Chế tạo xúc tác CuO mang trên nền vật liệu được tổng hợp từ bùn đỏ và tro trấu để xử lý benzene, toluene và xylene trong pha khí

• Xem thêm nội dung liên quan đến chủ đề "xúc tác"

Các chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile organic compounds - VOCs) được biết đến như chất gây ô nhiễm không khí ngoài trời. Các hợp chất hydrocarbon VOCs là khí nhà kính gây nên sự biến đổi khí hậu. Mặt khác, các VOCs thơm như benzene, toluene và xylene có thể gây ung thư và bệnh bạch cầu khi tiếp xúc lâu dài. Các hợp chất VOCs được phát thải ra từ quá trình đốt chất nhiên liệu như xăng dầu, gỗ, than đá, hoặc khí thiên nhiên. Các khí nhà kính, bao gồm BTX (benzene, toluene và xylene), sinh ra từ hoạt động của con người gây tác động rất lớn cho việc biến đổi khí hậu từ giữa thế kỷ 20. Vì thế, nghiên cứu những phương pháp và những xúc tác để giảm sự phát thải VOCs là một trong những phương pháp cấp bách hiện nay. Trong đó, quá trình oxy hóa bằng xúc tác được xem là một trong những phương pháp xử lý triệt để VOCs.

Hiện nay, việc tận dụng nguồn silica thu được từ tro trấu, kết hợp với lượng nhôm dư trong bùn đỏ để tạo ra một phần cấu trúc zeolite cho vật liệu thu được, nâng cao các tính chất hóa lý để chế tạo xúc tác dựa trên hệ chất mang này cho phản ứng oxy hóa xử lý BTX ở nhiệt độ thấp là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới và có giá trị thực tế rất cao. Vì vậy, nhóm nghiên cứu tiến hành hoạt hóa, tổng hợp vật liệu trong hiện trạng kiềm dư của bùn đỏ; quá trình oxy hóa hoàn toàn benzene, toluene và p-xylene được thực hiện với vật liệu tổng hợp từ bùn đỏ và tro trấu biến tính sử dụng làm xúc tác. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng của sản phẩm vào quy mô công nghiệp là rất cao.

Từ các kết quả các tính chất lý và hoạt tính xúc tác trong phản ứng oxy hóa sâu benzene, toluene và p-xylene ở vùng nhiệt độ 275-400⁰ C trong môi trường có và không có hơi nước và SO₂, đề tài đã điều chế được các hệ xúc tác Cu(U)/ZRM, CeCe/ZRM và CuCe(U) bằng phương pháp tẩm với thành phần và nhiệt độ nung thích hợp. Các xúc tác được điều chế có diện tích bề mặt riêng và độ xốp trung bình với kích thước hạt nano và có độ đồng đều khá cao (10-30 nm). Việc bổ sung tiền chất urea với tỉ lệ urea/nitrate = 2 và phụ gia 3 %kl CeO₂ giúp tăng khả năng phân tán các oxide kim loại hoạt động, giảm kích thước hạt và xúc tác dễ khử hơn, từ đó làm tăng hoạt tính các xúc tác.

Các xúc tác trên cơ sở CuO/ZRM đã được điều chế đều có hoạt tính cao trong phản ứng oxy hóa sâu benzene, toluene và p-xylene. Trong đó xúc tác 5Cu3Ce(2U)-500-3 (có 5 %kl CuO, 3 %kl CeO₂ được điều chế với tỉ lệ urea/nitrate = 2 và được nung ở 500⁰C trong 3 giờ) có hoạt tính cao nhất. Trên xúc tác này, độ chuyển hóa BTX cao (>90%) ở nhiệt độ phản ứng ≤400⁰C, cụ thể: đạt độ chuyển hóa >90% đối với benzene ở 400⁰C; toluene 375⁰C; và p-xylene 350⁰C. Hơi nước có mặt trong hỗn hợp phản ứng đã hấp phụ cạnh tranh với các tác chất trên bề mặt xúc tác đã kìm hãm phản ứng oxy hóa sâu benzene, toluene và p-xylene trên xúc tác 5Cu3Ce(2U)-500-3, nhưng hơi nước ảnh hưởng không mạnh đến hoạt tính xúc tác và chỉ ảnh hưởng ở vùng nhiệt độ phản ứng ≤275⁰C. Hỗn hợp hơi nước và SO₂ có mặt trong hỗn hợp phản ứng đã đầu độc làm giảm hoạt tính xúc tác 5Cu3Ce(2U)-500-3 trong phản ứng oxy hóa sâu benzene, toluene và p-xylene. Sự đầu độc hoạt tính xúc tác là bất thuận nghịch.

Với phương pháp điều chế đơn giản, sử dụng nguồn nguyên liệu là chất thải để làm chất mang, và xúc tác tạo thành có hoạt tính cao và ổn định, xúc tác 5Cu3Ce(2U)-500-3 của đề tài này là hệ xúc tác có tiềm năng cho phản ứng oxy hóa sâu benzene, toluene và p-xylene hướng đến ứng dụng trong việc xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm mạch vòng khó phân hủy ở vùng nhiệt độ xử lý thấp hơn 400⁰C.