Nghiên cứu khả năng sử dụng chùm electron tạo ra vật liệu zeolite zsm-5 có đặc tính xử lý chất thải nguy hại và ứng dụng trong xúc tác công nghiệp
Zeolite là vật liệu tinh thể xốp có cấu trúc khung phân tử (framework) với thành phần cấu tạo bởi nhôm (Al), silic (Si) và ôxi (O). Hiện nay, có khoảng 50 loại zeolite tự nhiên và trên 200 loại zeolite tổng hợp với cấu trúc tinh thể khác nhau đã được biết đến. Tính chất nội tại trong cấu trúc của zeolite liên quan đến mạng lưới các kênh(channel) và lồng (cage) rỗng liên thông nhau với kích thước không gian từ 0,3-1,6nm. Các cation thêm vào trong các hệ thống rỗng của zeolite có khả năng tạo thành các tâm xúc tác rắn cho quá trình xúc tác trong công nghệ hóa dầu, xử lý tách khí hiệu ứng nhà kính, hấp phụ, trao đổi ion kim loại nặng trong xử lý nước thải môi trường, lưu giữ chất thải phóng xạ, sàng phân tử (molecular sieve) hay mang các dược chất dạng hạt nano vào cơ thể bệnh nhân trong ứng dụng của y học. Khả năng ứng dụng của zeolite không chỉ phụ thuộc vào đặc tính mà còn liên quan công nghệ sản xuất ra chúng.
Trong số các họ zeolite, ZSM-5 là loại vật liệu phổ biến nhất cho các ứng dụng xúc tác và xử lý môi trường. Đặc biệt, chúng rất có tiềm năng trong xử lý kim loại nặng và lưu giữ chất thải phóng xạ hiện nay. Theo các báo cáo kỹ thuật gần đây của Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), zeolite là vật liệu rất quan trọng và chưa thể thay thế trong các công đoạn xử lý các đồng vị phóng xạ trong nước làm nguội các thanh nhiên liệu đã cháy và nước thải từ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân. Trong số các zeolite đã sử dụng cho xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng, zeolite ZSM-5 thể hiện đặc tính ưu việt so với các zeolite loại A, X, clinoptilolite và bentonite bởi tính bền với hóa chất, nhiệt độ, có thể tái sử dụng, dễ rắnhóa, và đặc biệt là khả năng bền với bức xạ do chứa tỉ lệ cao của Si so với Al. ZeoliteZSM-5 cũng có thể tổng hợp khá dễ dàng từ nguồn nguyên liệu cao lanh tự nhiên mà Việt Nam là một trong số các quốc gia có trữ lượng rất lớn (sau Trung Quốc).
Xuất phát từ thực tiễn trên, ThS. Lưu Anh Tuyên cùng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Hạt nhân TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện “Nghiên cứu khả năng sử dụng chùm electron tạo ra vật liệu zeolite zsm-5 có đặc tính xử lý chất thải nguy hại và ứng dụng trong xúc tác công nghiệp” với mục tiêu sử dụng các hệ phổ kế hạt nhân và máy gia tốc trong nghiên cứu không chỉ cho các vật liệu xử lý chất thải phóng xạ và xúc tác dầu khí mà còn cho cả các vật liệu có khả năng xử lý các loại kim loại nặng có trong nước thải môi trường.
Các nghiên cứu gần đây nhất cũng chỉ ra rằng, quá trình tổng hợp zeoliteZSM-5và xử lý nhiệt sau tổng hợp có thể hình thành nên các sai hỏng, các lỗ rỗng trung bình nên rất khó để tiếp cận bằng các phương pháp nghiên cứu thông thường. Bên cạnh đó, mặc dù zeolite đã được nghiên cứu để sử dụng cho mục đích xử lý và lưu trữ chất thải phóng xạ khá nhiều nhưng vẫn chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra quá trình biến đổi của các lồng cấu trúc (structural cage) dưới tác động của bức xạ cũng như độ bền của chúng với bức xạ sau thời gian lưu trữ dài hạn.
Các phương pháp, kỹ thuật để đánh giá đặc trưng cấu trúc zeolite hiện nay bao gồm: XRD, TEM, SEM, quang phổ hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ kế Raman và các kỹ thuật hóa-lý khác. Gần đây phương pháp hủy positron-electron đã được áp dụng rất thành công trên đối tượng zeolite ở thang kích thước từ vài Åchotới 5 vài chục nm. Khả năng và độ nhạy của phương pháp hủy cặp positron-electrontrongxác định cấu trúc rỗng vi mô và trung bình của zeolite liên quan nhiều đến quá trình hủy pick-off (hủy dập tắt) do sự tương tác và chồng chập trong hàm sóng của các o-Ps(positiron ở trạng thái triplet và có thời gian sống dài) với các electron trên thành của lỗ rỗng. Quá trình này làm giảm thời gian sống của các positron trên so với trường hợp tự hủy trong chân không. Chính vì đặc điểm này, kích thước của vùng không gian trống liên quan chặt chẽ tới thời gian sống của o-Ps. Do vậy, các o-Ps được xem như các “công cụ dò tìm” và xác định kích thước vùng không gian trống trong vật liệu ở thang kích thước từ Å cho tới vài chục nm. Như vậy, việc kết hợp ứng dụng phương pháp như: chiếu xạ chùm elctron trên máy gia tốc với PALS và XRD với các phương pháp như TEM, SEM… sẽ giúp khắc phục được hạn chế của các phương pháp thông dụng kể trên và góp phần giúp cho các nhà khoa học Việt Nam tiếp cận sâu với ngành xúc tác zeolite từng bước làm chủ công nghệ chế tạo xúc tác.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả sau:
- Đề tài đã tổng hợp khoảng 1000gram vật liệu zeolite ZSM-5 có tỉ lệ Si/Al thayđổi từ 20 đến 80, trong đó 240gram mẫu có tỉ lệ Si/Al là 50 và 80 có các đặc trưng cấu trúc (diện tích bề mặt từ 237-254 m2/g, hàm lượng tinh thể từ 78 - 96%, kích thước lỗ xốp trung bình 2,4 -4,8 nm) đạt tiêu chí kỹ thuật đăng ký so với thuyết minh (10gram ZSM-5có diện tích bề mặt > 200 m2/g, tỉ lệ Si/Al > 10, hàm lượng tinh thể >80%).
- Đề tài đã tính toán, mô phỏng, thiết kế và chế tạo thành công bộ hộp chứa mẫu và hãm năng lượng đồng thời (EDSCholder), gồm 4 phần tương ứng với 4 mức năng lượng 10MeV, 9 MeV, 8 MeV và 7 MeV với cấu hình dạng trụ kín, kích thước chiều cao3cm, đường kính 2 cm, bề dày 3 mm, 5 mm và 8 mm. Vật liệu đã dùng cho chế tạo holder chứa mẫu là hợp kim nhôm (Al 1050). Thiết kế của hộp đã được kiểm tra chất lượng bằng các thí nghiệm trên máy gia tốc tuyến tính UERL-10-15S2 (Vinagamma) và sử dụng cho quá trình chiếu xạ đối với mẫu có tỉ lệ Si/Al = 50 tại các thông lượngchiếutổng thay đổi từ 7,35×10 14 e/cm2 tới 2,2×10 16 e/cm2.
- Đề tài đã đề xuất và phát triển một mô hình vật lý hủy positron-electron có khả năng kết nối tốt quá trình tính toán bán kính lỗ xốp kích thước nano mét cho hai vùng lượng tử và bán cổ điển; có thể áp dụng tính toán bán kính lỗ xốp cho vật liệu xốp nói chung và zeolite ZSM-5 nói riêng từ thời gian sống positron thực nghiệm. Điểm mới và nổi bật của mô hình này là đã đề xuất thành công thông số xác suất khuếch tán o-Ps vào lớp màng electron ảo trên thành lỗ xốp (D) cùng với giá trị tương ứng của nó cho cấu hình lỗ xốp dạng kênh (D=0,0511) và dạng cầu (D=0,0985). Hơn nữa, mô hình đề xuất của nhóm nghiên cứu cũng là mô hình cập nhật nhất, có khả năng áp dụng chính xác cho toàn vùng bán kính lỗ xốp từ 0,2 nm đến 400 nm.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19294/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
