Tổng hợp vật liệu hấp thụ từ tính cho việc loại bỏ các chất màu trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP THỤ TỪ TÍNH CHO VIỆC LOẠI BỎ CÁC CHẤT MÀU TRONG NƯỚC MÃ SỐ: SV2021-31 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: PHẠM NHƯ THUẦN SKC007593 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP THỤ TỪ TÍNH CHO VIỆC LOẠI BỎ CÁC CHẤT MÀU TRONG NƯỚC SV2021-31 Thuộc nhóm ngành khoa học: Mơi Trường SV thực hiện: Phạm Như Thuần Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181500B, Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Thực Phẩm Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường Người hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đạt TP Hồ Chí Minh, Tháng 6/ Năm 2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu hấp phụ từ tính cho việc loại bỏ chất màu nước - Chủ nhiệm đề tài: Phạm Như Thuần Mã số SV: 18150116 - Lớp: 181500B Khoa: Cơng nghệ hóa học thực phẩm - Thành viên đề tài: Stt Họ tên Phạm Như Thuần Nguyễn Thị Yến Thu Nguyễn Thị Lan Hương Lê Thị Tuyết Nhung - Người hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đạt Mục tiêu đề tài: Trong nghiên cứu này, tổng hợp than sinh học từ tính đầy có khả hấp phụ tốt chất nhiễm hữu nước Tính sáng tạo: thu hồi từ tính, có nguồn gốc từ tiền chất thân thiện (αFeOOH) đường sucroza Kết nghiên cứu: Vật liệu hấp thụ từ tính, báo cáo tổng kết Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Đi theo hướng tới lợi ích kinh tế nguyên liệu quen thuộc dễ tìm kiếm, giá thành rẻ nên chúng tơi chọn đường ăn ngày (sucroza) để thực nghiên cứu mà loại đường fuctozo hay glucozo Ở nghiên cứu hướng đến tổng hợp vật liệu hấp phụ từ đường ăn sacroza kết hợp với sắt từ Từ áp dụng vào thực tế để xử lý nước có chứa chất hữu màu hiệu vật liệu thu hồi nhờ từ tính Cơng bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Đang hồn thành thảo TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Trong đề tài này, SV tổng hợp thành công vật liệu hấp phụ từ tính có hiệu hấp phụ màu Methylene Blue cao có khả thu hồi nhờ vào từ tính tái sử dụng Trong nghiên cứu này, lần vật liệu than sinh học hình cầu tổng hợp từ nguồn ngun liệu đường ăn, có tính chất tinh khiết cao có tiềm ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác, đặt biệt y học Do đó, kết đạt nghiên cứu có giá trị khoa học, tảng cho nghiên cứu tương lai Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) TS Nguyễn Duy Đạt TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn muốn dành tới TS Nguyễn Duy Đạt, người hướng dẫn, bảo chúng tơi suốt q trình thực nghiên cứu này, bảo định hướng thầy giúp tự tin nghiên cứu giải thích kết cách khoa học xác Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Công nghệ Mơi trường – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Thực Phẩm – Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, tạo điều kiện cho học tập làm nghiên cứu cách thuận lợi Lời cám ơn đặc biệt xin gửi đến phòng KHCN-QHQT- Đại học sư phạm Kỹ Thuật Tp.HCM tổ chức thi vơ bổ ích để bạn sinh viên tự phát triển khả thân, học hỏi, sáng tạo,…đồng thời tạo điều kiện tốt để thực nghiên cứu Mặc dù cố gắng khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận đóng góp ý kiến chân thành từ quý thầy cô giáo để sản phẩm nghiên cứu hoàn thiện phát triển tốt tương lai TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Phạm Như Thuần Nguyễn Thị Yến Thu Nguyễn Thị Lan Hương Lê Thị Tuyết Nhung i TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu tổng hợp than sinh học từ tính (Fe-Bio) phương pháp nhiệt phân đường sucroza Goethite Trong đường sucroza tổng hợp phương pháp thủy nhiệt, Goethite phịng thí nghiệm điều chế FeCl môi trường kiềm Đường sucroza sau nung tạo Biochar Goethite sau nung tạo Fe2O3 (Fe) Tính chất vật liệu hấp phụ phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), diện tích bề mặt (BET) Quá trình hấp phụ Methylene Blue (MB) vật liệu thực phương pháp hấp phụ mẻ Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ khảo sát thay đổi nồng độ nhiệt độ, pH dung dịch, khả từ tính, thời gian tiếp xúc, tính chất mẫu nước nền, nghiên cứu đánh giá Kết SEM cho thấy vật liệu than sinh học có hình cầu khơng đồng nhất, vật liệu Fe có dạng tinh thể thn dài Qua phân tích FTIR vật liệu cho thấy vật liệu có gốc chức –OH, C=C C-O đặc trưng than sinh học nhóm chức Fe-O Diện tích bề mặt Biochar Fe-Bio 613 2 o m /g 568 m /g Khi nung 800 C Biochar Fe-Bio có dung lượng hấp phụ cao nhất, o vật liệu Fe nung 700 C có dung lượng hấp phụ cao Kết khảo sát ảnh hưởng pH (2-11) đến trình hấp phụ cho thấy dung lượng hấp phụ cao loại vật liệu đạt pH 8, khảo sát thời gian cho thấy 240 phút đạt cân hấp phụ Biochar, Fe-Bio 300 phút Fe Dung lượng hấp phụ MB tối đa Fe-Bio 476 mg/g, cao so với Biochar Fe Khả hấp phụ than sinh học từ tính MB có đóng góp chế hấp phụ lực Vander Walls, liên kết hydro, tương tác ion-lưỡng cực, tương tác π-π, làm đầy lỗ rỗng Nghiên cứu thành công việc chế tạo than sinh học từ tính, khơng có khả hấp phụ tốt MB mà cịn có khả thu hồi nhờ có từ tính cao ii TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG: MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 2 Mục tiêu Ý nghĩa Nội dung CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nghiên cứu có liên quan nước 1.2 Phương pháp hấp phụ 1.2.1 Các khái niệm hấp phụ 1.2.2 Dung lượng hấp phụ 1.3 Các đối tượng nghiên cứu 1.3.1 Vật liệu hấp phụ 1.3.2 Methylene Blue 1.4 Cơ chế hấp phụ 10 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 1.4.1 Đẳng nhiệt hấp phụ 1.4.2 Động học hấp phụ 1.4.3 Nhiệt động học trình hấp phụ 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1 Phương pháp nghiên cứu 2.1.1 Tổng hợp vật liệu 2.1.2 Các phương pháp xác định tính chất vật liệu 2.2 Thiết bị, dụng cụ hóa chất 2.3 Các thí nghiệm 2.3.1 Vis Khảo sát bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn MB 22 2.3.2 Khảo sát vật liệu nung tối ưu 2.3.3 Khảo sát pH tối ưu 2.3.4 Khảo sát thời gian tối ưu 2.3.5 Khảo sát ảnh hưởng NaCl 2.3.6 Thí nghiệm giải hấp 2.3.7 Khảo sát thay đổi nồng độ 2.3.8 Thí nghiệm thay đổi nồng độ nhiệt độ 2.3.9 Thí nghiệm mơi trường nước khác 2.4 Xử lý số liệu 2.4.1 Tính tốn dung lượng hấp phụ 2.4.2 Tính tốn đường đẳng nhiệt 2.4.3 Tính tốn đường động học hấp phụ 2.4.4 Tính tốn nhiệt động học hấp phụ CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Tính chất vật liệu hấp phụ iv TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 3.1.1 Phân tích SEM BET vật liệu 33 3.1.2 Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 34 3.1.3 Xác định giá trị pHpzc (zero point of charge) 35 3.1.4 So sánh tính chất từ tính than sinh học 36 3.2 Khảo sát bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn MB theo phương pháp UVVis 36 3.3 Kết thực nghiệm 38 3.3.1 Khảo sát chọn vật liệu tối ưu 38 3.3.2 Khảo sát chọn pH tối ưu 39 3.3.3 Khảo sát chọn thời gian tối ưu 40 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng NaCl 40 3.3.5 Thí nghiệm giải hấp 41 3.3.6 Khảo sát thay đổi nồng độ 42 3.3.7 Thí nghiệm mơi trường nước khác 43 3.3.8 Thí nghiệm thay đổi nhiệt độ nồng độ 44 3.4 Đẳng nhiệt hấp phụ động nhiệt học hấp phụ 45 3.4.1 Đẳng nhiệt hấp phụ 45 3.4.2 Nhiệt động học hấp phụ 47 3.4.3 Động học hấp phụ 47 CHƯƠNG: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 KẾT LUẬN 51 KIẾN NGHỊ 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tổng hợp nghiên cứu nước Bảng 3.1: Chỉ tiêu mẫu nước 43 v TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bảng 3.2: Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich .46 Bảng 3.3: Các thông số nhiệt động học hấp phụ Biochar, Fe Fe-Bio .47 Bảng 3.4: Các thông số động học Biochar, Fe Fe-Bio 48 vi TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com nước máy > nước ngầm > nước sông loại vật liệu Độ dẫn điện mẫu nước tăng dần theo thứ tự nước cất < nước máy < nước ngầm < nước sông Dung lượng hấp phụ giảm độ dẫn điện tăng chứng tỏ chất hịa tan nước có ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ MB vật liệu, từ có cạnh tranh chất hịa tan với MB 3.3.8 Thí nghiệm thay đổi nhiệt độ nồng độ ❖ Biochar 400 350 Qe (mg/L) 300 250 200 150 100 50 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Co (mg/L) Hình 3.16: Biểu đồ thể dung lượng hấp phụ theo nhiệt độ hấp phụ o o Theo hình 3.16, ta thấy dung lượng hấp phụ Biochar nhiệt độ 10 C > 31 C o > 42 C Ở mức nồng độ MB từ 25-500 mg/L, tốc độ hấp phụ tăng nhanh chóng, nồng độ đạt 600mg/L, dung lượng hấp phụ bắt đầu bão hòa Qe (mg/L) ❖ Fe 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Co (mg/L) Hình 3.17: Biểu đồ thể dung lượng hấp phụ theo nhiệt độ hấp phụ 44 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com o Hình 3.17 cho thấy dung lượng hấp phụ mẫu vật liệu Fe 10 C cao o o 31 C 42 C nhiều Dung lượng hấp phụ tăng nhanh nồng độ đầu thấp, sau chững lại bão hòa nồng độ MB 600 mg/L Qe (mg/L) ❖ Fe-Bio 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Co (mg/L) Hình 3.18: Biểu đồ thể dung lượng hấp phụ theo nhiệt độ hấp phụ o Tương tự, hình 3.18 cho thấy dung lượng hấp phụ mẫu vật liệu Fe-Bio 10 C o o > 31 C > 42 C Và dung lượng hấp phụ tăng nhanh mốc nồng độ đầu, sau chững lại bão hịa nồng độ MB 600 mg/L o Sau hình 3.16-3.17-3.18, ta thấy dung lượng hấp phụ bão hòa 10 C loại vật liệu cao, theo thứ tự Fe-Bio > Fe > Biochar (430 > 399 > 324 mg/g) o Đến 31 C, dung lượng hấp phụ giảm nhẹ theo thứ tự Fe-Bio > Biochar > Fe (399 o > 324 > 320 mg/g) Và cuối 42 C, dung lượng hấp phụ giảm theo thứ tự Fe-Bio > Biochar > Fe (373 > 286 > 275 mg/g) Hiệu suất trình hấp phụ loại vật liệu o thông thường theo thứ tự Fe-Bio > Biochar > Fe, nhiên 10 C dung lượng hấp phụ Fe lại vượt trội so với Biochar Việc giảm Qe tăng nhiệt độ cho thấy lực liên kết yếu, liên kết vật lý đóng vai trị quan trọng Ngồi tăng nhiệt độ, lỗ rỗng vật liệu bị nở rộng ra, giải phóng MB bị hấp phụ nên dung lượng hấp phụ bị giảm đi, điều cho thấy ccheespore filling có vai trị q trình hấp phụ 3.4 Đẳng nhiệt hấp phụ động nhiệt học hấp phụ 3.4.1 Đẳng nhiệt hấp phụ 45 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bảng 3.2: Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Langmuir Vật liệu Biochar 283 304 315 Fe 283 304 315 Fe-Bio 283 304 315 Từ bảng trên, ta nhận thấy hệ số tương quan mơ hình Freundlich hầu hết nhỏ mơ hình Langmuir với hệ số tương quan R tối thiểu 0,89 Freundlich 0,93 Langmuir tất nhiệt độ khảo sát, nên mơ hình Langmuir có phù hợp tốt với hấp phụ đẳng nhiệt loại vật liệu MB Khi tăng nhiệt độ từ 283 đến 315 K, Qmax Biochar thay đổi từ 384-370-384 mg/g K L giảm từ 0,014 đến 0,004 L/mg, Qmax Fe giảm từ 476 đến 345 mg/g K L thay đổi khoảng từ 0,0040,007-0,005 L/mg, đặc biệt mẫu vật liệu Fe-Bio có Q max khơng đổi 476 mg/g KL giảm từ 0,014 đến 0,004 L/mg Sự thay đổi khả hấp phụ MB vật liệu 46 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com theo nhiệt độ tính chất bề mặt chất hấp phụ thay đổi hay chất trình hấp phụ thu hay tỏa nhiệt So với kết công bố nghiên cứu khác (trong chương mục 1.1), than sinh học từ tính Fe-Bio có giá trị Qmax cao hẵn 3.4.2 Nhiệt động học hấp phụ Bảng 3.3: Các thông số nhiệt động học hấp phụ Biochar, Fe Fe-Bio Vật liệu Biochar Fe Fe-Bio Từ bảng 3.3 nhận thấy trình hấp phụ MB loại vật liệu trình tự o o diễn (∆G < 0) nhiệt độ khảo sát từ 283-304-315 K Giá trị ∆H < chứng tỏ trình hấp phụ trình tỏa nhiệt loại vật liệu Biochar, Fe Fe-Bio Khi tăng nhiệt độ, dung lượng hấp phụ giảm chứng tỏ trình hấp phụ diễn dựa o vào lực liên kết yếu Giá trị ∆S > chứng tỏ mức độ hỗn độn vật liệu cao, nên tiếp xúc chất hấp phụ chất bị hấp phụ nhiều, chứng tỏ hệ hấp phụ diễn thuận lợi 3.4.3 Động học hấp phụ 47 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bảng 3.4: Các thông số động học Biochar, Fe Fe-Bio Vật Mơ hình động học bậc Vật Mơ hình động học bậc Vật liệu Mơ hình Fe-Bio Biochar Elovich Fe Từ bảng 3.4 cho thấy mơ hình biểu kiến động học bậc có hệ số tin cậy lớn nhiều so với mơ hình bậc Ngồi ra, dung lượng hấp phụ tính tốn theo động học bậc có giá trị gần với thực nghiệm chênh lệch không đáng kể, kết mơ hình động học bậc lại khác lớn Từ cho mơ hình động học biểu kiến bậc hai mơ tả q trình hấp phụ MB phù hợp so với mơ hình biểu kiến bậc Điều cho thấy q trình hấp phụ vừa mang tính chất vật lý vừa mang tính chất hóa học (Ji et al., 2019) Kết tương đồng với kết 48 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com cơng trình nghiên cứu hấp phụ MB tác giả khác (Ji et al., 2019; Hoàng&Lê, 2017) Tuy nhiên, kết bảng 3.4 cho thấy giá trị k số vật liệu Hằng số tốc độ phản ứng k2 Fe-Bio < Biochar < Fe chứng tỏ khả hấp phụ Fe-Bio nhanh Biochar nhanh Fe Điều cho thấy hấp phụ MB vật liệu trình phức tạp chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, đặc biệt cấu trúc vật liệu hấp phụ 49 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com CHƯƠNG: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com CHƯƠNG: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua đề tài “Nghiên cứu khả hấp phụ methylene blue than sinh học từ tính từ đường sucroza” này, chúng tơi điều chế than sinh học từ tính từ đường sucroza thành công khảo sát số tiêu chí q trình hấp phụ Diện tích bề mặt vật 2 liệu 613 m /g, 568 m /g 26 m /g tương ứng với mẫu vật liệu Biochar, Fe-Bio Fe Qua phân tích FTIR vật liệu cho thấy vật liệu Fe-Bio có nhóm chức –OH, C=C C-O đặc trưng than sinh học nhóm chức Fe-O Các mẫu vật liệu o nung 800 C có khả hấp phụ MB tốt nhất, đạt hiệu suất 80% dung lượng hấp phụ cực đại phút đầu vật liệu Fe-Bio Giá trị pH tối ưu trình hấp phụ o MB Dung lượng hấp phụ MB cao 10 C loại vật liệu, tăng nhiệt độ dung lượng hấp phụ giảm Vật liệu than sinh học từ tính có dung lượng hấp phụ tối đa theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir 476,19 mg/g, mẫu vật o liệu nung đến 800 C có từ tính mạnh (chỉ 26 giây hút vật liệu môi o trường nước) Quá trình hấp phụ MB loại vật liệu trình tự diễn biến ( G