Luận văn Xác định các tham số ảnh hưởng đến sự hình thành tinh thể và kích thước của Zeolite bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Xác định các tham số ảnh hưởng đến sự hình thành tinh thể và kích thước của Zeolite bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ LINH PHƯỢNG XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC CỦA ZEOLITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S KC 0 0 4 1 7 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ LINH PHƯỢNG XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC CỦA ZEOLITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ LINH PHƯỢNG XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH TINH THỂ VÀ KÍCH THƯỚC CỦA ZEOLITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN QUỐC DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ LINH PHƢỢNG Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1986 Nơi sinh: Lâm Đồng Quê quán: Duy Xuyên, Quảng Nam Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Điện thoại nhà riêng: 0937298269. E-mail: linhphuongspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 04/ 2010 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Ngành học: KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRYSIM VÀO MÔN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT. Nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: KHOA CƠ KHÍ MÁY - ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S HUỲNH MINH PHÚ III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2011 CAO ĐẲNG SƢ PHẠM ĐÀ LẠT GIÁO VIÊN CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG GIÁO VIÊN THỈNH 2012 CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC GIẢNG i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 09 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
6. LỜI CẢM ƠN Sau thời gian theo học tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, em đã đúc kết đƣợc nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Với đề tài nghiên cứu dƣới hình thức luận văn thac sỹ, em đã vận dụng những kiến thức để tiến hành giải quyết một bài toán cụ thể. Đề tài luận văn nghiên cứu và giải quyết vấn đề dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán chuyên sâu về lĩnh vực nhiễu xạ tia X nên bƣớc đầu tiếp cận em đã gặp rất nhiều khó khăn và hạn chế. Tuy nhiên, với sự hƣớng dẫn của Thầy TS. Trần Quốc Dũng, Th.S Lê Anh Tuyên cùng với sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, em đã lĩnh hội đƣợc nhiều kiến thức mới bổ ích về chuyên ngành và cho công tác chuyên môn sau khi ra trƣờng. Vì vậy, em xin chân thành cảm ơn. - Ban giám hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh. - Thầy TS.Trần Quốc Dũng – Giám Đốc Trung tâm hạt nhân Tp.Hồ Chí Minh. Thầy Th.S Lƣu Anh Tuyên, các anh chị công tác tại Trung tâm hạt nhân Tp.Hồ Chí Minh. - Quý thầy cô Khoa Chế tạo máy - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh. - Phòng Đào tạo - Sau Đại học và các phòng khoa trong trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh. - Gia đình, bạn bè và đồng nghiệp cùng các anh chị ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy khóa 2011-2013. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên quý báu của tất cả mọi ngƣời. Xin trân trọng cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Thị Linh Phƣợng iii
7. TÓM TẮT Ảnh hƣởng của các tham số đến sự hình thành tinh thể và kích thƣớc tinh thể trong các mẫu Zeolite đã đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Các thí nghiệm XRD đƣợc tiến hành trên hệ thiết bị X‟pert Pro-Panalytical bằng kỹ thuật nhiễu xạ mẫu bột. Đối với phân tích dữ liệu, phƣơng pháp phân tích biên dạng đỉnh phổ đã đƣợc sử dụng để xác định cƣờng độ và bề rộng đỉnh nhiễu xạ của mẫu sau khi tổng hợp. Quá trình tinh thể hóa và kích thƣớc tinh thể của các mẫu đƣợc tính toán từ dữ liệu phân tích XRD và so sánh với kết quả thu đƣợc từ phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các kết quả thể hiện những ảnh hƣởng khác biệt của điều kiện tổng hợp đến quá trình tinh thể hóa và kích thƣớc tinh thể của các mẫu zeolite. ABSTRACT The influence of parameters on the formation of crystals and crystalline size of Zeolite samples was studied by X-ray diffraction techniques (XRD). XRD measurements were performed on the Xpert‟ Pro-Panalytical equipment for powder samples. For XRD method, the line profile analysis method was used for investigating diffraction peak intensity and broadening after synthetic process. The crystallization and crystalline size were calculated from experiment data of XRD and compared with scanning electron microscopy images (SEM). Results show different effects of synthetic conditions to crystallization and crystal size of zeolite samples. iv
8. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt viii Danh mục các ký hiệu ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xiv Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1 1.1. Lý do chọn đề tài. 3 1.2. Tính cấp thiết của đề tài. 3 1.3. Ý nghĩa khoa học của đề tài. 3 1.4. Thực tiễn của đề tài. 3 1.5. Mục đích nghiên cứu của đề tài. 4 1.6. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài. 4 1.7. Nhiệm vụ nghiên cứu. 4 1.8. Giới hạn của đề tài. 4 1.9. Phƣơng pháp nghiên cứu. 4 1.10. Kế hoạch thực hiện. 5 Chƣơng 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 6 2.1.Tổng quan về Zeolite 6 2.1.1. Giới thiệu. 6 2.1.1.1.Cấu trúc tinh thể của Zeolite 7 2.1.1.2.Phân loại Zeolite 9 v
9. 2.1.1.3.Các tính chất cơ bản của Zeolite 10 2.1.2. Tình hình nghiên cứu về Zeolite trong và ngoài nƣớc. 16 2.1.2.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Zeolite trên thế giới. 16 2.1.2.2.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Zeolite ở Việt Nam. 18 2.2.Tổng quan về tia X và nhiễu xạ tia X 19 2.2.1.Tia X 19 2.2.1.1.Khái quát về Tia X: 19 2.2.1.2.Tính chất tia X: 20 2.2.1.3.Nguồn phát tia X 21 2.2.1.4.Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X 22 2.2.1.5.Định luật Bragg 23 2.2.2.Nhiễu xạ tia X. 25 2.2.2.1.Khái niệm đƣờng nhiễu xạ 25 2.2.2.2.Chuẩn hóa đƣờng nhiễu xạ 26 2.2.2.3.Các phƣơng pháp ghi phổ nhiễu xạ tia X. 28 a.Ghi phổ nhiễu xạ bằng phim ảnh. 28 b.Ghi phổ nhiễu xạ bằng ống đếm tia X. 29 c.Phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X. 31 2.2.2.4.Xác định chỉ số cho giản đồ nhiễu xạ 32 a.Nhận biết mạng Bravais 35 b.Thông số mạng a0 35 2.2.2.5.Sự mở rộng đƣờng nhiễu xạ 36 a.Khái niệm độ rộng vật lý đƣờng nhiễu xạ 36 b.Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự mở rộng đƣờng nhiễu xạ 37 2.2.3.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. 39 2.2.3.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc. 39 2.2.3.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. 40 Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41 3.1.Cấu trúc mạng tinh thể 41 vi
10. 3.1.1.Khái niệm mạng tinh thể: 41 3.1.1.1.Mạng tinh thể. 41 3.1.1.2.Ô cơ sở, chỉ số phƣơng, chỉ số Miller của mặt tinh thể. 42 3.1.2.Mạng đảo. 44 3.2.Cơ sở lý thuyết xác định kích thƣớc tinh thể: 47 3.2.1Kích thƣớc hạt tinh thể 47 3.2.2Hàm toán học trong chƣơng trình Xpert Highscore. 49 3.3.Cơ chế kết tinh Zeolite 50 Chƣơng 4 THỰC NGHIỆM 53 4. 1.Phƣơng pháp chế tạo mẫu Zeolite 53 4.1.1.Zeolite A. 53 4.1.2.Zeolite ZSM-5. 53 4. 2.Xử lý, chuẩn bị mẫu 54 4. 3.Mô tả thiết bị thực nghiệm, thực nghiệm và thông số. 55 4.3.1. Thiết bị nhiễu xạ tia X X‟pert Pro. 55 4.3.2.Kính hiển vi điện tử quét (SEM). 58 4.3.3.Mô tả thí nghiệm, thông số 59 4. 4.Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm 60 Chƣơng 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 61 5.1.Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng và tỉ lệ Si/Al tới quá trình kết tinh 61 5.2.Xác định kích thƣớc tinh thể Zeolite bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X: 63 5.3.Kết quả thực nghiệm 72 5.4.Thảo luận kết quả 74 KẾT LUẬN 75 Đề xuất hƣớng phát triển 75 Kiến nghị 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 TIẾNG VIỆT 77 TIẾNG ANH 77 vii
11. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CI Constraint Index: chỉ số cản trở hình học FWHM Full Width at Half Maximum: độ rộng của đƣờng nhiễu xạ tại nửa chiều cao cƣờng độ cực đại ICDD The International Centre for Diffraction Data: thƣ viện dữ liệu nhiễu xạ quốc tế IR Infrared: phổ hấp thụ hồng ngoại RE Rare earth: đất hiếm PBU Primary Buiding Units: đơn vị sơ cấp SBU Secondary Building Unit: đơn vị cấu trúc thứ cấp SDA Structure Directing Agent: chất tạo cấu trúc SEM Scanning Electron Microscope: Hiển vi điện tử quét TPAOH Tên một loại dung môi hữu cơ UV VIS Ultraviolet visible: miền tia cực tím có thể nhìn thấy đƣợc X‟Pert PRO MPD Multi-Purpose Diffractometer : tên máy XRD X-ray diffraction: Nhiễu xạ tia X Zeolite 4A Tên của một loại Zeolite ZSM – 5 Zeolite Socony Mobil – 5: Tên của một loại Zeolite viii
12. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU  : bƣớc sóng SWL : giới haṇ bƣớc sóng ngắn 2 : góc nhiễu xạ d : khoảng cách giữa các mặt phẳng phân tử ( hkl ) R : vectơ mạng thuận V : Thể tích ô cơ sở a , b , c : các vectơ cơ sở của mạng tinh thể ∗ , b ∗, c ∗ : các vectơ đơn vị trong mạng đảo u, v, w: các chỉ số phƣơng h, k, l : chỉ số Miller ∗: thể tích ô cơ sở của mạng đảo G hkl: chiều dài của vectơ mạng đảo a0: thông số mạng trong hệ lập phƣơng  : góc chính xác thỏa mãn định luật Bragg 푛𝑔 .푡: đƣờng kính nguyên tử M : Mật độ xếp thể tích v μ: hệ số suy giảm tuyến tính. x: bề dày tia X xuyên qua. I0: cƣờng độ tia X ban đầu. I: cƣờng độ tia X lúc sau. Δ : bề dày của lớp vật chất  : bức xạ n : bậc phản xạ. η : tham số kết hợp h H : Độ rộng một nửa đỉnh phổ nhiễu xạ h 2θ : góc quét. i ix
13. 2θ : góc cực đại nhiễu xạ ở h h t : kích thƣớc hạt K : hằng số phụ thuộc vào dạng hình học của tinh thể B : bề rộng đỉnh phổ nhiễu xạ BM: bề rộng của vật liệu BS: bề rông chuẩn, đóng góp từ thiết bị 푆𝑖 ∶ Độ lệch chuẩn mẫu x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang - Hình 2.1. Các đơn vị cấu trúc sơ cấp của Zeolite - tứ diện TO4: SiO4 và AlO4 [6] 7 Hình 2.2. Các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) trong Zeolite.[6] 8 Hình 2.3. Sự hình thành cấu trúc Zeolite A, X, Y từ các kiểu ghép nối khác nhau [6] 8 Hình 2.4. Sự thay thế đồng hình của Si bởi P Và các dẫn xuất của rây phân tử AlPO (Me: Co(II), Fe(II), Mg(II), Zn(II), El: Li(I), B(III), Be(II), Ga(III), Ge(IV), Ti(IV), As(V)).[6] 9 Hình 2.5. Sự chọn lọc hình dạng chất tham gia phản ứng (a); sản phẩm phản ứng (b); hợp chất trung gian (c).[6] 15 Hình 2.6. Chỉ số cản trở hình học của một số Zeolite mao quản trung bình. 16 Hình 2.7. Nhiễu xạ của tia X trên tinh thể. 20 Hình 2.8. Sơ đồ tƣơng tác giữa một lƣợng tử tia X với một điện tử tự do. [5] 21 Hình 2.9. Sơ đồ giới thiệu các thành phần chính của ống phát tia X. 22 Hình 2.10. Nguyên lý nhiễu xạ theo điṇ h luâṭ Bragg 24 Hình 2.11. Đƣờng nhiễu xạ của vật liệu Al 2024-T3. 25 Hình 2.12. Sự phát tán từ một electron đến điểm M. [16] 26 Hình 2.13. Chuẩn hóa đƣờng phông của đƣờng nhiễu xạ.[16] 27 Hình 2.14. Hình ảnh nhiễu xạ tia X của tinh thể CuSO trên phim. 29 4 Hình 2.15. Cấu tạo của ống đếm ion. 30 Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của ống đếm nhấp nháy. 31 Hình 2.17. Nguyên lý phƣơng pháp nhiễu xạ bột. 32 Hình 2.18. Độ rộng Scherrer đƣờng nhiễu xạ. 36 Hình 2.19. Độ rộng Laue đƣờng nhiễu xạ 37 Hình 2.20. Ảnh hƣởng của kích thƣớc tinh thể đến nhiễu xạ. [10] 39 Hình 2.21. Đƣờng nhiễu xạ chung và các đƣờng nhiễu xạ thành phần. 39 Hình 3.1 Mạng tinh thể phân tử Iôt (I2) 41 Hình 3.2 Các bậc đối xứng của mạng tinh thể.[1] 42 xi
15. Hình 3.3 Ô cơ sở (a), chỉ số phƣơng (b) và chỉ số Miller của tinh thể (c). 43 Hình 3.4 Mô tả một mặt phẳng trong mạng tinh thể (bên trái) tƣơng ứng với một nút trong mạng đảo (bên phải).[10] 46 Hình 3.5 Vectơ mạng đảo ghkl vuông góc với mặt (hkl)của mạng tinh thể 46 Hình 3.6 Hình ảnh TEM của zeolite A [17] 47 Hình 3.7 Ảnh hƣởng của kích thƣớc tinh thể trên đƣờng nhiễu xạ [10] 48 Hình 3.8 So sánh giữa làm khớp Gaussian (đƣờng màu đỏ), Lorentzian(đƣờng màu xanh) và Pseudo-Voigt (đƣờng màu đen). [7] 50 Hình 3.9 Quá trình hình thành Zeolite từ các nguồn Si và Al trong điều kiện thủy nhiệt (hệ autoclave), (SDA: Structure Directing Agent - chất tạo cấu trúc, template) [6] 51 Hình 3.10 Giản đồ bão hòa – quá bão hòa của dung dịch tổng hợp Zeolite [22] 53 Hình 4.1. Holder chứa mẫu đo 55 Hình 4.2. Cấu tạo ống phát tia X 56 Hình 4.3. Ống phát tia X 56 Hình 4.4. Hệ giác kế của máy nhiễu xạ tia X X‟Pert Pro. 57 Hình 4.5. Detector tỉ lệ 58 Hình 4.6. Hệ thống thu nhận 58 Hình 4.7. Hệ máy nhiễu xạ tia X X‟Pert Pro. 59 Hình 4.8. Hệ thống hiển vi điện tử quét JEOL – JSM - 6480LV 60 Hình 5.1. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu zeolite 4A tổng hợp ở các điều kiện khác nhau 62 Hình 5.2. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu zeolite ZSM-5 tổng hợp ở các điều kiện khác nhau 63 Hình 5.3. Đƣờng nhiễu xạ của tinh thể SILN-4. 65 Hình 5.4. Đƣờng nhiễu xạ của mẫu A2 66 Hình 5.5. Đƣờng nhiễu xạ của mẫu A1-2 69 Hình 5.6. Đƣờng nhiễu xạ của mẫu S2 71 Hình 5.7. Hình ảnh SEM của mẫu A1-2 74 xii
16. Hình 5.8. Hình ảnh SEM của mẫu A2 74 Hình 5.9. Hình ảnh SEM của mẫu S2 75 xiii
17. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Dữ liệu cấu trúc cơ bản của một số Zeolite thông dụng. [6] 8 Bảng 2.2: Dung lƣợng trao đổi cation của một số Zeolite.[6] 12 Bảng 2.3: Dạng tổng bình phƣơng của một số chỉ số Miller cho hệ mạng lập phƣơng tâm mặt[2] 34 Bảng 2.4: Các qui tắc lọc lựa cho mạng lập phƣơng 35 Bảng 4.1: Các mẫu Zeolite 4A đƣợc tổng hợp ở các điều kiện khác nhau. 54 Bảng 4.2: Các mẫu Zeolite ZSM-5 đƣợc tổng hợp ở các điều kiện khác nhau 55 Bảng 5.1: Dữ liệu về mẫu chuẩn SILN4 66 Bảng 5.2: Dữ liệu và kết quả tính đối với mẫu A2 68 Bảng 5.3: Dữ liệu và kết quả tính đối với mẫu A1-2 71 Bảng 5.4: Dữ liệu và kết quả tính đối với mẫu S2 73 Bảng 5.5: Kích thƣớc tinh thể của các mẫu Zeolite đã đƣợc tính theo công thức (5.5) của phƣơng pháp XRD và kết quả phân tích từ SEM. 73 xiv
18. Chƣơng 1 GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, vật liệu Zeolite đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm, đầu tƣ cũng nhƣ nỗ lực rất lớn trên thế giới trong cả hai lĩnh vực nghiên cứu khoa học và phát triển công nghiệp bởi ứng dụng đa dạng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Zeolite là vật liệu rắn tên gọi chung cho các tinh thể Aluminosilicate. Chúng thuộc họ vật liệu vi mao quản có cấu trúc không gian ba chiều hình thành bởi các liên kết SiO4 và AlO4 với hệ thống các không gian rỗng đƣợc sắp xếp tuần hoàn có kích thƣớc nhỏ (microporous), đồng đều, có bề mặt riêng và dung lƣợng trao đổi iôn lớn, có khả năng hấp thụ tốt, có hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc cao, đồng thời có tính năng bền cơ, bền nhiệt và có thể tái sinh [15]. Trên thế giới, việc nghiên cứu ứng dụng Zeolite đã đƣợc tiến hành từ những năm 60. Ngày nay, Zeolite đã ứng dụng vào sự phát triển của nhiều ngành kinh tế mũi nhọn và thiết yếu nhƣ lọc dầu, hóa dầu, hoá dƣợc, tổng hợp hữu cơ, trồng trọt, chăn nuôi, xử lý môi trƣờng.[15, 24, 25] Việt Nam đƣợc xem là quốc gia có nhiều tiềm năng về nguồn nguyên liệu sản xuất Zeolite. Các nghiên cứu tổng hợp về Zeolite trong nƣớc đƣợc thực hiện trong thời gian gần đây tại một số nơi nhƣ Đại Học Bách Khoa TP.HCM, Trung tâm Hạt nhân TP.HCM, Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Một số sản phẩm của các viện nghiên cứu ban đầu đƣợc ứng dụng trong Nông nghiệp, Công nghệ hóa dầu, Công nghệ nuôi trồng thủy sản và bảo vệ môi trƣờng. Một trong những vấn đề lớn nhất của Zeolite Việt Nam là công nghệ tổng hợp và đặc trƣng ứng dụng có đƣợc sau khi tổng hợp. Các nghiên cứu về đặc trƣng Zeolite sau tổng hợp trở nên quan trọng cho các điều chỉnh quy trình công nghệ tổng hợp đồng thời xác định những đặc tính mới theo mong muốn hay khám phá những cấu trúc chƣa từng đƣợc biết đến nhƣng chứa khả năng ứng dụng cao. Với 1
19. nhiều ƣu điểm nên Zeolite là nguồn vật liệu cần đƣợc nghiên cứu, tổng hợp và đây là nguồn vật liệu chƣa bị thay thế. Kích thƣớc hạt và độ kết tinh là một trong những thông số rất quan trọng ảnh hƣởng đến tính chất vật lý của Zeolite sau quá trình tổng hợp vì số lƣợng mặt biên hạt có ảnh hƣởng rõ rệt đến nhiều tính chất, đặc biệt là độ bền và khả năng hấp thụ của vật liệu. Trong ứng dụng của Zeolite, việc kiểm soát chặt chẽ kích thƣớc tinh thể và độ kết tinh trƣớc khi sử dụng là yếu tố đòi hỏi bắt buộc. Để nghiên cứu kích thƣớc tinh thể Zeolite và độ kết tinh có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp hóa lý khác nhau nhƣ phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) , ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiệt, trong đó phƣơng pháp XRD là một phƣơng pháp mạnh và hiệu quả vì phƣơng pháp này cho ta kết quả nhanh và chính xác. Vấn đề khó khăn gặp phải trong xác định kích thƣớc tinh thể bằng XRD liên quan đến sự đóng góp độ nở rộng của bề rộng đỉnh phổ nhiễu xạ do thiết bị và tính chất nội tại của vật liệu. Ảnh hƣởng này gây ra sai số rất lớn đối với kết quả tính toán. Bên cạnh đó chi phí cho việc thiết lập đƣờng chuẩn của đóng góp thiết bị lên bề rộng đỉnh phổ theo các góc của tất cả các vật liệu là bất khả thi do bắt buộc phải có hệ mẫu đơn tinh thể siêu tinh khiết [9, 10]. Để giải quyết vấn đề này đối với các mẫu Zeolite, đề xuất kỹ thuật xác định kích thƣớc tinh thể từ mẫu chuẩn bằng phƣơng pháp so sánh tƣơng đối kết hợp với phƣơng pháp Scherrer và đây chính là hƣớng nghiên cứu của đề tài. Với tính thiết thực và nhờ sự hƣớng dẫn của Thầy TS. Trần Quốc Dũng, tác giả quyết định chọn đề tài “XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH TINH THỂ VÀ KÍCH THƢỚC CỦA ZEOLITE BẰNG PHƢƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X” làm luận văn tốt nghiệp cao học. 2
20. 1.1. Lý do chọn đề tài. Nghiên cứu xác định các tham số ảnh hƣởng đến quá trình hình thành tinh thể Zeolite sau tổng hợp nhằm điều chỉnh quy trình công nghệ tổng hợp. Xác định kích thƣớc của tinh thể Zeolite tổng hợp tính toán bằng phƣơng pháp so sánh tƣơng đối kết hợp với phƣơng pháp Scherrer khi không có đƣờng chuẩn của hệ mẫu đơn tinh thể siêu tinh khiết để chuẩn độ rộng của các vạch phổ thực nghiệm. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu, tìm kiếm, tái tạo những nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền có khả năng ứng dụng cao để thay thế cho các nguồn nguyên liệu đang dần cạn kiệt đƣợc thế giới rất quan tâm. Muốn khai thác hết khả năng ứng dụng để có đƣợc nguồn vật liệu với những đặc tính mong muốn đòi hỏi ta phải tổng hợp. Với nhiều ƣu điểm, Zeolite là nguồn vật liệu cần đƣợc nghiên cứu, tổng hợp và đây là nguồn vật liệu chƣa bị thay thế. Bên cạnh đó, để nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc Zeolite và khả năng ứng dụng cũng nhƣ cải tiến công nghệ, kích thƣớc tinh thể là thông số quan trọng ảnh hƣởng đến tính chất của vật liệu, do đó ta cần phải nghiên cứu, tính toán trƣớc khi tổng hợp. 1.3. Ý nghĩa khoa học của đề tài. Đề tài “Xác định các tham số ảnh hƣởng đến sự hình thành tinh thể và kích thƣớc của Zeolite bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X” đã chỉ ra đƣợc các tham số cần điều chỉnh trong quá trình tổng hợp và phƣơng pháp so sánh tƣơng đối kết hợp với phƣơng pháp Scherrer để tính toán kích thƣớc tinh thể bằng phƣơng pháp XRD khi không có đƣờng chuẩn của hệ mẫu đơn tinh thể siêu tinh khiết để chuẩn độ rộng của các vạch phổ thực nghiệm. 1.4. Thực tiễn của đề tài. Đề tài có khả năng ứng dụng thành công vào thực tiễn cuộc sống. Ngoài việc áp dụng tính toán kích thƣớc tinh thể và độ kết tinh cho quá trình tổng hợp vật liệu Zeolite, đề tài có thể nghiên cứu mở rộng cho các vật liệu vi mao quản khác cũng nhƣ ngành công nghệ nano đang đƣợc toàn thế giới rất quan tâm. 3
21. 1.5. Mục đích nghiên cứu của đề tài. Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu xác định các tham số ảnh hƣởng đến sự hình thành tinh thể và kích thƣớc của Zeolite bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X nhằm điều chỉnh phù hợp trong quá trình tổng hợp. 1.6. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài. Đề tài nghiên cứu dựa trên các kiến thức: - Cơ sở lý thuyết nhiễu xạ. - Độ rộng Scherrer (FWHM) - Vật liệu vi mao quản Zeolite - Xác định kích thƣớc tinh thể bằng phƣơng pháp so sánh tƣơng đối kết hợp với phƣơng pháp Scherrer. 1.7. Nhiệm vụ nghiên cứu. - Nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết nhiễu xạ XRD - Nghiên cứu tìm hiểu vật liệu Zeolite - Nghiên cứu tìm hiểu cơ chế kết tinh Zeolite - Nghiên cứu xác định kích thƣớc tinh thể bằng phƣơng pháp so sánh tƣơng đối kết hợp với phƣơng pháp Scherrer. 1.8. Giới hạn của đề tài. Vì thời gian và điều kiện thí nghiệm có hạn nên đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu những nội dung sau: - Xác định các tham số ảnh hƣởng đến quá trình hình thành tinh thể của các mẫu Zeolite tổng hợp 4A và ZSM – 5. - Xác định kích thƣớc tinh thể của các mẫu Zeolite tổng hợp 4A và ZSM – 5 sau khi tổng hợp bằng phƣơng pháp so sánh tƣơng đối kết hợp với phƣơng pháp Scherrer. 1.9. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết áp dụng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X trong xác định kích thƣớc tinh thể của vật liệu nói chung. 4