Tài liệu Vật liệu ứng dụng trong xử lý môi trường

NGUYỄN VĂN NỘI (Chủ biên) NGUYỄN MẠNH TƯỜNG VậT • llỊU • ỨNG DỤNG • 1R0NG XỬLÝ MỐI trưởng NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỒC GIA HÀ NỘI VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG xử LÝ MÒI TRƯỜNG MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 9 Chương 1. VẬT LIỆU HÁP PHỤ 11 1.1. SILICAGEL..........................................................................................1 1 1.1.1. Các loại silicagel ............................................................................... 1 1 1.1.2. Tính chất ........................................................................................... 12 1.1.3. Chế tạo .............................................................................................. 12 1.1.4. ứng dụng .......................................................................................... 15 1.2 VẬT L Ệ U ZEOLIT.............................................................................16 1.2.1. Phân lo ại............................................................................................ 16 1.2.11. Phân loại theo nguồn g ố c.......................................................16 1.2.1.2. Phân loại theo kích thước mao quản ....................................17 1.2.1.3. Phân 1oại theo thành phần hoá học........................................ 17 1.21.4. Phân loại theo cấu trúc mao quản ........................................ 17 1.2.2. Các loại cấu trúc zeolit .................................................................... 19 1.2.2.1. Cấu trúc zeolit tổng quát .......................................................19 1.2.2.2. Cấu trúc zeolit A, X, Y ..........................................................19 1.2.2.3. Cấu trúc ZSM -5..................................................................... 21 1.2.2.4. Cấu trúc zeolit siêu bền USY ............................................... 21 1.2.3. Các tính chất cơ bản của zeolit ....................................................... 22 1.2.3.1. Tính chất hấp p h ụ ..................................................................22 1.2.3.2. Tính chất trao đổi ion ............................................................22 1.2.3.3. Tính chất chọn lọc hình dạng ...............................................22 1.2.3 4. Tính axit bề mặt .................................................................... 23 1.2.4. Tổng hợp zeo lit................................................................................ 24 1.2.4.1. Tổng hợp zeolit đi từ nguồn Si và AI riêng l ẻ .................... 24 1.2.4.2. Tổng hợp zeolit từ khoáng sét tự n h iên ............................... 27 VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ử LÝ MÔI TRƯỜNG 4 1.2.5. ứng dụng của zeolit trong xử lý môi trường ................................. 30 1.2.5.1. Xử lý khí th ả i........................................................................ 30 1.2.5.2. Xử lý nước th ả i..................................................................... 30 1.2.5.3. Xử lý amoni và các kim loại trong n ư ớ c............................. 30 1.3 . VẬT LIỆU CACBON ........................................................................31 1.3.1. Than hoạt tính ..................................................................................32 1.31.1. Tính chất hoá lý của than hoạt tính ..................................... 32 1.3.1.2. Cấu trúc lỗ xốp ..................................................................... 33 1.3.1.3. Tính chất bề m ặ t................................................................... 34 1.3.1.4. Chế tạo vật liệu than hoạt tín h ..............................................36 13.1.5. ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ........................................... 39 1.3.2. Nano cacbon dạng ố n g .....................................................................41 1.3.2.1. Giới thiệu về vật liệu nano cacbon dạng ống ...................... 41 ] .3.2.2. Cấu trúc và tính chất của C N T .............................................41 1.3 .2.3. Các phương pháp chế tạo CNT ........................................... 44 1.3.2.4. ứng dụng CNT làm vật liệu hấp phụ .................................. 50 1.3 .3. Graphen và graphen o x it..................................................................61 1 .3.3.1 Giới thiệu về graphen........................................................... 62 1.3 3.2. Tính chất của graphen .......................................................... 63 1.3.3.3. Chế tạo graphen.................................................................... 64 1.3.3.4. Giới thiệu về graphen o x it....................................................65 1.3.3.5. Điều chế graphen oxit .......................................................... 6 6 1.3.3 6 . Tâm hoạt động của graphen và graphen oxit ...................... 6 8 1.3 .3.7. Vật liệu dựa trên cơ sở graphen ........................................ 6 8 1.3.3.8 . Các phương pháp điều chế hệ compozit oxit kim loại/graphen oxit ................................................ 69 1.3.3.9. ứng dụng trong xử lý môi trường ....................................... 70 1.4.POLYME HẤP P H Ụ ...........................................................................72 1.4.1. Đặc điểm của vật liệu polyme hấp p h ụ .......................................... 72 M ục lục 5 1.4.2. Phương pháp tổng hợp polyme hấp phụ ......................................... 72 1.4.3. Úng dụng của polyme trong hấp phụ d ầ u ....................................... 74 Chương 2. VẬT LIỆU x ú c TÁC QUANG 77 2.1. LỊCH SỬ VẬT LIỆU x ú c TÁC QUANG ...................................... 77 . . Cơ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU xúc TÁC QUANG VÀ VẬT LIỆU BÁN D Ã N ....................................................................... 79 2 2 2.3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU x ú c TÁC QUANG......81 2.3.1. Các phương pháp vật lý ................................................................... 81 2.3.11. Phương pháp bốc bay chân không (PE) ............................... 81 2.3 .1.2. Phương pháp phún xạ (P S )....................................................82 2.3.1.3. Phương pháp bắn p h á io n ......................................................82 2.3.1.4. Phương pháp phun nhiệt phân (S P )...................................... 82 2.3.2. Một số phương pháp hoá h ọ c ........................................................... 83 2.3.2.1. Phương pháp sol-gel..............................................................84 2.3.2.2. Phương pháp thủy nhiệt ........................................................85 2.3.2.3. Phương pháp thuỷ phân.........................................................8 6 2.3.2.4. Phương pháp lắng đọng hoá học .......................................... 8 6 2.3.2.5. Phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (C V D )................ 87 2.3.2.6 . Lắng đọng pha hơi hoá học plasma (PECVD).................... 87 23.2.1. Phương pháp vi nhũ tư ơ n g ....................................................8 8 2.3.2.8 . Phương pháp tẩm .................................................................. 8 8 2.3.2.9. Phương pháp điện h o á ...........................................................8 8 2.3.3. ứng dụng ..........................................................................................89 2.3 .3 1. Xúc tác quang trong xử lý môi trư ờ ng.................................89 2.3.3.2. Xử lý nước và không k h í...................................................... 90 2.3.3.3. Vật liệu tự làm sạch ...............................................................91 2.3.3.4. Khử trùng .............................................................................. 92 2.3.3.5. Xúc tác quang cho hoá học x anh..........................................94 6 VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ử LÝ MÔI TRƯỜNG 2.4. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG THÔNG DỰ N G............................94 2.4.1. T i0 2 ....................................................................................................94 2.4.1.1 Khái quát chung về TĨƠ2 ........................................................ 94 2.4.1 . 2 Một số phương pháp tổng hợp nano T1O2 .............................98 2.4.1.3. Các phương pháp điều chế T1O2 từ quặng ..........................1 0 1 2.4.2. ZnO .................................................................................................. 107 2.4.3. W 0 3 ................................................................................................. 1 1 0 2.4.4. Vật liệu T1O2 biến tín h .....................................................................111 Chương 3. VẶT LIỆU LỌC CHO x ử LÝ MÔI TRƯỜNG 115 3 .1. KHÁI NIỆM MÀNG LỌC ................................................................ 115 3.2. CÁC LOẠI MÀNG LỌC .................................................................. 116 3.2.1. Vi lọc (Microííltration - MF) ..........................................................118 3.2.2. Siêu lọc (Ultraííltration - UF) .........................................................118 3.2.3. Lọc nano (Nanoíiltration - N F )...................................................... 120 3.2.4. Lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO) .............................123 3.2.4.1 . Quá trình thẩm thấu ............................................................124 3 .2.4.2. Quá trình thẩm thấu ngư ợ c.................................................. 125 3.2.4.3. ứng dụng của phương pháp thẩm thấu ngược ...................129 3 .3. HIỆN TƯỢNG TẮC MÀNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP KHẨCPHỤC .....................................................................................130 3.3.1. Hiện tượng tắc m àng....................................................................... 130 3.3.2. Các giải pháp khắc phục tắc màng ................................................ 132 3 .4 CÁC LOẠI VẬT L Ệ U CHẾ TẠO MÀNG LỌC ...........................134 3.4.1. Màng lọc vô cơ ............................................................................... 134 3.4.2. Màng zeolit ......................................................................................135 3 4.2.1. Chế tạo màng zeolit.............................................................. 135 3.4.2.2. ứng đụng của màng zeolit trong tách khí ..........................135 3.4.3. Vật liệu lọc trên cơ sở polym e....................................................... 137 M ục lục 7 3 .4 .4. ứng dụng của vật liệu lọc trong xử lý nước ..................................139 3.4.4.1. Khứ m uối...............................................................................139 3.4.4.2. Làm trong và khử trùng nư ớ c..............................................140 3.4.4.3. Sản xuất nước siêu sạch ...................................................... 140 3.4.4.4. Xử lý nước thải công n g h iệp ............................................... 141 3.4.4.5. Màng lọc trong các bể sinh h ọ c ........................................... 141 Chưongo 4. VẬT LIỆU TIÊN TIÉN CÓ CÁU TRÚC ĐẶC BIỆT 143 • • • • 4.1. VẬT LIỆU AEROGEL ..................................................................... 143 4.1.1. Khái niệm .........................................................................................143 4.1.2. Phân loại .......................................................................................... 143 4.1.3. Tính chất ..........................................................................................144 4.1.4. Điều chế ...........................................................................................144 4.1.4.1. Kỹ thuật sấy siêu tới hạn (supercritical drying).......................... 144 4.1.4.2. Kỹ thuật sol-gel............................................................................ 145 4.2. VẬT L Ệ U CACBON AEROGEL..............................................146 4.2.1. Những nghiên cứu vật liệu cacbon aerogel .................................. 146 4.2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu aerogel nano cacbon ...................147 4.2.2.1. Phương pháp sol-gel............................................................ 147 4.2.2.2. Phương pháp sấy siêu tới hạn (supercritical drying)....... 151 4.2.2.3. Phương pháp sấy ở điều kiện thường................................. 152 4.2.2.4. Phương pháp sấy thăng hoa (sấy đông khô).......................152 4.2.3. ứng dụng của cacbon aerogel........................................................ 155 4.2.3.1. ứng dụng làm vật liệu hấp phụ .......................................... 155 4.2.3.2. ứng dụng trong khử mặn bằng phương pháp CDI ......... 156 4.3.. VẬT LIỆU KHUNG c ơ KIM .........................................................156 4.3.1. Khái niệm và lịch sử phát triể n ......................................................156 4.3».2. Cấu trúc khung của vật liệu M O F ................................................. 158 4.3.2.1. Tâm kim loại ........................................................................158 8 VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ử LÝ MÔI TRƯỜNG 4.3.2.2. Phối tử hữu cơ ..................................................................... 158 4.3.2.3. Cấu trúc khung vật liệu ...................................................... 160 4.3.3. Tính chất vật liệu M O F..................................................................160 4.3 3.1. Khả năng hấp phụ khí ......................................................... 161 4.3.3.2. Tính chất cơ l ý ..................................................................... 161 4.3.3.3. Đặc tính bền trong n ư ớ c ..................................................... 162 4.3.3.4. Tính chất quang...................................................................163 4.3.4. Các phương pháp tổng hợp vật liệu MOF .................................. 163 4.3.4.1. Phương pháp khuếch tán .................................................... 164 4.3.4.2. Phương pháp nhiệt dung môi ............................................. 165 4.3.4.3. Phương pháp vi só n g ...........................................................167 4.3.4.4. Phương pháp hồi lưu ...........................................................168 4.3.4.5. Phương pháp siêu âm ..........................................................169 4.3.4.6 . Phương pháp điện h o á ........................................................ 170 4.3.4.7. Phương pháp cơ hoá học .................................................... 171 4.3.5. ứng dụng của vật liệu trong xửlý môi trường ..............................171 TÀI LIỆU THAM KHẢO 175 MỞ ĐẦU Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn đề nóng bỏng mang tính toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Trong bối cảnh đó, những nghiên cứu về các loại vật liệu mới, có hiệu quả cao trong xử lý môi trường đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Thời gian gần đây, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ vật liệu, vai trò của các loại vật liệu trong xử lý môi trường càng trở nên quan trọng. Một số loại vật liệu có thể được thiết kế, chế tạo để thể hiện một tính năng đặc biệt cho những nhu cầu sử dụng cụ thể. Những loại vật liệu này đã có mặt ở hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống, từ chăm sóc sức khoẻ (vật liệu dẫn thuốc, thực phẩm chức năng, mỹ phẩm), xử lý môi trường (vật liệu lọc, vật liệu xúc tác/hấp phụ, vật liệu đa chức năng), chuyển hoá và tích trữ năng lượng (pin mặt trời, pin lithium) tới truyền thông (các loại sợi quang). Giáo trình Vật liệu ứng dụng trong xử lý môi trường bao gồm 4 chương. Chương 1 giới thiệu về một số loại vật liệu hấp phụ được ứng dụag rộng rãi trong xử lý môi trường, bao gồm silicagel, zeolit, vật liệu cacbon và polime hấp phụ. Chương 2 đề cập đến vật liệu xúc tác quang, bao gồm lịch sử phát triển, cơ chế hoạt động, phương pháp chế tạo và ứng dụng của loại vật liệu này. Những nội dung quan trọng liên quan đến vật liệu lọc, các loại màng lọc cũng như các vật liệu chế tạo màng lọc được nêu ở chương 3. Chương 4 đề cập đến một số loại vật liệu tiên tiến có cấu trúc đặc biệt, bao gồm vật liệu aerogel và vật liệu khung cơ kim. Giáo trình được biên soạn để sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho môm học: “Vật liệu ứng dụng trong xử lý môi trường” trong chương trình cao học chuyên ngành Hoá Môi trường, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Đồng thời cuốn sách này có thể sử dụng làmi tài liệu tham khảo cho các nhà khoa học nghiên cứu trong những lĩnh 10 VẬT LIỆU ỪNG DỤNG TRONG x ử LÝ MÔI TRƯỜNG vực khoa học và công nghệ vật liệu có liên quan tới Hoá học Môi trường và Hoá học xanh. Trong quá trinh biên soạn giáo trình này không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của độc giả để giáo trình ngày một hoàn chỉnh hơn trong những lần xuất bản tiếp theo. Xin trân trọng cảm ơn. Các tác giả Chương 1 VẬT LIỆU HÁP PHỤ• • • Hấp phụ là quá trình lưu giữ các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của chất tan lên bề mặt phân chia pha. Bề mặt chia pha có thể là lỏng - rắn, khí - lỏng, khí - rắn. Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ, còn chất mà được lưu giữ trên bề mặt phân chia pha được gọi là chất bị hấp phụ. Các chất hấp phụ được chia làm 3 loại: + Các hợp chất chứa oxi - thường ưa nước và phân cực, bao gồm các vật liệu như silicagel và zeolit. + Các hợp chất cacbon - thường là các hợp chất kỵ nước và không phân cực, bao gồm các vật liệu như cacbon hoạt hoá hay graphit. + Các vật liệu polyme - có thể có các nhóm chức phân cực hoặc không phân cực trong mạng lưới cấu trúc của polyme. 1.1. SILICAGEL Silicagel (Silica gel) hay gel axit silisic là một chất sẵn có trong tự nhiên, một hợp chất hoá học trơ, phân cực. Silicagel thực chất là một dạng SĨƠ2 vô định hình, ở dạng hạt cứng và xốp. Công thức hoá học đơn giản của nó là SÌO2 .11H 2 O (n < 2). Hiện nay silicagel có vai trò rất quan trọng trong công nghệ hoá học. Silicagel được sử dụng phổ biến để làm chất hút ẩm, làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ hoá dầu, lọc nước. 1.1.1. Các loại silicagel Loại A - Hạt trong, đường kính lỗ khoảng 2,5 nm, có tính chất làm khô, chống ẩm, có thể được sử dụng làm chất mang chất xúc tác, chất hấp phụ. Loại B - dạng viên màu trắng mờ, đường kính lỗ trong khoảng 4,5 7,0 nm, có thể được sử dụng là chất làm khô hoặc có thể được dùng làm chất mang chất xúc tác. Loại c - trắng mờ, kích thước lỗ cỡ micromet, có thể được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho sản xuất silica, ngoài ra nó còn được dùng làm chất làm khô hoặc chất mang xúc tác VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ừ LÝ MÔI TRƯỜNG 12 Hình 1.1. Các loại hạt silicagel 1.1.2. Tính chất Silicagel có diện tích bề mặt riêng lớn (khoảng 800 m2 /g), cho phép hấp phụ nước nhanh chóng, rất hiệu quả trong việc làm khô. 1.1.3. Chế tao Phương pháp sol-gel Đây là phương pháp thường được dùng để tổng hợp silicagel trong phòng thí nghiệm cũng như trong công nghiệp. Sol-gel là một quá trình các phản ứng hoá học bắt đầu đi từ dung dịch đến sản phẩm cuối cùng ở trạng thái rắn. Sử dụng phương pháp sol-gel, có thể chế tạo ra các hợp chất ở dạng khối, bột siêu mịn, màng mỏng và sợi. Cơ sở của phương pháp là các hệ nằm dưới dạng phân tán cao của các hợp chất (muối), hiđroxit, bazơ chuyển đổi về dạng phân tán cao và phân huỷ dạng phân tán cao để đưa hạt về tới kích cỡ nano mét hay dựa vào sự thuỷ phân và ngưng tụ của các alcoxit kim loại. Phản ứng cô đặc lại vật liệu gel với cấu trúc 3 chiều. Sau đó dùng nhiệt làm mất nước thu được các gel. • Ưu điểm của phương pháp sol-gel: + Phản ứng xảy ra dễ dàng; + Tiến hành ở nhiệt độ phòng; Chương 1. Vật liệu hấp phụ 13 + Sản phấm có nhiều tính chất lý tưởng cho các ứng dụng mong muốn như các xerogels xốp có thể làm chất mang cho xúc tác và các lớp mỏng rất hữu ích cho chế tạo vật liệu có tính chất quang học và từ tính mong muốn; + Có thể đi từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau. • Tổng họp silicagel từ các alcoxit silic như: tetramethyl orthosilicate Si(OCH3) 4 - TMOS, tetraethyl orthosilicate Si(OC2 H 5) 4 TEOS. Ban đầu các alcoxit bị thủy phân tạo liên kết Si-OH: Si(OR)4+ H20 -> HO-Si(OR ) 3 + R-OH Ở đây R là các gốc -CH 3 hay - C 2 H 5 Tiếp đó các phân tử trung gian tiếp tục phản ứng tạo mối liên kết Si-O-Si qua loạt phản ứng polyme hoá ngưng tụ: (OR)3 -Si-OH + HO-Si-(OR)3^ [(0R) 3 S ì-0-Sì(0R )3] + H-O-H (OR)3 -Si-O R + HO-Si-(OR)3-> [(0R) 3 S ì-0-Sì(0R )3] + R-OH Trong thời gian xảy ra phản ứng, độ nhớt của dung dịch sẽ tăng lên do phản ứng polyme hoá và đông đặc, cho tới khi hình thành gel rắn ở ngay nhiệt độ phòng. Chất lượng và dạng của sản phẩm cuối cùng tuỳ thuộc vào loại alcoxit được sử dụng, pH của dung dịch phản ứng, chất xúc tác là axit hoặc bazơ, nhiệt độ, tỷ lệ alcoxit/H2 0 và các chất khác sử dụng trong phản ứng. Tỉ lệ alcoxit/H2 0 đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sản phẩm cuối cùng. Sau khi gel được hình thành, nó thường ở dạng xốp và còn chứa các chất lỏng bên trong các lỗ xốp. Các chất lỏng này sẽ phải được loại bỏ bằng các quá trình sấy và xử lý nhiệt về sau. Ưu điểm của phương pháp này là gel tạo ra có hàm lượng S1O2 cao, độ xốp lớn và có thể được điều chỉnh tuỳ thuộc vào tỷ lệ của nước với các hoá chất ban đầu sử dụng, nhiệt độ và môi trường khi nung mẫu. Nhược điểm là phản ứng được tiến hành dưới điều kiện nghiêm ngặt, các loại hoá chất sử dụng có giá thành cao, vì vậy phương pháp này chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm. 14 VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ử LÝ MÔI TRƯỜNG • Tổng họp silicagel từ thủy tinh lỏng Đây là phương pháp được sử dụng để tổng hợp silicagel cả trong phòng thí nghiệm và trong sản xuất công nghiệp từ nguồn nguyên liệu thuỷ tinh lỏng Na 2 SiƠ3 và axit H 2 SO4 theo phương pháp sol-gel (hình 1.2). Quá trinh hình thành gel silica cũng theo hai giai đoạn: Tạo sol bằng cách thêm từ từ dung dịch H 2 SO4 vào dung dịch thuỷ tinh lỏng tới pH xác định: Nă2 Si0 3 + H 2 SO4 —> Na2 S 0 4+ H 2 S1O3 Axit silisic ban đầu được tạo ra dưới dạng các hạt keo SÌO2 .11H 2 O Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ chế tạo silicagel từ thủy tinh lỏng Quá trình ngưng tụ: Khi nồng độ các hạt keo tăng lên thì tò trạng thái sol, dung dịch keo sẽ chuyển sang trạng thái gel. Sau quá trình tổng hợp thu được khối gel silica ướt, đem rửa và sấy ở nhiệt độ thích hợp thu được silicagel. Chuơng 1. Vật liệu hấp phụ 15 ưu điểm phương pháp là quá trình tổng hợp được tiến hành dễ dàng trong điều kiện thường; dụng cụ hoá chất đơn giản và rẻ tiền. Nhược điểm là khó loại bở lượng muối, hoá chất còn dư trong gel silica. Phưo’ĩtg pháp điện phần Trong phương pháp này, một hỗn hợp dung dịch gồm muối silicat kim loại kiềm (Na2 SiC>3 hoặc K2 S1O3 ) và muối mà anion chứa oxit có cation tương tự (như Na2 SƠ4 hay NaNOí) được điện phân trong bình điện phân có màng ngăn. Dưới tác dụng của dòng điện, các dung dịch muối bị điện phân và thu được silicagel ở cực dương. Cơ chế của quá trình được giải thích như sau: Ở catot, nơi tập trung các cation N a \ K+ thì nước bị điện phân theo phản ứng: 2H20 + 2e -» H2 + 20H Ở anot, nơi tập trung các anion S1O32 thì nước bị điện phân theo phản ứng: 2 H 2 O - 4e —» O2 + 4H+ Như vậy, sau quá trình điện phân lớp silicagel hình thành và bám vào bề mặt anot. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng dung dịch muối silicat chứa hàm lượng kiềm và silic thấp hơn so với các dung dịch silicat dùng trong phương pháp sol-gel. Nhược điểm là quá trình điện phân diễn ra trong thời gian dài, lượng silicagel thu được không lớn so với các phương pháp trên. 1.1.4. ứng dụng Trong nhiều sản phẩm, độ ẩm thúc đẩy sự phát triển của nấm mốc và hư hỏng. Sự ngưng tụ cũng có thể làm hỏng các mặt hàng như điện tử và có thể tăng tốc độ phân hủy của các hoá chất, chẳng hạn như các loại thuốc, dược phẩm. Nhờ có các gói chống ẩm silicagel, các sản phẩm có thể được bảo quản lâu hơn. Silicagel cũng được sử dụng để chống ẩm cho các hệ thống phát thanh. Silicagel cũng được sử dụng để làm khô không khí trong hệ thống khí nén công nghiệp. Silicagel đôi khi được sử dụng như một công cụ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ừ LÝ MÔI TRƯỜNG 16 bảo quản để kiểm soát độ ẩm tương đối trong bảo tàng, thư viện, triển lãm và các trung tâm lưu trữ. Trong phân tích hoá học, silicagel được sử dụng trong sắc ký như một pha tĩnh. Trong sắc ký cột, các hạt silicagel kích thước khác nhau được sử dụng để đạt được một sự phân tách mong muốn đối với các phân tử có kích thước nhất định. Trong ứng dụng này, do silicagel phân cực nên các thành phần không phân cực có xu hướng rửa giải trước thành phần phân cực. Trong trường hợp các nhóm kỵ nước (như các nhóm C18) được gắn vào silicagel thì các thành phần phân cực lại được rửa giải đầu tiên và phương pháp này được gọi sắc ký pha ngược. Silicagel cũng được áp dụng với nhôm, thủy tinh, hoặc tấm nhựa dùng cho sắc ký lớp mỏng. Các nhóm hidroxyl (OH) trên bề mặt silica có thể được biến đổi để tạo ra silicagelcó khả năng đặc biệt với các thông số pha tĩnh độc đáo. Các silicagel biến tính cũng được sử dụng trong tổng hợp và tinh chế các hợp chất hữu cơ. Các nhóm chức càng cua cũng có thể được gắn vào silicagel tạo ra vật liệu có khả năng loại bỏ chọn lọc các ion kim loại trong môi trường nước, cấu trúc càng cua cũng có thể có liên kết hoá trị gắn với polyamit đã được ghép vào bề mặt silicagel tạo ra vật liệu có tính chất cơ lý hoàn hảo hơn. Do tính chất hấp phụ cao của silicagel mà vật liệu này được sử dụng trong các bộ lọc nước sinh hoạt, cấu trúc bề mặt silicagel có khả năng hấp thụ một số khoáng chất được hoà tan trong nước. 1.2. VẢT LIÊU ZEOLIT • • 1.2.1. Phân loại Dựa vào đặc tính và tính chất sử dụng người ta phân loại zeolit theo 4 cách sau: 1.2.1.1. Phân loại theo nguồn gốc • Zeolit tự nhiên: + Hình thành từ sự kết hợp giữa đá và tro của núi lửa với các kim loại kiềm có trong nước ngầm. + Đặc tính: kém bền, luôn có xu hướng chuyển thành các pha khác bền hơn như naỉcime. 17 Chương 1. Vật liệu hấp phụ + Các zeolit tự nhiên như: analcim, chabazit, mordenit... • Zeolit tổng họp: + Tổng hợp từ nguồn tự nhiên, biến tính các alumosilicat là khoáng phi kim như cao lanh, bentonit. .. hoặc tổng hợp trực tiếp từ silicat và aluminat. + Đặc tính: độ tinh khiết cao, cấu trúc đồng đều, số lượng nhiều và đa dạng về chủng loại. + Các zeolit tổng hợp như: zeolit A, ZSM-5, ZSM-11... 1.2. ỉ .2. Phân loại theo kích thước mao quản - Zeolit có mao quản rộng: d > 8 Ả, ví dụ: faujazit, offretit... - Zeolit có mao quản trung bình: d = 5 ZSM-11, ZSM-22... 8 Â, ví dụ: ZSM-5, - Zeolit có mao quản nhỏ: d < 5 Â, ví dụ: zeolit A, chabazit... ĩ .2.1.3. Phân loại theo thành phẩn hoá học - Loại có hàm lượng Si thấp: Si/Al = 1 - 1,5, ví dụ: zeolit A. - Loại có hàm lượng Si trung bình: Si/Al = 2 - 5, ví dụ: zeolit X, Y. - Loại giàu Si: Si/AI > 5, ví dụ: ZSM-5, ZSM-11. 1.2.1.4. Phân loại theo cấu trúc mao quản - Zeolit có hệ thống mao quản 1 chiều: các mao quản không giao nhau, ví dụ analcim. Hlnh 1.3. Hệ thống mao quàn 1 chiểu ĐẠI HỌC QUỐC GIA HẢ NỘI TRUNG TẦM THÔNG TIN THƯVIÊN ooosoooo VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG x ử LÝ MÔI TRƯỜNG 18 - Zeolit có hệ thống 2 chiều: mordenit, feưeirit... Hình 1.4. Hệ thống mao quản 2 chiều - Zeolit có hệ thống mao quản 3 chiều, gồm 2 loại: + Loại 1: Các mao quản cùng chiều, đường kính các mao quản bằng nhau, không phụ thuộc vào hướng tinh thể, ví dụ zeolit A. Ị - ...) 7 Hình 1.5. Hệ thống mao quản cùng chiều + Loại 2: Các mao quản không cùng chiều, đường kính mao quản phụ thuộc vào chiều và hướng tinh thể, ví dụ zeolit X, Y. Hình 1.6. Hệ thống mao quản không cùng chiều Chirơng 1. Vật liệu hấp phụ 19 1.2.2. Các loai cấu trúc zeolit 1.2.2. í. Cấu trúc zeo!it tổng quát Công thức chung: M2 /n0 .Al2 0 3 .xSi0 2 .yH2 0 M: kim loại kiềm hay kiềm thổ; n: hoá trị của kim loại Các cấu trúc sơ cấp liên kết với nhau qua nguyên tử o tạo thành cấu trúc thứ cấp. Hình 1.7. Cấu trúc sơ cấp của zeolittồng quát (tâm là Si hay AI, đỉnh là O) Hình 1.8. Cấu trúc thứ cấp của zeolittỗng quát 1.2.2.2. Cấu trúc zeolit A, Xf Y Cấu trúc thứ cấp hình bát diện cụt gồm: 8 mặt hình lục giác 6 mặt hình vuông 24 đỉnh (Si và AI) 36 cạnh (vị trí của O)