Nghiên cứu chế tạo bộ xúc tác dùng để xử lý khí thải nox của xe máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA
CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013 – 2014
XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT"

NĂM 2013 – 2014

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC
DÙNG ĐỂ XỬ LÍ KHÍ THẢI NOX CỦA XE MÁY

Thuộc nhóm ngành khoa học: Hố môi trường


TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA
CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013 – 2014
XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT"

NĂM 2013 – 2014

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC
DÙNG ĐỂ XỬ LÍ KHÍ THẢI NOX CỦA XE MÁY

Thuộc nhóm ngành khoa học: Hố môi trường
Sinh viên thực hiện: Vương Diễm Mi ( chịu trách nhiệm chính ).

Lê Thị Quỳnh Như
Bùi Thuy Trang
Nam, Nữ:Nữ
Đinh Thị Nhung
Nguyễn Thanh Ngọc
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa:
C12HO01, D12HO01
Năm thứ: 2 /Số năm đào tạo: 3, 4
Ngành học: SP Hóa, Cử nhân Hóa
Người hướng dẫn: Th.s Đỗ Quang Thắng


UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ XÚC TÁC DÙNG ĐỂ XỬ LÍ KHÍ
THẢI NOX CỦA XE MÁY
- Sinh viên thực hiện: Vương Diễm Mi ( chịu trách nhiệm chính ).
Lê Thị Quỳnh Như.
Bùi Thuy Trang.
Đinh Thị Nhung.
Nguyễn Thanh Ngọc.
- Lớp: C12HO01, D12HO01 Khoa: KH Tự nhiên Năm thứ: 2 Số năm đào tạo: 3,

4
- Người hướng dẫn: Th.s Đỗ Quang Thắng
2. Mục tiêu đề tài:
Nghiên cứu tổng hợp và xác định hoạt tính của hệ xúc tác để xử lý khí thải động
cơ xe máy. Sử dụng các nguyên vật liệu thông dụng, rẻ tiền là các muối vô cơ nhưng
chế tạo đươc hệ xúc tác đảm bảo xử lý được khí thải NOx theo con đường phân hủy
nhiệt trực tiếp.
Bên cạnh việc khảo sát hoạt tính chuyển hóa NO x trên các hệ xúc tác ở phịng
thí nghiệm, chúng tơi cũng tiến hành khảo sát khả năng ứng dụng thực tế của xúc tác
trên động cơ xe máy.
3. Tính mới và sáng tạo:
Chế tạo hệ xúc tác xử lý khí thải cho xe máy đang lưu hành tại Việt Nam bằng
phương pháp tẩm khuếch tán với qui trình cơng nghệ đơn giản trong môi trường bazo
từ muối vô cơ thông dụng giá rẻ là Al(NO3)3, Ba(NO3)2 và Mn(NO3)2. Nguyên liệu mà
chúng tôi sử dụng để chế tạo hệ xúc tác thì chưa thấy có nghiên cứu tại Việt Nam
cơng bố.


Hiện nay các bộ xúc tác xử lý khí thải cho động cơ đốt trong đã có mặt tại Việt
Nam thì đắt tiền, địi hỏi cơng nghệ cao trong q trình chế tạo va đều phải nhập từ
nước ngồi nên chưa thể phù hợp cho việc ứng dụng rộng rãi ở đất nước ta.
4. Kết quả nghiên cứu:
Đã điều chế thành cơng hệ xúc tác xử lý khí thải cho xe máy bằng phương pháp
tẩm khuếch tán. Hệ xúc tác này đã đạt hiệu suất chuyển hóa NOx là 71.8% cho phản
ứng phân hủy trực tiếp NOx. Đây là một kết quả hết sức khả quan.
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
- Chúng tơi hi vọng rằng độ chuyển hóa NOx sẽ cao hơn hẳn và độ bền của bộ xúc tác
sẽ tốt hơn khi có điều kiện để nghiên cứu và ứng dụng thực tế trên động cơ xe máy.
Kết quả này có thể là tiền đề cho việc áp dụng xử lý NOx cho động cơ đốt trong, các lò

nung gớm sứ và lị hơi, đồng thời góp phần vào việc chủ động ứng phó với biến đổi
khí hậu và bảo vệ sức khỏe cộng đồng ở đất nước ta trong tương lai.
-Tăng cường hợp tác nghiên cứu khoa học giữa các cán bộ thuộc các trường Đại học
và Viện nghiên cứu khoa học.
- Tăng cường năng lực nghiên cứu cho nhóm thực hiện đề tài.
6. Cơng bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ họ tên
tác giả, nhan đề và các yếu tố về xuất bản nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở
đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Vương Diễm Mi, Đỗ Quang Thắng, Đinh Thị Nhung, Lê Thị Quỳnh Như, Bùi Thuy
Trang, Nguyễn Thanh Ngọc, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác để xử lý khí thải
động cơ đốt trong, Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, đang chờ đăng.
Ngày
tháng
năm 2014
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)
Vương Diễm Mi


Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):
Đóng góp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho các nghiên cứu xử lý NOx phát thải từ
động cơ đốt trong. Kết quả này có thể là tiền đề cho việc áp dụng xử lý NOx cho động
cơ đốt trong, các lò nung gốm sứ và lò hơi.

Xác nhận của lãnh đạo khoa
(ký, họ và tên)

Ngày tháng năm 2014

Người hướng dẫn
(ký, họ và tên)

Đỗ Quang Thắng


UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:

Họ và tên: VƯƠNG DIỂM MI.
Sinh ngày: 25 tháng 03 năm 2014.
Nơi sinh: Thuận An.
Lớp:

C12HO01

Khoa:

Khóa: 2012 - 2015

Khoa học Tự nhiên.

Địa chỉ liên hệ: Khu phố Tân Mĩ, thị trấn Thái Hòa, huyện Tân Un, tỉnh Bình
Dương.
Điện thoại:

0128.561.5075

Email:

II. Q TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm
đang học):
* Năm thứ 1:
Ngành học: SP Hóa

Khoa: Khoa học tự nhiên.

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích: Học lực: Khá
Rèn luyện: Giỏi
* Năm thứ 2:
Ngành học: SP Hóa

Khoa: Khoa học tự nhiên.

Kết quả xếp loại học tập: Giỏi
Sơ lược thành tích: Học lực: Giỏi
Rèn luyện: Giỏi

Xác nhận của lãnh đạo khoa
(ký, họ và tên)

Ngày tháng năm 2014
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)


Vương Diễm Mi
DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI.
STT

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Bùi Thuy Trang

1210930041

C12HO01

Tự nhiên

2

Nguyễn Thanh Ngọc

1210930025

C12HO01

Tự nhiên

3

Đinh Thị Nhung

1220950047

D12HO01

Tự nhiên

4

Lê Thị Quỳnh Như

1220950027

D12HO01

Tự nhiên


i

MỤC LỤC
Mục lục............................................................................................................................ i
Danh mục những từ viết tắt.........................................................................................iii
Danh mục bảng biểu.....................................................................................................iv
Danh mục hình............................................................................................................... v
MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 1
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.................................................1
1.1. Ngồi nước...............................................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam............................................................................2
2. Lý do lựa chọn đề tài...................................................................................................3
3. Mục tiêu đề tài.............................................................................................................4
4. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................5
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................................5
6. Bố cục của đề tài..........................................................................................................5
CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT...............................................................................7
1.1. CÁC TÁC NHÂN Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ TRONG KHĨI THẢI ĐỘNG CƠ.....7
1.1.1. Các tác nhân ô nhiễm sơ cấp do giao thông...........................................................7
1.1.2. Ô nhiễm thứ cấp....................................................................................................9
1.2. MỘT SỐ KẾT QUẢ VỀ QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ TẠI CÁC
ĐƠ THỊ Ở VIỆT NAM.................................................................................................10
1.3. MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ QUÁM TRÌNH XÚC TÁC........................................12
1.3.1. Khái niệm và đặc điểm của hiện tượng xúc tác....................................................12
1.3.2. Định nghĩa xúc tác dị thể.....................................................................................14
1.3.3. Các giai đoạn phản ứng dị thể..............................................................................14
1.3.4. Hấp phụ - giai đoạn tiền xúc tác..........................................................................14


ii
1.3.5. Vai trò của hấp phụ..............................................................................................15
1.3.6. Các phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác.........................................................16

1.3.6.1. Đưa pha hoạt động xúc tác vào chất mang........................................................16
1.3.6.2. Sấy.................................................................................................................... 18
1.3.6.3. Nung và khử hoặc oxi hóa................................................................................19
1.4. BỘ XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG...................19
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM.................................................................................21
2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ................................................................21
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................................................................22
2.2.1. Phương pháp điều chế xúc tác.............................................................................22
2.2.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác khi xử lí NOx phát thải từ động cơ xe máy...............24
2.2.3. Khảo sát các đặc điểm cấu trúc, hình thái xúc tác................................................28
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ - BIỆN LUẬN..................................................................29
3.1. KHẢO SÁT ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG.....................................................29
3.2. VAI TRÒ CỦA BaO..............................................................................................30
3.3. KHẢO SÁT HÀM LƯỢNG Mn ĐẾN ĐỘ CHUYỂN HÓA NOx.........................31
3.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ NUNG ĐẾN CHUYỂN HÓA NOx.......35
3.5. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NUNG ĐẾN ĐỘ CHUYỂN HĨA
NOx............................................................................................................................... 36
3.6. KHẢO SÁT THỰC TẾ HOẠT TÍNH CỦA XÚC TÁC TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG......................................................................................................................... 37
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................42


iii
DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
VOCs: Volatile Organic Compounds.
BVMT: Bảo Vệ Môi Trường.
HC: hydrocarbon.
ĐHQG TpHCM: Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh.
PAHs: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons.

Vụ KHCN&MT: Vụ Khoa Học Công Nghệ và Môi Trường.
Bộ GTVT: Bộ Giao Thông Vận Tải.
QCVN: Qui Chuẩn Việt Nam.
BTNMT: Bộ Tài Nguyên Môi Trường.
Trạm QT&PTMT: Trạm Quan Trắc Và Phân Tích Mơi Trường.
NSR: NOx Storage and Reduction.


iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về các hệ xúc tác phân
hủy nhiệt trực tiếp..........................................................................................................1
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn phân biệt HPHH và HPVL........................................................15
Bảng 2.1: Hóa chất cần dùng cho điều chế mẫu xúc tác và chuẩn độ NOx....................21
Bảng 2.2:Dụng cụ - thiết bị cần dùng cho điều chế mẫu xúc tác và
chuẩn độ Nox................................................................................................................. 21
Bảng 2.3: Các loại mẫu xúc tác được điều chế..............................................................24
Bảng 3. 1: Hiệu suất chuyển hóa NOx sau khi qua mẫu cát trong
thời gian 30 phút............................................................................................................29
Bảng 3.2: Độ chuyển hóa NOx của mẫu Ba/Al theo thời
gian sử dụng xúc tác (phút)...............................................................................................32
Bảng 3.3: Kết quả độ chuyển hóa Nox của các hệ xúc tác khi thay
đổi hàm lượng Mn ..........................................................................................................33
Bảng 3.4: Diện tích bề mặt BET của các mẫu................................................................33
Bảng 3.5: Kết quả độ chuyển hóa NOx của các hệ xúc tác khi
thay đỗi nhiệt độ nung.....................................................................................................35
Bảng 3.6: Kết quả độ chuyển hóa NOx của các hệ xúc tác khi
thay đỗi nhiệt độ nung....................................................................................................36
Bảng 3.7: Độ chuyển hóa NOx của mẫu 0.5MnBa/Al khi thay đổi
số lần tẩm nhúng.............................................................................................................37

Bảng 3.8: Độ chuyển hóa NOx của mẫu 0.5MnBa/Al(600-4) khi thay đổi
vị trí đặt bộ xúc tác cach cổ góp pơ................................................................................38


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các nguồn phát thải NOX ở BaLan năm 2007...................................................9
Hình 1.2. Số lượng ơ tơ và xe máy hoạt động hàng năm ở Việt Nam............................11
Hình 1.3. Diễn biến nồng độ NO2 ven các trục giao thông ở một số đơ thị Việt Nam....12
Hình 1.4. Trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động Quốc gia tại Huế...................12
Hình 1.5. Cấu tạo của bộ xúc tác xử lý khí thải động cơ................................................20
Hình 2.1. Mẫu gốm tổ ong trước và sau khi tẩm nhúng hóa chất...................................23
Hình 2.2. Ống phản ứng chứa hệ xúc tác.......................................................................25
Hình 2.3. Máy phân tích các thơng số khí thải tự động..................................................26
Hình 2.4. Hệ thống khảo sát khả năng chuyển hóa NOX................................................27
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 0.5 MnBa/Al......................................................31
Hình 3.2. Ảnh SEM của các mẫu xúc tác.......................................................................34
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn độ chuyển hóa NOx của mẫu 0.5 MnBa/Al bột và các mẫu 0.5
MnBa/Al được tẩm nhúng trên gốm tổ ong. ..................................................................38


1
MỞ ĐẦU

1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

1.1 Ngoài nước
Bảng 1.1 Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về các hệ xúc tác phân hủy nhiệt
trực tiếp NOx trên thế giới

Hệ xúc tác

Điều kiện nghiên

Kết quả chuyển hóa

cứu

- Diện tích bề mặt của các mẫu Mo2C mang
- Nồng độ NO đầu

trên chất mang alumine cao hơn mẫu Mo2C.

Mo2C và

vào 1000, 2000 hoặc

Mo2C/Al2O3

3000ppm/He.

[11]

- Tốc độ dịng khí

- Khi nồng độ NO càng thấp, xúc tác Mo2C

3

và Mo2C/Al2O3 có hoạt tính cao đối với q

50cm /min.

-Hoạt tính xúc tác giảm dần theo hàm lượng
Mo2C.

trình phân hủy NO trong nhiệt độ thấp.
- Sự chuyển hóa NO và hiệu suất N2 tăng
nhanh theo hàm lượng BaO và hiệu suất N 2
BaO/Y2O3
[12]

- Nồng độ đầu vào

cao nhất khi BaO chiếm 5% mol. Khi khối

0.1- 1.0%NO trộn lẫn lượng BaO lớn hơn 5% mol thì hiệu suất
giảm nhẹ dần.
với He.
- Sự chuyển hóa NO tăng dần theo nhiệt độ
trên 873K và đạt giá trị 90% tại 1123K.

La1−xCexSrN-

- mxúc tác= 0.5-0.8g với - Hoạt tính tăng dần theo nồng độ Ce trong

iO4 (0 ≤ x ≤

nồng độ NO đầu vào

0.3) [13]

khoảng x < 0.3, và cao nhất 30% khi x = 0.3.

16%NO/He+0-6%O2, - Hoạt tính giảm dần khi x > 0.3 và khi x ≥
và tốc độ dịng khí
0.5 thì hầu như khơng cịn hoạt tính (khi x ≥
25-40ml/min.


2
0.5 thì dạng CeO2 xuất hiện).
- Ba/Co3O4 có hoạt tính cao nhất, Ba/CeO2 có
hoạt tính cao thứ hai trong các xúc tác
-

- Khối lượng xúc tác
0.5g, dạng bột, kích
thước 10-22mesh.

Ba/hỗn hợp -

- Nồng độ đầu vào

oxide với

5000-5800ppm NO,

CeO2 [14]

0-5%O2, và He.
- Tốc độ dịng khí
30ml/min.

Ba/oxide kim loại khác (Al, Si, Ti, Mn, Fe,
Cr) tại nhiệt độ 700oC.
- Kết quả khảo sát Ba/Co - kim loại (Ce, Mn,
Fe, Ni, Cu) cho thấy hoạt tính có tăng, trong
đó xúc tác Ba/Co-Ce cho hoạt tính cao nhất ở
700oC.
- Kết quả khảo sát Ba/Ce - kim loại (Cr, Mn,
Fe, Ni, Zr, Sm) cho thấy hoạt tính thay đổi,
Cr làm cho hoạt tính giảm, cịn các kim loại
cịn lại làm cho hoạt tính tăng rất ít, trong đó
xúc tác Ba/Ce-Mn (0.5) cho hoạt tính cao
nhất ở 700oC.

1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Các nghiên cứu của tác giả Trần Văn Nhân, lại đi theo hướng xử lý NOx bằng
phương pháp khử chọn lọc NOx bằng C3H6 (SCR NOx) trong khoảng nhiệt độ từ 2006000C đã được khảo sát. Các hệ xúc tác mà các nhóm tác giả này đã tiến hành chủ yếu
dựa trên một số kim loại quý hoặc hệ zeolit (đã gặp khó khăn khi hoạt động trong điều
kiện các nguồn thải di động và/ hoặc có hàm lượng H 2O cao) [15]. Mặt khác hệ xúc
tác Cu/ZSM-5 này chỉ có hoạt tính cao trong vùng nhiệt độ phản ứng cao (500-6000C).
Tác giả Lê Văn Lữ, Lê Văn Tiệp, lại đi theo hướng chế tạo hệ xúc tác xử lý khí
thải lị đốt rác gồm hai lớp xúc tác được bố trí nối tiếp: phía trước là lớp xúc tác khử
NOx (SCR NOx) và phía sau là lớp xúc tác ơxy hố. Thành phần của hệ xúc tác này
được chế tạo trên cơ sở ơxít các kim loại chuyển tiếp (Cu, Ni, Cr, Co…) mang trên


3

hỗn hợp ơxít nhơm và cao lanh. Tuy nhiên xúc tác loại này khơng thích hợp với việc
xử lý khí thải từ động cơ sử dụng dầu diesel hay xăng vì thành phần khí thải của lị đốt
rác khơng giống với khí thải động cơ dầu diesel, và khó điều chỉnh tỷ lệ ơxy/chất khử
ở tỷ lệ thích hợp cho xúc tác hoạt động tốt [16].
Cuối năm 2011 Nguyễn Đức Hùng và Đào Khánh Dư đã công bố tổng hợp được
hộp xúc tác có diện tích bề mặt là 2,32m2 bằng phương pháp mạ niken nano composit
với cesi đioxit. Giai đoạn đầu CeO2 được nghiền trong cối bi sứ. Sau thời gian 48h
nghiền kích thước hạt của CeO2 ở khoảng 115-339nm. Hàm lượng 4-8 g/l CeO2 sau
nghiền được pha vào bể mạ niken với anod là niken và nền mạ là mẫu sắt tráng kẽm
rồi dung dịch được đun nóng đến khoảng nhiệt độ 40-50 0C. Khối lượng CeO2 mạ trên
thép lá được xác định trong vùng 3,39-6,74%. Khi thử nghiệm hộp xúc tác này trên
động cơ diesel của Toyota, khơng có cảm biến oxi cho tháy lượng giảm phát thải trung
bình HC và CO là 100 ppm ứng với hiệu suất chuyển hóa 41% và 67%.[17].
Trong nghiên cứu gần đây, chúng tơi đã có những nghiên cứu bước đầu trên hệ
xúc tác MnOx/BaO/Al2O3 và Pt/ MnOx/BaO/CeO2/Al2O3. Kết quả thu được cho thấy
hàm lượng Mn, sự phân bố của Ba trên bề mặt và diện tích bề mặt BET đóng vai trị
quan trọng đối với hoạt tính xử lý NO x theo con đường phân hủy nhiệt của các hệ xúc
tác nghiên cứu. Hiệu suất chuyển hóa NO x trên các hệ xúc tác xMnBa/Al (x là tỉ lệ
mol của Mn/Ba) đạt được giá trị cao nhất là 55% với hệ 0,5MnBa/Al. Hàm lượng Mn
thấp hơn hoặc cao hơn đều làm giảm hoạt tính chuyển hóa NO x. Khả năng xử lý NOx
giảm mạnh đối với mẫu có hàm lượng Mn thấp (x = 0,1) cho thấy oxit mangan chính
là tâm hoạt tính của hệ xúc tác này. [20-21].


4
2. Lý do lựa chọn đề tài
Hiê ̣n nay, vấn đề ơ nhiễm mơi trường khơng khí đang trở nên ngày càng trầm trọng
và nguy hiểm ở 5 tỉnh TP. Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đà Nẵng và Hải
Phịng. Ngoài ra, biến đổi khí hậu cũng đặt ra các thách thức mới cho việc kiểm sốt ơ
nhiễm khơng khí và có thể gây nên rất nhiều thiệt hại cho con người, tài nguyên và môi

trường ở đất nước ta trong tương lai. [3,10].
Ngày nay, vấn đề ô nhiễm từ việc đốt cháy nhiên liệu bằng động cơ đốt trong đang
trở nên ngày càng nguy hiểm. Việc sử dụng động cơ đốt trong hiện nay là không thể thay
thế trong các phương tiện giao thông, nhà máy điê ̣n và trong các q trình sản xuất cơng,
nơng, ngư nghiệp. Các tác nhân chính trong khí thải thốt ra từ quá trình đốt xăng, dầu và
các loại nhiên liệu khác bằng các loại động cơ đốt trong, các lò cơng nghiệp đều là các tác
nhân có độc tính như CO, HC, các oxit nitơ NOx, PM...; gây ra rất nhiều thiệt hại cho con
người, các hệ sinh thái và môi trường chung. Hiện nay các bộ xúc tác xử lý khí thải cho
động cơ đốt trong đã có mặt tại Việt Nam thì đắt tiền, địi hỏi cơng nghệ cao trong quá
trình chế tạo và đều phải nhập từ nước ngoài nên chưa thể phù hợp cho việc ứng dụng ở
đất nước ta. . [1-3].
Trong quá trình tổng hợp tài liệu, chúng tơi nhận thấy có rất ít các nghiên cứu tại
Việt Nam sử dụng các oxit kim loại chuyển tiếp không quá đắt tiền để xử lý NO x theo con
đường phân hủy nhiệt trực tiếp. Các nghiên cứu về xử lý NO x theo con đường phân hủy
nhiệt trực tiếp, đều đang ở trong giai đọan thí nghiệm hay bước đầu ứng dụng thực tiễn
đều chưa hòan chỉnh và cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện theo quy định nghiêm ngặt của
các tiêu chuẩn khí thải mới. Do đó nhiệm vụ hết sức quan trọng và cấp bách mà đề tài sẽ
hướng đến giải quyết là nghiên cứu các hệ xúc tác oxit kim loại không quá đắt tiền rất phù
hợp với điều kiện ở đất nước ta và là hướng nghiên cứu, không chỉ phục vụ cho lợi ích
kinh tế mà cịn góp phần bảo vệ môi trường.
3. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu tổng hợp và xác định hoạt tính của hệ xúc tác để xử lý khí thải động cơ
xe máy. Sử dụng các nguyên vật liệu thông dụng, rẻ tiền là các muối vô cơ nhưng chế tạo


5
đươc bộ xúc tác đảm bảo xử lý được khí thải NOx theo con đường phân hủy nhiệt trực
tiếp.
Bên cạnh việc khảo sát hoạt tính chuyển hóa NO x trên các hệ xúc tác ở phịng thí
nghiệm, chúng tơi cũng tiến hành khảo sát khả năng ứng dụng thực tế của xúc tác trên

động cơ xe máy.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp và nghiên cứu hệ xúc tác trên cơ sở oxit của Mn phối hợp với BaO để xử lý
NOx trong điều kiện có oxy nhằm tìm kiếm hệ xúc tác tốt trong việc phân hủy NOx.
- Phương pháp tổng hợp xúc tác: Xúc tác sẽ được tổng hợp theo phương pháp kết tủa lắng
đọng từ các muối vô cơ.
- Phương pháp khảo sát các đặc trưng cơ bản của hệ xúc tác: Thành phần, cấu trúc và hình
thái bề mặt của các hệ xúc tác được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và SEM.
Diện tích bề mặt sẽ được tiến hành đo bằng phương pháp hấp phụ N2 (BET).
- Phương pháp xác định hàm lượng khí NOx được đo bằng máy phân tích các thơng số khí
thải tự động.
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các xúc tác trên cơ sở oxit kim loại của Ba và Mn với chất mang là γ-Al2O3.
Tổng hợp được vật liệu xúc tác phân hủy trực tiếp NOx trên động cơ xe máy ở qui
mơ phịng thí nghiệm.
6. Bố cục của đề tài
Các công việc và kết quả khoa học của đề tài này được trình bày như sau. Ở chương 1
“Tổng quan” chúng tơi trình bày phần tổng quan về các vấn đề liên quan đến khí thải từ
động cơ đốt trong trước khi nhấn mạnh lí do vì sao vấn đề xử lý NOx trong điều kiện dư
oxy lại trở nên đặc biệt quan trọng. Bên cạnh đó, các vấn đề tổng quan về các phương
pháp xử lý NOx, tổng quan về xúc tác và các hệ xúc tác được sử dụng để xử lý NO x cũng


6
được chúng tôi tổng hợp kỹ lưỡng. Các kết quả ở phần tổng quan có ý nghĩa hết sức quan
trọng trong việc định hướng mục tiêu của đề tài.
Chương 2 “Thực nghiệm” sẽ mô tả cẩn thận những vấn đề liên quan đến thực nghiệm từ
hóa chất, thiết bị, phương pháp giúp chúng tơi có thể thực hiện các cơng việc then chốt để
giải quyết các mục tiêu chính của đề tài đã được đặt ra. Các nhiệm vụ chính của phần thực
nghiệm là tổng hợp các hệ xúc tác. Sau đó tiến hành xây dựng mơ hình khảo sát khả năng

xử lý NOx trong điều kiện dư oxy trong quy mơ phịng thí nghiệm và trên động cơ thật.
Chương 3 “Kết quả - Thảo luận”sẽ trình bày kỹ lưỡng các kết quả quan trọng của đề tài
này bao gồm các khảo sát về ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng, ảnh hưởng của thành
phần xúc tác đến khả năng xử lý NOx trên mẫu bột. Các kết quả này giúp chúng tơi tối ưu
hóa được thành phần của hệ xúc tác trước khi tiến hành chế tạo bộ xúc tác bằng phương
pháp tẩm khuếch tán lên mẫu gốm tổ ong để thử nghiệm trên động cơ xe máy. Các kết
quả cũng được chúng tôi biện luận và nhận xét kỹ lưỡng dựa trên những luận điểm và
thông tin khoa học mà chúng tơi có được.


7
Chương 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.

Các tác nhân ô nhiễm không khí trong khói thải động cơ

1.1.1. Các tác nhân ơ nhiễm sơ cấp do giao thơng
Q trình tiêu thụ nhiên liệu trong động cơ đốt trong phát thải ra môi trường rất nhiều loại
chất thải độc hại. Chúng không những ảnh hưởng trực tiếp lên sức khỏe con người, mà
còn là nguồn gốc phát sinh ra các dạng ô nhiễm thứ cấp khác gây ảnh hưởng trên qui mơ
tồn cầu [1,3]. Trong phần này, chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược về cơ chế hình thành và
tác hại của một số loại khí độc chiếm phần lớn trong khói thải động cơ như CO, SO 2,
hydro cacbon HC và NOx.
a. Carbon monoxide (CO).
Carbon monoxide CO là khí khơng màu, khơng mùi, sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu chứa
cacbon ở điều kiện thiếu khơng khí hoặc các điều kiện kỹ thuật không được khống chế
nghiêm ngặt như nhiệt độ cháy, thời gian lưu khí ở vùng nhiệt độ cao, hàm lượng oxy
trong khí cháy thấp…[Error: Reference source not found].
Đối với con người, CO tác dụng mạnh với hồng cầu (hemoglobin), làm mất khả năng vận

chuyển oxy của máu. Ngộ độc CO nhẹ (<1% CO) để lại chứng hay quên, thiếu máu. Ngộ
độc nặng gây ngất, tê liệt tay chân và có thể dẫn đến tử vong. Thực vật ít nhạy cảm hơn
con người và động vật, chỉ khi nồng độ CO cao (từ 100-1000ppm) cây cối mới bị rụng lá,
xoắn quăn, chậm phát triển và cây non chết yểu [Error: Reference source not found] .
b. Khí sunfurơ (SO2).
SO2 là chất khí khơng màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1 ppm. Khí
SO2 được sinh ra khi đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh, cụ thể như xăng dầu hay
diesel [Error: Reference source not found]. Mặc dù lượng SO2 sinh ra từ các phương tiện
giao thông chỉ chiếm một hàm lượng rất nhỏ so với sự phát thải SO 2 từ các nguồn khác,
tuy nhiên sự hiện diện của SO 2 có thể làm giảm mạnh tuổi thọ của động cơ và cả tuổi thọ
của các hệ xúc tác xử lý khí phát thải từ động cơ [2].


8
SO2 có khả năng hịa tan trong nước cao nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của người
và động vật. Ở nồng độ thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, kích thích hơ hấp của con người và
động vật. Với nồng độ cao, SO 2 gây ho, tức thở và có thể dẫn đến tử vong. Ngồi ra, SO 2
còn làm thiệt hại mùa màng, nhiễm độc cây trồng và cịn là tác nhân chính gây nên mưa
axit [Error: Reference source not found].
c. Hydro carbon (HC).
Trong các động cơ ôtô và các loại phương tiện khác, các hợp chất HC sinh ra chủ yếu do
q trình cháy khơng hồn toàn, phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng O 2 [2]. Các hợp
chất hữu cơ thường rất độc đối với cơ thể con người và vật. Một số chất hữu cơ như
benzene và PAHs có thể là nguyên nhân gây ung thư cho con người. Một số hợp chất hữu
cơ halogen là xúc tác cho quá trình phân hủy ozone ở tầng bình lưu; và aldehyde sinh ra
từ sự cháy khơng hồn tồn là một yếu tố ơ nhiễm mùi, gây cảm giác khó chịu, có thể dẫn
đến nhiễm độc và là nguyên nhân gây bệnh cho con người. Bên cạnh đó, các hợp chất hữu
cơ bay hơi VOCs cũng là yếu tố đáng lo ngại trong việc hình thành sương mù quang hóa
[Error: Reference source not found,2].
d. Oxit nitơ (NOx).

Nitơ tạo với oxy rất nhiều loại oxit nitơ. Tuy nhiên, việc đốt nhiên liệu trong các động cơ
đốt trong chủ yếu hình thành NO và NO 2. Ở nhiệt độ cao, nitơ kết hợp với oxy tạo thành
monoxide nitơ. Trong quá trình đốt ở động cơ, ban đầu chỉ có NO được hình thành. Sau
khi ra khỏi buồng đốt, ở nhiệt độ thấp hơn 6000C, NO mới bị oxy hóa thành NO2 [1,4].
Đối với sức khỏe con người, NO có thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng
cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy, gây bệnh thiếu máu. NO ở hàm lượng
cao rất dễ bị oxy hóa thành NO 2, một loại khí có tính kích thích. Khi tiếp xúc với niêm
mạc, NO2 tạo thành axit qua đường hô hấp hoặc hịa tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu
hóa, sau đó vào máu, có thể gây nguy hiểm cho tim, phổi và gan tùy vào hàm lượng . NO
và NO2 cũng là hai thành phần quan trọng trong quá trình hình thành khói quang hóa, gây
ra mưa axit, và tham gia vào việc phá hủy tầng ozone [Error: Reference source not found,
2].


9
Từ hình 1 ta thấy rằng sự phát thải NOx ở Ba Lan trong năm 2007 chủ yếu là do khí thải
thốt ra từ các phương tiện giao thơng và nhà may điê ̣n [4].

Hình 1.1. Các nguồn phát thải NOx ở Ba Lan trong năm 2007[4].
1.1.2. Ô nhiễm thứ cấp
Từ các chất ô nhiễm sơ cấp (mục 1.1) phát sinh ra rất nhiều dạng ô nhiễm thứ cấp.
Tuy nhiên, phần này chúng tơi chỉ trình bày hai dạng ơ nhiễm thứ cấp có liên quan đến
NOx, gồm có mưa axit và sương mù quang hóa.
a.

Mưa axit.

Nước mưa sạch thường có độ pH vào khoảng 5-5.6 do CO 2 trong khơng khí hịa tan
vào. Tuy nhiên, khi trong thành phần khơng khí có SO 2 hoặc NOx, chúng sẽ phản ứng với
hơi nước sinh ra các axit như H2SO4, H2SO3, HNO3 hoặc HNO2 làm cho các giọt mưa

mang tính axit. Những axit này do tác dụng của gió cùng với mây di chuyển khắp nơi rồi
rơi xuống mặt đất cùng với các hạt mưa, được gọi là mưa axit. Và cũng vì sự di chuyển
đó mà hậu quả của mưa axit có tính đa vùng, đa quốc gia [Error: Reference source not
found].
Đối với môi trường xung quanh, mưa axit làm tăng độ axit của đất, phá hủy sự cân
bằng sinh thái, hủy diệt rừng, mùa màng, làm hỏng cầu cống, nhà cửa và các cơng trình
kiến trúc. Với con người và động vật, mưa axit có thể gây nguy hiểm đối với hệ thần kinh.


10
Ngồi ra, mưa axit hịa tan các kim loại nặng trong nước, đất, đưa các kim loại đó vào
trong chuỗi thức ăn, gây nhiễm độc cho con người và động vật [Error: Reference source
not found].
b.

Sương mù quang hóa (photochemical smog).

NOx và các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) là hai tiền chất trong việc hình thành
sương mù quang hóa. Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, NO x và VOCs tương tác với
nhau tạo ra hỗn hợp gồm hàng trăm chất độc hại khác nhau, thường gọi là chất ô nhiễm
thứ cấp như Ozone (O3), peroxyacetyl nitrate (PAN), peroxybenzoy nitrate (PBN),
hydrogen peroxide (H2O2), formic acid và các ô nhiễm dạng vết khác [Error: Reference
source not found].
VOCs + ánh sáng + NO2 + O2 → O3 + NO + CO2 + H2
Sự hình thành và tồn tại của các chất ô nhiễm thứ cấp như trên ở nồng độ cao trong
tầng đối lưu tạo nên hiện tượng sương mù quang hóa. Ngồi hai tiền chất NO x, VOCs thì
thời gian trong ngày và các yếu tố khí tượng như mưa, gió, địa hình, nghịch đảo nhiệt
cũng là điều kiện cần thiết góp phần hình thành nên sương mù quang hóa. Trong đó,
nghịch đảo nhiệt là yếu tố đáng lo ngại nhất vì nó làm tăng mức độ trầm trọng của hiện
tượng sương mù quang hóa. Vào những thời điểm nắng nóng kết hợp với mật độ phương

tiện lưu thơng cao, lượng O 3 và các chất độc hại khác được sinh ra nhiều. Lúc đó, nếu
nghịch đảo nhiệt xảy ra, các chất như O3 hay PAN, PBN…tồn tại dày đặc trong lớp khơng
khí sát mặt đất mà khơng phát tán lên cao được cho đến khi lớp nghịch nhiệt bị phá vỡ.
Do đó, sương mù quang hóa có thể bị kéo dài trong vòng vài ngày đến vài tuần do nghịch
đảo nhiệt [1,2].
Sương mù quang hóa được đặc trưng bởi hàm lượng Ozone trong khơng khí. Đối với
sức khỏe con người, ở nồng độ thấp, Ozone làm cay mắt, mũi; nồng độ Ozone càng cao
thì mức độ tổn thương tới phổi càng nghiêm trọng. Thực vật nhạy cảm với Ozone hơn con
người. Ở nồng độ thấp gần mặt đất, Ozone có thể hủy hoại lá cây, làm giảm sự phát triển,
khả năng sinh sản, quá trình sinh sản và tính đề kháng của cây. Sương mù quang hóa cũng
là một yếu tố làm tăng hiệu ứng nhà kính và mưa acid [1,8].


11
1.2. Một số kết quả về quan trắc chất lượng khơng khí tại các đơ thị ở Việt Nam.
Ở nước ta trong thời gian hơn 10 năm qua, cùng với q trình cơng nghiệp hóa,
hiện đại hóa đất nước là q trình đơ thị hóa tương đối nhanh. Các hoạt động phát triển
công nghiệp kinh tế xã hội tập trung chủ yếu ở các đô thị, kéo theo dân số tăng nhanh và
kèm theo là sự bùng nổ giao thông cơ giới ( động h) gây ra các vấn ô nhiễm khơng khí
trầm trọng. Trong phần này, chúng tơi chỉ trình bày số liệu quan trắc một số khí độc hại
tại các đô thị như CO, SOx, HCs và NO2 [9,10].
Ở những đơ thị lớn có mật độ phương tiện giao thơng cao như TP.Hồ Chí Minh và
Hà Nội, nồng độ NO2 trong khơng khí cao hơn hẳn những đơ thị khác (ác tr). Nồng độ
NO2 ở gần các trục đường giao thông cao hơn hẳn các khu vực khác, chứng tỏ NO 2 phát
sinh chủ yếu từ các hoạt động giao thông trong thành phố. Kết quả quan trắc NO 2 tại
TPHCM cơng bố năm 2010 cho thấy có đến 42% giá trị quan trắc không đạt quy chuẩn
(QCVN 05:2009/Bộ TNMT), nồng độ trung bình dao động từ 0.16 đến 0.23
mg/m3[6,9,10].

.

Hình 1.2. Số lượng ơtơ và xe máy hoạt động hàng năm ở Việt Nam.
Nguồn:Cục đăng kiểm Việt Nam và vụ KHCN&MT, Bộ GTVT, năm 2009[10].


12

Hình 1.3. Diễn biến nồng độ NO2 ven các trục giao thông ở một số đô thị Việt Nam
Nguồn:Các trạm QT&PTMT vùng – Mạng lưới QT&PTMT quốc gia, 2010[13]

Hình 1.4. Trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động Quốc gia tại Huế [10]
1.3. Một số kiến thức về quá trình xúc tác.
1.3.1. Khái niệm và Đặc điểm của hiện tượng xúc tác [5,7]
Hiện tượng xúc tác là sự thay đổi tốc độ phản ứng hóa học bằng những chất gọi là
chất xúc tác tham gia vào các giai đoạn trung gian của phản ứng theo cơ chế vịng (chu kì)
nhưng sau phản ứng được bảo toàn về lượng và bản chất hóa học .


13
Phân loại xúc tác (theo pha phản ứng) gồm xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Trong
việc xử lý khí thì các xúc tác sử dụng thường là xúc tác dị thể. Do đó trong phần tổng
quan này chỉ tập trung giới thiệu về xúc tác dị thể. Có thể nêu một số đặc điểm của xúc
tác dị thể như sau:
a. Tính đặc thù:
Xúc tác là hiện tượng đặc thù và chất xúc tác có tính đặc thù rất cao. Rất nhiều chất
xúc tác chỉ thể hiện hoạt tính đối với một hoặc một nhóm phản ứng nhất định.
b. Tính đa năng:
Bên cạnh đó, cũng có một số chất xúc tác hoạt động trong nhiều phản ứng khác
nhau. Ví dụ, các axit rắn là những chất xúc tác cho một loạt các phản ứng như crackinh,
đồng phân hoá, thuỷ phân, đehiđrat hoá các ancol, ankyl hoá và nhiều phản ứng khác; các
xúc tác trên cơ sở kim loại Ni rất hoạt động trong các phản ứng hiđro hoá v.v…Tuy

nhiên, cần nhấn mạnh là đối với những chất xúc tác đa năng kể trên hoạt tính của chúng
thể hiện khác nhau rất nhiều trong các chuyển hoá cụ thể của các hợp chất khác nhau.
c. Tính đa dạng:
Thành phần hoá học của các chất xúc tác rất đa dạng; có thể nói, hầu hết các nguyên
tố trong bảng tuần hồn các ngun tố đều có thể là chất xúc tác hoặc cấu tử của các chất
xúc tác. Chất xúc tác có thể ở dạng ngun tố, ví dụ các xúc tác kim loại hoặc kim loại
trên chất mang trơ; ở dạng hợp chất đơn giản như các oxit, các sunfua …; ở dạng các hợp
chất phức tạp hơn như các phức chất mà cũng có thể ở dạng các hợp chất sinh-hữu cơ
phức tạp hơn nhiều như các enzim.
d. Tính khơng thay đổi trạng thái nhiệt động:
Một đặc điểm hết sức quan trọng của hiện tượng xúc tác là, dù tham gia vào các
tương tác trung gian với các tác chất, các chất xúc tác vẫn bảo toàn được thành phần hố
học và khơng bị tiêu hao. 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