Tổng hợp zeolite

[hanh_khat]

zeolite có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp như hấp phụ, làm chất xúc tác.
Trong tương lai tới đây khi nhà máy lọc dầu đi vào hoạt động thì nhu cầu về zeolite càng nhiều trong khi nguồn cung cấp chủ yếu là của nước ngoài.
Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy có thể tổng hợp zeolite từ nguồn kaolin vì chúng có thành phần hóa học tương đối giống nhau.

Đầu tiên giới thiệu sơ lược về zeolite:

zeolite là các aluminosilicat tinh thể có hệ thống mao quản đồng đều chứa các cation nhóm I và II.
Công thức hoá học có thể biểu diễn như sau Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].zH2O
M : kim loại hoá trị n
y/x: tỉ số nguyên tử Si/Al, tỉ số này thay đổi tuỳ theo loại zeolite.
z: số phân tử H2O kết tinh trong zeolit.

Về cấu trúc, zeolite được hình thành từ mạng lưới ba chiều của các tứ diện SiO4 liên kết trong không gian 3 chiều tạo thành các khối đa diện, trong đó một số nguyên tố Si được thay thế bằng nguyên tử Al tạo thành khối tứ diện AlO4.
Do Si hóa trị 4 được thay bẳng Al hoá trị 3 nên để trung hoà điện cần có sự kết hợp thêm với cation, thường là kim loại kiềm hoặc kiềm thổ.
Các tứ diện SiO4 và AlO4 kết hợp với nhau tạo thành đơn vị cấu trúc sơ cấp (SBU, secondary building unit).
Các SBU kết hợp với nhau tạo nên các họ zeolite có cấu trúc tinh thể và hệ thống mao quản khác nhau.

Phân loại zeolite theo nhiều tiêu chí khác nhau:
-theo nguồn gốc: gồm zeolite tự nhiên và zeolite tổng hợp
-Theo chiều hướng không gian của các kênh hình thành cấu trúc mao quản: zeolite có hệ thống mao quản 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều.
-Theo đường kính mao quản: gồm zeolite mao quản nhỏ( đường kính 3-4A), zeolite mao quản trung bình (4.5-6A), zeolite mao quản rộng (7->15A)
-Theo tỉ lệ Si/Al: zeolite hàm lượng Si thấp (Si/Al=1-1.5: A, X); hàm lượng trung bình (Si/Al=2-5: zeolite Y, chabazit...), hàm lượng Si cao (ZSM-5)

Về kaolin:

Kaolin là một loại khoáng sét. Nhóm Kaolin bao gồm kaolinit, dickit, nacrit. Khoáng kaolin là những nhôm silicat ngậm nước và có thành phần xấp xỉ 2H2O.Al2O3.2SiO2. Kaolinit là khoáng kaolin thông dụng nhất. Cấu trúc của kaolinit bao gồm một lớp tứ diện SiO4 và một lớp bát diện nhôm oxit kết hợp với nhau thành một lớp cơ sở của kaolin. Trong kaolinit, có sự hình thành liên kết hydrogen giữa các lớp đồng thời liên kết bên trong một lớp rất bền vững do vậy mạng tinh thể rắn chắc và ổn định, kích thước tinh thể tương đối lớn. Khả năng hấp phụ, độ trương nở, độ dẻo, độ co thấp, khả năng trao đổi cation khá yếu.

Như vậy cả kaolin và zeolite đều là những aluminosilicat tinh thể ngậm nước nhưng cấu trúc khác nhau. Vấn đề tổng hợp zeolite từ nguồn kaolin rẻ tiền là khả thi.
Cũng đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Ở Việt Nam, đã có Tạ Ngọc Đôn và Phạm Thanh Huyền ở Hà Nội nghiên cứu thành công và hình như đã đăng ký bản quyền, là tổng hợp faujasite (X,Y) từ kaolin Yên Bái nhưng vẫn chưa thấy triển khai trong công nghiệp.
Qui trình tổng hợp như sau:

Hoạt hoá kaolin ở nhiệt độ cao, sau đó đem kết tinh lại trong điều kiện thích hợp sẽ kết tinh thành zeolite.

Có vẻ rất đơn giản nhưng có hai vấn đề:
-Quá trình hoạt hoá phải xảy ra ở nhiệt độ cao, thời gian khoảng vài tiếng đồng hồ nên kinh phí cao.
-Quá trình kết tinh lại khó điều chỉnh để độ kết tinh cao và đạt kích thước đồng đều.

Không biết ai có ý kiến gì để cải tiến quá trình không????