Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Tổng hợp xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn bã tảo, ứng dụng để chu...

Tài liệu Tổng hợp xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn bã tảo, ứng dụng để chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen

.PDF
151
43
78

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- *** ---------- Trần Quốc Hải TỔNG HỢP XÚC TÁC CACBON HÓA MAO QUẢN TRUNG BÌNH TỪ NGUỒN BÃ TẢO, ỨNG DỤNG ĐỂ CHUYỂN HÓA DẦU LANH THÀNH BIOKEROSEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- *** ---------- Trần Quốc Hải TỔNG HỢP XÚC TÁC CACBON HÓA MAO QUẢN TRUNG BÌNH TỪ NGUỒN BÃ TẢO, ỨNG DỤNG ĐỂ CHUYỂN HÓA DẦU LANH THÀNH BIOKEROSEN Ngành : Kỹ thuật hóa học Mã số : 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận án là nội dung từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các thành viên của tập thể khoa học trong nhóm. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2020 Nghiên cứu sinh Trần Quốc Hải Người hướng dẫn GS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng 1 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến GS.TS. Nguyễn Khánh Diệu Hồng, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình làm luận án tiến sỹ. Cô chính là người đề ra định hướng nghiên cứu, đồng thời dành nhiều công sức hỗ trợ tôi hoàn thành luận án. Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu, Viện Kỹ thuật Hóa học, Phòng Đào tạo, các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi về nhiều mặt trong thời gian thực hiện luận án; Xin bày tỏ lòng biết ơn tới mọi người trong gia đình, bạn bè tôi, sự giúp đỡ tận tâm và tin tưởng của mọi người là động lực rất lớn để tôi hoàn thành luận án. Hà Nội ngày tháng 6 năm 2020 Nghiên cứu sinh Trần Quốc Hải 2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM American Society for Testing and Materials Brunauer–Emmett–Teller (tên một lý thuyết hấp phụ chất khí trên bề BET mặt rắn) Barrett-Joyner-Halenda (tên một phương pháp xác định phân bố mao BJH quản) CTAB Cetyl Trimethylammonium Bromide DTAB Dodecyltrimethyl ammonium bromide DTG Differential Thermal Gravimetry (nhiệt khối lượng vi sai) Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR Fourier) GC-MS Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (sắc ký khí – khối phổ) MQTB Mao quản trung bình NLPL Nhiên liệu phản lực NLSH Nhiên liệu sinh học The International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh IUPAC Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng) SEM Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện tử quét) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TEM Transmission Electron Spectroscopy (hiển vi điện tử truyền qua) TEOS Tetraethyl Orthosilicate TGThermal Gravimetry-Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt DTA trọng lượng – nhiệt vi sai) Thermal Gravimetry-Differential Scanning Calorimetry (phân tích nhiệt TG-DSC trọng lượng – nhiệt quét vi sai) TPDTemperature Programmed Desorption of Carbon Dioxide (giải hấp phụ CO2 CO2 theo chương trình nhiệt độ) TPDTemperature Programmed Desorption of Ammonia (giải hấp phụ NH3 NH3 theo chương trình nhiệt độ) XAS X-Ray Absorption Spectroscopy (phổ hấp thụ tia X) XRD X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X) XPS X-Ray Photoelectron Spectroscopy (phổ quang điện tử tia X) MQTB Mao quản trung bình Meso cacbon Xúc tác cacbon hóa có MQTB 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 3 MỤC LỤC .................................................................................................................. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ .................................................................... 8 A. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI ................................................................................... 10 B. NỘI DUNG LUẬN ÁN ....................................................................................... 14 Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .............................................................. 14 1.1. Xúc tác cacbon hóa và cacbon hóa MQTB .................................................. 14 1.1.1. Khái quát chung về xúc tác cacbon hóa ............................................... 14 1.1.2. Khái quát về xúc tác cacbon hóa MQTB ............................................. 18 1.1.3. Các phương pháp chế tạo xúc tác cacbon hóa MQTB ......................... 19 1.1.4. Nguyên liệu bã tảo để tổng hợp xúc tác cacbon hóa MQTB ............... 24 1.2. Giới thiệu chung về nhiên liệu kerosen và biokerosen................................. 26 1.2.1. Kerosen và nhiên liệu phản lực ............................................................ 26 1.2.2. Khái quát về nhiên liệu biokerosen ...................................................... 28 1.2.3. Các loại nguyên liệu có thể chuyển hóa thành biokerosen .................. 28 1.3. Các phương pháp tổng hợp biokerosen, phân đoạn cơ sở để chế tạo NLPL sinh học ...................................................................................................... 33 1.3.1. Chuyển hóa dầu thực vật thành biokerosen theo phương pháp trao đổi este ............................................................................................................... 33 1.3.2. Các phương pháp trao đổi este khác ..................................................... 35 1.4. Tình hình nghiên cứu về xúc tác meso cacbon hóa, nhiên liệu biokerosen trên thế giới và Việt Nam ................................................................................... 36 1.4.1. Nghiên cứu về xúc tác meso cacbon hóa ............................................. 36 1.4.2. Nghiên cứu về nhiên liệu biokerosen ................................................... 38 Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....... 41 2.1. Hóa chất và nguyên liệu sử dụng trong luận án ........................................... 41 2.2. Nhiệt phân bã tảo thu biochar ....................................................................... 41 2.3. Sunfo hóa biochar ......................................................................................... 42 2.4. Chế tạo xúc tác meso cacbon hóa ................................................................. 42 2.4.1. Phương pháp ngưng tụ tự sắp xếp - bay hơi dung môi ........................ 42 2.4.2. Phương pháp ngưng tụ tự sắp xếp - kết tinh thủy nhiệt ....................... 43 2.5. Đánh giá độ bền thủy nhiệt của xúc tác meso cacbon hóa ........................... 43 2.6. Tạo hạt cho xúc tác meso cacbon hóa .......................................................... 44 4 2.7. Chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen trên xúc tác meso cacbon hóa ....... 44 2.7.1. Xác định một số chỉ tiêu cơ bản của dầu lanh ...................................... 44 2.7.2. Khảo sát quá trình trao đổi este dầu lanh trên xúc tác meso cacbon hóa ............................................................................................................... 45 2.7.3. Tính hiệu suất tạo biokerosen ............................................................... 46 2.8. Phối trộn biokerosen với Jet A-1 tạo NLPL sinh học .................................. 48 2.9. Các phương pháp phân tích hóa lý để xác định đặc trưng xúc tác ............... 48 2.9.1. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS) ....................................... 48 2.9.2. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng – nhiệt lượng quét kết hợp đầu dò khối phổ (TGA-DSC-MS) ...................................................................... 48 2.9.3. Xác định độ dị thể của xúc tác.............................................................. 49 2.9.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................... 49 2.9.5. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .............................. 50 2.9.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................. 50 2.9.7. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................................. 51 2.9.8. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) ................................................. 52 2.9.9. Phương pháp giải hấp theo chương trình nhiệt độ ............................... 52 2.9.10. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ N2 (BET) ................ 53 2.9.11. Xác định một số tính chất cơ lý của xúc tác ....................................... 55 2.10. Các phương pháp phân tích nguyên liệu và sản phẩm ............................... 55 2.10.1. Xác định tỷ trọng (ASTM D1298) ..................................................... 55 2.10.2. Xác định độ nhớt động học (ASTM D445) ........................................ 55 2.10.3. Xác định chỉ số xà phòng (ASTM D5558)......................................... 55 2.10.4. Xác định chỉ số axit (ASTM D664) ................................................... 55 2.10.5. Xác định hàm lượng nước (ASTM D95) ........................................... 55 2.10.6. Xác định chỉ số iot (EN-14111) ......................................................... 55 2.10.7. Xác định hàm lượng các tạp chất cơ học (ASTM D3042) ................. 56 2.10.8. Xác định hàm lượng cặn cacbon (ASTM D189/97) .......................... 56 2.10.9. Xác định chiều cao ngọn lửa không khói (ASTM D1322) ................ 56 2.10.10. Xác định thành phần chưng cất phân đoạn (ASTM D86) ................ 56 2.10.11. Xác định nhiệt độ đông đặc (ASTM D97) ....................................... 57 2.10.12. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc kín (ASTM D93)......................... 57 2.10.13. Xác định hàm lượng hydrocacbon thơm (ASTM D1319) ............... 57 2.10.14. Xác định áp suất hơi bão hòa (ASTM D4953) ................................. 57 2.10.15. Xác định hàm lượng lưu huỳnh (ASTM D7679) ............................. 57 2.10.16. Xác định ăn mòn mảnh đồng (ASTM D130) ................................... 57 2.10.17. Xác định độ ổn định oxy hóa (ASTM D2274) ................................. 58 2.10.18. Xác định độ dẫn điện (ASTM D2624) ............................................. 58 2.10.19. Xác định tính bôi trơn (ASTM D5001) ............................................ 58 5 2.10.20. Xác định hàm lượng nhựa thực tế (ASTM D381)............................ 58 2.10.21. Xác định ngoại quan (màu sắc, mùi) (ASTM D1500, D6045) ........ 58 2.10.22. Thành phần hóa học của biokerosen ................................................ 59 Chương 3. THẢO LUẬN KẾT QUẢ .................................................................... 60 3.1. Nghiên cứu chế tạo xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn bã tảo ................................................................................................................ 60 3.1.1. Nghiên cứu quá trình sunfo hóa biochar .............................................. 60 3.1.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo xúc tác cacbon hóa MQTB từ biochar sunfo hóa ................................................................. 63 3.1.3. Nghiên cứu cấu trúc của xúc tác cacbon hóa MQTB ........................... 68 3.1.4. Nghiên cứu mở rộng kích thước mao quản cho xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ........................................................................................................... 75 3.1.5. Nghiên cứu độ bền nhiệt và độ bền thủy nhiệt của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ..................................................................................................... 77 3.1.6. Nghiên cứu trạng thái hóa trị các nguyên tố có trong xúc tác .............. 84 3.1.7. Nghiên cứu độ axit của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ..................... 86 3.2. Nghiên cứu tạo hạt cho xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ............................. 89 3.2.1. Khảo sát quá trình tạo hạt ..................................................................... 89 3.2.2. Cấu trúc MQTB của xúc tác trước và sau quá trình tạo hạt ................. 91 3.3. Nghiên cứu quá trình chuyển hóa dầu lanh thành metyl este (biokerosen) . 92 3.3.1. Phân tích tính chất nguyên liệu dầu lanh .............................................. 92 3.3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biokerosen ..... 93 3.3.3. Đánh giá độ ổn định của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ................... 98 3.3.4. Xác định thành phần của sản phẩm biokerosen tổng hợp từ dầu lanh 100 3.4. Nghiên cứu phối trộn để chế tạo nlpl sinh học từ phân đoạn biokerosen đã tổng hợp ..................................................................................................... 101 3.4.1. Một số chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của biokerosen tổng hợp ........... 101 3.4.2. Kết quả pha trộn tạo NLPL sinh học .................................................. 102 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 106 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN ................................................................. 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 110 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 120 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất hóa lý của kerosen dầu mỏ....................................................... 26 Bảng 1.2. Thông số hóa lý của dầu lanh................................................................... 31 Bảng 1.3. Thành phần của dầu lanh so với các loại dầu khác .................................. 32 Bảng 2.1. Danh mục một số chỉ tiêu kỹ thuật của dầu lanh ..................................... 44 Bảng 3.1. Thành phần khối lượng nguyên tố của bột đen và xúc tác cacbon hóa tinh bột xác định theo phổ EDX ......................................................................... 62 Bảng 3.2. Phân tích nguyên tố của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo theo phổ XPS 86 Bảng 3.3. Các thông số thu được từ phương pháp TPD-NH3 .................................. 88 Bảng 3.4. Tổng kết các tính chất đặc trưng của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo.... 89 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính gel silica đến các tính chất hóa lý và hoạt tính của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ........................................ 90 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến các tính chất hóa lý và hoạt tính của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ......................................................................... 90 Bảng 3.7. Một số chỉ tiêu đặc trưng hóa lý của dầu lanh ......................................... 92 Bảng 3.8. Các điều kiện công nghệ thích hợp cho quá trình chuyển hóa dầu lanh thu biokerosen.................................................................................................... 97 Bảng 3.9. Hoạt tính của các xúc tác meso cacbon hóa tại các lần phản ứng khác nhau ..................................................................................................................... 98 7 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc không gian 3D của bột đen theo Franklin (trong đó các đoạn thẳng biểu trưng cho các lớp đa vòng thơm ngưng tụ, các đoạn cong dùng để chỉ các liên kết ngang thông qua những nguyên tử C lai hóa sp3) .................... 16 Hình 1.2. Cấu trúc xúc tác cacbon hóa theo Toda .................................................... 16 Hình 1.3. Các dạng cấu trúc của xúc tác MQTB ...................................................... 19 Hình 1.4. Cơ chế tạo khung cấu trúc tinh thể lỏng ................................................... 20 Hình 1.5. Phương pháp khuôn mẫu cứng ................................................................. 21 Hình 1.6. So sánh phương pháp soft template và hard template để tổng hợp vật liệu MQTB.......................................................................................................... 21 Hình 1.7. Mô tả sự hình thành lỗ xốp thứ cấp (mesoporous replica) khi sử dụng tiền chất tạo vật liệu là chất rắn .......................................................................... 23 Hình 1.8. Cây, hạt và dầu lanh ................................................................................. 31 Hình 2.1. Sơ đồ nhiệt phân bã vi tảo tạo biochar ..................................................... 41 Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/V(Po-P) theo P/P0 ........................... 54 Hình 3.1. Giản đồ XRD của biochar và biochar sunfo hóa ...................................... 61 Hình 3.2. Phổ FT-IR của biochar và biochar sunfo hóa ........................................... 61 Hình 3.3. Phổ EDX của biochar ............................................................................... 62 Hình 3.4. Phổ EDX của biochar sunfo hóa .............................................................. 62 Hình 3.5. Giản đồ SAXRD của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo tại các nhiệt độ khác nhau ............................................................................................................. 63 Hình 3.6. Giản đồ XRD góc hẹp của các xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ở các thời gian phản ứng khác nhau ............................................................................. 65 Hình 3.7. Giản đồ XRD góc hẹp của các xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ở các tỷ lệ khối lượng CTAB/BS khác nhau ................................................................ 66 Hình 3.8. Giản đồ SAXRD của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo trước và sau khi tách CTAB .......................................................................................................... 68 Hình 3.9. Giản đồ WAXRD của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo trước và sau khi tách CTAB .......................................................................................................... 69 Hình 3.10. Ảnh SEM của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ...................................... 70 Hình 3.11. Ảnh TEM của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ..................................... 70 Hình 3.12. Phổ FT-IR của biochar sunfo hóa và xúc tác meso cacbon hóa bã tảo .. 71 Hình 3.13. Phổ EDX của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ...................................... 72 Hình 3.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ................................................................................................................ 73 Hình 3.15. Phân bố mao quản theo thể tích .............................................................. 74 Hình 3.16. Phân bố mao quản theo bề mặt riêng ..................................................... 74 8 Hình 3.17. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo sau khi mở rộng mao quản .......................................................................... 76 Hình 3.18. Phân bố mao quản theo thể tích xúc tác meso cacbon hóa bã tảo sau khi mở rộng mao quản ....................................................................................... 76 Hình 3.19. Phân bố mao quản theo bề mặt riêng xúc tác meso cacbon hóa bã tảo sau khi mở rộng mao quản ................................................................................. 77 Hình 3.20. Giản đồ TG-DSC của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo trong dòng không khí ................................................................................................................ 78 Hình 3.21. Tín hiệu của H2O và CO từ phân tích khối phổ ..................................... 79 Hình 3.22. Tín hiệu của NO và CO2 từ phân tích khối phổ ..................................... 79 Hình 3.23. Tín hiệu của NO2, SO2 và SO3 từ phân tích khối phổ ............................ 80 Hình 3.24. Giản đồ TG-DSC của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo trong dòng khí N2 ................................................................................................................. 81 Hình 3.25. Tín hiệu các khí phát sinh trong quá trình phân tích nhiệt trong dòng N2 theo phân tích MS ........................................................................................ 82 Hình 3.26. Các giản đồ SAXRD của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo xử lý tại các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau...................................................................... 83 Hình 3.27. Phổ XPS tổng quát của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ....................... 84 Hình 3.28. Phổ XPS trích xuất phần tâm C1s của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo . 84 Hình 3.29. Phổ XPS trích xuất phần tâm O1s của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo . 85 Hình 3.30. Phổ XPS trích xuất phần tâm Si2p của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo 85 Hình 3.31. Phổ XPS trích xuất phần tâm S2p của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo . 85 Hình 3.32. Tín hiệu MS của các khí phát sinh trong quá trình phân tích nhiệt xúc tác sau khi hấp phụ n-propylamin ..................................................................... 87 Hình 3.33. Giản đồ TPD-NH3 của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo ........................ 88 Hình 3.34. Giản đồ SAXRD của xúc tác mesocacbon hóa bã tảo trước và sau quá trình tạo hạt .................................................................................................. 91 Hình 3.35. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất tạo biokerosen từ dầu lanh .............................................................................................................. 93 Hình 3.36. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo biokerosen từ dầu lanh .............................................................................................................. 94 Hình 3.37. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất tạo biokerosen từ dầu lanh .............................................................................................................. 95 Hình 3.38. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol metanol/dầu đến hiệu suất tạo biokerosen từ dầu lanh .............................................................................................................. 96 Hình 3.39. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất tạo biokerosen từ dầu lanh 97 Hình 3.40. Đồ thị biểu diễn hiệu suất tạo biokerosen qua các lần tái sử dụng xúc tác ................................................................................................................ 99 Hình 3.41. Kết quả GC-MS của sản phẩm biokerosen từ dầu lanh ....................... 100 9 A. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Xúc tác cacbon hóa chế tạo từ các nguồn sinh khối chứa cacbohydrat được xem như một thế hệ xúc tác mới, có khung hữu cơ, có lực axit mạnh, đồng thời rất ổn định, thích hợp cho các quá trình tổng hợp nhiên liệu sinh học (NLSH) như biodiesel từ dầu, mỡ động thực vật. Đặc biệt, xúc tác cacbon hóa có thể tham gia vào quy trình sản xuất không chất thải từ sinh khối, trong đó biochar (than sinh học) tạo thành từ quá trình nhiệt phân sinh khối chính là tiền chất để chế tạo xúc tác, sản phẩm lỏng và khí của quá trình nhiệt phân đó là nguyên liệu cho các quá trình nâng cấp tiếp theo. Do vậy, loại xúc tác này có tính” xanh” hơn so với đa số các xúc tác ứng dụng cho các quá trình tổng hợp NLSH trước đây. Tuy nhiên, xúc tác cacbon hóa vẫn có nhược điểm, đó là bề mặt riêng không cao (thường thấp dưới 50 m2/g), không có hệ thống mao quản đồng đều và phù hợp với kích thước nguyên liệu dầu thực vật, khiến cho nhiều loại phân tử cồng kềnh như triglyxerit, diglyxerit… khó khuếch tán đến các tâm hoạt tính siêu axit để thực hiện phản ứng trao đổi este. Nhiều kết quả nghiên cứu chỉ ra, hoạt tính của xúc tác cacbon hóa đối với các axit béo tự do cao hơn nhiều so với các triglyxerit cũng có nguyên nhân chính ở bề mặt riêng nhỏ và độ chọn lọc hình dáng chưa tốt của nó. Bề mặt riêng thấp còn làm giảm khả năng phân tán các tâm axit mạnh, dẫn đến xúc tác giảm hoạt tính nhanh hơn sau mỗi lần tái sử dụng vì bị các phân tử dầu, mỡ bao phủ. Để nâng cao giá trị sử dụng của xúc tác cacbon hóa, cần phải cải tiến theo hướng tăng bề mặt riêng, tạo ra các mao quản trung bình (MQTB) trật tự nhưng vẫn giữ được độ axit cao như xúc tác cacbon hóa thông thường (còn gọi là xúc tác meso cacbon hóa). Đó là nội dung chính của các nghiên cứu trong luận án. Nghiên cứu sử dụng sinh khối bã tảo thu được sau quá trình trích ly lấy dầu làm nguyên liệu ban đầu, thông qua quá trình cacbon hóa không hoàn toàn, tạo thành biochar là tiền chất cho giai đoạn điều chế xúc tác. Xúc tác này sẽ được ứng dụng vào một quy trình mới, đó là tổng hợp biokerosen từ dầu lanh trong phản ứng một giai đoạn. Biokerosen từ dầu lanh, nếu được tổng hợp thành công, sẽ là loại nhiên liệu có độ linh động rất tốt ở nhiệt độ thấp, phù hợp cho quá trình phối trộn với nhiên liệu phản lực thương mai, tạo ra một loại nhiên liệu phản lực (NLPL) sinh học mới. Dầu lanh cũng là một nguồn nguyên liệu dồi dào và có khả năng phát triển mạnh ở Việt Nam. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu quan trọng nhất của nghiên cứu là chế tạo thành công xúc tác meso cacbon hóa từ sinh khối bã tảo, theo phương pháp sử dụng chất tạo cấu trúc mềm thay 10 vì sử dụng các chất tạo cấu trúc cứng. Xúc tác này phải có độ axit cao, bền vững trong điều kiện phản ứng, chứa hệ thống MQTB trật tự có kích thước mao quản tập trung, phù hợp với kích thước động học của các phân tử chính trong nguyên liệu, đáp ứng tốt nhất các yêu cầu để chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen trong điều kiện êm dịu. Đối tượng nghiên cứu của luận án có hai phần: phần 1: chế tạo xúc tác, đó là tiền chất biochar đạt được từ quá trình nhiệt phân sinh khối vi tảo, thông qua giai đoạn sunfo hóa, sẽ biến nó thành một tiền chất hữu hiệu đối với quá trình chế tạo xúc tác meso cacbon hóa; phần 2: ứng dụng xúc tác, dầu lanh chính là đối tượng nghiên cứu, sau đó là sản phẩm biokerosen từ dầu lanh trong giai đoạn nghiên cứu pha trộn nó với NLPL thương mại Jet A-1 để tạo NLPL sinh học. Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm các giai đoạn như sau: nghiên cứu, khảo sát quá trình chế tạo xúc tác meso cacbon hóa từ bã tảo để tìm ra các thông số, phương pháp phù hợp cho quá trình; nghiên cứu, khảo sát quá trình tổng hợp biokerosen từ dầu lanh trên xúc tác meso cacbon hóa bã tảo chế tạo được để tìm ra các thông số công nghệ tốt nhất cho hiệu suất tạo biokeeosen cao nhất; nghiên cứu, khảo sát quá trình phối trộn biokerosen với NLPL thương phẩm Jet A-1. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở chế tạo, tổng hợp, đánh giá phân tích và xử lý các kết quả thực nghiệm. Luận án có sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, đáng tin cậy được sử dụng để đặc trưng các vật liệu, nguyên liệu và sản phẩm, như Nhiễu xạ tia X (XRD); Hiển vi điện tử quét (SEM); Hiển vi điện tử truyền qua (TEM); Hấp phụ - giải hấp nitơ (BET); Phân tích nhiệt – Nhiệt lượng quét vi sai – Khối phổ (TG-DSC-MS); Giải hấp amoniac theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3); Phổ hồng ngoại (FT-IR); Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX); Phổ quang điện tử tia X (XPS); Sắc ký khí – Khối phổ (GC-MS)... 4. Các đóng góp mới của luận án 1. Chế tạo thành công xúc tác meso cacbon hóa bã tảo theo phương pháp khuôn mẫu mềm, sử dụng tiền chất là biochar sunfo hóa (BS) và chất tạo cấu trúc CTAB, trong những điều kiện êm dịu của quá trình ngưng tụ - bay hơi dung môi (thời gian 48 giờ, nhiệt độ 70ºC, tỷ lệ CTAB/BS theo khối lượng là 0,8/1). Nhờ quá trình sunfo hóa, tiền chất rắn biochar đã được biến tính thành biochar sunfo hóa, có khả năng tan dần trong dung dịch và tương tác với chất tạo cấu trúc để hình thành hệ thống MQTB trật tự, có khung cấu trúc hữu cơ với bề mặt riêng cao và các kênh mao quản thông thoáng; sở hữu các nhóm –SO3H có lực axit rất mạnh. 2. Nghiên cứu mở rộng được kích thước mao quản tập trung của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo từ ~25Å lên đến ~45Å nhờ quá trình xử lý ngưng tụ - thủy nhiệt. 11 Kích thước mao quản này giúp quá trình khuếch tán các chất phản ứng có kích thước động học lớn (triglyxerit trong dầu lanh) đến tâm hoạt tính axit dễ dàng hơn nhờ có độ chọn lọc hình dáng cao; từ đó nâng cao được độ chuyển hóa và độ chọn lọc, dẫn đến tăng hiệu suất biokerosen; 3. Sử dụng phương pháp TG-DSC kết hợp detector MS (TG-DSC-MS) để xác định thành phần khí sinh ra trong quá trình phân tích nhiệt xúc tác. Qua đó có thể xác định chính xác từng quá trình biến đổi theo nhiệt độ nung xúc tác, hiểu rõ hơn về bản chất các nhóm chức trong xúc tác. Cũng nhờ phương pháp TG-DSC-MS, đã xác định được một cách định tính các loại tâm axit cũng như độ mạnh yếu của chúng trong xúc tác. 4. Sử dụng phương pháp phân tích hóa lý hiện đại là phổ XPS để nghiên cứu sâu bản chất xúc tác như trạng thái hóa trị, thành phần, năng lượng liên kết của các nguyên tố trong xúc tác... Qua đó đã chứng minh được tâm axit Bronsted của nhóm –SO3H chính là tâm hoạt tính xúc tác meso cacbon hóa, và cơ chế đưa nó vào hệ đa vòng thơm ngưng tụ trong xúc tác là cơ chế thế electrophil, xảy ra trong quá trình sunfo hóa biochar. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học Biokerosen sẽ là thế hệ NLSH tiếp theo cần phát triển, sau biodiesel. Xúc tác meso cacbon hóa với hệ thống MQTB thích hợp có tiềm năng nghiên cứu và ứng dụng cho quá trình này. Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào những nội dung chính sau: chế tạo, đặc trưng xúc tác meso cacbon hóa có hệ thống MQTB trật tự trong điều kiện êm dịu, vẫn sử dụng chất tạo cấu trúc mềm. Xúc tác phải có lực axit mạnh, độ ổn định tốt, độ bền thủy nhiệt đảm bảo; đặc trưng trạng thái hóa học của các nguyên tố trong xúc tác bằng phổ XPS, từ đó tìm ra tâm hoạt tính của xúc tác và chứng minh nguyên lý đưa tâm hoạt tính lên bề mặt xúc tác; điều khiển kích thước các MQTB trong xúc tác để phù hợp với kích thước động học của triglyxerit trong dầu thực vật; ứng dụng hệ xúc tác điều chế được vào quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Xúc tác meso cacbon hóa có thể chế tạo từ sinh khối, thông qua các bước đơn giản như nhiệt phân, sunfo hóa, đồng ngưng tụ. Xúc tác có hoạt tính rất cao, ổn định trong môi trường phản ứng, lại có khả năng tái sử dụng vượt trội so với các xúc tác hiện hành, nên có khả năng ứng dụng rất tốt trong quá trình tổng hợp metyl este. Dầu lanh có sản lượng lớn và có thể phát triển tốt ở Việt Nam, do đó ứng dụng dầu lanh để tổng hợp biokerosen là hướng đi có ý nghĩa thực tiễn trong tương lai gần. 12 6. Bố cục của luận án Luận án gồm 101 trang (không kể phần phụ lục, mục lục, danh mục bảng biểu, hình vẽ và tài liệu tham khảo) được chia thành các chương như sau: Chương I: Giới thiệu luận án và Tổng quan lý thuyết: 29 trang – Phần này trình bày các tổng quan, lý thuyết về xúc tác, vật liệu, nguyên liệu và sản phẩm của nghiên cứu trong luận án, đồng thời tổng hợp các thành tựu và thiếu sót của các nghiên cứu trước đây, đưa ra phương án giải quyết trong luận án. Chương II: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu: 18 trang – Phần này trình bày tất các các chi tiết thực nghiệm của luận án, bao gồm chế tạo xúc tác, tổng hợp biokerosen, pha chế NLPL sinh học. Chương III: Kết quả và thảo luận: 50 trang – Phần này trình bày các nghiên cứu cụ thể về mỗi thực nghiệm trong luận án, bao gồm các phân tích, thảo luận chi tiết về các quá trình khảo sát, ứng dụng trong luận án. Kết luận và Những điểm mới của luận án: 3 trang. Danh mục công bố của tác giả: 1 trang Có 51 hình ảnh và đồ thị, 13 bảng và 129 tài liệu tham khảo. 13 B. NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Xúc tác cacbon hóa và cacbon hóa MQTB 1.1.1. Khái quát chung về xúc tác cacbon hóa 1.1.1.1. Tầm quan trọng của xúc tác cacbon hóa Kể từ khi khám phá ra hệ xúc tác axit rắn đi từ đường glucozơ, hay nói cách khác là xúc tác trên cơ sở cacbon hóa đường glucozơ, sau đó sunfo hóa sản phẩm bột đen đi từ đường này [79, 118], các quá trình chế tạo và phát triển loại xúc tác đó đang tăng lên nhanh chóng với rất nhiều ứng dụng như tổng hợp NLSH, biến tính các vật liệu nguồn. Xúc tác loại này được chế tạo theo phương pháp cacbon hóa không hoàn toàn đường tự nhiên tại nhiệt độ khoảng 400oC, sau đó sunfo hóa với axit sunfuric để hình thành các tâm axit. Theo nghiên cứu của tác giả [83], xúc tác có hoạt tính tương đương với axit sunfuric trong quá trình este hóa axit oleic, và mạnh hơn so với zirconi sunfat hóa, nhựa Amberlyst-15 hay axit niobic trong phản ứng trao đổi este dầu thực vật [129]. Các loại xúc tác trên cơ sở cacbon (từ đây gọi là xúc tác cacbon hóa) có rất nhiều ưu điểm của xúc tác axit rắn điển hình, được hình thành bởi đặc thù của các nguyên tử C sở hữu nhiều trạng thái lai hóa từ sp, sp2 cho đến sp3, mang đến khả năng tạo ra các cấu trúc khác nhau trong cùng một loại xúc tác như cấu trúc lớp, ống hay cấu trúc dạng cầu. Cacbon có thể ở tồn tại từ hình thái tinh thể đến vô định hình nên có thể dễ dàng đưa các nhóm chức năng vào trong mạng lưới chất mang. Hơn nữa, những loại xúc tác này có thể được hoạt hóa để tăng diện tích bề mặt, mở rộng kích thước mao quản với bề mặt kị nước – một tính chất quan trọng để gắn các nhóm mang tính axit cao như sunfo cũng như duy trì hoạt tính trong môi trường có sự tham gia của nước. Xúc tác cacbon hóa được chế tạo dễ dàng từ những nguồn nguyên liệu tái tạo rẻ tiền như đường [18, 19, 118], gỗ [61], asphalten từ dầu thực vật [108], glyxerin [100], các loại cacbon composit [66, 78]; chúng cũng có thể được biến đổi để tạo ra những dạng có cấu trúc đặc trưng như ống nanocacbon đa thành sunfo hóa [108]. Như vậy, ngoài những nguồn nguyên liệu tái tạo đi từ dầu mỡ động thực vật, nay chúng ta còn có thể tổng hợp ra các xúc tác cũng có khả năng tái tạo đi từ cacbohydrat thiên nhiên. Một loại vật liệu khác cũng thu hút được sự quan tâm đó là vật liệu xúc tác cacbon hóa dạng MQTB có bề mặt riêng lớn. Tính chất của MQTB mang đến cho xúc tác khả năng nâng cao hoạt tính và mở rộng các ứng dụng hơn so với xúc tác cacbon hóa thông thường có bề mặt riêng thấp [65, 66, 96]. Có nhiều phương pháp 14 có thể ứng dụng để chế tạo loại xúc tác này như phương pháp sử dụng chất tạo cấu trúc silica [96, 124], phương pháp hoạt hóa hóa học [124], trong đó phương pháp sử dụng chất tạo cấu trúc dạng silica được ứng dụng phổ biến nhất do có thể tạo ra cấu trúc mao quản đồng đều, trật tự. Một số nghiên cứu [96, 124] cho biết, khi đưa chất tạo cấu trúc dạng silica vào quá trình tổng hợp sẽ làm bền các mao quản trong của vật liệu xúc tác, tránh được quá trình sập cấu trúc trong giai đoạn sunfo hóa. Tuy nhiên, vẫn chưa có dữ liệu nào cho biết hoạt tính của các loại xúc tác đó trong trường hợp cấu trúc mao quản bị sập, nên vai trò của silica trong quá trình sunfo hóa vẫn chưa được nắm bắt rõ ràng. Theo đó, các ảnh hưởng của bề mặt riêng, kích thước mao quản, độ axit tổng và mật độ các nhóm -SO3H đến hoạt tính của các xúc tác cacbon hóa vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ, rất cần có những nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ những quy luật trong quá trình chế tạo xúc tác, qua đó cải tiến phương pháp để tạo ra xúc tác tốt nhất. 1.1.1.2. Nguyên lý của quá trình chế tạo xúc tác cacbon hóa Các vật liệu cacbohydrat, bao gồm đường đơn, đường đôi và đường đa, cấu tạo chủ yếu bởi các vòng piranozơ của glucozơ và furanozơ của fructozơ, liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glycosit. Một nghiên cứu từ năm 1951 của nhà tinh thể học Rosalind Franklin [104] và những thông tin thu được từ nghiên cứu của Okamura vào năm 2006 [117] cho biết, trong quá trình cacbon hóa không hoàn toàn, bên cạnh phản ứng ngưng tụ các nhóm –OH tách nước để hình thành các hệ đa vòng thơm ngưng tụ với cấu trúc 3D (chứa các liên kết ngang bền vững thông qua những nguyên tử cacbon lai hóa sp3 như trên hình 1.1 theo Franklin [104]), còn có các quá trình bẻ gãy các liên kết ngang này khi nhiệt độ cacbon hóa tăng lên. Khi các liên kết ngang dần bị bẻ gãy do nhiệt độ cacbon hóa cao, các lớp đa vòng thơm ngưng tụ được giải phóng và sắp xếp có trật tự hơn. Đồng thời với quá trình đó, việc tách các nhóm –OH trong điều kiện nhiệt độ cao theo cơ chế gốc cũng tạo ra các gốc tự do trên mỗi lớp để ghép nối nhiều lớp thành hệ những đa vòng thơm ngưng tụ lớn hơn. Quá trình này xảy ra càng nhanh khi nhiệt độ cacbon hóa càng lớn và được gọi là sự ”kết tinh địa phương” hay ”graphit hóa”, cuối cùng có thể tạo ra một hệ thống các lớp đa vòng thơm ngưng tụ trật tự, đồng đều, dạng tinh thể tương tự graphit. 15 Hình 1.1. Cấu trúc không gian 3D của bột đen theo Franklin (trong đó các đoạn thẳng biểu trưng cho các lớp đa vòng thơm ngưng tụ, các đoạn cong dùng để chỉ các liên kết ngang thông qua những nguyên tử C lai hóa sp3) Quá trình graphit hóa làm giảm mạnh mật độ các vị trí tự do hay vị trí chưa bị thế trên vòng thơm; các vị trí này có khả năng được thế bằng nhóm –SO3H trong phản ứng sunfo hóa, đồng nghĩa với việc sự graphit hóa làm giảm lượng nhóm –SO3H thế vào, giảm tính axit và giảm hoạt tính xúc tác đối với quá trình tổng hợp alkyl este. Mặt khác, nếu nhiệt độ cacbon hóa quá thấp, quá trình ngưng tụ tách các nhóm –OH có tốc độ chậm làm cho bột đen thu được chứa quá nhiều nhóm –OH và ít các lớp 3D chứa đa vòng thơm ngưng tụ. Điều này cũng gây bất lợi cho giai đoạn sunfo hóa vì cũng làm giảm lượng nhóm –SO3H có thể đưa lên bề mặt xúc tác. Theo Toda và các cộng sự [118], quá trình cacbon hóa không hoàn toàn các vật liệu trên tạo ra bột đen chứa nhiều hệ đa vòng thơm ngưng tụ liên kết với nhau qua các nguyên tử C lai hóa sp3, do đó có cấu trúc không gian 3 chiều. Hình 1.2. Cấu trúc xúc tác cacbon hóa theo Toda 16 1.1.1.3. Các phương pháp sunfo hóa Chất mang tạo thành sau quá trình cacbon hóa nguồn chứa đường được sunfo hóa để tạo ra các tâm axit. Có hai phương pháp sunfo hóa chủ yếu được sử dụng là phương pháp sunfo hóa pha lỏng và sunfo hóa pha hơi. Cả hai phương pháp đều có thể sử dụng axit sunfuric làm tác nhân phản ứng. a. Sunfo hóa pha lỏng Quá trình sunfo hóa pha lỏng có thể thực hiện trong dung môi hoặc không có dung môi. Các loại dung môi có thể sử dụng là etanol, heptan và axeton. Trong quá trình sunfo hóa có dung môi, chất mang sẽ được hòa trộn với dung môi và tác nhân sunfo hóa (axit sunfuric, PSA hay một số tác nhân chứa nhóm sunfo khác) trong một bình cầu. Hỗn hợp được khuấy trộn trong 30 phút tại nhiệt độ phòng. Sản phẩm sunfo hóa sau đó được lọc tách và sấy khô tại nhiệt độ phòng. Tiếp đến là quá trình rửa sản phẩm bằng nước nóng đến khi pH của nước rửa đạt trung hòa và không phát hiện ra ion sunfat nữa. Mẫu xúc tác lại tiếp tục được sấy tại 110oC qua đêm và có thể mang đi xác định các đặc trưng hóa lý sau đó. b. Sunfo hóa pha hơi Sự khác nhau cơ bản giữa sunfo hóa pha lỏng và sunfo hóa pha hơi dựa trên các ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của xúc tác. Trong khi sunfo hóa pha lỏng có thể làm sập hoàn toàn cấu trúc mao quản trong của chất mang thì sunfo hóa pha hơi giảm đáng kể hiệu ứng này. Sự khác biệt này có được do sự khác nhau trong cơ chế tiếp xúc giữa tác nhân và chất mang trong hai phương pháp. Trong phương pháp sunfo hóa pha lỏng, nồng độ của axit sunfuric có thể lên đến gần 20 mol/l tại 60oC, kết hợp với hiệu ứng mao quản – hiệu ứng điền đầy toàn bộ các mao quản trong bằng tác nhân sunfo hóa, làm cho phản ứng xảy ra cực kỳ mãnh liệt và có khả năng phá hủy hoàn toàn các tường thành mao quản. Ngược lại, trong quá trình sunfo hóa pha hơi, nồng độ axit suunfuric rất thấp (chỉ khoảng 0,0083 mol/l) tại nhiệt độ phản ứng nên phản ứng xảy ra êm dịu hơn nhiều, bảo vệ được các thành mao quản. Trong phương pháp sunfo hóa pha hơi, sự khuếch tán của hơi thúc đẩy sự hấp phụ của axit sunfuric, đầu tiên lên bề mặt ngoài, sau đó len sâu vào các mao quản phía trong của các hạt chất mang. Sự khuếch tán và hấp phụ nhanh chóng này dẫn đến hình thành một lớp màng rất mỏng bao quanh các hạt chất mang, đồng thời với quá trình ngưng tụ hơi axit vào trong mao quản chất mang do hiệu ứng mao dẫn. Quá dư hơi axit sẽ tạo thành các màng đa lớp và nhanh chóng bão hòa lớp vật liệu, cản trở quá trình hấp phụ vào trong mao quản; do đó, việc tách bỏ các màng này là cần thiết để tăng bề mặt cho quá trình hấp phụ. Độ axit của xúc tác vì thế tăng mạnh sau mỗi lần sunfo hóa và rửa [58, 95]. Xúc tác cacbon hóa có thể chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, miễn là trong thành phần của chúng có chứa nhiều cacbon, có các nhóm chức như –OH hoặc –COOH. Rất nhiều tiền chất có sản lượng lớn, giá thành rẻ có khả năng làm 17 được việc đó như các loại đường đơn (glucozơ, fructozơ...), đường đôi (saccarozơ) hay đường đa như tinh bột, xenlulozơ. Thậm chí những nguyên liệu tưởng như là phế thải như lignin, các loại asphalten đi từ dầu thực vật hay dầu mỏ, sau quá trình cacbon hóa không hoàn toàn vẫn có hiệu quả sử dụng rất cao... 1.1.2. Khái quát về xúc tác cacbon hóa MQTB Xúc tác cacbon hóa MQTB còn gọi là xúc tác meso cacbon hóa, mang tính axit, là xúc tác được hoạt hóa thêm các nhóm chức năng (như –SO3H) để tăng tính axit dựa trên cơ sở là các tiền chất cacbon được tạo khung để hình thành vật liệu MQTB. Trước đây các axit đồng thể như HCl, H2SO4 hay HF đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất như các xúc tác axit đối với một lượng lớn các quá trình hóa học. Tuy nhiên, các nhược điểm của việc sử dụng các chất xúc tác này là quá trình phân tách, tinh chế sản phẩm khó khăn, thu hồi và xử lý axit thải, cũng như các vấn đề ăn mòn thiết bị và ảnh hưởng đến môi trường. Do đó các xúc tác dị thể rắn được nghiên cứu và phát triển với hoạt tính cao, tinh chế sản phẩm dễ dàng, có khả năng tái sinh. Các xúc tác dị thể rắn được ứng dụng nhiều có thể kể đến như: zeolit, nhựa trao đổi ion, alumino-silica vô định hình. Tuy nhiên, với kích thước mao quản bé (<2 nm), cùng với diện tích bề mặt riêng thấp ảnh hưởng đến khả năng chọn lọc hình dáng cũng như độ chuyển hóa của quá trình, nên các xúc tác trên được sử dụng rất hạn chế trong các quá trình tổng hợp nhiên liệu sinh học như biodiesel, biokerosen. Do đó đòi hỏi các nhà nghiên cứu tìm ra loại xúc tác có cấu trúc, hoạt tính phù hợp cho các quá trình trên. Axit rắn dựa trên cơ sở là tiền chất cacbon được xem là rất phù hợp cho các phản ứng este hóa do 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. Xúc tác cacbon hóa MQTB là chất rắn cấu thành chủ yếu từ cacbon, có cấu trúc mao quản phát triển, kích thước mao quản từ 2÷50 nm, diện tích bề mặt riêng lớn khoảng 1000 m2/g. Vật liệu cacbon MQTB đã thu hút sự quan tâm rất lớn ở các ứng dụng như: làm siêu tụ điện, pin litium- ion và các tế bào nhiên liệu, chất xúc tác, chất mang xúc tác, lưu trữ hydro, chất hấp phụ… Vật liệu có bề mặt riêng lớn, đồng nhất, cấu trúc mao quản liên kết, ổn định, hoạt tính vượt trội. Vật liệu là chất xúc tác axit bền trong quá trình phản ứng, các chất xúc tác có thể giữ lại hoạt tính ban đầu của nó sau ít nhất 5 chu kì xúc tác liên tục. Với cấu tạo có ba nhóm chức năng -OH, -COOH và –SO3H thì xúc tác cacbon MQTB rắn có tính axit hiệu quả cho các phản ứng như este hóa, chuyển hóa este, hydrat hóa, phản ứng thủy phân... Tuy vậy, do cấu trúc xốp nên xúc tác cacbon dựa trên SO3H thường có diện tích bề mặt rất nhỏ (dưới 5m2/g) làm hạn chế hoạt động của xúc tác do thiếu vị trí axit. Các vấn đề trên sẽ được cải thiện bằng cách điều chỉnh các thuộc 18
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan