Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn bã tảo

NGUYỄN QUỐC HIỆU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN QUỐC HIỆU

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC CABON
HÓA MAO QUẢN TRUNG BÌNH TỪ NGUỒN BÃ TẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

2017A
Hà Nội – 2019

Trang 1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN QUỐC HIỆU

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC CACBON HĨA MAO
QUẢN TRUNG BÌNH TỪ NGUỒN BÃ TẢO

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG

Hà Nội – 2019

Trang 2


MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................... 5
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................... 6
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................ 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................................... 9
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 11
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT................................................................................. 12
1.1. KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH VÀ CACBON HĨA MAO QUẢN
TRUNG BÌNH ................................................................................................................... 12
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu mao quản trung bình .......................................................... 12
1.1.2. Khái quát chung về xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình ............................ 14
1.2. XÚC TÁC CACBON HĨA MAO QUẢN TRUNG BÌNH............................................... 25
1.2.1. Các phương pháp chế tạo xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình ................. 25
1.2.2. Q trình sunfo hóa tăng tính axit cho xúc tác .................................................... 35

1.2.3. Tình hình nghiên cứu về xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình trên Thế Giới
và Việt Nam .................................................................................................................. 36
1.2.4. Phản ứng trao đổi este và cơ chế của xúc tác .................................................... 39
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 40
2.1. TỔNG HỢP XÚC TÁC CACBON HĨA MAO QUẢN TRUNG BÌNH........................... 40
2.1.1. Dụng cụ và hóa chất ........................................................................................... 40
2.1.2. Q trình nhiệt phân bã tảo để thu biochar ......................................................... 40
2.1.3. Xử lý biochar....................................................................................................... 41
2.1.4. Tổng hợp xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình ........................................... 43
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC ................................ 44
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)..................................................................... 44
2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét ....................................................................... 47
2.4.3. Phương pháp hiển vi điện từ truyền qua ............................................................. 49
2.4.4. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ............................................. 51
2.4.5. Phương pháp giải hấp theo chương trình nhiệt độ TPD-NH3 .............................. 52
2.4.6. Phương pháp hấp phụ - nhả hấp phụ nitơ BET .................................................. 53

Trang 3


2.4.7. Phương pháp FT-IR ............................................................................................ 55
2.3. ỨNG DỤNG XÚC TÁC TỔNG HỢP ĐƯỢC VÀO PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ESTE TẠO
BIOKEROSEN ................................................................................................................. 57
2.3.1. Thực hiện phản ứng trao đổi este với nguyên liệu dầu lanh tạo biokerosen....... 57
2.3.2. Đánh giá nguyên liệu và sản phẩm ..................................................................... 59
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................ 61
3.1. TỔNG HỢP, XÁC NHẬN CẤU TRÚC XÚC TÁC CABON HĨA MAO QUẢN TRUNG
BÌNH ................................................................................................................................ 61
3.1.1. Giản đồ XRD góc hẹp và góc rộng ...................................................................... 61
3.1.2. Đánh giá hình thái học của xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình................. 63

3.1.3. Đặc trưng các nhóm chức của xúc tác thông qua phổ FT-IR .............................. 64
3.1.4. Xác định thành phần nguyên tố trong xúc tác bằng phổ EDX............................. 66
3.1.5. Kết quả đo BET................................................................................................... 68
3.1.6. Giản đồ TPD-NH3 của xúc tác mesocacbon bã tảo ............................................. 71
3.2. THỬ NGHIỆM HOẠT TÍNH XÚC TÁC CACBON HĨA MAO QUẢN TRUNG BÌNH
TỔNG HỢP ĐƯỢC.......................................................................................................... 72
3.2.1. Tính chất của dầu hạt Lanh ................................................................................ 72
3.2.2. Xác định thành phần của sản phẩm biokerosen từ dầu lanh ............................... 74
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 77

Trang 4


LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tới PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng, người
đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em về kiến thức cũng như kỹ năng nghiên cứu
khoa học trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn tốt nghiệp, để em có thể
hồn thành luận văn tốt nghiệp của mình.
Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong Viện Kỹ Thuật
Hóa Học, những người đã truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu của em tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy, cô để em học hỏi thêm được
nhiều kiến thức và kinh nghiệm để luận văn của em được hồn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nơi, Ngày … Tháng … Năm 2019

Học viên

Nguyễn Quốc Hiệu

Trang 5


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của em. Các
kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực, các số liệu tính tốn là hồn
tồn chính xác và chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào.

Hà Nôi, Ngày … Tháng … Năm 2019

Học viên

Nguyễn Quốc Hiệu

Trang 6


DANH MỤC VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên

MQTB

Mao quản trung bình

IUPAC

International Union Of Pure And Applied Chemistry

CTAB

Cetyl trimethylammonium bromide

TEOS

Tetraethyl orthosilicat

XRD

Nhiễu xạ tia X

BET

Đẳng nhiệt hấp phụ Brunauer- Emmett -Teller

SEM

Hiển vi điện tử quét qua

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua

FT-IR

Phổ hồng ngoại

EDX

Tán xạ năng lượng tia X

GC-MS

Sắc ký khối phổ

TPD-NH3

Giải hấp phụ NH3 theo nhiệt độ

Trang 7


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. 1. Thành phần chính một số loại sinh khối .......................................................... 17
Bảng 1. 2. Thành phần các nguyên tố trong sinh khối vi tảo ............................................ 19
Bảng 1. 3. Phân hủy nhiệt của vi tảo và một số loại sinh khối khác ................................. 20
Bảng 1. 4. So sánh thành phần biochar vi tảo và một số nhiên liệu rắn điển hình ............ 21
Bảng 1. 5. Kích thước mao quản thu được với các phương pháp khác nhau .................... 30
Bảng 3. 1. Kết quả phân tích EDX của biochar bã tảo……………………….... . …….....66
Bảng 3. 2. Kết quả phân tích EDX của xúc tác mesocabon hóa bã tảo ............................ 66
Bảng 3. 3. Kết quả thu được từ phương pháp TPD-NH3 .................................................. 71
Bảng 3. 4. Chỉ tiêu đặc trưng hóa lý của dầu lanh............................................................. 72
Bảng 3. 5. Các điều kiện cơng nghệ thích hợp cho q trình tổng hợp biokerosen .......... 73
Bảng 3. 6. Thành phần axit béo trong sản phẩm biokerosen từ dầu lanh.......................... 74

Trang 8


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Mơ hình vật liệu mao quản trung bình ............................................................. 12
Hình 1. 2. Mơ hình cấu trúc dạng xoắn của KIT- 6 .......................................................... 12
Hình 1. 3.Các dạng cấu trúc của vật liệu MQTB .............................................................. 13
Hình 1. 4. So đồ tổng quát hình thành MQTB .................................................................. 24
Hình 1. 5. Các phương pháp tổng hợp cacbon hóa MQTB ............................................... 27
Hình 1. 6. Cơ chế tổng hợp vật liệu MQTB theo phương pháp mềm ............................... 28
Hình 1. 7. Tổng hợp vật liệu MQTB theo phương pháp cứng .......................................... 31
Hình 1. 8. Các giai đoạn chế tạo axit rắn từ nguồn tự nhiên ............................................. 35
Hình 1. 9. Phản ứng trao đổi este tạo biokerosen ............................................................. 38
Hình 1. 10. Cơ chế hoạt động của xúc tác đến phản ứng trao đổi este ............................. 38
Hình 2.1. Sơ đồ nhiệt phân bã tảo .................................................................................... 40
Hình 2. 2. Sơ đồ sunfo hóa biochar ................................................................................... 41
Hình 2. 3. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể ........................................................... 46
Hình 2. 4. Sơ đồ nguyên lý máy chụp SEM ...................................................................... 48
Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý máy chụp TEM ..................................................................... 49
Hình 2.6. Phương trình định luật MOSLEY .................................................................... 50
Hình 2.7. Các kiểu đường hấp phụ - nhả hấp phụ đẳng nhiệt theo IUPAC .................... 54
Hình 2.8. Sơ đồ thiết bị phản ứng tổng hợp Biokerosen từ dầu lanh ................................ 56
Hình 2.9. Sơ đồ thiết bị chiết tách sản phẩm ..................................................................... 57
Hình 2.10. Sơ đồ khối thiết bị phân tích sắc kí khí ........................................................... 59
Hình 3. 1. Giản đồ XRD góc hẹp của xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình .............. 60
Hình 3. 2. Giản đồ XRD góc rộng của xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình ............ 61
Hình 3. 3. Ảnh SEM của xúc tác cacbon hóa MQTB ....................................................... 62
Hình 3. 4. Ảnh TEM của xúc tác cacbon hóa MQTB ....................................................... 62
Hình 3. 5. Phổ FT-IR của biochar bã tảo ........................................................................... 64

Hình 3. 6. Phổ FT-IR của xúc tác cacbon hóa MQTB ...................................................... 64
Hình 3. 7. Phổ EDX của biochar bã tảo ............................................................................ 65
Hình 3. 8. Phổ EDX của xúc tác cacbon hóa MQTB ........................................................ 66
Hình 3. 9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ N2 của xúc tác mesocacbon .......... 67

Trang 9


Hình 3. 10. Đường phân bố kích thước mao quản trước khi thay đổi chất tạo cấu trúc .. 68
Hình 3. 11. Đường phân bố kích thước mao quản sau khi thay đổi điều kiện ................. 69
Hình 3. 12. Giản đồ TPD-NH3 của xúc tác mesocacbon hóa bã tảo ................................. 70
Hình 3. 13. Kết quả GC-MS của sản phẩm biokerosen từ dầu lanh ................................ 72

Trang 10


MỞ ĐẦU

Nghiên cứu về vật liệu hấp phụ - xúc tác là một trong những lĩnh vực khoa học công
nghệ quan trọng nhất trong thế kỷ XXI. Đầu những năm 1990, một loại vật liệu mới
lần đầu tiên được báo cáo là họ vật liệu M41S, đây là vật liệu MQTB silica có trật tự
do hãng Mobil nghiên cứu và phát triển. Sau đó, đã có hàng loạt các nghiên cứu quan
tâm đến việc tổng hợp và ứng dụng của loại vật liệu MQTB tiên tiến này. Xúc tác cho
quá trình trao đổi este tạo biokerosen phải là loại có tính axit. Trong các loại tiềm
năng, xúc tác cacbon hóa chính là loại tốt nhất để chuyển hóa dầu lanh thành
biokerosen. Tuy vậy xúc tác này có nhược điểm như: mao quản hẹp nên khơng thích
hợp về độ chọn lọc hình dáng với những phân tử dầu thực vật có kích thước cồng
kềnh; bề mặt riêng nhỏ khơng có lợi cho sự tạo ra nhiều tâm hoạt tính của xúc tác.
Để khắc phục những thiếu sót trên, việc biến tính xúc tác cacbon hóa thành MQTB
đem lại nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là mao quản rộng. Đề tài có tính khoa học cao.

Ngồi ra, gguồn ngun liệu đi từ vi tảo có ưu điểm chi phí thấp, dễ nuôi trồng, sản
lượng cao làm tiền chất cacbon cho quá trình tổng hợp xúc tác cacbon hóa MQTB hứa
hẹn tạo ra một loại xúc tác có hiệu quả cao được ứng dụng trong q trình chuyển hóa
dầu thực vật đặc thù như dầu lanh để tổng hợp nhiên liệu sinh học biokerosen.
Từ phân tích trên, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng xúc tác
cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn bã tảo”. Trong nghiên cứu này, xúc tác
cacbon hóa được đi từ nguồn sinh khối vi tảo sau khi đã tách dầu (bã tảo), tiếp đó biến
tính thành MQTB, điều này cải thiện đáng kể các đặc tính quan trọng của xúc tác như
diện tích bề mặt riêng lớn, mao quản rộng hơn giúp tăng khả năng chọn lọc hình dáng
của xúc tác.

Trang 11


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH VÀ CACBON
HĨA MAO QUẢN TRUNG BÌNH
Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), vật liệu cấu
trúc mao quản của vật liệu được chia thành ba loại dựa trên kích thước mao quản
(dpore) của chúng [1].
 Vật liệu vi mao quản (micropore): dpore < 2nm như zeolite và các vật liệu có cấu
trúc tương tự ( aluminosilicat,aluminophotphat ALPO4 ).
 Vật liệu mao quản trung bình (mesopore): có 2nmSBA…
 Vật liệu mao quản lớn (macropore): dpore >50nm: gel mao quản, thủy tinh mao.
Các vật liệu mao quản cịn có thể chia ra làm 3 loại theo bản chất khung mao quản:
 Vật liệu mao quản vơ cơ (Ví dụ: silica)
 Vật liệu mao quản hữu cơ (Ví dụ: các polyme hữu cơ xốp)
 Vật liệu mao quản hỗn hợp (Ví dụ: MOF)
1.1.1. Giới thiệu về vật liệu mao quản trung bình

1.1.1.1. Vật liệu với cấu trúc lục lăng (MCM-41)
Năm 1992, các nhà nghiên cứu của công ty dầu mỏ Mobil lần đầu tiên đã sử
dụng chất tạo cấu trúc tinh thể lỏng để tổng hợp một họ rây phân tử mới
MQTB.MCM-41 là một trong những loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất. Chúng
là vật liệu mao quản hình trụ có đường kính từ 1.5 - 8 nm. Nhóm khơng gian của
MCM-41 là P6mm (hình 1.1a), thành mao quản là vơ định hình và tương đối mỏng
(0.6-1.2 nm). Sự phân bố kích thước lỗ là rất hẹp chỉ ra sự trật tự cao của cấu trúc. Do
mao quản chỉ bao gồm MQTB mà khơng có vi mao quản bên trong thành nên dẫn đến
sự khuếch tán một chiều qua kênh mao quản. Chúng có diện tích bề mặt riêng lớn đến
khoảng 1000-1200 m2/g. Hạn chế quan trọng nhất của vật liệu này là độ bền thủy nhiệt
chưa cao do thành khá mỏng và vơ định hình [1].

Trang 12


Hình 1.1.a. Mơ hình mao quản
sắp xếp theo dạng lục lăng

Hình 1.1b. Sự kết nối các kênh mao
quản sơ cấp qua mao quản thứ cấp
của SBA-15

1.1.1.2. Vật liệu với cáu trúc lập phương
KIT-5: là silica MQTB với tính chất tương tự như SBA-16. MQTB là trật tự với
dạng cấu trúc lập phương tâm mặt Fm3m. Giống như SBA-16, KIT-5 có thể được tổng
hợp trong hệ bậc 3 gồm nước, butanol và chất hoạt động bề mặt F127. Khác với SBA16, trong trường hợp này mỗi MQTB trong KIT-5 chỉ được liên kết thống kê với một
MQTB khác và sắp xếp theo kiểu cấu trúc tâm diện.
MCM-48 và KIT-6: là 2 vật liệu đều có cấu trúc 3-D thuộc nhóm khơng gian
Ia3d. Đặc trưng nhất về cấu trúc của loại vật liệu này là kiến trúc theo kiểu vịng xốy
(hình 1.2). MCM-48 được tổng hợp theo cách tương tự như MCM-41 dưới điều kiện

kiềm với chất hoạt động bề mặt genimi. Độ dày thành mao quản của MCM-48 là
khoảng 0.8-1 nm. Kích thước mao quản cũng tương tự như MCM-41. KIT-6 có thể
được tổng hợp sử dụng pha meso bậc 3 là H2O, BuOH và P123. Độ dày thành mao
quản và chiều mao quản tương tự như SBA-15 [2].

Hình 1.2. Mơ hình cấu trúc vịng xốy của KIT-6

Trang 13


1.1.1.3. Phân loại vật liệu mao quản trung bình
Phân loại theo cấu trúc:
+ Cấu trúc lục lăng (hexagonal): MCM-41, SBA-15, ...
+ Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16, ...
+ Cấu trúc lớp (laminar): MCM-50, ...
+ Cấu trúc không trật tự (disordered): KIT-1, L3, ...

a - Lục lăng

b - Lập phương

c - Lớp

Hình 1.3. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB
Phân loại theo thành phần.
+ Vật liệu MQTB chứa silic như: MCM–41, Al–MCM–41, Ti–MCM–41, Fe–
MCM–41, MCM–48, SBA–15 , SBA–16...
+ Vật liệu MQTB không phải silic như: ZrO2, TiO2 MQTB, Fe2O3,...
1.1.2. Khái quát chung về xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình
1.1.2.1. Khái niệm về xúc cacbon hóa

Cacbon hóa là q trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành cacbon hoặc cặn giàu
cacbon thông qua các phản ứng phân hủy nhiệt trong điều kiện khơng có hoặc hạn chế
oxy. Than trong tự nhiên cũng là một sản phẩm của quá trình cacbon hóa.
Xúc tác cacbon hóa mang tính axit là xúc tác dựa trên cơ sở là các tiền chất cacbon,
sau khi nhiệt phân được hoạt hóa bởi các nhóm chức năng (như –SO3H,…) nhằm tăng
tính axit [3,4].
Các axit đồng thể được sử dụng rộng rãi cho nhiều quá trình hóa học trong cơng
nghiệp như H2SO4 và HF, xúc tác này có hoạt tính tốt tuy nhiên có rất nhiều nhược
điểm gặp phải như độc hại, gây ăn mòn, tiêu tốn nhiều năng lượng phân tách sản
phẩm, khó xử lý và tái sinh axit thải. Do đó, nhằm thay thế các loại xúc tác này các
xúc tác rắn được ra đời như zeolit, axit niobic, nhựa trao đổi ion… Các axit zeolit, axit
niobic có mao quản nhỏ khơng phù hợp cho quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học bởi
vì hạn chế một lượng lớn một số axit béo tự do. Còn các axit mạnh như nhựa trao đổi
Trang 14


ion có nhiều nhóm axit sunfunic, tuy nhiên chúng khá đắt đỏ và tính ổn định thấp [11].
Axit rắn dựa trên cơ sở cacbon được xem là rất phù hợp cho các phản ứng este hóa do
có một số ưu điểm vượt trội như tính trơ hóa học, ổn định cơ học cao, đa dạng về cấu
trúc, tính kỵ nước bề mặt.
Một số nhà khoa học tập trung nghiên cứu q trình cacbon hóa trực tiếp nguồn sinh
khối như sacarozơ, D-glucozơ, tinh bột và gỗ [5-8]. Sau khi thu được vật liệu bột đen,
tiếp theo là q trình sunfo hóa bằng H2SO4 để tăng độ axit [9, 10]. Mặc dù có nhiều
ưu điểm vượt trội như trên, chúng lại gặp vấn đề là cấu trúc kém xốp với sự sắp xếp
cấu trúc phức tạp, diện tích bề mặt BET rất nhỏ (< 5 m2/g), điều này làm hạn chế hoạt
tính xúc tác, thiếu hụt các tâm axit, giảm tỷ lệ vận chuyển, cũng như hạn chế khả năng
tiếp cận của các tâm hoạt động trên bề mặt xúc tác và bên trong các mao quản. Với
những hạn chế trên, người ta đã phát triển một loại xúc tác axit rắn cacbon hóa mao
quản trung bình (MQTB). Loại xúc tác này có độ xốp cao, bề mặt riêng lớn làm tăng
các tâm hoạt động. Các mao quản này có hình dạng giống nhau và được sắp xếp theo

một trật tự nhất định với kích thước phù hợp có thể làm tăng khả năng chọn lọc hình
dáng. Các mao quản có trật tự sắp xếp cao làm tăng khả năng khuếch tán của các phân
tử có mạch dài, góp phần làm tăng đáng kể độ chọn lọc của xúc tác và được ứng dụng
cho nhiều loại phản ứng như: Este hóa, trao đổi este, hydrat hóa, các phản ứng thủy
phân…
1.1.2.2. Nguyên liệu và các phương pháp chế tạo xúc tác cacbon hóa
Cacbon hóa là q trình nhiệt phân hóa học bẻ gãy mạch cacbon của
lignoxenlulozơ để chuyển hóa vật chất hữu cơ về dạng cacbon hoặc sản phẩm giàu
cacbon. Quá trình được thực hiện thông qua sự loại bỏ nước các hợp chất dễ bay hơi
khác có mặt trong nguyên liệu trong một mơi trường khơng có oxy. Tuy nhiên, trong
thực tế khơng thể đạt được điều kiện khơng có oxy, do đó trong sản phẩm ln chứa
một lượng nhỏ sản phẩm oxy hóa. Sản phẩm thu được gồm 3 dạng: khí (bio-gas), lỏng
(bio-oil), rắn (biochar). Tùy thuộc vào điều kiện nhiệt phân như nhiệt độ, tốc độ gia
nhiệt, môi trường, tốc độ dịng khí mang, kích thước ngun liệu… mà hiệu suất thu
được và sự phân bố sản phẩm khác nhau. Có thể chia nhiệt phân thành 3 loại: nhiệt
phân chậm, nhiệt phân nhanh và nhiệt phân flash.

Trang 15


-

Nhiệt phân chậm: tốc độ gia nhiệt chậm, nhiệt độ nhiệt phân tối đa khoảng 500oC.
Thời gian lưu của hơi nhiệt phân từ 5-30 phút nên sẽ tiếp tục phản ứng với các chất
khác tạo than hoặc một số sản phẩm lỏng. Nhiệt phân chậm có hiệu suất than cao,
hiệu suất tạo dầu và khí thấp.

-

Nhiệt phân nhanh: Tốc độ gia nhiệt lớn, nhiệt độ nhiệt phân khoảng 500-650 oC, thời

gian lưu ngắn, khoảng 0,5-5 giây; do đó q trình phân hủy xảy ra nhanh, ở nhiệt độ
cao nên sản phẩm thu được chủ yếu là khí. Các khí này khi làm lạnh một phần sẽ
ngưng tụ tạo thành sản phẩm lỏng.

-

Nhiệt phân siêu tốc: Tốc độ gia nhiệt rất nhanh (khoảng 5000oC/phút) và thời gian
lưu ngắn (dưới 1 giây). Vì vậy, hiệu suất than giảm, hiệu suất tạo dầu và khí tăng.
Đây là phương pháp ưu việt nhất để chuyển hóa rơm rạ thành nhiên liệu. Tuy nhiên,
cơng nghệ này phức tạp và có chi phí cao [11].
Sản phẩm rắn của q trình nhiệt phân (hay cịn gọi là biochar) có rất nhiều ứng dụng.
Hiện nay, lượng biochar được sử dụng chủ yếu làm phân bón hữu cơ giúp cải thiện độ
phì nhiêu và màu mỡ cho đất. Đặc biệt biochar giàu cacbon sẽ được sử dụng làm tiền
chất cacbon cho q trình chế tạo vật liệu cacbon hóa nói chung và xúc tác cacbon hóa
MQTB nói riêng. Xúc tác cacbon hóa là xúc tác dựa trên cơ sở cacbon, hay các tiền
chất cacbon, do đó các nguồn để chế tạo xúc tác là các nguyên liệu mà thành phần của
nó có chứa cacbon [12-16].
Với xu thế hiện nay là các q trình thân thiên với mơi trường và chi phí thấp, các
hướng nghiên cứu xúc tác hiện nay dựa vào q trình chuyển hóa sinh khối và từ các
nguồn nguyên liệu có thể tái tạo. Các nguồn nguyên liệu có thể dùng để chế tạo xúc
tác cacbon hóa bao gồm: D-glucozơ, sacarozơ, tinh bột, xenlulozơ, sinh khối. Cacbon
hóa một phần các sản phẩm tự nhiên như đường, than, xenlulozơ… sẽ tạo ra một vật
liệu cacbon cứng, vật liệu này sẽ được kết hợp từ nhiều tấm cacbon aromatic nhiều
vòng trong một cấu trúc sp3, được liên kết bằng khơng gian 3 chiều. Tiến hành sunfo
hóa vật này sẽ mang lại một chất rắn ổn định với mật độ cao của các tâm hoạt động và
có hiệu suất cao được chế tạo từ các nguyên liệu tự nhiên chi phí thấp.
Như vậy có thể thấy rằng, các phân tử saccarit là rất thích hợp sử dụng như một
tiền chất cacbon để tiến hành chế tạo xúc tác axit rắn, xúc tác rắn này có nhiều ưu
Trang 16

điểm vượt trội so với xúc tác axit dạng lỏng trong các phản ứng trao đổi este. Ngoài sử
dụng để nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu sinh học, xúc tác axit rắn còn được ứng dụng
cho rất nhiều các quá trình khác [17].
Nguồn ngun liệu cho q trình cacbon hóa rất đa dạng và có sẵn. Hiện nay, sinh
khối thường được ưu tiên làm tiền chất cacbon vì đây là nguồn nguyên liệu rẻ tiền và
dễ kiếm. Trong đó sử dụng phổ biến nhất là các phế phẩm nông nghiệp như gỗ, sản
phẩm phụ như mùn cưa vỏ bào, chất thải nơng nghiệp như rơm rạ, trấu, bã mía, rác
sinh hoạt, phân động vật… Các loại sinh khối này chứa chủ yếu 3 thành phần là lignin
15 – 25%; xenlulozơ 38 – 50%; hemixenlulozơ 23 – 32%... Yang và các cộng sự đã
phat hiện rằng sản phẩm lỏng bio-oil chủ yếu thu được từ phần xenlulozơ, trong khi
phần rắn (biochar) lại đến từ lignin [18]. Điều này có thể nhận thấy vì thành phần của
biochar tương đối giống với lignin. Theo kết quả phân tích của M. Sevilla và
A.B.Fuertes, phần sản phẩm rắn chứa các cụm nhỏ các vòng ngưng tụ của benzen kết
hợp với oxy ở trong tác nhân (ete, quinon, pyron), phần vỏ có các nhóm chức phản
ứng ưa nước có chứa oxy (hydroxyl, cacbonyl, cacboxylic, este) [19].
Tùy theo điều kiện cơng nghệ q trình nhiệt phân sinh khối mà q trình có thể
cho ra 20% biochar, 20% khí tổng hợp dùng làm nhiên liệu và 60% dầu sinh học, thay
thế dầu mỏ trong sản xuất các vật dụng đồ nhựa; nhưng khi cần khối lượng lớn, người
ta thay đổi cách đốt chậm hơn để có tỉ lệ biochar lên trên 50%. Quá trình nhiệt phân
diễn ra trong điều kiện yếm khí, nếu sử dụng cơng nghệ hợp lý thì sẽ hạn chế được tối
đa khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Bên cạnh đó, biochar có khả năng hấp thụ hoặc giữ
mùi, khí metan, CO2 và các kim loại nặng nên có tác dụng đáng kể trong việc bảo vệ
môi trường sản xuất nông lâm nghiệp.

Trang 17


Bảng 1. 1. Thành phần chính của một số loại sinh khối
Thành phần

Tro

Lignin

Xenlulozơ

Rơm lúa mì

11,2

14

38

Dư lượng ngơ

2,8-6,8

15

39

Cỏ

6

18

32

Gỗ (cây dương, liễu, sồi)

0,27-1

26-30

38-45

Nguyên liệu

Xenlulozơ và lignin qua bị nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau, tương ứng từ 240350oC đến 280- 500oC, tỷ lệ tương đối của thành phần sẽ xác định cấu trúc than được
giữ lại sau thời gian nhiệt phân, ở nhiệt độ nhất định và thời gian nhiệt phân nhất định
[20]. Những loại sinh khối mà trong thành phần giàu cacbon cố định và có hàm lượng
ẩm cũng như chất bốc thấp sẽ cho hàm lượng lớn sản phẩm biochar. Nguyên liệu cũng
ảnh hưởng đến kích thước và chất lượng biochar, nguyên liệu như gỗ sẽ cho biochar
thô và có kích thước lớn hơn. Ngược lại, một số loại sinh khối khác như rơm rạ và các
sản phẩm phụ nông nghiệp khác như phân động vật lại cho biochar mịn và giịn hơn.
Ngồi thành phần chính là cacbon cùng với hydro, trong biochar cịn có một số
ngun tố khác và chúng sẽ tồn tại ở 2 dạng cấu trúc: các dãy tinh thể graphen chồng
lên nhau và aromatic vơ định hình được sắp xếp ngẫu nhiên. Ở dạng vòng aromatic, H,
O, N, P và S thường tạo thành các dị vịng và chúng có ảnh hưởng đến tính chất vật lý
và hóa học của biochar.
Ưu điểm của loại sinh khối này là sử dụng chúng không gây ảnh hưởng đến an ninh
lương thực, thực phẩm của con người. Ngồi q trình chuyển hóa các phụ phẩm này
thành nhiên liệu sinh học, q trình này cịn góp phần giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường.
Tuy nhiên cũng có nhược điểm khơng nhỏ là nguồn ngun liệu ít, khó đáp ứng cho
sản xuất và thiếu tính chủ động và tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình chế biến.

Trang 18

Hiện nay nguồn nguyên liệu sinh học thứ 3 đang nhận được rất nhiều những nghiên
cứu đặc biệt là vi tảo (microalgae), có thể tận dụng sản phẩm rắn biochar thu được sau
quá trình nhiệt phân bã tảo nhằm chế tạo vật liệu cacbon. Vi tảo là các vi sinh vật đơn
bào sống trong mơi trường nước, có thể tồn tại riêng lẻ hoặc thành nhóm. Vi tảo có tốc
độ sinh trưởng nhanh, hiệu suất thu hồi dầu lớn, bên cạnh đó, vi tảo có thể sinh trưởng
trong cả mơi trường nước ngọt, nước mặn, nước lợ và trong các mơi trường khắc
nghiệt [21]. Tùy thuộc vào chủng loại, kích thước của chúng có thể từ vài micromet
đến vài trăm micromet. Vi tảo là loại thực vật khơng có rễ, thân và lá. Khác với thực
vật bậc cao có thành phần chính là các lignoxenlulozơ, thành phần chính của vi tảo
gồm các lipit, protein, axit nucleic và cacbonhidrat (không phải xenlulozơ). Vi tảo có
thể quang hợp và cung cấp một lượng oxy trong khí quyển. Ngồi ra, vi tảo cịn hấp
thu nitơ, photpho, cacbon từ nước thải, thậm chí cả các kim loại và trong nhiều trường
hợp cịn có thể cộng sinh cùng một số loại vi khuẩn tham gia xử lý nước thải sinh hoạt
[22]. Vi tảo là một trong những loại sinh vật có hiệu năng quang hợp và chuyển hóa
CO2 thành sinh khối lớn nhất. Vi tảo có thể tăng gấp đơi lượng sinh khối của chúng chỉ
trong vài giờ. Vì xenlulozơ khơng phải thành phần chính của vi tảo, q trình cacbon
hóa có thể diễn ra trong điều kiện mềm, nhờ vậy sẽ giảm tiêu tốn năng lượng.
Như vậy, so với các loại sinh khối từ phụ phẩm trong sản xuất và sinh hoạt, vi tảo
có ưu điểm dễ ni trồng, có thể trồng trong điều kiện nước bẩn, đầm lầy… Ngồi ra,
vi tảo cịn có tốc độ sinh trưởng rất nhanh, có thể lên tới 10 lần một ngày; do đó hứa
hẹn là nguồn nhiên liệu sinh học có năng suất thu dầu lớn. Theo đánh giá, lượng dầu
trên một diện tích xác định thu từ tảo nhiều gấp 200 lần lượng dầu thu từ loại cây trồng
có hiệu quả thu dầu cao nhất. Trong khi đó, diện tích canh tác lại thấp, theo bộ năng
lượng Mỹ, nếu nhiên liệu vi tảo này thay thế hồn tồn nhiên liệu từ dầu mỏ, nó sẽ cần
khoảng 40000 km2, diện tích này chỉ chiếm chưa đầy 1/7 tổng diện tích canh tác của
Mỹ trong năm 2000. Vi tảo là nguồn sinh khối lí tưởng cho q trình cacbon hóa vì
kích thước nhỏ và cấu tạo đơn giản của chúng, sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình
truyền nhiệt và phân hủy.

Chuyển hóa năng lượng từ vì tảo được chia làm 2 quá trình: ở quá trình đầu tiên, đó
là q trình biến đổi sinh hóa thành nhiên liệu sinh học như biodiesel hoặc etanol thu

Trang 19


được nhờ q trình chuyển hóa dầu vi tảo đặc thù bằng q trình lên men yếm khí, ví
dụ như biodiesel từ dầu của họ vi tảo biển chlorococcum. Quá trình thứ hai đó là q
trình biến đổi nhiệt hóa hay cụ thể là quá trình nhiệt phân, quá trình biến đổi tất cả các
loại tảo thành các sản phẩm năng lượng dựa vào các phản ứng nhiệt, biochar từ vi tảo
là sản phẩm phụ của quá trình này. Như vậy qua q trình nhiệt phân vi tảo, có thể thu
được dầu vi tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học, vừa thu biochar vi tảo như một sản
phẩm phụ có ích sử dụng làm tiền chất cacbon [21].
Q trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối vi tảo bao gồm các bước cơ bản
như: nuối cấy, thu hoạch, ép, sấy để thu vi tảo khơ, trích ly lấy dầu bằng dung môi,
tổng hợp nhiên liệu sinh học từ dầu vi tảo trích ly được. Tuy nhiên bã tảo thu được sau
q trình trích ly thu dầu chiếm đến 70% khối lượng ban đầu của vi tảo, lượng bã này
vẫn đang có rất ít ứng dụng hiện nay, một lượng ít sử dụng làm thức ăn chăn ni hoặc
làm phân bón, phần cịn lại đang bỏ phí. Như vậy ta có thể tận dụng nguồn bã tảo này
làm nguyên liệu cho quá trình nhiệt phân thu tiền chất cacbon, tiền chất để chế tạo xúc
tác cacbon hóa. Như vậy việc dùng nguồn vi tảo cho thấy có thể tận dụng được tối đa
nguồn nguyên liệu ban đầu.
Bảng 1. 2. Thành phần các nguyên tố trong sinh khối vi tảo
Thành phần

Hàm lượng (%)

C

61,52

H

8,50

O

20,19

N

9,79

S

-

Qua bảng 1.2 có thể thấy, hàm lượng cacbon trong sinh khối vi tảo khá lớn, như vậy có
thể sử dụng như một nguyên liệu chứa tiền chất cacbon để tổng hợp xúc tác cacbon
hóa là rất hợp lý.

Trang 20


Nhìn vào bảng 1.3 có thể thấy nhiệt độ phân hủy nhiệt tối đa của vi tảo trong
khoảng 300-330 °C, thấp hơn so với các loại sinh khối khác, như vậy quá trình nhiệt
phân vi tảo xảy ra dễ dàng hơn, năng lượng đầu vào thấp hơn với tốc độ phân hủy
nhanh. Mặt khác một lượng lớn sản phẩm rắn chủ yếu là biochar ở cuối quá trình phân
hủy cao hơn so với các loại sinh khối khác [21].
Bảng 1. 3. Phân hủy nhiệt của vi tảo và một số loại sinh khối khác

Loại sinh khối

Nhiệt độ tại tốc độ

Tốc độ phân hủy tối % Sản phẩm rắn tại

phân hủy tối đa

đa (% min-1)

900°C

(°C)
Hạt bắp

346

27,9

10

Trấu gạo

367

31,0

12,6

Bạch đàn

361

31,0

13,3

Mùn cưa

367

18,6

13,6

Vỏ cây cọ

377

17,9

20,8

Vỏ cây dừa

355

18,2

22,07

Tảo Spirulina

324

7,04

25,96

Tảo Spirogyra

318

5,49

18,61

Tảo Cladophora

300

3,92

32,21

Bên cạnh ưu thế sử dụng làm nguyên liệu để chế tạo vật liệu cacbon, biochar từ vi
tảo được xem là một dạng nhiên liệu dạng rắn mang lại giá trị cao. Đối với một nhiên
liệu rắn chất lượng cao thì trong thành phần của nó phải gồm một lượng lớn cacbon và
hydro, hàm lượng chất bốc và tro thấp. Bảng 1.4 cho thấy biochar từ một số loại vi tảo
rất có tiềm năng để trở thành nhiên liệu rắn thay thế than tự nhiên [21].

Trang 21


Bảng 1. 4. So sánh thành phần biochar vi tảo và một số nhiên liệu rắn điển hình
Tên

Cacbon

Chất

Tro, %

%C

%H

%O

Nhiệt

cố định,

bốc,

cháy,

%

%

MJ/kg

Than bùn

26,87

70,13

3,00

54,81

5,38

35,81

22,00

Than củi

89,10

9,88

1,02

92,04

2,45

2,96

34,39

Than cây sồi

59,3

25,80

14,9

67,70

2,40

14,4

24,8

Than tảo

44,55

7,63

47,82

45,26

1,24

0,28

15,78

26,68

35,5

37,81

51,14

0,56

0,69

16,68

59,66

16,81

25,53

62,37

0,37

4,07

22,96

Spirulina
Than tảo
Cladophora
Than Spirogyra

Mặc dù vậy, vi tảo cũng có những nhược điểm nhất định mà nổi bật nhất là chi phí
ni trồng sản xuất cịn tương đối cao, cần nghiên cứu để tìm ra phương pháp ứng
dụng cho quy mô lớn hơn.
1.1.2.3. Ý tưởng của việc tạo ra vật liệu cacbon hóa mao quản trung bình
vật liệu cacbon MQTB có trật tự (OMC) là loại vật liệu có bản chất cacbon, trong
cấu trúc có chứa hệ thống ống MQTB đồng đều và được sắp xếp theo một trật tự nhất
định. Ứng dụng của vật liệu cacbon hóa MQTB rất đa dạng như hấp phụ, xử lý khí
độc, làm dược phẩm, làm xúc tác… Trong đó, ứng dụng làm xúc tác đang nhận được
sự quan tâm lớn trong cộng đồng khoa học thế giới nhờ những tính chất nổi bật như:
độ xốp cao và có thể điều chỉnh, bề mặt kị nước và dễ dàng chức năng hóa bằng các
nhóm hoạt động điển hình như –SO3H [23].
Vào năm 1992, vật liệu mao quản trung bình với các dãy mao quản sắp xếp trật tự trở
thành chủ đề được nghiên cứu. Vật liệu đầu tiên được báo cáo bởi các nhà khoa học
của Mobil Oil Corporation giới thiệu về loạt vật liệu silica MQTB M41S. Vật liệu
M41S là thuật ngữ chung của các loại vật liệu đa dạng MCM (Mobil Composition of
Trang 22


Matter) trong phạm vi MQTB. Tất cả các loại vật liệu M41S đều có kích thước mao
quản đồng đều, có trật tự trong một phạm vi dài. Thành mao quản của các loại vật liệu

này bao gồm các silica vô định hình có thể chứa các ngun tố như: Ti, Co, Cu, Fe,
Zn, Zr. Chất hoạt động bề mặt cation có mạch hydrocacbon dài được sử dụng làm tác
nhân định hình cấu trúc để tạo hệ thống MQTB có trật tự cho vật liệu. Tuy nhiên,
hướng đi này khơng hồn tồn mới mà thực tế nó đã được giới thiệu từ hơn 20 năm
trước đó. Vào những năm 1970, từ một bằng sáng chế của nhà khoa học người Pháp đã
chỉ ra một phương pháp nhằm thay đổi khối lượng riêng của gel silica đã được thử
nghiệm bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt cation mạch dài. Dựa theo quy
trình trình tổng hợp trong đó, một loại silica có MQTB dạng lục lăng 2D giống như
MCM-41 nổi tiếng ngày nay đã được chế tạo. Tuy vậy, bằng sáng chế này không gây
được sự chú ý lúc bấy giờ, chủ yếu vì thiếu dữ liệu đặc trưng XRD và hiển vi điện tử.
Trước những năm 1990, các nhà khoa học Nhật Bản cũng đã bắt đầu tổng hợp vật liệu
MQTB. Họ sử dụng các chất hoạt động bề mặt để tạo ra đất sét dạng lớp kanemite; tuy
nhiên, cấu trúc của đất sét bị phá hủy trong dung dịch kiềm đặc (NaOH nồng độ cao).
Một vật liệu MQTB khác cũng được tạo thành, được đặt tên là silica MQTB FSM-16,
nhưng một lần nữa nó cũng khơng nhận được chú ý vì cũng khơng có ảnh TEM và kết
quả XRD nào được đưa ra. Hơn nữa, vào thời điểm đó, do sự thiếu hiểu biết sâu sắc về
cơ chế tạo thành nên MQTB chưa được quan tâm. Trở lại với các nhà nghiên cứu của
Mobil, họ không chỉ phát triển một họ các vật liệu MQTB mà còn đưa ra các cơ chế
tổng quát “khuôn thể tinh lỏng” với phương pháp chế tạo chi tiết. Từ đó, một lĩnh vực
nghiên cứu mới của hóa học được hình thành [24].
Q trình dealuminat hóa có thể tạo ra MQTB trong zeolit đã được biết đến rộng
rãi. Mặc dù vậy, cả kích thước và số lượng mao quản đều rất phụ thuộc vào điều kiện
dealuminat hóa, do đó mao quản thường khơng có trật tự rõ ràng. Vật liệu dạng lớp
như các loại đất sét và photphat có thể được trụ đỡ bởi các phân tử lớn có chứa
polycation (Ví dụ: oligome của nhơm Al137+) và silicat, do đó MQTB được tạo thành.
Những vật liệu này bản chất là các lớp đất sét có trụ đỡ. Đất sét có trụ đỡ được coi là
xúc tác tương lai cho quá trình cracking dầu nặng. Đáng tiếc rằng, nó đã bị phát hiện
ra rất nhiều nhược điểm như tính axit bề mặt yếu, dễ mất hoạt tính do sự tạo cốc và độ

Trang 23

bền nhiệt kém. Thêm vào đó, các trụ đỡ vơ định hình và khơng được sắp xếp có trật tự,
điều này dẫn đến kích thước mao quản khơng đồng đều và sự sắp xếp mao quản cũng
khơng có trật tự. Mặc dù gel aluminosilicat với kích thước mao quản đồng đều hơn đã
được chế tạo từ quá trình tổng hợp sol gel được kiểm soát nghiêm ngặt, sự thiếu trật tự
trong các dãy mao quản vẫn cịn và khơng thể tránh khỏi [24].
Những năm tiếp theo chứng kiến sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực vật liệu
MQTB có trật tự, bao gồm cấu trúc vật liệu mới, các thành phần mới, cơ chế hình
thành và ứng dụng mới. Việc thành lập Hiệp hội vật liệu cấu trúc trung bình quốc tế
(IMMA) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển loại vật liệu này. Từ đó, các loại sàng
phân tử MQTB được cơng nhận chính thức là một phần quan trọng trong vật liệu zeolit
[24].
Vào năm 1998 một loại vật liệu silica MQTB trật tự cao được ra đời; nó được tổng
hợp trong môi trường axit sử dụng copolyme 3 khối không ion (EOnPOmEOn) với
polyethyleneoxide (EO)n và polypropyleneoxide (PO)m. Các loại vật liệu khác nhau
với sự sắp xếp bên trong khác nhau được ký hiệu chung là SBA-n, chúng có cấu trúc
lục lăng 2-D và 3-D (SBA-2, 3, 12, 15) hoặc lập phương (SBA-1, 6, 16), trong đó nổi
bật nhất là SBA-15 [11]. Vật liệu này có đường kính mao quản đồng đều với kích
thước lớn hơn 3 đến 4 lần kích thước mao quản zeolit và diện tích bề mặt riêng lớn, có
thể hơn 800 m2/g. Một ưu điểm của họ vật liệu SBA-15 là có kích thước mao quản lớn,
thành mao quản dày nên có tính bền nhiệt và thủy nhiệt cao. Nói chung, lịch sử tổng
hợp vật liệu MQTB gắn với việc phát hiện các chất định hướng cấu trúc. Kích
thước mao quản tăng theo kích thước phân tử chất định hướng cấu trúc.
Qua thời gian, nhằm thay thế các xúc tác truyền thống như H2SO4, HF và khắc
phục các nhược điểm gặp phải như độc hại, gây ăn mòn, tiêu tốn nhiều năng lượng
phân tách sản phẩm, khó xử lý và tái sinh axit thải, các xúc tác axit rắn được ra đời
như zeolit, axit niobic, nhựa trao đổi ion… Hiện nay, các nhà khoa học đang phát triển
một loại xúc tác mới; đó là xúc tác cacbon vơ định hình có chứa lớp cacbon cỡ nano
với lượng lớn nhóm chức –SO3H. Cacbon vơ định hình mang nhóm chức –SO3H thể

hiện khả năng làm xúc tác rất tốt với các phản ứng axit với tác nhân phản ứng ưa nước.
Xúc tác cacbon hóa cho phép một lượng lớn các tác nhân phản ứng ưa nước vào trong

Trang 24


mao quản nhờ mật độ lớn các nhóm chức ưa nước đính trên các lớp cacbon [25].
Ngồi ra, việc mao quản trung bình hóa cho xúc tác cacbon hóa sẽ làm tăng diện tích
bề mặt và chọn lọc nguyên liệu khi sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp
biokerosen hoặc biodiesel [26, 27].
1.2. XÚC TÁC CACBON HÓA MAO QUẢN TRUNG BÌNH
1.2.1. Các phương pháp chế tạo xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình
Sự tạo thành vật liệu MQTB nói chung và xúc tác cacbon hóa MQTB nói riêng chủ
yếu xoay quanh việc xây dựng hệ thống mao quản có kích thước trung bình
(2nmĐể tổng hợp vật liệu MQTB cần ít nhất 3 phần cơ bản sau:
 Chất hoạt động bề mặt (HĐBM): Đóng vai trị làm tác nhân định hướng cấu
trúc.
 Nguồn chất vô cơ: Hình thành lên mạng lưới mao quản.
 Dung mơi (nước, axit…): Thường đóng vai trị trợ giúp cho q trình kết
tinh.

Chất định hướng cấu trúc + Tiền chất silicat

Hình 1.4. Sơ đồ tổng quát hình thành vật liệu MQTB
1.2.1.1. Chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt là chất có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất
lỏng, phân tử của nó phân cực: một đầu ưa nước và một đầu kị nước [28].
Cơ chế hoạt động của chất hoạt động bề mặt:
Với mục đích là làm giảm sức căng bề mặt của một số chất lỏng, khi có hỗn hợp từ

hai chất lỏng kết hợp với nhau và khơng hồ tan với nhau được thì có thể sử dụng chất
hoạt động bề mặt để làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hoà chất
hoạt động bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất hoạt động bề mặt

Trang 25