TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC VẬT LIỆU ZIF 8 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Giảng viên h.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC VẬT LIỆU ZIF-8 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM HOÀNG ÁI LỆ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HUY MSSV: 16018381 Lớp: DHHO12B Khoá: 2016 – 2020 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC VẬT LIỆU ZIF-8 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM HOÀNG ÁI LỆ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HUY MSSV: 16018381 Lớp: DHHO12B Khoá: 2016 – 2020 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHIỆP TP HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự - Hạnh phúc KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC - // - - // - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN HUY MSSV: 16018381 Lớp: DHHO12B Chuyên ngành: Cơng nghệ Hóa học_Vật liệu Tên đề tài khóa luận/đồ án: Nghiên cứu tổng hợp đánh giá cấu trúc vật liệu ZIF ứng dụng xử lý chất màu hữu môi trường nước Nhiệm vụ: - Tổng quan lý thuyết Tổng hợp vật liệu ZIF-8 Đánh giá cấu trúc vật liệu ZIF-8 Ứng dụng xử lý chất màu hữu môi trường nước Ngày giao khóa luận/đồ án: 16/09/2019 Ngày hồn thành khóa luận/đồ án: Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Hoàng Ái Lệ Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 09 năm 2020 Tổ trưởng môn chuyên ngành Phạm Thị Hồng Phượng Giảng viên hướng dẫn Phạm Hoàng Ái Lệ LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, trước hết em xin gửi lời đồng cảm ơn chân thành đến q thầy, khoa Cơng nghệ hóa học trường Đại học Cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho em suốt trình học tập rèn luyện trường Cảm ơn thầy, cô anh chị nhân viên “Phịng thí nghiệm Khoa học vật liệu ứng dụng” trường Đại học Nguyễn Tất Thành giúp đỡ tận tình cho em hồn thành nhiệm vụ đề tài nghiên cứu Trong trình thực đề tài em gặp khơng khó khăn Nhưng với động viên giúp đỡ quý thầy cơ, người thân bạn bè, em hồn thành tốt đề tài nghiên cứu có kinh nghiệm, kiến thức hữu ích cho thân Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phạm Hoàng Ái Lệ, thầy Nguyễn Duy Trinh anh Trần Văn Thuận - người hướng dẫn, hỗ trợ, động viên em từ ngày tiếp cận đề tài đến ngày cuối hồn thành khóa luận Kính chúc thầy có thật nhiều sức khỏe để tiếp tục nghiệp nghiên cứu khoa học dìu dắt em sinh viên khóa Dù cố gắng trình độ lý luận kiến thức cịn hạn hẹp khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong thơng cảm đóng góp ý kiến q thầy, để khóa luận hồn thiện Cuối cùng, xin kính chúc q thầy cô thành công công việc sống Em xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Huy NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá: (thang điểm 10) • Thái độ thực hiện: • Nội dung thực hiện: • Kỹ trình bày: • Tổng hợp kết quả: Điểm số:……Điểm chữ:……………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020 Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020 Giảng viên phản biện (Ký ghi họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng nhiễm chất màu có nước thải dệt nhuộm 1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm Việt Nam 1.1.2 Các nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm 1.1.3 Giới thiệu thuốc nhuộm (Rhodamine B, Congo Red) 1.2 Giới thiệu vật liệu khung kim vật liệu ZIF-8 1.2.1 Vật liệu khung kim (MOFs) 1.2.2 Các phương pháp tổng hợp MOFs 1.2.3 Vật liệu Zeolitic Imidazolate Framework-8 ( ZIF-8) 10 1.3 Tổng quan hấp phụ 12 1.3.1 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 12 1.3.2 Các khái niệm 12 1.4 Ứng dụng vật liệu khung kim MOFs xử lý ô nhiễm chất màu hữu có mơi trường nước 13 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 15 2.1 Nội dung nghiên cứu 15 2.1.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 15 2.1.2 Qui trình tổng hợp vật liệu ZIF-8 16 2.1.3 Nghiên cứu khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ thuốc nhuộm CR RhB 18 2.1.4 Quy trình pha mẫu tiến hành thí nghiệm 18 2.1.5 Các cơng thức tính 18 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 19 2.2.1 Phương pháp đánh giá tính chất vật lý đặc trưng vật liệu ZIF-8 19 2.2.2 Phương pháp thu thập số liệu 19 2.2.3 Phương pháp xác định số động học, đẳng nhiệt hấp phụ 19 2.2.4 Tối ưu hóa khả hấp phụ thuốc nhuộm (RhB, CR) vật liệu ZIF-8 phương pháp đáp ứng bề mặt 21 2.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới khả hấp phụ thuốc nhuộm CR RhB 22 2.3.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 22 2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng lượng chất hấp phụ 22 2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng pH 23 2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ 23 2.4 Khả tái sử dụng vật liệu 23 2.5 Địa điểm nghiên cứu 23 2.6 Mục tiêu nghiên cứu 23 2.6.1 Mục tiêu tổng quát đề tài 23 2.6.2 Mục tiêu cụ thể đề tài 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 25 3.1 Kết phân tích tính chất đặc trưng cấu trúc vật liệu ZIF-8 25 3.1.1 Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 25 3.1.2 Phân tích phổ hồng ngoại FT- IR 26 3.1.3 Phân tích cấu trúc bề mặt SEM 27 3.1.4 Xác định điểm đẳng điện tích pHPZC 27 3.1.5 Phân tích đường cong hấp phụ giải hấp phụ nitrogen 28 3.1.6 Phân tích giản đồ phân bố kích thước mao quản 29 3.2 Kết tối ưu hóa trình hấp phụ thuốc nhuộm (CR, RhB) 30 3.3 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ thuốc nhuộm 36 3.3.1 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ CR RhB ZIF-8 36 3.3.2 Ảnh hưởng lượng chất đến khả hấp phụ CR RhB ZIF-8 37 3.3.3 Ảnh hưởng giá trị pH đến khả hấp phụ CR RhB ZIF-8 37 3.3.4 Ảnh hưởng nồng độ đến khả hấp phụ CR RhB ZIF-8 38 3.4 Kết mơ hình hấp phụ: động học, đẳng nhiệt hấp phụ 39 3.4.1 Động học hấp phụ ZIF-8 lên thuốc nhuộm CR RhB 39 3.4.2 Đẳng nhiệt hấp phụ ZIF-8 lên thuốc nhuộm CR RhB 40 3.5 Nghiên cứu khả tái sử dụng so sánh khả hấp phụ 42 3.5.1 Nghiên cứu khả tái sử dụng ZIF-8 thuốc nhuộm CR 42 3.5.2 So sánh khả hấp phụ chất màu (CR, RhB) từ nghiên cứu khác 42 3.6 Nghiên cứu chế hấp phụ 44 KẾT LUẬN 46 KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Danh sách hóa chất sử dụng 15 Bảng 2.2 Danh sách dụng cụ sử dụng 15 Bảng 2.3 Danh sách thiết bị sử dụng 16 Bảng 2.4 Các thiết bị phân tích 16 Bảng 3.1 Kết phân tích FT-IR vật liệu ZIF-8 26 Bảng 3.2 Danh sách biến khảo sát 30 Bảng 3.3 Giá trị biến thực nghiệm dự đoán 31 Bảng 3.4 Dữ liệu ANOVA mơ hình 32 Bảng 3.5 Kiểm nghiệm mơ hình tối ưu 36 Bảng 3.6 Các số động học cho hấp phụ CR RhB ZIF-8 39 Bảng 3.7 Các số đẳng nhiệt cho hấp phụ CR RhB ZIF-8 41 Bảng 3.8 So sánh khả xử lý thuốc nhuộm CR RhB vật liệu 43 42 3.5 Nghiên cứu khả tái sử dụng so sánh khả hấp phụ 3.5.1 Nghiên cứu khả tái sử dụng ZIF-8 thuốc nhuộm CR Tái sử dụng lợi lớn chất hấp phụ, giúp cung cấp thơng tin hữu ích độ ổn định hấp phụ chu kỳ hấp phụ Khả tái sử dụng ZIF-8 nhanh chóng kiểm tra, thí nghiệm thực cách tối ưu hóa điều kiện sau: lượng ZIF-8 sử dụng 1.1 g/L, 50 ml dung dịch CR 25 mg/L pH= 8, thời gian 60 phút máy lắc (200 vịng/phút) Hình 3.15 Nghiên cứu tái sử dụng vật liệu ZIF-8 thuốc nhuộm CR Các kết hình 3.15 ZIF-8 tái sử dụng lần với thay đổi sau lần tái sử dụng Tuy nhiên, hiệu loại bỏ đạt 88% tái sử dụng lần Lần thứ % loại bỏ đạt 86% 80% Thậm chí, lần cuối hiệu xử lý đạt 75% hiệu loại bỏ lần tái sử dụng đạt 90% Hiệu tái sử dụng cạn kiệt lần thứ tư phân tử thuốc nhuộm hấp phụ lên cấu trúc mesoporous ZIF-8 3.5.2 So sánh khả hấp phụ chất màu (CR, RhB) từ nghiên cứu khác Để so sánh khả xử lý thuốc nhuộm CR RhB chất hấp phụ khác, số cơng trình nghiên cứu liệt kê bảng 3.8 bao gồm kết đầu vào gồm: diện tích bề mặt BET (SBET, m2/g), liều lượng (dose, g/L) nồng độ (Co, mg/L) đến kết đầu bao gồm như: % loại bỏ dung lượng hấp phụ cực đại (Qm, mg/g) Trong bảng 3.8 liệt kê số chất hấp phụ khảo sát, cho thấy % loại bỏ ZIF-8 tổng hợp phương pháp hỗ trợ vi sóng thu kết tốt Kết ZIF-8 thu bảng tương đối cao (87 - 99%) dung lượng hấp phụ cực đại (95.5 - 67 mg/g) so với số loại than hoạt tính sử dụng cho thuốc nhuộm CR thu kết (96.5 - 98.43%, 3.02 - 90.9 mg/g, mục - 5) and RhB (49.53 - 99.85%, 39.2 - 84.41 mg/g, mục - 2) 43 Bảng 3.8 So sánh khả xử lý thuốc nhuộm CR RhB vật liệu STT Chất hấp phụ (m2/g) Dose (g/L) Co (mg/L) % loại bỏ (mg/g) SBET Qm TLTK CONGO RED Microwave-assisted ZIF-8 489.0 1.1 25.0 99.0 167.0 Khóa luận Activated carbon coffee waste (ACCW) 219.69 4.0 50 96.8 90.9 [61] Apricot stone activated carbon 88.05 1.0 50-100 - 32.82 [62] Activated carbon from java citronella distillation waste - 8.0 5-100 96.5 3.02 [63] CO2-activated carbon 1329 0.8 200 98.43 234 [64] Au-Fe3O4-NCs-AC - 0.34 4.15 98.8 43.88 [65] MnFe2O4 nanoparticle 155.7 4.0 30.0 99.0 25.78 [66] ZrO2 hollow spheres ~ 136 0.4 35.0 - 59.5 [67] FexCo3-xO4 nanoparticle 70.5 0.3 30.0 79.53 128.6 [68] 10 ZnO/SiO2 nanospheres 34.5 0.2 50.0 83.0 83.0 [69] 11 TiO2 nanopowder 45.0 10.0 100.0 95.0 112.0 [70] Rhodamine B Microwave-assisted ZIF-8 489.0 1.1 30.0 87.0 95.5 Khóa luận Zn/Co ZIF-derived carbons 398.7 0.8 60.0 98.6 116.2 [71] SiO2/Al2O3 114 1.0 5.0 98.8 27.97 [72] 44 Gelatin/activated carbon 34.75 3.0 100.0 70 243.9 [73] GO/Beta zeolite 249.62 1.0 20-80 85.7 64.47 [74] White sugar-based carbon 1144.8 0.8 100.0 98.3 123.5 [75] C_carnauba_CaCl2 430.7 4-8 65-140 99.8 39.2 [76] a-CNTs - 0.625 4.79 99.89 25.7 [77] Plaintain peels activated biochar - 0.3 30 54.78 84.41 [78] 10 Wood biomass activated carbons 1161.29 2.0 310 ± 49.53 76.66 [79] 11 BHC-800 513 1.0 0.5-300 - 85.8 [80] 12 Lignocellulosic waste activated carbons 430.695 8.0 80 99.85 39.2 [80] Vì khả tái sử dụng tốt (lên đến lần), kết tốt hiệu loại bỏ khả hấp phụ điều kiện thí nghiệm nhẹ Kết so sánh khả hấp phụ màu so với vật liệu nhóm tác giả khác thể bảng 3.8 cho thấy vật liệu ZIF-8 tổng hợp có hỗ trợ vi sóng hồn tồn kỳ vọng vật liệu hấp phụ có hiệu cao để loại bỏ thuốc nhuộm hữu độc hại 3.6 Nghiên cứu chế hấp phụ Để làm sáng tỏ chế hấp phụ ZIF-8 nhằm loại bỏ thuốc nhuộm CR RhB có mơi trường nước Ở đây, giả định chế hấp phụ đề xuất dựa ảnh hưởng pH dung dịch (pHopt) Các số phân ly acid (pKa)4.1 CR RhB 3.0 3.7 [75,81] Về mặt cấu trúc, phân tử CR cấu thành nhóm kép sunfonic (-SO3H) RhB với nhóm carboxylic đơn (COOH) thuận lợi để phá bỏ liên kết Trong đó, điểm đẳng tích khơng (pHPZC)ZIF-8 = 9.0 mơ tả hình 3.4 Khi pH > 9.0, hai phân tử thuốc nhuộm phá bỏ liên kết bề mặt tinh thể ZIF-8 tích điện âm Điều dẫn đến sự xuất lực đẩy tĩnh điện Ở trường hợp, pH < pKa thuốc nhuộm CR RhB pH