Khảo sát tính năng hấp phụ khí và hơi độc trong các nhà kho quân sự của vật liệu MOF-199

Vật liệu khung cơ kim Cu3(BTC)2 (MOF-199) được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, có diện tích bề mặt riêng lớn 1460 m2 /g. Cấu trúc và khả năng hấp phụ khí độc hại (CO, NO2) và dung môi hữu cơ (benzen, toluen, butyl axêtat) của MOF-199 đã được nghiên cứu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khảo sát tính năng hấp phụ khí và hơi độc trong các nhà kho quân sự của vật liệu MOF-199Nghiên cứu khoa học công nghệ KHẢO SÁT TÍNH NĂNG HẤP PHỤ KHÍ VÀ HƠI ĐỘC TRONG CÁC NHÀ KHO QUÂN SỰ CỦA VẬT LIỆU MOF-199 Trần Văn Chinh*, Phan Thanh Xuân, Nguyễn Duy Anh, Nguyễn Thị Hoài Phương Tóm tắt: Vật liệu khung cơ kim Cu3(BTC)2 (MOF-199) được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, có diện tích bề mặt riêng lớn 1460 m2/g. Cấu trúc và khả năng hấp phụ khí độc hại (CO, NO2) và dung môi hữu cơ (benzen, toluen, butyl axêtat) của MOF-199 đã được nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy, MOF-199 có thể hấp phụ các khí và hơi trên rất tốt, cấu trúc tinh thể không bị thay đổi sau khi giải hấp hoàn toàn, ngoại trừ mẫu MOF-199 hấp phụ khí NO2.Từ khóa: Hấp phụ, Giải hấp hoàn toàn, Diện tích bề mặt, MOF-199, Khí độc hại, Dung môi hữu cơ. 1. MỞ ĐẦU Vật liệu kết cấu khung cơ kim (Metal Organic Frameworks - MOFs) là họ vậtliệu mới được tổng hợp từ muối kim loại (Cu, Zn, Fe, Ni …) và axit hữu cơ dogiáo sư O. M. Yaghi và cộng sự thuộc trường đại học UCLA (Mỹ) lần đầu tiênnghiên cứu vào năm 1997. Đây là họ vật liệu có độ xốp lớn và diện tích bề mặtriêng cao, có thể lên tới vài ngàn m2/g, ví dụ MOF-210 có diện tích bề mặt là 6240m2/g [1]. Do đó, vật liệu MOFs ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhàkhoa học trên thế giới trong vài năm trở lại đây. Ngoài việc tổng hợp và nghiêncứu cấu trúc của MOFs, các nhà khoa học còn quan tâm khám phá ứng dụng củachúng trong nhiều lĩnh vực như: lưu trữ năng lượng, hấp phụ khí, xúc tác, cảmbiến… Vật liệu MOF-199 đã được tổng hợp thành công và nghiên cứu ứng dụng củachúng bởi nhiều nhóm nhóm nghiên cứu [4-9]. Các công bố trên đã chỉ ra rằng,MOF-199 có khả năng hấp phụ rất tốt các loại khí CO2, CO, CH4, H2…và các hơidung môi hữu cơ như axêtôn, benzen, toluen, rượu etylic… do có diện tích bề mặtriêng lớn. Các nhà kho quân sự trong toàn quân có nhiệm vụ cất giữ, tiếp nhận thu hồi,cấp phát bảo đảm kỹ thuật về các loại vũ khí, khí tài đạn dược phục vụ cho huấnluyện và sẵn sàng chiến đấu của quân đội. Vũ khí, khí tài đạn dược là sản phẩmcủa công nghiệp cơ khí hóa chất. Do vậy, công nhân làm nhiệm vụ trong kho nhưsản xuất, sửa chữa, bão dưỡng… luôn phải tiếp xúc với các loại hóa chất độc hại,gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe. Theo các nghiên cứu của Tổng cục Kỹ thuật, Viện Vệ sinh phòng dịch quânđội [2,3], các hóa chất tồn tại trong môi trường kho quân sự bao gồm TNT, NOx,CO; các dung môi hữu cơ như xăng, dầu, benzen, toluen, xylen, butylaxetat… đặcbiệt là khí NOx phát sinh do quá trình thuốc phóng phân hủy liên tục. Các khíTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 53 Hóa học và Kỹ thuật môi trườngtrong kho thường chỉ sử dụng hệ thống thống gió mà chưa sử dụng hệ thống, thiếtbị thu gom xử lý nên một phần phân tán trong không khí gây ảnh hưởng đến môitrường xung quanh và sức khỏe của công nhân. Trong bài này, chúng tôi khảo sát khả năng hấp phụ một số khí độc: NO2, COvà dung môi hữu cơ dễ bay hơi: butylaxetat, toluen, benzen của vật liệu kết cấukhung cơ kim MOF-199. Từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của chúng trong việcxử lý môi trường. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Tổng hợp vật liệu MOF-199 Hòa tan axit 1,3,5-benzentricacboxylic (H3BTC) trong hỗn hợp N,N-dimethylfocmamid (DMF) và rượu etylic (tỉ lệ 1:2), nhận được dung dịch nồng độ0,4M (A). Hòa tan Cu(NO3)2.3H2O vào nước cất được dung dịch nồng độ 0,8M(B). Cho hỗn hợp dung dịch A và B vào bình kín, gia nhiệt đến 110 oC trong 8 h.Sản phẩm thu được sau phản ứng đem lọc và rửa 2 lần bằng cồn và nước thu đượcMOF-199. MOF-199 đem sấy khô ở 120 oC trong 5 h [4].2.2. Phương pháp nghiên cứu - Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khả năng hấp phụ khí của MOF-199 thể hiện ởhình 1. Hình 1. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm hấp phụ khí và hơi. 1-Bơm hút chân không; 2-Bình chân không; 3-Mẫu thử; 4-Bình tạo khí NO2; 5-Bình tạo khí CO; 6-Van khóa. - Thực nghiệm được tiến hành ở điều kiện áp suất thường và nhiệt độ phòng.Vật liệu MOF được bảo quản trong môi trường chân không sau khi tổng hợp đượcđưa vào hệ thống thử nghiệm. - Khối lượng mẫu cho mỗi lần thử nghiệm là 0,5 g MOF-199. Đặt các mẫu vàobình chứa 2 (hình 1) và tiến hành hút chân không, sau đó lần lượt dẫn khí CO, NO2vào bình thử nghiệm. Đối với dung môi hữu cơ thì cốc chứa dung môi cùng đặttrong bình 2 (thể tích dung môi là 200 mL). - Cứ sau mỗi giờ lấy các mẫu ra cân cho đến khối lượng không đổi (bão hòa tạmthời), riêng đối với mẫu hấp phụ khí NO2 thì sau 6 tiếng xác định khối lượng mẫumột lần. Giá trị hấp phụ của vật liệu được xác định bởi sự thay đổi khối lượng củamẫu trước và sau k ...