Đề tài: ỨNG DỤNG QUANG PHỔ RAMAN TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ MÔI TRƯỜNG

23 98 0
  • Loading ...
    Loading ...
    Loading ...

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 06/03/2019, 17:16

Lưu lại thông tin cần thiết: Địa tải: Diễn đàn trao đổi: www.myyagy.com/mientay Liên hệ với người quản lí trang web: Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN MÔN: QUANG PHỔ RAMAN CAO HỌC KHÓA 19 Đề tài: ỨNG DỤNG QUANG PHỔ RAMAN TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ MÔI TRƯỜNG GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Định HV thực hiện: Tô Lâm Viễn Khoa 1/22 MỤC LỤC I.MỞ ĐẦU:5 .3 II.SỬ DỤNG FT-RAMAN:5 1.Giới thiệu FT-Raman:$ 2.Phổ FT-Raman công nghiệp sơn:$ a Mục đích:# b Ứng dụng:# 3.Ứng dụng phổ FT-Raman công nghiệp thực phẩm:$ .7 a Mục đích:# b Ứng dụng:# 4.Ứng dụng phổ FT-Raman công nghiệp nhuộm:$ a Mục đích:# b Ứng dụng:# 5.Ứng dụng FT-Raman cơng nghiệp hóa dầu:$ 11 a Mục đích:# 11 b Ứng dụng:# .12 6.Ứng dụng FT-Raman khoa học hình sự:$ 13 a Mục đích:# 13 b Ứng dụng:# .13 III.CÁC ỨNG DỤNG KHÁC:5 15 1.Phổ Raman laser sử dụng nghiên cứu ăn mòn kim loại:$ .15 2.Ứng dụng phổ Raman nghiên cứu môi trường:$ 17 a Xác định ion kim loại nước:# 17 b Xác định có mặt ion nitric nước:# 19 3.Ứng dụng khác:$ 21 IV.TÀI LIỆU THAM KHẢO5 .22 2/22 I.MỞ ĐẦU: Việc nghiên cứu khảo sát hợp chất hóa học, chất liệu, phản ứng hóa học ln đóng vai trò quan trọng ngành cơng nghiệp Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu thường gặp nhiều hạn chế thời gian đầu Kể từ xuất phương pháp nghiên cứu quang phổ Raman, đặc biệt FT-Raman, hoạt động khảo sát thực dễ dàng xác Ngày nay, quang phổ Raman nói chung FT-Raman nói riêng có nhiều ứng dụng ngành công nghiệp, khoa học như: hóa dầu, nhuộm, mơi trường Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng quang phổ Raman công nghiệp” giới thiệu số ứng dụng điển hình quang phổ Raman kết hợp với số ví dụ để thấy tầm quan trọng quang phổ Raman không nghiên cứu mà kĩ thuật đời sống hàng ngày 3/22 II.SỬ DỤNG FT-RAMAN: 1.Giới thiệu FT-Raman: FT-Raman phương pháp khảo sát tương tự phương pháp Raman thông thường Tuy nhiên, điểm khác biệt FT-Raman thường nghiên cứu phổ có mức gần hồng ngoại Nhờ khác biệt mà FT-Raman có số ưu điểm so với phổ Raman thông thường Những khác biệt thể qua bảng Ưu điểm Hạn chế - Giảm ảnh hưởng hiệu ứng huỳnh quang - Độ phân giải cao - Không thể loại bỏ hết hiệu ứng huỳnh quang nền, đặc biệt vùng gần hồng ngoại - Tần số xác - Có Stokes anti-Stokes - Khơng thay phổ laser Raman lúc - Có thể đo phổ Raman phổ - Không thể nhận tạp chất mật độ thấp cách trừ phổ hồng ngoại thiết bị - Không thể nghiên cứu nhiệt độ cao 1500C Bảng 1: Ưu điểm hạn chế phương pháp FT-Raman 2.Phổ FT-Raman cơng nghiệp sơn: a.Mục đích: Nhựa lactic thành phần quan trọng việc phát triển hệ thống sơn ngậm nước Người ta thường sản xuất nhựa lactic phương pháp polyme hóa nhũ tương Ưu điểm phương pháp kiểm sốt kích thước hình dạng cao phân tử polyme Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng phương pháp gặp khó khăn nhiều năm Nguyên nhân phổ hợp chất polyme hóa thường khơng rõ diện nước (ví dụ phổ vùng gần hồng ngoại) 4/22 Nhờ có phổ Raman, việc nghiên cứu trở nên dễ dàng loại bỏ ảnh hưởng nước đến chất lượng dải phổ Bằng cách sử dụng phổ FT-Raman, người ta theo dõi q trình polyme hóa hợp chất cao phân tử b.Ứng dụng: Có thành tố tạo thành q trình polymer hóa: đơn phân tử không tan nước, nước, chất mồi chất chuyển thể sữa Trong đơn phân tử thường dùng gồm loại: BA (butyl acrylate), MMA (methyl methacrylate), AMA (allyl methacrylate) Bằng cách quan sát phổ FT-Raman đơn phân tử theo thời gian, người ta hiểu rõ q trình polymer hóa xảy nào, có thay đổi nào, trình chuyển từ thể lỏng sang rắn thay đổi nào, mật độ pha chất, thời gian phản ứng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Hình II.2.1: Phổ FT-Raman đơn phân tử: (a) BA, (b) MMA, (c) AMA Bảng nhỏ thể vùng phổ C=C Hình II.2.1 thể phổ FT-Raman đơn phân tử BA, MMA, AMA Cần ý đến vùng phổ C=C nằm mức 1650 1630 cm-1 Theo thời gian phản ứng polyme hóa nhũ tương xảy ra, số lượng nối đơi C=C giảm dần Hình II.2.2 thể thay đổi mật độ nối đôi phụ thuộc vào thời gian phản ứng Nhận xét thấy sau thời gian khoảng đến tiếng, mật độ nối đôi giảm từ 5% đến 20% 5/22 Hình II.2.2: Mật độ nối đôi C=C thay đổi theo thời gian Hình II.2.3: Mối liên hệ tỉ lệ nồng độ hai dải 1450 cm-1 3450 cm-1 với mật độ chất rắn xuất trình nhũ hóa Trong q trình polyme hóa này, chất dạng thể rắn tạo Hình II.2.3 cho biết phụ thuộc tỉ số S/N vào tỉ lệ % chất rắn tạo thành Tỉ số S/N đo dải CH2 biến dạng (1450 cm-1) dải (3450 cm-1) Kết cho thấy tỉ lệ 1:1 mức 12% chất rắn, tăng lên 2:1 24% Một thí nghiệm khác cho thấy xét dải 2500 cm-1 đạt mức 10:1 7% chất rắn, tăng lên 70:1 35% Điều cho thấy phổ rõ tỉ lệ % chất rắn tạo tăng 6/22 3.Ứng dụng phổ FT-Raman cơng nghiệp thực phẩm: a.Mục đích: Trước đây, người ta có nhu cầu nghiên cứu thành phần thực phẩm phương pháp Raman Tuy nhiên, phương pháp gặp khó khăn gặp tượng phát xạ huỳnh quang Sau này, FT-Raman đời, khắc phục tượng việc nghiên cứu phát triển b.Ứng dụng: Một ứng dụng FT-Raman công nghiệp thực phẩm khảo sát số iod loại chất béo như: dầu, bơ, mỡ Chỉ số iod khối lượng iod thêm vào 100 g chất béo, đặc trưng cho mức độ chưa acid béo Trong công nghiệp thực phẩm, sản phẩm số iod cao sản phẩm tốt cho sức khỏe Có nhiều cách để xác định số iod Một cách số sử dụng phương pháp thừa trừ: cho dư lượng iod vào chất béo, xác định lượng iod thừa lại (bằng sơ đa), trừ lại với lượng ban đầu cho lượng iod phản ứng Một cách khác cho kết chi tiết xác định lượng nối đôi dư lại acid béo để biết lượng iod thêm vào Có loại cấu hình nối đôi acid béo chưa no: cis trans (xem hình II 3.1) Trong phổ Raman, cis nằm mức 1660 cm-1, trans nằm mức 1670 - 1680 cm-1, cấu hình (CH2 - CH2) no nằm mức 1443 cm-1 Hình II.3.2 II.3.3 cho ta hình ảnh phổ số loại acid béo Trong có đỉnh thể có cis, trans cấu hình no Hình II.3.1: cấu hình cis/trans acid béo chưa no 7/22 Hình II.3.2: Phổ FT-Raman của: (a) dầu hướng dương; (b) dầu bắp; (c) dầu vừng; (d) dầu hạt; (e) dầu oliu Hình II.3.3: Phổ FT-Raman (a) đậu phộng; (b) mỡ bò; (c) bơ Chỉ số iod cao hay thấp xác định dựa vào tỉ lệ cis/trans so với tỉ lệ cấu hình no Hình II.3.4 cho thấy phụ thuộc số iod vào tỉ lệ I1658/I1443 8/22 Hình II.3.4: đồ thi so sánh số iod với tỉ lệ cường độ I1658/I1443 4.Ứng dụng phổ FT-Raman công nghiệp nhuộm: a.Mục đích: Để xác định phẩm chất thuốc nhuộm (phẩm màu), người ta thường sử dụng phổ Tuy nhiên, phổ Raman khơng cho kết tốt phẩm màu thường phát huỳnh quang bị kích thích vùng khả kiến Do vậy, người ta chuyển sang sử dụng phổ FT-Raman Ưu điểm phổ làm giảm ảnh hưởng huỳnh quang tác nhân khác Tuy nhiên, trình thu phổ, người ta thấy phổ FT-Raman thu lại phổ sợi nhuộm Do vậy, để thu xác phổ thuốc nhuộm, người ta phải trừ phổ thu với phổ sợi chưa nhuộm b.Ứng dụng: Ở đây, sử dụng phổ FT-Raman để khảo sát chất nhuộm sợi acrylic Sợi acrylic bao gồm acrylinitrile (94%) hợp chất cao phân tử methacrylate (6%) Hình II.4.1 cho thấy phổ FT-Raman sợi nhuộm màu xanh, đỏ sợi chưa nhuộm màu Có thể thấy phổ có dạng tương đồng nhiên số lượng vị trí đỉnh có khác 9/22 Hình II.4.1: Phổ FT-Raman sợi: (a) nhuộm xanh, (b) nhuộm đỏ, (c) chưa nhuộm Như nói trên, để có phổ chất nhuộm màu xanh người ta phải lấy phổ (a) nhuộm xanh trừ phổ (c) chưa nhuộm Kết thu phổ hình II 4.2 So sánh phổ với phổ FT-Raman cobalt ta thấy dạng phổ giống Từ cho phép ta kết luận, màu xanh chất nhuộm cobalt Đánh giá: - Phương pháp có ưu điểm so với phương pháp phổ hồng ngoại chỗ phổ hồng ngoại bị hấp thụ mạnh hợp chất polyme nên khơng thể bị loại trừ máy tính - Tuy nhiên, việc lấy phổ phải diễn nhanh có số thuốc nhuộm (1 - 2%) cho dải phân biệt được, phần lại chịu ảnh hưởng 10/22 sợi acrylic nên bị nhiễu Người ta khắc phục cách kết hợp thêm giảm kích cỡ thiết bị thu để giảm kích cỡ sợi Hình II.4.2: Phổ FT-Raman (a) sợi màu xanh sau trừ cho phổ sợi chưa nhuộm; (b) cobalt nguyên chất 5.Ứng dụng FT-Raman cơng nghiệp hóa dầu: a.Mục đích: Trong cơng nghiệp hóa dầu, người ta thường pha trộn nhiều loại phụ gia hóa chất khác vào sản phẩm Ví dụ yêu cầu việc xăng phải khơng chì mà giữ hiệu động giảm tỉ lệ nén, công ty xăng dầu phải thay đổi thành phần chất tham gia để tăng thêm nhiều nhánh ankan aromatic cách thêm vào chất phụ gia benzen, toluen Khi đó, nhu cầu cần đặt phải khảo sát xem tỉ lệ thành phần tốt nhất, hiệu Tuy nhiên, việc khảo sát thành phần chất có xăng dầu thường gặp khó khăn phương pháp phổ Raman gặp nhiễu huỳnh quang Với phương pháp FT-Raman, việc nghiên cứu trở nên dễ dàng 11/22 b.Ứng dụng: Một ứng dụng cụ thể khảo sát thay đổi số octan với thành phần chất cấu tạo khác Hình II.5.1 cho thấy mối liên hệ số octan vào tỉ lệ methyl/methylene (3053/2870 cm-1) tỉ lệ chất phụ gia thuộc nhóm acromatic (1000/2870 cm-1) Ngồi ra, có có chất phụ gia ảnh hưởng đến số octan: toluen (780 cm-1), t-butyl (743 cm-1) Các mức có cường độ lớn số octan tăng Hình II.5.1: Phổ FT-Raman xăng (a) octan 87; (b) octan 89; (c) octan 93 Người ta biết tất loại xăng thương mại có pha rượu (ethanol) Hình II.5.2 cho thấy ảnh hưởng tỉ lệ rượu (880 cm-1) pha vào số octan Dễ nhận thấy mức octan 90 khơng có diện rượu Như vậy, rượu pha nhiều, số octan giảm 12/22 Hình II.5.2: Phổ FT-Raman (a) rượu; (b) xăng 87 octan; (c) xăng 90 octan Phương pháp phổ hồng ngoại cho kết tương tự phổ Raman nhạy nhận biết hydrocacbon chưa no 6.Ứng dụng FT-Raman khoa học hình sự: a.Mục đích: Hoạt động khoa học hình bao gồm phân tích trường, xét nghiệm chất cấm ln đòi hỏi phải phân tích phổ Tuy nhiên, trước đây, ảnh hưởng phổ huỳnh quang tốn thời gian chuẩn bị mẫu, phương pháp phổ Raman sử dụng Phổ FT-Raman xuất khắc phục nhược điểm ứng dụng vào nhiều hoat động khoa học hình b.Ứng dụng: Một ứng dụng thường thấy là: Khi chiếu laser Nd:YAG bước sóng 1,064 μm, dùng đầu nhận GaInAs, hoạt động dải từ 400 - 3200 cm-1 công suất 200 mW, người ta xác định loại chất gây nghiên như: heroine, morphine, codeine, amphetamine 13/22 Hạn chế ứng dụng không sử dụng với chất liệu có hàm lượng hợp chất phát quang mạnh vật liệu tối Hình II.6.1: Phổ FT-Raman số hợp chất gây nghiện: (a) heroin, (b) morphine, (c) codeine; quét 50 lần phút, độ phân giải cm-1, công suất 200 mW Hình II.6.2: Phổ FT-Raman: (a) 23% amphetamine sulfate sorbitol, (b) sorbitol nguyên chất, (c) phổ amphematine sulfate dự đoán sau trừ sorbitol, (d) phổ amphematine sulfate thu thực tế 14/22 III.CÁC ỨNG DỤNG KHÁC: 1.Phổ Raman laser sử dụng nghiên cứu ăn mòn kim loại: Người ta thường sử dụng phổ Raman laser để nghiên cứu ăn mòn bề mặt kim loại tạo thành màng mỏng bề mặt Các kim loại thường khảo sát là: Pb, Ag, Fe, Ni, Co, Cu, Cr, Ti, Au, Sn, thép không gỉ Phương pháp phổ biến thường dùng là: sử dụng laser Ar+, Kr+ laser nhuộm màu kết hợp với số thiết bị thu dãy diode, ống nhân quang Từ thu phổ bề mặt cần khảo sát thay đổi theo điều kiện nhiệt độ, điện Ứng dụng: Có thể sử dụng phương pháp để nghiên cứu ăn mòn chì dd Na2SO4 Thí nghiệm gồm: điện cực làm chì (anot) đặt heli, điện cực hỗ trợ bên ngồi làm Ag/Ag2SO4 kết nối thơng qua teflon chứa đầy ziriconi oxit dd Na2SO4/Ag2SO4 Hình III.1.1 mô tả phụ thuộc vào nhiệt độ phổ FT-Raman thu thực thí nghiệm điện -0,85 V Có thể thấy phổ dày lên nhiệt độ 553K Trên phổ, ta thấy có đỉnh 149 976 cm-1 Đó đỉnh PbO SO42- Hình ảnh phổ phép ta kết luận có pha chất: PbOPbSO4 3PbOPbSO4.H2O (ngậm nước) bề mặt Kết hồn tồn phù hợp với kết có thực nhiễu xạ tia X Hình III.1.2 kết thu -0,1 V Phổ cho thấy có pha bề mặt: PbSO4, PbOPbSO4 3PbOPbSO4.H2O 15/22 Hình III.1.1: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ phổ Raman chì dung dịch lỗng pha với Na2SO4 điện -0,85 V Hình III.1.2: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ phổ Raman chì dung dịch lỗng pha với Na2SO4 điện -0,1 V 16/22 2.Ứng dụng phổ Raman nghiên cứu môi trường: a.Xác định ion kim loại nước: Nước ngầm chạy lòng đất thường lẫn tạp chất nguy hiểm ion kim loại, gây ảnh hưởng đến sức khỏe vào hệ thống cấp nước Do vậy, cần phải có phương pháp xác định ion chỗ theo thời gian thực Phương pháp sử dụng SERS Nguyên tắc SERS đo thay đổi phổ Raman chất thị (có khả kết hợp với ion kim loại), từ suy diện ion kim loại Chất thường dùng EBT (Eriochrome Black T), PAR, cresol đỏ, metyl đỏ Mỗi loại chất thị cho biết có mặt ion nước Một số kết thu được: * Xác định Cu2+ EBT: 17/22 Hình III.2.1: Phổ SERS (a) hỗn hợp EBT Cu2+; (b) có EBT; (c) khác biệt phổ (a) (b), thực chất lấy (a) - (b) Quan sát khác biệt này, ta kết luận có mặt ion Cu2+ hợp chất Hình III.2.1 cho thấy đỉnh 1403 cm-1 Cu2+, 1274 cm-1 EBT (đỉnh bị biến phổ hỗn hợp) Dựa vào tỉ số cường độ đỉnh này, người ta biết nồng độ Cu2+ Hình III.2.2 đường cong hiệu chuẩn sử dụng Hình III.2.2: Đường cong hiệu chuẩn để xác định nồng độ Cu2+ EBT * Xác định Pb2+ Fe3+ PAR: Hình III.2.3: Phổ SERS (a) dd PAR; (b) có thêm Pb2+; (c) có thêm Fe3+ Hình III.2.3 cho biết đỉnh: PAR (1323 - 1329 cm-1), Pb2+ (1005 cm-1), Fe3+ (1362 cm-1) Kết hợp phổ với đường cong hiệu chuẩn, ta biết nồng độ ion có nước 18/22 b.Xác định có mặt ion nitric nước: Một lượng lớn ion nitric (NO2 ) dấu hiệu cho thấy ô nhiễm lan rộng Có nhiều phương pháp sử dụng để đo nồng độ ion nitric, nhiên, đa số gặp khó khăn khác Trong đó, phương pháp SERRS (phổ Raman cộng hưởng bề mặt) thường sử dụng nhờ độ nhạy cao thể nhận biết nồng độ ion thấp Nguyên tắc phương pháp đưa ion nitric loại phẩm màu tên azo sau khảo sát hiệu ứng SERRS dựa phổ azo Azo có hai dạng azo hydrazone Điểm khác biệt dạng vị trí nối đơi N=N (xem hình III.2.4) Hình III.2.4: Dạng (1) azo; (2) hydrazone thuốc nhuộm azo Một số kết quả: Hình III.2.5 thể phổ SERRS azo so sánh phổ RR Ở dung dịch bazơ, thấy phổ tương đồng Ở dung dịch acid, ta thấy xuất đỉnh 1328 1383 cm-1 Như vậy, sử dụng dung dịch axit định lượng nitric phương pháp SERRS tốt dùng RR 19/22 Hình III.2.5: So sánh phổ SERRS RR dung dịch (A) pH = 2; (B) pH = 12 Hình III.2.6: Phổ SERRS azo dung dịch pH khác (a) pH = 12; (b) pH = 7; (c) pH = Hình III.2.6 thể phổ SERRS azo dung dịch có độ pH khác Trên phổ này, cần ý đến đỉnh 1328 1283 dung dịch bazơ thấy rõ, dùng để phân tích định tính Hình III.2.7 đường cong phân tích thể liên hệ nồng độ azo (thể qua cường độ đỉnh) nồng độ nitric, thường dùng để hiệu chuẩn kết Người ta thường sử dụng đơn vị nM để xác Giới hạn nhận biết phương pháp 0,02 nM 20/22 Hình III.2.7: Xác định nồng độ nitric cường độ đỉnh 1424, 1384, 1152 cm-1 Ưu điểm phương pháp đơn giản, thực nhanh, tái thực nhiều lần Trong phương pháp khác phương pháp laser huỳnh quang độ nhạy cao đòi hỏi phải có nhiệt độ thấp chuẩn bị mẫu phức tạp 3.Ứng dụng khác: - Trong lọc quặng kim loại: khảo sát xuất phức chất amin Cobalt, Niken, đồng ammonica sulfate - Công nghiệp khai thác gỗ sản xuất giấy: sử dụng laser Nd:YAG để tạo phổ FT-Raman để xác định thành phần gỗ thông đen, chất xơ, gỗ cứng hemicellulose - Khảo sát khí gas thiên nhiên: người ta thường đo mức tiêu thụ khí ga BTU (British thermal units) BTU đo phổ hấp thụ hồng ngoại hydrocacbon Tuy nhiên, đo thêm có gốc nitơ phương pháp Raman - Lĩnh vực y tế: việc sử dụng phổ IR NIR thường bị nhiễu có mặt nước nên người ta sử dụng Raman để khảo sát thành phần thuốc như: acetaminophen, ibuprofen 21/22 I.TÀI LIỆU THAM KHẢO Introductory Raman Spectroscopy (SE) - Elsevier 2003, John R Ferraro, Kazuo Nakamoto and Chris W Brown 22/22
- Xem thêm -

Xem thêm: Đề tài: ỨNG DỤNG QUANG PHỔ RAMAN TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ MÔI TRƯỜNG, Đề tài: ỨNG DỤNG QUANG PHỔ RAMAN TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ MÔI TRƯỜNG

Từ khóa liên quan