Ứng dụng Silica khói trong quá trình khử lưu huỳnh oxy hóa: Những tiến bộ gần đây và triển vọng trong tương lai

• Trong những năm gần đây, các quy định nghiêm ngặt về môi trường và nhu cầu ngày càng tăng về nhiên liệu sạch hơn đã khiến khử lưu huỳnh oxy hóa (ODS) là trọng tâm nghiên cứu chính vì hiệu quả cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp. Silica khói, một vật liệu nano hiệu suất cao với các đặc tính lý hóa độc đáo, đã cho thấy tiềm năng to lớn như một chất hỗ trợ xúc tác và chất hấp phụ trong ODS. Bài viết này khám phá ứng dụng của silica khói trong quá trình khử lưu huỳnh, cùng với những tiến bộ gần đây và xu hướng tương lai.

1. Những phát triển gần đây trong công nghệ Silica khói

Silica khói được sản xuất thông qua thủy phân nhiệt độ cao của silic tetraclorua (SiCl₄), tạo ra silica vô định hình ở quy mô nano với diện tích bề mặt cao (100-400 m²/g), khối lượng riêng thấp, độ ổn định hóa học tuyệt vời và các đặc tính bề mặt có thể điều chỉnh. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ nano đã mở rộng ứng dụng của nó trong xúc tác, vật liệu tổng hợp, lưu trữ năng lượng và phục hồi môi trường.

• Cải thiện sửa đổi bề mặt: Các tác nhân liên kết silane và lớp phủ oxit kim loại làm tăng mật độ nhóm hydroxyl, cải thiện tương tác với các vị trí hoạt động xúc tác.
• Phân tán nâng cao:Các phương pháp tổng hợp tiên tiến (ví dụ, quy trình hỗ trợ plasma) tối ưu hóa khả năng phân tán, giúp silica dạng khói ổn định hơn trong hệ thống xúc tác pha lỏng.

• Sản xuất xanh hơn:Một số nhà sản xuất đang áp dụng phương pháp tổng hợp ít carbon để giảm tác động đến môi trường và chi phí.

2. Ứng dụng của Silica dạng khói trong quá trình khử lưu huỳnh oxy hóa

ODS chuyển đổi các hợp chất lưu huỳnh (ví dụ, thiophene, benzothiophene) trong nhiên liệu thành sulfone/sulfoxide trong điều kiện nhẹ, sau đó là quá trình chiết xuất/hấp phụ. Silica dạng khói đóng góp theo những cách sau:

Hỗ trợ chất xúc tác

Diện tích bề mặt cao và nhóm silanol (Si-OH) dồi dào làm cho nó lý tưởng để neo oxit kim loại (ví dụ, TiO₂, MoO₃, WO₃) và heteropolyacids (ví dụ, axit phosphomolybdic):

• Hợp chất TiO₂/SiO₂:TiO₂ được hỗ trợ trên silica dạng khói cho thấy hiệu quả ODS quang xúc tác được cải thiện do cải thiện khả năng tách điện tích và tiếp xúc với vị trí hoạt động.

• Các loại lai đa axit-silica: Việc cố định axit phosphotungstic (HPW) trên silica dạng khói biến tính giúp cải thiện độ ổn định và khả năng tái sử dụng của chất xúc tác đồng thời giảm thiểu quá trình rò rỉ.

Tăng cường chất hấp thụ

Sau quá trình oxy hóa, sulfone phải được loại bỏ thông qua hấp phụ/chiết xuất. Độ xốp và bề mặt có thể biến đổi của silica khói cho phép:

• Rây phân tử chức năng hóa/than hoạt tính để hấp phụ lưu huỳnh có chọn lọc.

• Hợp chất chất lỏng ion cho các hệ thống chiết xuất-hấp phụ tích hợp.

Ổn định oxy hóa

• TRONG ODS dựa trên H₂O₂/O₃, silica khói hoạt động như một chất ổn định, ngăn chặn sự phân hủy oxy hóa nhanh chóng và kéo dài khả năng phản ứng.

3. Triển vọng tương lai

• Thiết kế chất xúc tác tiên tiến: Kiểm soát chính xác tính chất hóa học bề mặt để tối ưu hóa lượng kim loại/axit đa dị chất nhằm tăng cường hoạt động và độ bền.

• Tích hợp với Quy trình Xanh: Kết hợp quang xúc tác, điện xúc tác hoặc xúc tác sinh học với hệ thống dựa trên silica dạng khói để khử lưu huỳnh tiết kiệm năng lượng.

• Thách thức mở rộng quy mô:Mặc dù kết quả ở quy mô phòng thí nghiệm rất hứa hẹn, việc áp dụng công nghiệp đòi hỏi phải sản xuất tiết kiệm chi phí và có tính ổn định lâu dài.

4. Kết luận

Các đặc tính có thể điều chỉnh của silica khói định vị nó như một vật liệu đa năng cho các công nghệ ODS thế hệ tiếp theo. Nghiên cứu liên tục về kỹ thuật nano và cơ chế xúc tác sẽ thúc đẩy sự phát triển của các giải pháp khử lưu huỳnh hiệu quả, bền vững, hỗ trợ các mục tiêu năng lượng sạch toàn cầu.