BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ZEOLITE ZSM-5 TỪ CAO LANH
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI TRONG NƯỚC

Trình độ đào tạo : Đại học chính quy
Ngành
: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
Chuyên ngành

: Hóa dầu

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Thành Luân

MSSV: 13030731
Lớp: DH13HD

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
VIỆN KỸ THUẬT-KINH TẾ BIỂN

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI
ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
(Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo


Ngành

: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Chuyên ngành

: Hóa dầu

1. Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp
phụ amoni trong nước.
2. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh
3. Ngày giao đề tài: 7/2/2017
4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 22/6/2017
Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày…….tháng…..năm
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG NGÀNH

VIỆN TRƯỞNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)



Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2017

Nguyễn Thành Luân


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................ii
DANH MỤC BẢNG............................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................iv
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 4
1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni và một số phương pháp xử lí ............................. 4
1.1.1 Nguồn gốc và hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ở Việt Nam ......... 4
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni ở Việt Nam .................................................. 4
1.1.3 Ảnh hưởng của amoni đối với sức khỏe con người ............................... 5
1.1.4 Một số phương pháp xử lí amoni ........................................................... 6
1.2 Cao lanh (kaolinite) .................................................................................... 10
1.2.1 Sơ lược về khoáng kaolinite ................................................................. 10
1.2.2. Cấu trúc của khoáng kaolinite ............................................................. 10
1.2.3 Các tính chất đặc trưng cơ bản của kaolinite ....................................... 11
1.2.4 Những biến đổi trong cấu trúc kaolinite khi nung................................ 12
1.2.5 Cao lanh Bình Dương ........................................................................... 13
1.3 Zeolite ......................................................................................................... 13
1.3.2 Khái niệm về zeolite ............................................................................. 14
1.3.3 Phân loại zeolite ................................................................................... 14
1.3.4 Cấu trúc của zeolite .............................................................................. 15

i



2.5.4 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước của zeolite ZSM-5 ...... 48
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................... 49
3.1 Kết quả tổng hợp......................................................................................... 49
3.2 Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu ............................................................. 49
3.2.1 Kết quả nhiễu xạ tia X .......................................................................... 49
3.2.2 Kết quả phân tích phổ IR ...................................................................... 52
3.3 Xây dựng đường chuẩn ............................................................................... 53
3.4 Kết quả khảo sát quá trình hấp phụ amoni của zeolite ............................... 54
3.4.1 Tính toán độ hấp phụ ............................................................................ 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 63
Kết luận ............................................................................................................. 63
Kiến nghị........................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 65

iii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
UV-VIS: Ultra Violet-Visible (Tử ngoại khả kiến).
XRD: X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X).
IR: Infrared (Hồng ngoại).

ii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Giới hạn nồng độ các hợp chất của nitơ trong nước uống ............................. 6
Bảng 1.2: Các dao động IR đặc trưng ........................................................................... 44
Bảng 2.1: Thiết bị và dụng cụ ........................................................................................ 47
Bảng 2.2: Thành phần % oxit của nguyên liệu .............................................................. 47

Hình 3.3: Giản đồ XRD của zeolite ZSM-5 ................................................................... 57
Hình 3.4: Giản đồ XRD của zeolite FeZSM-5 ............................................................... 51
Hình 3.5: Phổ hồng ngoại (IR) của mẫu ZSM-5 ............................................................ 52
Hình 3.6: Phổ hồng ngoại (IR) của mẫu FeZSM-5........................................................ 52
Hình 3.7: Đường chuẩn của amoni ................................................................................ 54
Hình 3.8: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của metakaolinite............................................... 56
Hình 3.9: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của metakalinite ..................... 56
Hình 3.10: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của metakaolinite ............... 57

iv


Hình 3.11: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của zeolite ZSM-5 ............................................ 58
Hình 3.12: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của zeolite ZSM-5 ................ 58
Hình 3.13: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của zeolite ZSM-5 ............... 59
Hình 3.14: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của zeolite FeZSM-5 ........................................ 60
Hình 3.15: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của zeolite FeZSM-5............ 61
Hình 3.16: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của zeolite FeZSM-5.......... 61

v


LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nguồn nước sạch bị ô nhiễm đang là vấn đề cấp thiết của toàn nhân loại.
Việt Nam cũng là quốc gia đang đối mặt với tình trạng khan hiếm nguồn nước sạch
phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Dư lượng amoni trong nước với một lượng
lớn vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người.
Zeolite là một loại vật liệu được phát hiện từ lâu, nhưng công dụng hữu ích của nó

silic từ thủy tinh lỏng Na2SiO3 cho hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt.
Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng zeolite tổng hợp được.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
❖Tổng hợp zeolite ZSM-5 từ nguồn cao lanh.
❖Xác định một số đặc điểm cấu trúc của zeolite ZSM-5.
❖Khảo sát khả năng hấp phụ đối với amoni trong nước.
5. Phương pháp nghiên cứu
➢ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
❖Thu thập, tổng hợp, nghiên cứu và phân tích các tài liệu, tư liệu, sách báo trong

và ngoài nước có liên quan đền đề tài.

2


❖Xử lí thông tin lý thuyết và đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực

nghiệm.
➢ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
❖Tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh bằng phương pháp thủy nhiệt.
❖Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng phương pháp phân tích trắc

quang (Theo SMEWW 4500-NH3 F:2012).
❖Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): nghiên cứu cấu trúc tinh thể và định danh

của vật liệu.
❖Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (IR): Nghiên cứu đặc trưng của

các liên kết trong và ngoài mạng tinh thể (dao động của liên kết).
6. Dự kiến kết quả nghiên cứu

Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm
amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước. Chẳng hạn
như tại thành phố Hồ Chí Minh, kết quả quan trắc nước ngầm gần đây cho thấy lượng
nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể năm 2011
nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao
gấp 1,9 lần so với năm 2005).
4


Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bị ô nhiễm trong nước ngầm nhưng
khu vực bị ô nhiễm trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng
Bắc Bộ. Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn
nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%. Trong nhiều nguồn nước ngầm còn nhiều
hợp chất hữu cơ, độ oxi hóa có nguồn đạt 30 - 40mg O2/l. Có thể cho rằng phần lớn
các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các hợp chất
hữu cơ.
1.1.3 Ảnh hưởng của amoni đối với sức khỏe con người [19]
Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng
trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lí…Amoni được chuyển hóa thành nitrit (NO2-)
và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể chuyển hóa
thành nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người. Chính vì vậy quy định nồng
độ nitrit cho phép trong nước sinh hoạt là khá thấp.
Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ
tranh oxi của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxi, dẫn đến tình trạng thiếu
máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh dưới sáu tháng
tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp. Đối với người lớn,
nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamin.
Nitrosamin có thể gây tổn thương duy truyền tế bào, nguyên nhân gây ung thư. Những
thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn, thức uống của chuột, thỏ… với hàm lượng
vượt ngưỡng cho phép thì thấy sau một thời gian những khối u sinh ra trong gan, phổi,

mg/l

3

Hàm lượng nitrit

3,0

mg/l

1.1.4 Một số phương pháp xử lí amoni [19]
a. Phương pháp clo hóa
Clo gần như là chất oxi hóa mạnh có khả năng oxi hóa amoni/amoniac ở nhiệt độ
phòng về dạng N2. Khi hòa tan clo trong nước tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm
dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình:
Cl2 + H2O  HCl + HClO
HClO



H+ + ClO-

(1.1)
(1.2)

Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau:
HClO + NH3  H2O + NH2Cl (Monicloramin)

(1.3)


nâng pH thành 9,5 tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về
phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ
bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải.
+

NH4 + OH-  NH3 + H2O

(1.8)

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi ở mức 16000 m3
không khí/m3 nước và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.
Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ NH4+
xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lí nước cấp.
c. Phương pháp Ozon hóa với xúc tác Bromua (Br-)
Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hóa điểm đột biến là người ta có
thể thay thế bằng một số tác nhân oxi hóa khác như là ozon với sự có mặt của xúc tác
Br-. Về cơ bản xử lí NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế
giống nhưng phương pháp xử lí bằng clo. Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hóa
thành BrO- theo phản ứng sau đây:
+

Br- + O3 + H  HBrO + O2

(1.9)

Phản ứng oxi hóa NH4+ được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion ClO-:
NH3 + HBrO  NH2Br + H2O

(1.10)


+

(1.14)

Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation.
Phản ứng trao đổi là một phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều
trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh.
Ví dụ về phản ứng sử dụng nhựa trao đổi ion:
+

R-H + NH4  R-NH4 + H

+

(1.15)

e. Phương pháp sinh học
Ở phương pháp sinh học gồm có hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hóa và khử
nitrat hóa như sau:
- Quá trình nitrat hóa:
Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học được viết như sau:
+

-

+

NH4 + 1,5O2  NO2 + 2H + H2O
-


không khí. Nitrit và nitrat sẽ chuyển hóa thành dạng khí N2.
f. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ dựa vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
trong đó các chất bị hấp phụ được giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ nhờ đó mà quá trình
lọc được thực hiện.
Thường khi sử dụng phương pháp này thì nồng độ của amoni trong nước sẽ xuống
nồng độ dưới 1,5mg/l, đem lại hiệu quả tốt hơn nên có thể sử dụng phương pháp này
để sản xuất nước cấp được.
Để nâng cao khả năng lọc của chất hấp bị phụ có nồng độ lớn ta có thể sử dụng
phương pháp sử dụng nhiều lớp chất hấp phụ với các kích thước khác nhau.

9


1.2 Cao lanh (kaolinite)
1.2.1 Sơ lược về khoáng kaolinite
Ở Việt Nam cao lanh có ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Yên, Hà Giang, Phú Thọ,
Lâm Đồng, Bình Dươnng …với trữ lượng lớn và chất lượng khá tốt. Thành phần chính
của cao lanh là khoáng vật kaolinite, có công thức hóa học đơn giản là
Al2O3.2SiO2.2H2O hay Al4(Si4O10)(OH)8. Kaolinite là loại khoáng thường gặp nhất
trong tự nhiên, là thành phần khoáng vật chủ yếu của các loại đất sét. Trong cao lanh
còn có Fe2O3, TiO2, K2O, CaO, Na2O với hàm lượng nhỏ. Cao lanh nguyên khai còn có
chứa các khoáng khác như haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, α-quart, pyrit,
nhưng hàm lượng rất ít [4].
Cao lanh được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công
nghiệp vật liệu xây dựng, sản xuất gốm sứ, công nghiệp in, làm chất nền, mới đây cao
lanh đang được chú ý như một nguồn nguyên liệu có nhiều ưu điểm để sản xuất zeolite
làm các chất trao đổi ion, hấp phụ, làm các chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi
trường [20].
1.2.2. Cấu trúc của khoáng kaolinite

-

3-

-

anion trao đổi thường là SO4 , Cl , PO4 , NO3 .
Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương lượng
trao đổi trên 100 gam mẫu. Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC) của
kaolinite rất nhỏ, thông thường CEC chỉ khoảng 3 ÷15 meq/100g và AEC khoảng
20,3 meq/100g.
Bề mặt của kaolinite được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề
mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự
giảm kích thước hạt. CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng
trong mạng lưới cấu trúc. Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng là tín
hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc

11


cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên bề mặt
ngoài của kaolinite. Hình 1.2 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay bên trong
hạt kaolinite [20].

Hình 1.2: Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinite
b. Tính chất hấp phụ
Kaolinite có khả năng hấp phụ kém. Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1÷ 3% và chủ
yếu là hấp phụ bề mặt. Do vậy kaolinite ít có giá trị sử sụng làm chất hấp phụ [20].
1.2.4 Những biến đổi trong cấu trúc kaolinite khi nung
Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc kaolinite khi nung chính là cơ sở cho

1.3.1 Sơ lược về lịch sử và sự phát triển của zeolite [5]
Zeolite bắt đầu được phát hiện vào năm 1756 đến nay đã hơn 3 thế kỷ. Năm 1756,
Bronstedt là một nhà hóa học người Thụy Điển đã phát hiện ra một loại khoáng mới

13


với tên gọi là zeolite, theo tiếng Hy Lạp, “zeo” là sôi, “lithot” là đá, vì vậy zeolite còn
có tên gọi là đá sôi.
Zeolite được khám phá từ rất lâu, tuy nhiên cho đến những năm 60 của thế kỷ
trước, zeolite mới được nghiên cứu sâu sắc và khám phá nhiều ứng dụng hữu ích và đa
dạng.
Các zeolite được ứng dụng rộng rãi và đã thực sự có tầm quan trọng lớn lao trong
khoa học và kỹ thuật.
Trong tất cả các loại zeolite hiện có, người ta biết rõ thành phần, tính chất ứng
dụng, cấu trúc mạng tinh thể của nhiều loại zeolite tự nhiên và zeolite tổng hợp như:
Zeolite A, zeolite Y, zeolite X, zeolite ZSM – 5, zeolite ZSM – 11,...
1.3.2 Khái niệm về zeolite [15]
Zeolite là tên chung chỉ một họ vật liệu khoáng vô cơ có cùng thành phần là
aluminosilicat. Nó có mạng lưới anion cứng chắc với các lỗ xốp và các kênh mao quản
chạy khắp mạng lưới, giao nhau ở các khoang trống. Các khoang trống chứa các ion
kim loại có thể trao đổi được (Na+, K+) với các phân tử bên ngoài xâm nhập vào. Các
khoảng trống này có kích thước khoảng 0,2– 2 nm nên zeolite được xếp vào loại vật
liệu vi mao quản.
Công thức tổng quát của zeolite :Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]mH2O
Với M là cation bù có hóa trị n; x, y là tỉ lệ giữa SiO2/Al2O3 và m là số mol nước
nằm trong các hốc trống.
1.3.3 Phân loại zeolite
a. Theo nguồn gốc hình thành [15]
Zeolite được chia làm 2 loại chính: