Ứng dụng MCM - 41 để xử lí các chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước

MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii MỤC LỤC 1 Danh mục viết tắt 3 Danh mục các hình vẽ 4 Dang muc các bảng 5 MỞ ĐẦU 6 1. Tính cấp thiết của đề tài 6 2. Mục tiêu của đề tài 7 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 7 4. Phương pháp nghiên cứu 7 5. Lịch sử nghiên cứu của đề tài 7 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 9 1.1. Vật liệu mao quản trung bình 9 1.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB 10 1.2.1. Chất định hướng cấu trúc 10 1.2.2. Cơ chế hình thành vật liệu MQTB 11 1.2.3. Sự thay thế đồng hình Si4+ bởi ion kim loại Men+ 15 1.2.4. Phương pháp thủy nhiệt 18 1.3. Một số phương pháp hóa lý đặc trưng vật liệu 19 1.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 19 1.3.2. Các phương pháp hiển vi điện tử 20 1.3.3. Phương pháp phổ kích thích electron (Ultra Violet – Visible: UV-Vis 26 1.4. Vai trò xúc tác của MCM-41 27 1.4.1. Xúc tác axit 27 1.4.2. Xúc tác oxy hoá – khử 28 1.4.3. Chất mang – Chất hấp phụ 29 1.4.4. Ứng dụng trong sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC) 30 1.4.5. Các lĩnh vực ứng dụng khác 30 1.5. Oxy hóa phenol trong môi trường nước 30 1.5.1. Sự ô nhiễm môi trường do phenol 30 1.5.2 Oxy hóa phenol trong môi trường nước 31 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 32 2.1. Hóa chất và dụng cụ 32 2.1.1. Hóa chất 32 2.1.2. Dụng cụ 33 2.2. Thực nghiệm 33 2.2.1. Nguyên tắc 33 2.2.2. Điều kiện phản ứng 33 2.2.3. Tiến hành thực nghiệm 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1. Kết quả xúc tác phân hủy phenol 36 3.2. Kết quả xúc tác phân hủy xanh metylen 48 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC VIẾT TẮT BET Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ CTAB Cetyl trimetyl amoni bromit ĐHCT Định hướng cấu trúc I Tiền chất vô cơ IUPAC Quy định chung về danh pháp quốc tế của các chất hóa học M41S Họ vật liệu MQTB bao gồm MCM-41, MCM-48, MCM-50 MCM-41 Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lục lăng MCM-48 Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lập phương MCM-50 Họ vật liệu MQTB có cấu trúc lớp MQTB Mao quản trung bình S Chất định hướng cấu trúc SBA Santa Barbara Acid SEM Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện quét) TEM Tranmission Electron Microscopy (hiển vi điện tử truyền qua) TEOS Tetraethyl Orthosilicate UV-VIS Ultraviolet – Visible (tử ngoại và khả kiến) XRD X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ Rơnghen) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB 10 Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát hình thành vật liệu MQTB 11 Hình 1.3. Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng 12 Hình 1.4. Cơ chế sắp xếp silicat ống 13 Hình 1.5. Cơ chế phù hợp mật độ điện tích 14 Hình 1.6. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc 15 Hình 1.7. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể 19 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét 22 Hình 1.9. Ảnh SEM của mẫu MCM-41 23 Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 24 Hình 1.11. Ảnh TEM của mẫu MCM-41 25 Hình 1.12. Sơ đồ cho thấy sự phong phú về thông tin thu được từ tương tác giữa chùm điện tử với mẫu trong nghiên cứu hiển vi điện tử 25 Hình 1.13. Bước chuyển của các electron trong phân tử 26 Hình 2. Dụng cụ thực nghiệm 35 Hình 3.1. Công thức cấu tạo của phenol 36 Hình 3.2. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 1g/l) ở thời điểm gốc, 10’, 30’, 60’ 37 Hình 3.3. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 1g/l) ở thời điểm gốc, 60’, 90’, 120’ 38 Hình 3.4. Sơ đồ oxi hóa phenol (tạo nhựa) của Devlin và Harris 39 Hình 3.5. Sơ đồ oxi hóa hoàn toàn phenol của Devlin và Harris 40 Hình 3.6. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 2 g/l) ở thời điểm gốc, 10’, 30’, 60’, 90’ 42 Hình 3.7. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 2 g/l) ở thời điểm gốc, 120’, 150’ 180’ 43 Hình 3.8. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 5 g/l) ở thời diểm gốc, 10’, 30’, 60’ 44 Hình 3.9. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 5 g/l) ở thời điểm gốc, 60’, 120’, 150’,180’ 45 Hình 3.10. Phổ UV-Vis của phenol (mẫu 5 g/l) không dùng xúc tác MCM – 41 46 Hình 3.11. Công thức cấu tạo của xanh metylen 47 Hình 3.12. Phổ UV-Vis của xanh metylen ở thời điểm gốc, 0’, 10’ 48 Hình 3.13. Phổ UV-Vis của xanh metylen ở thời điểm gốc, 20’, 30’ 49 Hình 3.14. Phổ UV-Vis của xanh metylen ở thời điểm gốc, 40’, 60’ 50 DANH MỤC CÁC BẢNG và BIỂU ĐỒ Trang Bảng 1. Một số dữ liệu về các ion thay thế đồng hình Si4+ trong vật liệu 15 Bảng 2. Nồng độ, thể tích và cách pha dung dịch phenol 32 Bảng 3.1. Độ hấp thụ của các dung dịch phenol phản ứng theo thời gian 47 Bảng 3.2. Độ hấp thụ của dung dịch xanh metylen nồng độ ban đầu 2 ml/l theo thời gian 50 Đồ thị 3.1. Sự thay đổi độ hấp thụ của dung dịch phenol theo thời gian 47 Đồ thị 3.2. Sự thay đổi độ hấp thụ của xanh metylen theo thời gian 52 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong vài thập niên gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học, con người đã tận thu quá đáng mà làm khánh kiệt nguồn tài nguyên. Điều đó đã dẫn đến mất cân bằng sinh thái và làm biến đổi lớp vỏ bề mặt. Đặc biệt, với sự phát triển của nền văn minh công nghiệp đã làm giảm độ đa dạng của sinh giới. Vì thế môi trường bị đe dọa là điều không tránh khỏi, một trong số đó là môi trường nước bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nước bị ô nhiễm là do sự phụ dưỡng xảy ra chủ yếu ở các khu vực nước ngọt và các vùng ven biển. Do lượng muối khoáng và hàm lượng các chất hữu cơ dư thừa, đặc biệt là những chất có vòng thơm như phenol, phenol đỏ, phẩm nhuộm… làm cho các sinh vật trong nước không thể đồng hóa được và làm mất vẻ đẹp mĩ quan. Kết quả làm cho hàm lượng oxi trong nước giảm đột ngột, các khí CO2, CH4, H2S tăng lên. Ô nhiễm nước có nguyên nhân từ các chất thải và nước thải công nghiệp được thải ra lưu vực các con sông mà chưa qua xử lí đúng mức, các loại phân bón hóa học và thuốc trừ sâu ngấm vào nguồn nước ngầm và nước mặt, nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư ven sông… Vì thế việc sử dụng các chất hóa học thân thiện với môi trường để xử lí các chất độc hại trong môi trường nước đang là vấn đề cấp bách và thiết thực. Hiện nay, đang có nhiều hướng để xử lí môi trường nước, trong số đó là sự phát minh ra vật liệu mao quản trung bình (MQTB) họ M41S như: MCM-41, MCM-48,… với những ưu điểm và tính năng vượt trội của nó đã giúp cho xúc tác dị thể mở ra hướng phát triển mới, và việc sử dụng vật liệu MQTB họ M41S để xử lí môi trường nước ngày càng có tiềm năng. Xuất phát từ tình hình trên, chúng tôi chọn đề tài: “Ứng dụng MCM-41 để xử lí các chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước” 2. Mục tiêu của đề tài Sử dụng MCM-41 tổng hợp từ trấu để hấp phụ và phân hủy các chất hữu cơ độc hại, các chất màu trong môi trường nước như phenol, xanh metylen. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Thực hiện quá trình phân hủy phenol, metylen xanh có mặt xúc tác MCM-41. Đo phổ UV-Vis để xác định khả năng xúc tác cho quá trình phân hủy phenol, xanh metylen của MCM-41. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: thu thập và nghiên cứu và xử lí tài liệu, đưa ra các bước thực hiện khả thi. - Phương pháp thực nghiệm: tiến hành phân hủy các chất hữu cơ độc hại như phenol, metylen xanh bằng xúc tác MCM-41. - Phương pháp phân tích, đánh giá: Phân tích các kết quả thu được bằng phương pháp phổ kích thích electron (UV-Vis). Đánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác của MCM-41. 5. Lịch sử nghiên cứu của đề tài Trong nước: Nhóm tác giả Phạm Anh Sơn và đồng sự [9] đã khảo sát quá trình tổng hợp vật liệu xúc tác trên cơ sở MCM-41, sử dụng chất hoạt động bề mặt là CTAB (cetyltrimetyl amoni bromit), nguồn silic là TEOS (tetraetyl ortho silicat). Trong khi đó, tác giả Nguyễn Đình Thành và đồng sự [6] đã nghiên cứu tổng hợp xúc tác mao quản trung bình Al-MCM-41 ứng dụng cho quá trình crackinh hiđrocacbon nặng, dùng chất hoạt động bề mặt không ion alkyl poly (etylen oxide) C16H33(OCH2CH2)10OH, nguồn silic là thủy tinh lỏng (27% SiO2, 11% NaOH). Một nguồn silic rẻ tiền được Hồ Văn Thành và đồng sự [4] sử dụng là vỏ trấu để nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu mao quản trung bình trật tự MCM-41. Tác giả Đỗ Xuân Đồng và các đồng sự [1] đã nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và xác định hoạt tính xúc tác của vật liệu lưỡng mao quản Y/MCM-41được tổng hợp từ cao lanh. Nước ngoài: Hai tác giả A. Auroux, A. Gervasini [13] đã nghiên cứu tính chất axit của Ti-silicat, Zeolit và trạng thái vật liệu vi mao quản. Tác giả Zhao D., và đồng sự [31] nghiên cứu về polyme khối với mao quản trung bình có kích thước lỗ khá đồng đều từ 50 đến 300
. Farrauto R. J. và Bartholomew C. H. [19] đã nghiên cứu về những cơ sở của quá trình xúc tác trong công nghiệp năm 1997. Năm 2001, Hu. X và đồng sự [22] đã khảo sát tác dụng xúc tác của Cu/MCM-41 cho phản ứng oxi hóa phenol bằng H2O2. Năm 2006, Choi J. S. và đồng sự [18] đã oxi hóa phenol dùng xúc tác MCM-41. CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1. Vật liệu mao quản trung bình Xúc tác có vị trí hết sức quan trọng, không thể thiếu cho công nghiệp hóa dầu. Trong đó, xúc tác zeolit chiếm vị trí then chốt trong nhiều thập niên qua và cho đến ngày hôm nay. Tuy nhiên do hạn chế về kích thước mao quản làm cho zeolit không thuận lợi trong việc chuyển hóa các chất có kích thước phân tử lớn như đã đề cập ở phần mở đầu. Sự phát minh ra loại vật liệu MQTB họ M41S với những ưu điểm của nó đã giúp cho xúc tác dị thể mở ra một hướng phát triển mới. Từ phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB của các nhà nghiên cứu của hãng Mobil [5], ngày nay người ta đã điều chế được vật liệu MQTB không chứa silic như các oxit kim loại. Các oxit này vốn có diện tích bề mặt hạn chế nhưng có hoạt tính xúc tác, hấp phụ tốt lại rẻ tiền. Việc thay thế một phần silic trong mạng lưới vật liệu MQTB MCM-41 [4] bằng một số kim loại đã làm thay đổi rất lớn hoạt tính xúc tác cũng như độ bền của chúng. Người ta đã ứng dụng chúng vào phản ứng crackinh các phân đoạn dầu nặng, phản ứng trùng ngưng, phản ứng ankyl hóa Fridel-Crafts, phản ứng peoxit hóa các olefin, đặc biệt là các olefin có kích thước phân tử lớn [9, 19]. Nhờ ưu điểm diện tích bề mặt lớn khoảng 1000 m2/g [4], hệ mao quản đồng đều và độ trật tự cao, vật liệu MCM-41 được dùng làm chất mang kim loại cũng như oxit kim loại lên bề mặt của chúng để thực hiện phản ứng xúc tác theo mong muốn. Ví dụ: Pd-MCM-41 thể hiện tính chất xúc tác chọn lọc hóa học trong nhiều phản ứng hidro hóa như chuyển xiclohexen thành xiclohexan,… Ngày nay, người ta có thể phân tán các hạt siêu mịn kích thước nano, đặc biệt là nano kim loại, oxit kim loại quý hiếm có hoạt tính xúc tác cao lên bề mặt của vật liệu MQTB để làm tăng tính chọn lọc, khiến cho giá thành sản phẩm giảm đáng kể. Fe-MCM-41 được Choi J. S. và các cộng sự [18] nghiên cứu ứng dụng oxi hóa phenol năm 2006. Phân loại vật liệu MQTB: ( Phân loại theo cấu trúc + Cấu trúc lục lăng (hexagonal): MCM-41, SBA-15, ... + Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16, ... + Cấu trúc lớp (laminar): MCM-50, ... + Cấu trúc không trật tự (disordered): KIT-1, L3, ...
 Hình 1.1. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB [5] ( Phân loại theo thành phần + Vật liệu MQTB chứa silic như: MCM–41, Al–MCM–41, Ti–MCM–41, Fe–MCM–41, MCM–48, SBA–15 , SBA–16... + Vật liệu MQTB không phải silic như: ZrO2, TiO2 MQTB, Fe2O3,... 1.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB 1.2.1. Chất định hướng cấu trúc Templat [15] hay chất định hướng cấu trúc là tác nhân định hình mạng lưới cấu trúc trong quá trình hình thành vật liệu. Sự có mặt templat trong gel góp phần làm ổn định mạng lưới nhờ tương tác hidro, tương tác tĩnh điện, tương tác Vander Walls. Tác nhân này sẽ định hình cấu trúc vật liệu thông qua sự định hình của chúng. Để tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41, người ta sử dụng chất ĐHCT là CTAB. Dựa vào nguyên tắc trên để tổng hợp vật liệu như ý muốn. 1.2.2. Cơ chế hình thành vật liệu MQTB Có rất nhiều cơ chế đã được đưa ra để giải thích quá trình hình thành các loại vật liệu MQTB. Các cơ chế này đều có một đặc điểm chung là có sự tương tác của các chất định hướng cấu trúc với các tiền chất vô cơ trong dung dịch. Để tổng hợp vật liệu MQTB cần có ít nhất 3 hợp phần: + Chất ĐHCT đóng vai trò làm tác nhân định hướng cấu trúc vật liệu. + Nguồn vô cơ như silic nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản. + Dung môi (nước, bazơ,…) đóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh.
 Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát hình thành vật liệu MQTB [15] 1.2.2.1. Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng (Liquyd Crystal Templating): Cơ chế này được các nhà nghiên cứu của hãng Mobil đề nghị [5] để giải thích sự hình thành vật liệu M41S.
Hình 1.3. Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng [23] Theo cơ chế này [23], trong dung dịch các chất định hướng cấu trúc tự sắp xếp thành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các đầu ưa nước của các phân tử chất định hướng cấu trúc và đuôi là phần kị nước hướng vào trong. Các mixen ống này đóng vai trò làm tác nhân tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lỏng dạng lục lăng. Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với đầu phân cực của chất định hướng cấu trúc thông qua tương tác tĩnh điện với đầu phân cực của chất định hướng cấu trúc thông qua tương tác tĩnh điện (S+I-, S-I+, trong đó S là chất định hướng cấu trúc, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hidro (S0I0) và hình thành nên lớp màng silicat xung quanh mixen ống, quá trình polyme hóa ngưng tụ silicat tạo nên tường vô định hình của vật liệu oxit silic MQTB. Các dạng silicat trong dung dịch có thể đóng vai trò tích cực trong việc định hướng sự hình thành pha hữu cơ và vô cơ. Mặt khác, các phân tử chất định hướng cấu trúc có vai trò quan trọng trong việc thay đổi kích thước mao quản. Thay đổi phần kị nước của chất định hướng cấu trúc có thể làm thay đổi kích thước mao quản mixen, do đó tạo ra khả năng chế tạo các vật liệu MQTB có kích thước mao quản khác nhau. Ngoài ra, còn có một số cơ chế khác có cùng ý tưởng được đưa ra nhằm bổ sung cho cơ chế trên. 1.2.2.2. Cơ chế sắp xếp silicat ống (Silicate rod Assembly) David và các cộng sự đã dựa trên phổ 14N-NMR nhân thấy rằng trong quá trình tổng hợp MCM-41, pha tinh thể lỏng dạng lục lăng của chất định hướng cấu trúc không hình thành trước khi thêm silicat. Họ giả thiết rằng có sự hình thành 2 hoặc 3 lớp mỏng silicat trên một mixen ống chất định hướng cấu trúc riêng biệt, các ống này ban đầu sắp xếp hỗn loạn, sau đó mới hình thành cấu trúc lục lăng. Quá trình gia nhiệt và làm già dẫn đến quá trình ngưng tụ của silicat tạo thành hợp chất MQTB MCM-41.
Hình 1.4. Cơ chế sắp xếp silicat ống [26] 1.2.2.3. Cơ chế lớp silicat gấp (Silicate Layer puckering) Theo Steel và các cộng sự, các ion chứa silic hình thành trên các lớp và các mixen ống của chất định hướng cấu trúc. Quá trình làm già hỗn hợp làm cho các lớp này gấp lại, đồng thời sự ngưng tụ silicat xảy ra hình thành nên cấu trúc MQTB. 1.2.2.4. Cơ chế phù hợp mật độ điện tích (Charge Disnity Matching) Một giả thiết khác của Stucky và các cộng sự [29, 31] cho rằng pha ban đầu của hỗn hợp tổng hợp các cấu trúc lớp mỏng được hình thành từ sự tương tác giữa ion silicat và các cation của chất định hướng cấu trúc. Khi các phân tử silicat bị uốn cong để cân bằng mật độ điện tích với nhóm chức của chất định hướng cấu trúc, do đó cấu trúc MQTB lớp mỏng chuyển thành cấu trúc MQTB lục lăng.
Hình 1.5. Cơ chế phù hợp mật độ điện tích [27] 1.2.2.5. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc (Cooperative Templating) Cơ chế này được Huo và các cộng sự đề nghị [29, 31]. Trong một số trường hợp, nồng độ chất định hướng cấu trúc có thể thấp hơn nồng độ cần thiết để tạo ra cấu trúc tinh thể lỏng hay thậm chí là dạng mixen. Theo cơ chế này, trước khi thêm nguồn silic vào, các phân tử định hướng cấu trúc nằm ở trạng thái cân bằng động giữa mixen ống, mixen cầu và các phân tử chất định hướng cấu trúc riêng rẽ. Khi thêm nguồn silic vào, các dạng silicat đa điện tích thay thế các ion đối của các chất định hướng cấu trúc, tạo thành các cặp ion hữu cơ – vô cơ. Chúng tự sắp xếp tạo thành pha silic. Bản chất của các pha trung gian này được khống chế bởi các tương tác đa phối trí.
Hình 1.6. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc [27] 1.2.4. Phương pháp thủy nhiệt [6] Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu Fe-MCM-41 như phương pháp sol-gel [11, 16], phương pháp đồng kết tủa, phương pháp nhiệt luyện,… Ở đây, chúng tôi dùng phương pháp thủy luyện để tổng hợp vật liệu. Vì phương pháp này khá đơn giản, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm của chúng ta hiện nay. Hỗn hợp phản ứng được đưa vào autoclave (bình teflon) ở dạng huyền phù hidroxit hay ankoxit, kết tinh được thực hiện ở nhiệt độ thấp từ 100 – 170 0C, áp suất tự sinh từ 1 đến vài chục atm, tránh được việc nung nhiều giai đoạn như phương pháp sol-gel. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải xử lý nhiệt trong nhiều giờ vì tốc độ phản ứng chậm. Phương pháp thủy nhiệt không phải là mới, nó được ứng dụng từ thế kỷ trước để tổng hợp các khoáng vật, điều hấp dẫn này được Morey mô tả vào năm 1953. Ngày nay, kỹ thuật thủy nhiệt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để hòa tan quặng boxit. Sau đó kết tủa thu được Al(OH)3 đem dùng làm chất đầu cho việc tổng hợp zeolit. Tuy nhiên, chỉ trong những năm gần đây, phương pháp này mới thu hút sự chú ý đáng kể cho việc tổng hợp vật liệu, điều đó thể hiện khá rõ qua lượng công trình nghiên cứu ngày càng tăng của phương pháp này, chỉ sau phương pháp sol-gel. 1.3. Các phương pháp hóa lý đặc trưng vật liệu 1.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [10] Phương pháp nhiễu xạ tia X cung cấp trực tiếp những thông tin về cấu trúc lỗ xốp của vật liệu. Xét hai mặt phẳng song song i và ii có khoảng cách d. Chiếu chùm tia Rơnghen tạo với các mặt phẳng trên một góc θ. Để các tia phản xạ có thể giao thoa thì hiệu quang trình của hai tia 11’ và 22’ phải bằng số nguyên lần bước sóng ( AB + AC = n( hay 2dsinθ = n( Đó là phương trình Bragg. Như đã đề cập ở phần trên, do vật liệu xốp mao quản trung bình có cấu trúc thành lỗ ở dạng vô định hình nên kết quả nhiễu xạ tia X ở góc lớn không cho thông tin về cấu trúc vật liệu. Trong giản đồ nhiễu xạ tia X của loại vật liệu này chỉ xuất hiện những Pic ở góc 2θ nhỏ (thường dưới 7o), và những pic này phản ánh mức độ tuần hoàn của các lỗ xốp.
 Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, ta có thể thu được một số thông tin quan trọng như: mức độ trật tự của các lỗ xốp, giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng song song (cùng chỉ số miller) từ đó suy ra giá trị khoảng cách giữa hai tâm mao quản liền nhau. Dựa vào giá trị khoảng cách giữa hai tâm mao quản liền kề với dữ liệu đường kính mao quản thu được từ phương pháp hấp phụ nitơ, ta có thể tính được độ dày của thành mao quản. 1.3.2. Các phương pháp hiển vi điện tử Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để khảo sát những vật thể rất nhỏ. Kết quả thu được qua những khảo sát này phản ánh về mặt hình thái học, diện mạo học và tinh thể học của vật liệu mà chúng ta cần xác định. Phương diện hình thái bao gồm hình dạng và kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu. Diện mạo là các đặc trưng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt hoặc độ cứng của vật liệu. Phương diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể như thế nào. Chúng có thể sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vô định hình. Cách sắp xếp của các nguyên tử một cách có trật tự sẽ ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn, tính chất điện và độ bền của vật liệu. Các phương pháp hiển vi điện tử được phát triển để thay thế các phương pháp hiển vi quang học bị hạn chế bởi độ phóng đại, chỉ đạt được 500 – 1000 lần với độ phân giải 0,2 micromet. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [10] là phương pháp hiển vi điện tử đầu tiên được phát triển với thiết kế đầu tiên mô phỏng phương pháp hiển vi quang học truyền qua (những năm đầu 1930). Phương pháp này sử dụng một chùm electron thay thế chùm sáng chiếu xuyên qua mẫu vật và thu được những thông tin về cấu trúc và thành phần của nó giống như cách sử dụng hiển vi quang học. Các bước để thu được một ảnh hiển vi điện tử gồm: Một dòng electron hình thành từ một nguồn electron được tăng tốc hướng về phía mẫu được tích điện dương. Chùm electron được điều khiển và hội tụ nhờ những khe hở và các thấu kính hội tụ từ tính hình thành một chùm tia nhỏ, đơn sắc. Chùm electron được hội tụ vào mẫu nhờ sử một dụng thấu kính hội tụ từ tính. Do xảy ra những tương tác xảy ra bên trong của mẫu nên chùm tia chiếu vào sẽ bị ảnh hưởng đồng thời xảy ra các bức xạ thứ cấp. Những tương tác và ảnh hưởng trên được ghi lại, khuyếch đại và chuyển thành hình ảnh hoặc được phân tích để thu được những thông tín có giá trị khác. 1.3.2.1. Hiển vi điện tử quét (SEM) [10] Phương pháp hiển vi điện tử quét được phát triển lần đầu tiên vào năm 1942 và thiết bị có giá trị thương mại được giới thiệu vào năm 1965. Phương pháp này được phát triển muộn hơn so với TEM [10] là do những khó khăn về mặt điện tử trong việc quét dòng electron. Nhưng phương pháp SEM tỏ ra phổ biến hơn so với TEM do SEM có thể thu được những bức ảnh có chất lượng ba chiều cao, có sự rõ nét hơn và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu, tuy nhiên phương pháp TEM lại cho hình ảnh với độ phóng đại lớn hơn. Phương pháp SEM đặc biệt hữu dụng bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt.
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét [10] Hình 1.8 là sơ đồ đơn giản của thiết bị SEM, chùm electron từ ống phóng được đi qua một vật kính và được lọc thành một dòng hẹp. Vật kính chứa một số cuộn dây (cuộn lái electron) được cung cấp với điện thế thay đổi, cuộn dây tạo nên một trường điện từ tác động lên chùm electron, từ đó chùm electron sẽ quét lên bề mặt mẫu tạo thành trường quét. Tín hiệu của cuộn lái cũng được chuyển đến ống catôt để điều khiển quá trình quét ảnh trên màn hình đồng bộ với quá trình quét chùm electron trên bề mặt mẫu. Khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây nó được chuyển thành tín hiệu điện và được khuyếch đại. Tín hiệu điện được gửi tới ống tia catôt và được quét lên màn hình tạo nên ảnh. Độ nét của ảnh được xác định bởi số hạt thứ cấp đập vào ống tia catôt, số hạt này lại phụ thuộc vào góc bắn ra của electron khỏi bề mặt mẫu, tức là phụ thuộc vào mức độ lồi lõm bề mặt. Vì thế ảnh thu được sẽ phản ánh diện mạo bề mặt của vật liệu. 1.3.2.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [10] Mặc dù phát triển trước nhưng đến bây giờ TEM mới tỏ ra có ưu thế hơn SEM [10] trong lĩnh vực vật liệu mới. Nó có thể dễ dàng đạt được độ phóng đại 400.000 lần với nhiều vật liệu, và với các nguyên tử nó có thể đạt được độ phóng đại tới 15 triệu lần. Cấu trúc của thiết bị TEM khá giống với một máy chiếu (projector), một chùm sáng được phóng qua xuyên phim (slide) và kết quả thu được sẽ phản ánh những chủ đề được thể hiện trên đó, hình ảnh sẽ được phóng to và hiển thị lên màn chiếu. Các bước của ghi ảnh TEM cũng tương tự: chiếu một chùm electron qua một mẫu vật, tín hiệu thu được sẽ được phóng to và chuyển lên màn huỳnh quang cho người sử dụng quan sát. Mẫu vật liệu chuẩn bị cho TEM phải mỏng để cho phép electron có thể xuyên qua giống như tia sáng có thể xuyên qua vật thể trong hiển vi quang học, do đó việc chuẩn bị mẫu sẽ quyết định tới chất lượng của ảnh TEM.
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lí của kính hiển vi điện tử truyền qua [10] Một chùm electron được tạo ra từ nguồn cung cấp. Chùm electron này được tập trung lại thành dòng electron hẹp bởi các thấu kính hội tụ điện từ. Dòng electron đập vào mẫu và một phần sẽ xuyên qua mẫu. Phần truyền qua sẽ được hội tụ bởi một thấu kính và hình thành ảnh. Ảnh được truyền từ thấu kính đến bộ phận phóng đại. Cuối cùng tín hiệu tương tác với màn hình huỳnh quang và sinh ra ánh sáng cho phép người dùng quan sát được ảnh. Phần tối của ảnh đại diện cho vùng mẫu đã cản trở, chỉ cho một số ít electron xuyên qua (vùng mẫu dày hoặc có mật độ cao). Phần sáng của ảnh đại diện cho những vùng mẫu không cản trở, cho nhiều electron truyền qua (vùng này mỏng hoặc có mật độ thấp). Tuy có độ phóng đại và độ phân giải cao hình ảnh của TEM không thể hiện được tính lập thể của vật liệu. Nhiều trường hợp người ta sử dụng kết hợp phương pháp SEM và TEM để khai thác những ưu điểm của hai phương pháp này. Trong các phương pháp hiển vi điện tử, khi các electron va chạm với hạt nhân nguyên tử của mẫu sẽ xảy ra hàng loạt các hiệu ứng khác nhau và dựa trên những hiệu ứng này người ta có thể kết hợp hiển vi điện tử với các phương pháp phân tích định tính cũng như định lượng.
Hình 1.12. Sơ đồ cho thấy sự phong phú về thông tin thu được từ tương tác giữa chùm điện tử với mẫu trong nghiên cứu hiển vi điện tử 1.3.3. Phương pháp phổ kích thích electron (Ultra Violet – Visible: UV-Vis) Sự hấp phụ của phân tử trong vùng quang phổ tử ngoại và khả kiến (UV-Vis) [8, 10] phụ thuộc vào cấu trúc electron của phân tử. Sự hấp thụ năng lượng được lượng tử hóa và do các electron bị kích thích nhảy từ obitan có mức năng lượng thấp lên các obitan có mức năng lượng cao gây ra. Bước chuyển năng lượng này tương ứng với sự hấp thụ các tia sáng có bước sóng
khác nhau theo phương trình:
Trong đó: h là hằng số Plăng c là vận tốc ánh sáng Khi phân tử bị kích thích, các electron của các nguyên tử trong phân tử thực hiện các bước nhảy sau:
 Trong đó: n: obitan không kiên kết
: obitan liên kết

*: obiran
phản liên kết
: obitan liên kết

*: obitan
phản liên kết Các điện tử khi bị kích thích bởi các bức xạ điện từ sẽ nhảy lên các obitan có mức năng lượng cao hơn, các bước nhảy có thể là:
(
*,
(
*, n (
*, n (
*, tùy vào năng lượng kích mà các electron thực hiện các bước chuyển năng lượng khác nhau. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào định luật Lambert-Beer. Phương trình:
Trong đó: A: độ hấp thụ ánh sáng I, I0: cường độ bức xạ điện từ sau và trước khi qua chất phân tích
: hệ số hấp thụ l: độ dày cuvet c: nồng độ chất phân tích Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis được sử dụng rất thuận lợi và phổ biến để phân tích các chất. 1.4. Vai trò xúc tác của MCM-41 1.4.1. Xúc tác axit Lĩnh vực đầu tiên ứng dụng vật liệu M41S có thể nghĩ ngay đến đó là xúc tác cracking các phân tử lớn, cồng kềnh. Corma [14] đã so sánh Al-MCM-41, aluminosilicat vô định hình và zeolit USY (zeolit Y) làm xúc tác cracking n-hexan, thì USY có hoạt tính gấp 140 lần Al-MCM-41 [6]. Điều này có thể giải thích vì số trung tâm axit Bronsted ở trong zeolit nhiều hơn so với Al-MCM-41. Tuy nhiên Al-MCM-41 lại có hoạt tính cao hơn nhiều so với aluminosilicat vô định hình và tương đương với zeolit USY trong quá trình cracking các phân tử dầu phân đoạn nặng. Độ chọn lọc của Al-MCM-41 trong cracking phân đoạn nặng thu được nhiều nhiên liệu lỏng hơn, ít khí và cốc hơn so với aluminoslilicat vô định hình. Với zeolit USY, thì cracking thu được chủ yếu là diesel, ít xăng và nhiều cốc hơn. Do đó dễ dàng thấy được đối với các phân tử lớn thì dùng xúc tác Al-MCM-41 là có lợi hơn cả. Sau khi cracking, xúc tác phải được tái sinh và loại xúc tác mới có một giới hạn đáng quan tâm. Đối với các quá trình ứng dụng, độ bền nhiệt của xúc tác là hết sức quan trọng. Trong xúc tác tầng sôi, xúc tác phải qua một quá trình tái sinh để loại cốc. Quá trình này được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 8000C và có mặt hơi nước. Dưới điều kiện này Al-MCM-41 không bền. Độ bền tăng lên khi giảm hàm lượng Al, nhưng khi đó hoạt tính xúc tác cũng giảm xuống. Khuynh hướng tương tự đối với Al-MCM-48. Do vậy, độ bền thuỷ nhiệt của Al-MCM-41 và Al-MCM-48 cần phải được cải thiện trước khi có thể áp dụng rộng trong quá trình xúc tác chẳng hạn như cracking phân đoạn dầu chân không. Có vài phương pháp có thể sử dụng để nâng cao độ bền nhiệt của xúc tác, một trong những cách đó là tăng độ dày thành của vật liệu xốp, cách khác là đưa tinh thể vào thành lỗ (hoặc cố gắng chuyển thành lỗ dạng vô định hình sang tinh thể), bằng cách đó có thể tăng được độ bền của vật liệu xốp lên tương đương với zeolit. Tuy nhiên quá trình tinh luyện lại không yêu cầu loại xúc tác phải có tính bền nhiệt và có độ axit cao như xúc tác cho quá trình cracking. Chẳng hạn quá trình hydrocracking, tách kim loại, hydro đồng phân hoá và olefin oligome hoá. Do vậy loại vật liệu xốp mao quản trung bình rất phù hợp cho các quá trình này. Xúc tác hai chức năng Pt/Al-MCM-41 tỏ ra có hiệu quả cao cho phản ứng đồng phân hoá parafin thành isoparafin. Đầu tiên phản ứng xảy ra trên các tâm kim loại Pt, quá trình này parafin bị tách hydro tạo thành olefin. Các phân tử olefin này có hoạt tính cao và tâm axit trung bình Al-MCM-41 [6] cho phép quá trình đồng phân hoá tạo ra isoolefin. Isoolefin lại được hydro hoá ở tâm kim loại tạo thành isoparafin. Do sự phân tán của Pt trên bề mặt của Al-MCM-41 tốt hơn trên aluminosilicat vô định hình nên quá trình cracking xảy ra ít hơn, sản phẩm thu được tốt hơn. 1.4.2. Xúc tác oxy hoá – khử Xúc tác oxy hoá chọn lọc parafin, olefin và alcol thu được thành công lớn với xúc tác titansilicat. Do đó để có thể tiến hành được với những phân tử lớn thì phải cố gắng mở rộng kích thước lỗ đối với loại xúc tác này. Trước kia phải sử dụng xúc tác Ti-(-zeolit, thì đến năm 1994 đã tổng hợp được Ti-MCM-41 [25] có thể oxy hoá olefin thành epoxy sử dụng H2O2 hoặc hydropeoxit hữu cơ làm tác nhân oxy hoá. Phản ứng oxy hoá các chất khác cũng đã được tiến hành với hiệu quả cao. Một xúc tác axit-oxy hoá hai chức năng được điều chế thành công cho phép xúc tác cho phản ứng hai bước trên cùng một vật liệu. Đó là Ti-Al-MCM-41 chứa trung tâm oxy hoá là Ti phối trí 4, kết hợp với tâm axit là H+ và nhôm phối trí 4. Xúc tác được thử với tert-butyl hydropeoxit trong phản ứng oxy hoá nhiều bước linalool (CH3)2C=CH(CH2)2CCH3OHCH=CH2 thành furanol vòng và pyran hydroxy ete. Độ chọn lọc đạt được 100% ở tỷ lệ 0,89. Đây là quá trình ưu việt hơn phương pháp thông thường khi phải tiến hành từng bước. Sự thành công của titan trên cấu trúc vật liệu xốp meso đã tạo đà thuận lợi cho việc đưa các kim loại chuyển tiếp khác lên cấu trúc vật liệu xốp. Tuy nhiên vấn đề chủ yếu của xúc tác kim loại chuyển tiếp trên nền chất mang là vật liệu xốp ở chỗ: hoạt tính và độ chọn lọc giảm mạnh khi ta tăng hàm lượng các kim loại này. Một trở ngại khác là sự thay đổi trạng thái oxy hoá của kim loại trong quá trình nung và tái sinh. 1.4.3. Chất mang - Chất hấp phụ Vật liệu M41S có diện tích bề mặt lớn (khoảng 1000 m2/g) [4] nên chúng là đối tượng rất hấp dẫn để làm chất nền cho các chất có hoạt tính hoá học khác. Cấu trúc xốp meso được sử dụng làm chất mang cho axit, bazơ và các nano kim loại hoặc oxit kim loại. Như vậy khi kết hợp một oxit hoặc một kim loại có hoạt tính xúc tác cao với một khung có diện tích bề mặt lớn có thể làm các chất xúc tác ở trạng thái phân tán cao nên có thể phát huy tối đa tác dụng của chúng. Ngoài ra do có diện tích bề mặt lớn mà các vật liệu xốp cũng được sử dụng để chế tạo các chất hấp phụ. 1.4.4. Ứng dụng trong sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC) Al-MCM-41 [6] được sử dụng làm pha tĩnh trong sắc ký lỏng hiệu năng cao: do nó có cả tính axit và bazơ nên thích hợp cho việc sắc ký phân tách các hợp chất axit, trung hoà và hợp chất bazơ. Các vật liệu xốp họ M41S được gắn với (R)-naphtylethylamin và được sử dụng như là chất mang trong sắc ký lỏng hiệu năng cao bất đối xứng 1.4.5. Các lĩnh vực ứng dụng khác Ngoài ra các vật liệu xốp còn rất nhiều những ứng dụng thú vị như: Sử dụng vật liệu xốp để điều khiển chọn lọc hình học trong quá trình polime hoá styren, metylmetacrylat và vinyl axetat; dùng các vật liệu xốp trong chế tạo vật liệu cảm biến, tế bào năng lượng, điện cực nano, trong các thiết bị quang học, pin, tế bào nhiên liệu… trong một số công trình nghiên cứu gần đây người ta đã thông báo sử dụng ưu điểm về lỗ xốp của vật liệu mao quản trung bình để tổng hợp các phần tử nano nằm trong những lỗ xốp này, đây cũng là thông tin thú vị và nó sẽ mở ra một hướng nghiên cứu mới thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. 1.5. Oxy hóa phenol trong môi trường nước 1.5.1. Sự ô nhiễm môi trường do phenol Phenol và các dẫn xuất của nó chiếm một vị trí quan trọng trong công nghiệp hóa học. Hàng năm thế giới sản xuất hơn 3,5 triệu tấn phenol. Phenol và các axit cresylic và cresol được sử dụng để sản xuất nhựa phenol - focmaldehyt và photphat - tricresyl. Phenol, alkyl - phenol và poly - phenol là các vật liệu quan trọng để sản xuất các hợp chất hữu cơ, chất màu, dược phẩm, chất hóa dẻo, chất chống oxi hóa,… Đi đôi với quá trình sản xuất đó, hàng năm trên thế giới đã thải ra một lượng đáng kể rác thải chứa phenol cũng như dẫn xuất của phenol. Phenol và dẫn xuất của nó có độc tính cao, khả năng phân hủy sinh học thấp (khó phân hủy sinh học), gây thiệt hại cho môi trường sống dưới nước. Phenol tác động đến nước và mùi vị của nước, ngay cả với một lượng cực kỳ nhỏ. Nói chung, việc xử lý nước chứa một hàm lượng phenol > 200 mg/l bằng kỹ thuật sinh học là rất khó [2]. Người ta thấy rằng xử lí ô nhiễm bằng sinh học có thể thực hiện hiệu quả khi nồng độ cực đại của phenol trong nước chỉ khoảng 50 - 70 mg/l. Hiện nay, hầu hết các nguồn nước đều chứa lượng phenol cao hơn nhiều so với giới hạn nói trên (2000 - 3000 mg/l). Do đó, người ta phải tiến hành xử lý hóa học phenol đến mức đủ thấp để xử lí sinh học hoặc hấp phụ… 1.5.2. Oxy hóa phenol trong môi trường nước [17] Trước đây, hầu hết các nghiên cứu oxy hóa phenol trong dung dịch nước đều tập trung vào hướng oxi hóa phenol bằng không khí (Wet Air Oxidation - WAO) ở nhiệt độ và áp suất cao, có hoặc không có chất xúc tác. Những nghiên cứu các tác nhân oxy hóa như ozon (O3) và hidropeoxit (H2O2) còn rất ít. Phương pháp WAO có ưu điểm dùng oxi không khí, song phương pháp này đòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao nên cần thiết bị đặc biệt đắt tiền làm cho chi phí vận hành cao, không kinh tế. Để khắc phục nhược điểm của phương pháp WAO, người ta đưa xúc tác vào hệ trên (Catalystic Wet Air Oxidation - CWAO) đã làm giảm chi phí đáng kể. Song phương pháp CWAO cần phải lựa chọn xúc tác thích hợp có hoạt tính cao, vật liệu làm chất mang phải chịu được môi trường (axit hoặc kiềm) dưới nhiệt độ và áp suất cao. Một trong những phương pháp có khả năng thay thế hai phương pháp trên là phương pháp sử dụng tác nhân oxi hóa H2O2 [22]. Theo Devlin và Harris [18] phản ứng oxi hóa phenol trong nước xảy ra theo sơ đồ hình 3.3 hoặc sơ đồ hình 3.4. Tùy vào điều kiện phản ứng (bản chất tác nhân oxi hóa: O2, O3, H2O2,..., nhiệt độ, áp suất, xúc tác) mà phản ứng xảy ra đến mức độ nào và tạo ra sản phẩm cuối cùng là gì. CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và dụng cụ 2.1.1. Hóa chất Tên hóa chất  Nguồn gốc   - Xúc tác MCM-41 - Phenol - Xanh metylen - H2O2 35%  - Tổng hợp từ trấu - Trung Quốc - Việt Nam (Thuốc trị nấm Millian) - Trung Quốc   - Pha phenol từ phenol lỏng (D =1,072 g/ml): Thể tích mỗi dung dịch cần pha là 500 ml. Dung dịch phenol nồng độ a (g/l). Trong 500 ml dung dịch định pha cần có
g phenol. Dựa vào công thức
, ta suy ra thể tích phenol cần lấy. - Pha xanh metylen Dung dịch xanh metylen có nồng độ 2 ml/l. Dùng pipet hút 1 ml xanh metylen, chuyển hết vào bình định mức 500 ml, thêm nước cất, lắc đều. Thêm nước cất đến vạch. 2.1.2. Dụng cụ - Bình cầu 2 cổ (500 ml) - Sinh hàn - Nhiệt kế - Pipet - Một số dụng cụ cơ bản khác. 2.2. Thực nghiệm 2.2.1. Nguyên tắc Phản ứng oxi hóa phenol và xanh metylen được thực hiện gián đoạn, đầu tiên ta cho dung dịch phenol (hoặc xanh metylen) vào bình cầu 500 ml, khuấy, gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết, sau đó cho xúc tác và tác nhân oxi hóa H2O2. Lấy mẫu, lọc tách chất rắn và đem phân tích trên máy quang phổ UV-Vis Evolution-300 (Anh), với bước sóng từ 200 đến 800 nm. 2.2.2. Điều kiện phản ứng - Phản ứng ở 700C - Áp suất khí quyển - Lượng phenol lấy cho mỗi lần phản ứng + Mẫu 1 g/l + Mẫu 2 g/l + Mẫu 5 g/l - Tác nhân oxi hóa H2O2 (35%, d = 1,11 g/ml): 3 ml/lần - Lượng xúc tác: 0,1 g/lần 2.2.3. Tiến hành thực nghiệm 2.2.3.1. Quá trình xúc tác phân hủy phenol trong môi trường nước Đầu tiên, ta lấy 100 ml dung dịch phenol nồng độ 1 g/l cho vào bình cầu 2 cổ 250ml được nối với ống sinh hàn hồi lưu, đặt vào dung dịch nhiệt kế 1000C được đậy kín bằng một nút cao su ta khuấy dung dịch này bằng máy khuấy từ, gia nhiệt đến 700C như hình 2. Sau đó, ta cho 0,1g MCM-41 và 2 ml dung dịch H2O2 (30%, d = 1,11 g/ml) vào bình cầu 2 cổ, tiếp tục khuấy trên máy khuấy từ. Sau những khoảng thời gian (0, 10, 30, 60, 90, 120 phút), dùng pipet hút 5 ml dung dịch mẫu phản ứng. Với dung dịch phenol nồng độ 2 g/l, 5 g/l, 0,2 g/l, chúng tôi tiến hành thực nghiệm tương tự: + Với dung dịch 2 g/l, chúng tôi lấy 5 ml dung dịch mẫu ở các thời gian: 0, 10, 30, 60, 90, 120 và 150 phút. + Với dung dịch 5 g/l, chúng tôi lấy 5 ml dung dịch mẫu ở các thời gian: 0, 10, 30, 60, 120, 150 và 180 phút. + Với dung dịch phenol 0,2 g/l, không xúc tác MCM-41, chúng tôi lấy 5 ml dung dịch mẫu gốc và mẫu ở 90 phút. 2.2.3.2. Quá trình xúc tác phân hủy xanh metylen trong môi trường nước - Quá trình xúc tác phân hủy xanh metylen cũng được thực hiện 1 cách tương tự. Sau các khoảng thời gian 0, 10, 20, 30, 40, 60 phút, mẫu được lấy ra 1 lần, mỗi lần 5 ml. - Lọc bằng đầu lọc chuyên dụng và bảo quản cẩn thận, rồi đem dung dịch đo phổ UV-Vis.CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xúc tác phân hủy phenol Các phản ứng xử lý nước thải oxi hóa phenol thường thực hiện ở nhiệt độ, áp suất cao dẫn đến giá thành cao. Với mục đích tìm kiếm hệ xúc tác và các quy trình xử lý phenol ở nhiệt độ thấp, áp suất thường nên chúng tôi tiến hành thử hoạt tính của hệ xúc tác trong các điều kiện như mục 2.3.
Hình 3.1. Công thức cấu tạo của phenol Như đã biết, phenol là chất rắn, không màu, tan ít trong nước, độ tan của phenol trong nước là 9,5 g/100ml H2O (ở 250C) [12], đây là một hợp chất rất bền. Phenol là một chất được sử dụng rất thông dụng trong kỹ thuật nhuộm, điều chế dược phẩm, chất kích thích sinh trưởng thực vật, chất diệt cỏ rất khó phân hủy và gây độc hại khi thải ra môi trường. Hình 3.2 trình bày phổ UV-Vis của phenol, nồng độ 1 g/l dưới tác dụng của xúc tác MCM-41, có mặt của H2O2 theo thời gian phản ứng. Đường 1 là phổ hấp thụ của mẫu gốc (chưa phản ứng), các đường 2, 3, 4 lần lượt là phổ hấp thụ của các mẫu phản ứng sau 10, 30, 60 phút. Phổ UV-Vis của phenol có cực đại hấp thụ ở bước sóng
= 271 nm, ứng với bước nhảy điện tử từ mức
(
*. Nhận thấy rằng, độ hấp thụ của dung dịch phenol giảm khá nhanh, A = 1,24 xuống còn 0,55 sau 10 phút phản ứng và tiếp tục giảm xuống còn 0,19 sau 60 phút phản ứng. Điều đó cho thấy nồng độ của phenol đã giảm đáng kể dưới tác dụng của vật liệu MQTB MCM-41 có mặt của H2O2. Càng kéo dài thời gian phản ứng, độ hấp thụ của dung dịch phenol càng giảm. Hình 3.3 lần lượt là phổ UV-Vis của mẫu gốc, mẫu 60, 90 và 120 phút. Cực đại hấp thụ ở 271 nm giảm, chứng tỏ nồng độ của phenol giảm và bằng không sau 120 phút. Như vậy, có thể khẳng định rằng, khả năng phân hủy phenol của MCM-41 có mặt H2O2 là khá tốt và vật liệu này có thể sử dụng để xử lí phenol có trong môi trường nước. Tuy nhiên, nếu quan sát kĩ đường 4 trong hình 3.3, ta thấy rằng có sự biến đổi tạo thành các chất có cực đại hấp thụ chuyển về bước sóng ngắn hơn nhưng nồng độ rất bé. Theo chúng tôi đó có thể là các chất trung gian trong quá trình phân hủy phenol bằng xúc tác MCM-41 và H2O2. Quá trình oxi hóa phenol tạo nhựa và oxi hóa hoàn toàn phenol được trình bày ở sơ đồ 3.4 và 3.5:
Hình 3.4. Sơ đồ oxi hóa phenol (tạo nhựa) của Devlin và Harris Theo Devlin và Harris [18] thì đó chủ yếu là hiđroquinon, catechol, benzoquinon và nhựa (tar), các chất này có cực đại hấp thụ gần giống với phenol. Tuy vậy, sau 120 phút, các chất trung gian này cũng bị phân hủy cùng với phenol.
Hình 3.5. Sơ đồ oxi hóa hoàn toàn phenol của Devlin và Harris Cơ chế phản ứng tạo ra các chất trung gian như sau:











Trong đó: - HP là hidropeoxit - S là chất xúc tác - PH là phenol - BQ là benzoquinone - HQ là hidroquinone - CT là catechol - TA là nhựa Mẫu phenol 2 g/l có xúc tác Để đánh giá khả năng hấp phụ và xúc tác của MCM-41 có mặt H2O2, chúng tôi tiếp tục khảo sát quá trình phân hủy phenol nồng độ 2 g/l trong môi trường nước, kết quả được trình bày ở hình 3.6 và 3.7.
 Độ hấp thụ giảm khá nhanh và đều đặn giống như mẫu 1 g/l nhưng tốc độ giảm nhanh hơn một ít, từ 1,99 ở nồng độ gốc còn 1,25 sau 10 phút phản ứng. Điều này được giải thích là khi nồng độ của phenol giảm thì tốc độ phản ứng phân hủy cũng giảm theo. Sau 90 phút phản ứng, độ hấp thụ của dung dịch giảm còn 0,25 cho thấy nồng độ của phenol đã giảm đi rất nhiều (đường 5, hình 3.6). Ở hình 3.7, độ hấp thụ của các mẫu giảm tương đối nhanh, tuy nhiên cực đại hấp thụ ở 120 phút lớn hơn so với mẫu 90 phút (0,27 so với 0,25) nhưng nếu trừ đi đường nền thì vẫn hoàn toàn phù hợp, nghĩa là nồng độ phenol sau 120 phút phản ứng thấp hơn so với nồng độ sau 90 phút. Đường 4 trên hình 3.7 chưa hoàn toàn triệt tiêu giống như đường nền có thể là do tạo thành các chất trung gian như đã thảo luận và thời gian phản ứng chưa đủ lâu để phenol bị phân hủy hoàn toàn (ở bước sóng
= 271 nm còn có chỗ lồi lên nhưng rất thấp). Mẫu phenol 5 g/l có xúc tác Để khảo sát khả năng xúc tác của MCM-41 cho dung dịch chứa phenol nồng độ cao, chúng tôi thực hiện quá trình oxi hóa với dung dịch phenol nồng độ 5 g/l. Kết quả phân tích phổ được trình bày ở hình 3.8. Quan sát hình 3.8, ta thấy độ hấp thụ của dung dịch giảm theo thời gian và cực đại hấp thụ hơi dịch chuyển về phía có bước sóng nhỏ hơn, do có sự tạo các hợp chất trung gian và nhựa giống như đã thảo luận ở mẫu 1 g/l. Hình 3.9 trình bày phổ UV – Vis của mẫu phenol 5g/l trên hệ xúc tác MCM–41 và H2O2 của mẫu gốc, mẫu 90, 120, 150, 180 phút. Theo hình 3.9, cực đại hấp thụ giảm dần theo thời gian. Nhưng, ở 120 phút (đường 3) dung dịch có độ hấp thụ ở các bước sóng khác cao hơn ở 90 phút (đường 2) và có sự dịch chuyển cực đại hấp phụ, chứng tỏ có sự sinh ra chất trung gian. Sau 150 phút phản ứng, độ hấp thụ của dung dịch giảm xuống (từ 0,35 xuống 0,13), cho thấy các chất trung gian bị oxi hóa nhanh. Đến 180 phút thì độ hấp thụ cực đại của dung dịch gần bằng không chứng tỏ hàm lượng phenol, các chất trung gian đã bị oxi hóa bởi H2O2 trên xúc tác MCM – 41 gần như hoàn toàn đủ để tự phân hủy sinh học bởi các vi sinh vật trong nước. Để xác định vai trò của H2O2 trong phản ứng phân hủy phenol, chúng tôi tiến hành phản ứng với nồng độ phenol, H2O2 và các điều kiện khác không đổi nhưng không sử dụng MCM-41, kết quả được trình bày ở hình 3.10.
 Nhìn vào hình 3.10, ta thấy thời gian phân hủy phenol bằng H2O2 không sử dụng xúc tác MCM–41 khác với trường hợp có sử dụng chất xúc tác, sau 90 phút phản ứng, hầu như độ hấp thụ không thay đổi gì so với độ hấp thụ của mẫu gốc. Điều đó cho thấy, quá trình phân hủy phenol trong nước chủ yếu là do xúc tác, H2O2 chỉ là môi trường tác nhân. Nếu không có MCM-41, quá trình phân hủy phenol không xảy ra. Do đó, xúc tác MCM–41 đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình phản ứng. Quá trình phân hủy phenol trong môi trường nước với sự có mặt của H2O2 có thể chia thành 2 giai đoạn chính. Giai đoạn thứ nhất là tạo thành các hợp chất trung gian như hidroquinon, catechol…như sơ đồ 3.4 của Devlin và Harris [18]. Giai đoạn thứ hai là các chất trung gian này bị phân hủy hoàn toàn thành CO2 và H2O theo sơ đồ 3.5 của Devlin và Harris. Kết quả độ hấp thụ của dung dịch phenol theo thời gian được tổng hợp trong bảng 3.1 Bảng 3.1. Độ hấp thụ của các dung dịch phenol phản ứng theo thời gian Độ hấp thụ  Thời gian phản ứng    Gốc  10’  30’  60’  90’  120’  150’  180’   A1  1,28  0,52  0,30  0,18  0,12  0,04     A2  1,98  1,30  0,90  0,55  0,27  0,32  0,12    A3  2,30  1,62  0,88  0,48   0,35  0,12  0   A4  0,49     0,46      Trong đó: A1: Độ hấp thụ của dung dịch phenol nồng độ ban đầu 1 g/l A2: Độ hấp thụ của dung dịch phenol nồng độ ban đầu 2 g/l A3: Độ hấp thụ của dung dịch phenol nồng độ ban đầu 5 g/l A4: Độ hấp thụ của dung dịch phenol nồng độ ban đầu 0,2 g/l Theo bảng 3.1, ta thấy quá trình oxi hóa xúc tác phenol xảy ra hoàn toàn. Mẫu 5 g/l bị oxi hóa hoàn toàn sau 180 phút (đường a), mẫu 1 g/l (đường c) và mẫu 2 g/l (đường b) bị oxi hóa rõ rệt, có thể bị oxi hóa hoàn toàn nếu tăng thêm thời gian phản ứng. Trong khi đó, với mẫu không xúc tác 0,2 g/l, độ hấp thụ giảm không đáng kể sau 90 phút (đường d). 3.2. Kết quả xúc tác phân hủy xanh metylen Trong đề tài này, metylen xanh được sử dụng để đánh giá hoạt tính hấp phụ, xúc tác của MCM-41 có mặt H2O2. Phẩm màu metylen xanh là một chất được sử dụng rất thông dụng trong các nhà máy dệt nhuộm, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học. Đây là một chất khó phân hủy khi thải ra môi trường nước, gây mất vẻ đẹp mĩ quan, ảnh hưởng xấu đến quá trình sản xuất và sinh hoạt.
Hình 3.11. Công thức cấu tạo của metylen xanh Hình 3.12. trình bày phổ UV-Vis của metylen xanh theo thời gian phản ứng ở nhiệt độ phòng. Phổ UV-Vis của metylen xanh có 3 pic đặc trưng, pic ở 664 nm đặc trưng cho nhóm mang màu liên hợp, pic ở 291 nm đặc trưng cho nhân thơm và pic ở 245 nm đặc trưng cho các nhóm thế.
 Trong nghiên cứu này pic đặc trưng cho các nhóm thế ở 291 nm không được rõ và chia thành nhiều pic nhỏ hơn, nguyên nhân có thể do tương tác giữa các nhóm thế này với các tạp chất trong dung dich làm ảnh hưởng đến tương tác giữa chúng với nhân thơm nên pic có dạng như trên. Đường 1 là mẫu metylen xanh 2 ml/l (mẫu gốc), đường 2 là mẫu 10 phút không sử dụng xúc tác, đường 3 là mẫu phản ứng sau 10 phút có sử dụng xúc tác MCM-41. Nhìn vào các đường của phổ UV-Vis ta thấy, khi có xúc tác độ hấp thụ của dung dịch giảm rất nhanh, nhất là pic ở vị trí 664 nm độ hấp thụ giống như đường nền, trong khi đó nếu không sử dụng xúc tác, độ hấp thụ của các mẫu thay đổi không đáng kể. Như vậy quá trình phân hủy metylen xanh chủ yếu là do xúc tác MCM-41 quyết định, H2O2 chỉ là tác nhân môi trường.
 Hình 3.13 là phổ UV-Vis của mẫu metylen xanh gốc, mẫu 20 và 30 phút, trong phản ứng tốc độ mất màu tương đối nhanh nên các mẫu được lấy ra ở các khoảng thời gian ngắn hơn so với phenol. Sau các khoảng thời gian là 10 phút, các mẫu được lấy ra 1 lần để đo độ hấp thụ. Nhận thấy rằng, pic ở vị trí 291 nm giảm nhanh nhưng tốc độ giảm kém hơn so với ban đầu, nguyên nhân là do nồng độ giảm, dẫn đến tốc độ phản ứng giảm. Pic trải dài ở 245 nm thay đổi tương đối chậm do các nhóm thế và các tạp chất bền, khó bị phân hủy. Pic ở 664 nm ở thời điểm 10 đã biến mất nhưng đến thời điểm 20 phút lại xuất hiện trở lại, điều này có thể do quá trình lấy và lọc mẫu không được cẩn thận, dẫn đến sai lệch trong khi đo.
 Sau 40 phút, pic ở vị trí 291 nm đặc trưng cho nhân thơm chỉ còn một vai rất nhỏ, còn pic ở 664 nm đã bị biến mất hoàn toàn. Từ đây có thể khẳng định được rằng metylen xanh đã bị phân hủy gần như hoàn toàn dưới tác dụng của xúc tác MCM-41, có mặt của tác nhân H2O2. Sau 60 phút, phổ UV-Vis giống với đường nền, độ hấp thụ của dung dịch gần như bằng không. Kết quả độ hấp thụ của dung dịch xanh metylen theo thời gian được tổng hợp trong bảng 3.2 Bảng 3.2.Độ hấp thụ của dung dịch xanh metylen nồng độ 2 ml/l theo thời gian  Thời gian phản ứng   Độ hấp thụ  Gốc  0’  10’  20’  30’  40’  60’   A1  0,33  0,29  0,10  0,065  0,04  0,02  0   A2  0,41  0,34  0  0,25  0  0  0   Trong đó: A1: độ hấp thụ của dung dịch xanh metylen ở bước sóng
= 291 nm A2: độ hấp thụ của dung dịch xanh metylen ở bước sóng
= 664 nm Qua khảo sát quá trình phản ứng, chúng tôi nhận thấy rằng, có thể sử dụng xúc tác MCM-41 để phân hủy metylen xanh, có mặt H2O2 trong môi trường nước. Tốc độ phân hủy tương đối nhanh, sự mất màu xảy ra trước, kế đó là sự phá hủy vòng thơm và nhóm thế KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Kết luận Đã khảo sát được quá trình phân hủy phenol và metylen xanh trong môi trường nước bằng xúc tác MCM-41, có mặt H2O2 thông qua phổ UV-Vis. Kết quả cho thấy, độ hấp thụ của dung dịch giảm một cách đều đặn cho đến hết, chứng tỏ khả năng phân hủy phenol và metylen xanh của hệ xúc tác này là khá tốt. Có thể sử dụng hệ này để xử lí phenol, metylen xanh có trong môi trường nước, góp phần làm sạch môi trường, tăng thêm vẻ đẹp mĩ quan, an toàn trong sản xuất và sinh hoạt. Kiến nghị Nếu có điều kiện, chúng tôi sẽ tiến hành phân hủy thêm một số hợp chất hữu cơ độc hại khác trong môi trường. Gắn các kim loại chuyển tiếp lên bề mặt MCM-41 để tăng thêm hoạt tính hấp phụ, xúc tác và ứng dụng như Fe, Cu, V, Pt… Sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại hơn để xác định nồng độ và thành phần của các chất trong dung dịch trước và sau khi xử lí. TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tài liệu tiếng Việt: 1. Đỗ Xuân Đồng, Lê Thị Kim Lan, Vũ Anh Tuấn, “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và xác định hoạt tính xúc tác của vật liệu lưỡng mao quản Y/MCM-41 được tổng hợp từ cao lanh”, Hội nghị hấp phụ và xúc tác toàn quốc lần thứ 4, 1-3/8/2007, Tp Hồ Chí Minh. 2. Đinh Quang Khiếu (2008), Luận án tiến sĩ Hóa học, Huế. 3. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ, Tập 1, Lý thuyết đại cương về hóa học, NXB Giáo dục, Tp Hồ Chí Minh. 4. Hồ Văn Thành, Võ Thị Thanh Châu, Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Hữu Phú, “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu mao quản trung bình trật tự MCM-41 từ vỏ trấu”, Hội nghị hấp phụ và xúc tác toàn quốc lần thứ 4, 1-3/8/2007, Tp Hồ Chí Minh.