không thể hiện hoạt tính xúc tác). Kobozez đã dùng
phương pháp toán học để tính toán và xác định ô nào thể hiện hoạt tính xúc tác (cần lưu ý
mỗi cách phân bố sẽ phù hợp cho một vài phản ứng nào đó, nếu không thể hiện hoạt tính
xúc tác cho phản ứng này thì có thể sẽ phù hợp cho một phản ứng nào đó khác – ví dụ, có
phản ứng cần 3 nguyên tử, có phản ứng cần 5 nguyên tử nhưng cũng có phản ứng cần 10
nguyên tử trong một ô, tùy theo phản ứng mà ta tạo ra 3, 5 hoặc 10 nguyên tử).
Xúc tác nano vàng: khi đạt đến kích cỡ nano (từ 10 đến 100A
o
), các kim loại chuyển
tiếp có khả năng hoạt động rất mạnh. Những hoạt tính ở kích cỡ thông thường kim loại
không thể hiện, như khả năng diệt khuẩn, khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng xảy ra
ở nhiệt độ thường hoặc là nhiệt độ âm… Lợi dụng tính chất này, rất nhiều nano của kim
loại ứng dụng vào thực tế cuộc sống và trong công nghiệp… Tất nhiên là không thiếu
vai trò làm chất xúc tác của các vật liệu này.
Vàng có hoạt tính kém trong điều kiện bình thường, tuy nhiên đến một mức độ nào đó
ở kích thước nano, vàng thể hiện một sự thay đổi đột ngột các tính chất vật lý, hóa học,
trong đó đặc biệt là hoạt tính xúc tác, và hiện nay xúc tác nano đang rất được chú ý.
4. Zeolit và xúc tác zeolit
4.1. Zeolit vô định hình:
Sự hình thành các tâm acid Broensted và Lewis trên bề mặt zeolit về cơ bản không
khác quá trình đó trên aluminosilicat vô định hình (là hỗn hợp của oxit nhôm và oxit silic,
nền là oxit silic), phát sinh ra hóa trị (-) của nhôm, do đó phải trung hóa hóa trị (-) chạy
Page 12
tự do, thông thường trung hòa hóa trị (-) này người ta dùng Na, và số nguyên tử Na này
bằng số nguyên tử nhôm.
Aluminosilicat trong tự nhiên là bentonit nên khá rẻ, nguyên tắc tạo ra aluminosilicat
là hai nguyên tử nhôm không được nối với nhau hay Al-O-Al, hay số lượng của nhôm
không được lớn hơn số lượng Silic, “Silic nhiều bao nhiêu cũng được”.
Oxit nhôm ở dạng rắn là một axit lewis yếu, aluminosilicat là một axit vừa có tính axit
lewis, vừa có tính axit bronsted. Mặc dầu trong cấu trúc Na

x
(AlO
2
)
x
(SiO
2
)
y
.mH
2
O không
thể hiện tính axit tuy nhiên khi thay các ion Na
+
bằng các ion H
+
(ví dụ H
+
trong HCl), các
H
+
có khả năng di chuyển và tạo nên tính axit cho vật liệu.
Page 13
NaOH(aq)+NaAl(OH)
4
(aq)+Na
2
SiO
3
(aq)

↓ T~ 25
o
C
[Na
a
(AlO
2
)
b
(SiO
2
)
c
.NaOH.H
2
O]gel
↓ T ~ 25  200
o
C
Na
x
(AlO
2
)
x
(SiO
2
)
y
.mH

2
O + dung dịch

Trong cấu trúc của aluminosilicat thì độ dài của liên kết Al-O dài hơn độ dài của liên
kết Si-O, nên liên kết Al-O dễ bị đứt hơn. Khi được gia nhiệt (cung cấp năng lượng) thì
H
+
di chuyển và có khả năng làm đứt liên kết Al-O và trở thành axit lewis.
Page 14
O
Si
O O
O
H
Al
O O
O
+
O
Si
O O
O
Al
O O
O
H
O
Si
O
Al

O O O O
O
+
O
Si
O
H H
Al
O O O O
O
- H
2
O
O
Si
+
O O
Al
O
O O

Các vị trí Al không được che chắn là các tâm axit lewis trần trụi, không được che chắn
và thể hiện hoạt tính xúc tác. Nếu tiếp tục gia nhiệt thì số tâm lewix sẽ tăng lên, tâm
bronsted giảm xuống, do đó có thể thấy rằng số tâm lewis tỷ lệ thuận với nhiệt độ (được
chứng minh bằng phương pháp phổ hồng ngoại).
Khoảng cách giữa các nhóm OH và H
+
phụ thuộc vào tỷ lệ Si:Al, tỷ lệ của Al càng
thấp thì nhóm OH càng ít, OH và H
+

càng xa nhau, càng khó kết hợp với nhau nên cấu
trúc alumino silicat bền, các tâm bronsted mạnh hơn. Tỷ lệ Al tỷ lệ nghịch với độ mạnh
của axit bronsted, trong khi đó, sự tham gia xúc tác của axit lewis yếu hơn nhiều so với
bronsted, nên trong Zeolit người ta không thích có nhiều nhóm OH, hay nói chính xác
hơn là lượng nguyên tử Al.
Page 15
Tâm axit lewis trần trụi
4.2. Zeolit tinh thể:
Có khoảng 130 loại tinh thể aluminosilicat, mỗi loại tinh thể được khống chế bởi một
tỷ lệ Si:Al nhất định (thông thường tỷ lệ này ở khoảng 1-3; tỷ lệ này càng cao càng tốt).
Công thức chung: Me
2/n
O.(Al
2
O
3
)
x
.(SiO
2
)
y
.H
2
O
Có 3 loại thường gặp là:
- Zeolit A (%Si:%Al = 1, d=3-5A
o
)
- Zeolit X&Y (%Si:%Al = 1-3, d=8-10A

o
)
- Zeolit ZSM
Vai trò của aluminosilicat vô định hình với tư cách là chất xúc tác cracking đã kết thúc
vào đầu thập kỷ 60 của thế kỷ trước. Lúc đó zeolit đã xuất hiện như một loại xúc tác siêu
việt về hoạt độ cũng như độ chọn lọc và về nhiều đặc tính khác. Hiện nay aluminosilicat
vô định hình chỉ đóng vai trò chất nền (matrix) cho chất xúc tác chứa zeolit (zeolite
containing catalyst) với hàm lượng đến 80 ÷ 90% khối lượng. Trong chất xúc tác chứa
zeolit sự đóng góp của aluminosilicat đối với hoạt độ là không đáng kể, tuy nhiên nó đóng
vai trò rất quan trọng trong việc tạo cấu trúc xốp cần thiết cho sự khuếch tán các phân tử
tác chất và sản phẩm, làm tăng độ bền cơ học.
Ngoài ứng dụng trong ngành dầu khí, Zeolit còn được sử dụng trong tổng hợp polyme,
và một số ngành khác, ví dụ, như tách nước ra khỏi etanol của Zeolit KA.
5. Một số vấn đề xúc tác bản thân quan tâm.
5.1. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học
Năng lượng sinh học nói chung, là một loại nhiên liệu tái tạo, được coi là một trong
những nhiên liệu thân thiện với môi trường. Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn năng
lượng sinh học có ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng thế giới nói
chung và VN nói riêng. Do đó, hiện nay việc nghiên cứu các công nghệ để tạo ra nhiên
liệu sinh học phù hợp, đạt hiệu quả kinh tế cao đang rất được chú trọng.
Page 16
Công Nghệ Sản Xuất Nhiên Liệu Sinh Học (NLSH):
Thế hệ thứ 1:
NLSH thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm lượng đường và tinh bột
cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuất Biodiesel). Tinh bột từ
các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên men thành Bioethanol. Trong khi
đó, dầu thực vật (được ép từ các loại cây có dầu ) hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol
(hoặc methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra Biodiesel và glycerine bằng
phản ứng chuyển hóa este.
Thế hệ thứ 2:

NLSH thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt hiện nay để
trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ truyền thống sử dụng để chuyển
đổi các nguồn nguyên liệu này thành NLSH còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp
xử lý.
Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ 2. Loại NLSH này được sản
xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiên liệu sinh
học. Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối xenluloza” có nguồn gốc từ chất thải
nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến
thực phẩm hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ…
Thế hệ thứ 3:
NLSH thế hệ thứ ba được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra
nhiều năng lượng (7-30 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích
trồng. Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4 ha tảo là từ 20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm.
Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh. Theo
ước tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2
để trồng loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước.
Thế hệ thứ 4:
Page 17
Ngoài ba thế hệ nhiên liệu sinh học thì hiện nay người ta đang nghiên cứu và phát
triển thế hệ nhiên liệu thứ 4 bằng nhiều quá trình chuyển hóa sinh vật thành bioethanol,
biobutanol và dạng NLSH dạng “drop-in”, NLSH thế hệ thứ 4 này có nhiều ưu điểm so
với các thế hệ trước đó vì nó tạo ra dạng nhiên liệu giống với nhiên liệu có nguồn gốc từ
nhiên liệu hóa thạch.
5.2. Nguồn nguyên liệu để tạo ra và xúc tác để tạo ra Biodiesel
Nguồn nguyên liệu: loại dầu có nguồn gốc không từ dầu thực vật, chú ý đến hai loại
dầu thực vật không sử dụng làm thực phẩm cho người và gia xúc: dầu từ hạt cây cọc rào
(Jatropha curcas oil) và dầu từ hạt cây cao su
Hình 3: một vài hình ảnh về cây, hạt và dầu cây cọc rào( Jatropha curcas).
Page 18
Hình 4: thành phần và đặc tính riêng của dầu từ hạt cây cọc rào( Jatropha curcas).

Phản ứng và hệ xúc tác cho quá trình: Phản ứng transester hóa là phản ứng giữa
triglyceride (thành phần chính trong dầu thực vật hay mỡ động vật) và alcohol. Sự hiện
diện của xúc tác (acid, base, ) sẽ thúc đẩy quá trình phản ứng.
Hiện nay trong nước có một số nghiên cứu và thường sử dụng hệ xúc tác là KOH,
hoặc axit H
2
SO
4
, …và quá trình phản ứng có thể đạt 75% trong qui mô phòng thí nghiệm.
Page 19