Chuyển hóa sinh khối thành hóa chất “xanh” quan trọng sử dụng xúc tác có hoạt tính cao trên cơ sở zeolit ZSM-5

Mục đích chính của đề tài là tổng hợp các hạt xúc tác mới có hoạt tính cao trên cơ sở zeolit ZSM-5 bằng cách pha tạp các nguyên tố khác ngoài Si, Al (như là Cr, Cr-B, Cr-W) vào cấu trúc mạng tinh thể của ZSM-5 và biến tính ZSM-5 bằng cách gắn thêm nhóm chức axit sulfonic vào mao quản hoặc lên bề mặt hạt zeolit. Sau khi tổng hợp thành công, các hạt xúc tác mới này được ứng dụng làm xúc tác cho một số quá trình chuyển hóa sinh khối để thu nhận các hóa chất “xanh” quan trọng trong công nghiệp như quá trình thủy phân sinh khối lignoxenluloza, quá trình thủy phân kết hợp khử nước sinh khối lignoxenluloza và phản ứng cắt ngắn mạch nối đôi của chất béo và dầu thực vật. Nó bao gồm các quá trình tổng hợp vật liệu xúc tác và ứng dụng của chúng trong chuyển hóa sinh khối. Do đó, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội do TS. Phan Huy Hoàng làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Chuyển hóa sinh khối thành hóa chất “xanh” quan trọng sử dụng xúc tác có hoạt tính cao trên cơ sở zeolit ZSM-5”.

Sau một thời gian triển khai, nhóm đề tài đã thu được các kết quả cụ thể sau:

1. Đã tìm hiểu và tham khảo các tài liệu trong nước và quốc tế về lĩnh vực liên quan (tổng hợp xúc tác mới hoạt tính cao trên cơ sở zeolit ZSM-5 và chuyển hóa sinh khối thành hóa chất “xanh”)

2. Đã tổng hợp thành công zeolit ZSM-5 pha tạp kim loại như Cr/ZSM-5, Cr-B/ZSM-5 và Cr-W/ZSM-5, bao gồm các công đoạn:

- Tổng hợp zeolit lai tạp Cr/ZSM-5 bằng phương pháp ngâm tẩm và tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp. Phương pháp ngâm tẩm là phương pháp đơn giản, dễ tiến hành thực nghiệm và có tính linh hoạt hơn. Bên cạnh đó, các công bố trước đây chỉ ra rằng Cr-ZSM-5 tổng hợp theo phương pháp ngâm tẩm cho hoạt tính xúc tác cao hơn.

- Tổng hợp zeolit lai tạp Cr-B/ZSM-5 (bằng cách pha tạp Cr-B vào cấu trúc zeolit ZSM-5) theo phương pháp gel kết tinh trực tiếp (pha tạp trực tiếp bằng cách sử dụng gel có chứa nguồn Si, Al, Cr và B). Kết quả thu được cho thấy đã thu nhận được vật liệu Cr-B-ZSM-5 có độ tinh thể và độ đồng đều kích thước hạt cao với hàm lượng Cr và B tương đối cao.

- Tổng hợp zeolit lai tạp Cr/ZSM-5 bằng phương pháp ngâm tẩm và tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp.

- Khảo sát, đo đạc các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu tổng hợp được. Để đánh giá hiệu quả của nghiên cứu, sản phẩm sau khi thu được được phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X (phổ XRD), chụp ảnh SEM-EDS và TEM, phân tích phổ IR để kiểm tra tính chất và xác định cấu trúc của vật liệu.

3. Đã tổng hợp được zeolit ZSM-5 sulfo hóa (SO3H-/ZSM-5) bằng cách gắn thêm nhóm chức axit sulfonic, bao gồm các công đoạn:

- Tổng hợp vật liệu zeolit ZSM-5 mao quản trung bình và tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp.

- Tổng hợp zeolit ZSM-5 sulfo hóa (SO3H-/ZSM-5) và tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp. Mục đích chính của công đoạn này là sulfoa hóa zeolit ZSM-5 bằng cách gắn thêm nhóm chức axit sulfonic SO3H- vào trong mao quản hoặc lên trên bề mặt để thu nhận vật liệu zeolit ZSM-5 sulfo hóa (SO3H-/ZSM-5) có độ tinh thể cao, có hoạt tính cao.

- Khảo sát, đo đạc các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu zeolit ZSM-5 sulfo hóa vừa tổng hợp được (SO3H-/ZSM-5).

4. Đã nghiên cứu ứng dụng zeolit ZSM-5 lai tạp tổng hợp được làm xúc tác cho phản ứng cắt ngắn mạch cacbon nối đôi của chất béo và dầu thực vật bằng tác nhân H2O2. Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa như: mức dùng xúc tác, nhiệt độ, thời gian phản ứng. Cũng như đã nghiên cứu phản ứng cắt mạch nối đôi của 1 số axit béo như axit oleic, linoleic và erucic. Các xúc tác zeolite Cr/ZSM-5 và Cr-W/ZSM-5 đều thể hiện hoạt tính cao trong các phản ứng cắt mạch nối đôi của axit béo này. Ngoài ra vật liệu xúc tác này còn thể hiện khả năng thu hồi và tái sử dụng mà không bị giảm hiệu quả xúc tác khi tái sử dụng (theo kết quả nghiên cứu thì sau 5 lần tái sử dụng hiệu suất của phản ứng vẫn rất cao, gần tương đương với lần sử dụng đầu tiên, tuy có giảm theo).

5. Đã nghiên cứu ứng dụng zeolit ZSM-5 sulfo hóa (SO3H-/ZSM-5) làm xúc tác cho phản ứng thủy phân sinh khối lignoxenluloza. Zeolit ZSM-5 được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến, là một trong những xúc tác hiệu quả trong tổng hợp hữu cơ cũng như chất hấp phụ trao đổi ion quan trọng nhờ bề mặt riêng lớn, độ chọn lọc cao và hoạt tính xúc tác tốt. Bên cạnh đó, bằng việc đính thêm nhóm chức hữu cơ mà đặc biệt là nhóm axit sulfonic (nhóm HSO3-) vào cấu trúc của zeolit sẽ làm tăng độ chọn lọc, độ mạnh axit và hoạt tính xúc tác của zeolit. Có thể thấy rằng bằng việc đính thêm nhóm chức hữu cơ mà đặc biệt là nhóm axit sulfonic vào cấu trúc của zeolit sẽ làm tăng độ chọn lọc, độ mạnh axit và hoạt tính xúc tác của zeolit. Do đó, SO3H-/ZSM-5 được nghiên cứu sử dụng làm xúc tác cho phản ứng thủy phân sinh khối lignoxenluloza nhằm thu nhận đường khử.

Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân của sinh khối thu đường khử như: mức dùng xúc tác, nhiệt độ, thời gian phản ứng, tỉ dịch (tỉ lệ lỏng/rắn). Khi thủy phân sinh khối ở điều kiện thích ở đưa ra ở trên đã thu được hiệu suất thu đường 49% cao hơn khi thủy phân sử dụng một số xúc tác khác, chứng tỏ rằng xúc tác zeolit HSO3-ZSM-5 vừa tổng hợp được có hoạt tính xúc tác cao và hiệu quả cho phản ứng thủy phân sinh khối lõi ngô. Bên cạnh đó xúc tác rắn zeolit HSO3-ZSM-5 có ưu điểm hơn xúc tác axit vô cơ lỏng thông thường là không độc hại, có khả năng thu hồi và tái sử dụng có khả năng thu hồi và tái sử dụng, giảm chi phí vận hành.

6. Đã nghiên cứu ứng dụng zeolit ZSM-5 sulfo hóa (SO3H-/ZSM-5) làm xúc tác cho quá trình kết hợp giữa thủy phân, khử nước và tái hydrat hóa vật liệu sinh khối lignoxenluloza thu nhận axit levulinic.

Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa đường thành levulinic như: mức dùng xúc tác, nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ chất phản ứng. Đã tìm ra được điều kiện thích hợp cho phản ứng chuyển hóa sinh khối thành levulinic sử dụng xúc tác axit rắn HSO3-ZSM-5

Như vậy, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu đều đạt được theo đúng và vượt kế hoạch ban đầu đặt ra trong thuyết minh. Các kết quả nghiên cứu đã được đăng trên các tạp chí ISI (Journal of the Iranian Chemical Society, Biochemical Application, AIP Advance) và tạp chí Hóa học.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16361/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)