NTTU NCKH 05 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do Hạnh phúc Đơn vị chủ trì Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ GIẢNG VIÊN 2019 2020 Tên đề tài Nghi.
NTTU-NCKH-05 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 - 2020 Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano MgO dịch chiết huỳnh liên ứng dụng xử lý màu hữu số hợp đồng: 2020.01.149/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị cấm Duyên Đơn vị công tác: Viện Kỳ thuật Công nghệ cao NTT- Đại học Nguyền Tất Thành Thời gian thực hiện: tháng TP Hồ Chỉ Minh, ngày thảng năm 2020 MỞ ĐẦU (ABSTRACT) CHƯƠNG TÓNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Vật liệu nano 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại vật liệu nano 1.1.3 Các phương pháp tong họp vật liệu nano 1.2 Magie oxide 1.2.1 Đặc điếm phân tử 1.2.2 ứng dụng vật liệu magie oxide 1.3 Đặc điểm huỳnh liên Tecotna Stan L 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 1.4.1 Ngoài nước 1.4.2 Trong nước CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 10 2.1 Chuẩn bị dịch chiết huỳnh liên 10 2.2 Quy trình tổng họp vật liệu Mgơ NPs tù’ dịch chiết huỳnh liên 10 2.3 Phương pháp đánh giá tính chất vật lý vật liệu 10 2.4 Khảo sát khả hấp phụ màu 10 2.5 Mơ hình hấp phụ 11 2.5.1 Động học hấp phụ 11 1.5.2 Đường đắng nhiệt hấp phụ 11 1.6 Tối ưu bang mơ hình Box-Behnken 12 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 13 3.1 Các tính chất đặc trưng vật liệu Mgơ NPs 13 3.1.1 PhổUV-Vis 13 3.1.2 Phổ hồng ngoại (FT-IR) 14 3.1.3 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 16 3.1.4 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 17 3.1.5 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) tán xạ lượng tia X (EDX) 18 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng lên dung lượng hấp phụ màu 19 3.2.1 Ảnh hưởng pH 19 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ 21 3.2.3 Nồng độ màu ban đầu 21 3.3 Mơ hình hấp phụ 22 3.3.1 Động học hấp phụ 22 3.3.2 Đường đắng nhiệt hấp phụ 23 3.4 Tối ưu mơ hình Box-Behnken 24 3.4.1 Thiết kế Box-Behnken 24 3.4.2 Xử lý thống kê 25 3.4.3 Đồ thị “chuẩn đoán” 27 3.4.4 Đáp ứng bề mặt nhân tố .29 3.4.5 Đánh giá mô hình 30 3.5 Nghiên cứu tái sử dụng so sánh 31 3.5.1 Thí nghiệm tái sử dụng 31 3.5.2 Nghiên cứu so sánh 31 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC 1: DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHƠ VIẾT TẤT STT Tên viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt NPs Nano particles Phân từ nano FT-IR Fourier transformation infrared Pho Hấp thụ Hong Ngoại UV-Vis Ultraviolet-visible spectroscopy Pho hong ngoại khả kiến SEM Scanning electron microscope Kính hiến vi điện tử quét XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X CR Congo red Màu đỏ Congo cv Crystal violet Màu tím tinh thê RSM Response surface methodology Phương pháp đáp ứng bề mặt PHỤ LỤC 2: DANH MỤC CÁC BẢNG BIẾU, sơ ĐỊ, HÌNH ẢNH Bảng 3.1 Thành phần hóa học vật liệu MgO NPs dịch chiết huỳnh liên 15 Bảng 3.2 Thiết kế Box-Behnken mô hình loại bở màu 24 Bảng 3.3 Dừ liệu ANOVA xử lý hai mơ hình hiệu suất loại bỏ màu 26 Bảng 3.4 Đánh giá mơ hình loại bỏ màu hữu 30 Bảng 3.5 So sánh hiệu suất loại bỏ màu giũa vật liệu nano đẫ chọn lọc 26 Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể MgO Hình 1.2 Con đường phân hủy di chuyển chất màu hữu Hình 1.3 Cây huỳnh liên thời gian hoa Hình 1.4 Quy trình tong hợp vật liệu nano MgO từ Calotropis gigantean Hình 3.1 Phổ UV-Vis vật liệu MgO NPs 13 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại vật liệu MgO NPs 14 Hình 3.3 Phổ XRD vật liệu MgO NPs 16 Hình 3.4 Ảnh TEM vật liệu MgO NPs 18 Hình 3.5 Ảnh SEM phân tích EDX vật liệu MgO NPs 19 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH lên dung lượng hấp phụ màu 20 Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian hấp phục lên dung lượng hấp phụmàu 21 Hình 3.8 Ảnh hưởng nồng độ màu ban đầu lên dung lượng hấp phụ màu 22 Hình 3.9 Mơ hình động học hấp phụ .22 Hình 3.10 Mơ hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich 23 Hình 3.11 Đồ thị phân tích dao động phần dư mơ hình hồi quy thựctế 28 Hình 3.12 Đồ thị phân tích dao động phần dư cùa mơ hình hồi quy khả thi 28 Hình 3.13 Đồ thị dự đốn phân tích dao động phần dư .28 Hình 3.14 Đồ thị phân tích dao động phần dư theo lần chạy thí nghiệm .29 Hình 3.15 Đồ thị đáp ứng bề mặt biểu diễn mơ hình loại bỏ màu 30 Hình 3.16 Khảo sát tái sử dụng (N = 3) để loại bỏ màu 31 TÓM TẤT KÉT QUẢ NGHIÊN cứu Sản phẩm thực đạt Sản phẩn đăng ký thuyết minh Báo cáo nộp tạp chí khoa học quốc tế thuộc Báo cáo nộp tạp chí khoa học quốc te thuộc danh mục ISI danh mục ISI Thời gian đăng ký: từ 06/2020 đến 12/2020 Thời gian nộp báo cáo: ngày 04/12/2020 TÓM TẤT KÉT QUẢ ĐÈ TÀI Sản phẩn đăng ký thuyết minh Sản phẩm thực đạt 01 đăng tạp chí ISI 01 tạp chí ISI uy tín Separation Science and Technology (IF 1.7, Ọ2) Vật liệu đạt dung lượng hấp phụ Vật liệu đạt dung lượng hấp phụ số số màu (CR, cv ) đạt 50 mg/g màu (CR, cv ) đạt 50 mg/g Vật liệu MgO NPs đạt tiêu chuẩn có khối Vật liệu MgO NPs đạt tiêu chuẩn có khối lượng 100 mg lượng 100 mg 01 quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu 01 quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ MgO NPs hấp phụ MgO NPs 01 báo cáo đánh giá hiệu khả hấp 01 báo cáo đánh giá hiệu khả hấp phụ vật liệu thu chất màu phụ vật liệu thu chất màu 01 quy trình đánh giá khảo sát động học, 01 quy trình đánh giá khảo sát động học, đẳng nhiệt hấp phụ, chế hấp phụ đẳng nhiệt hấp phụ, chế hấp phụ Thòi gian đăng ký: tò tháng 6/2020 đến tháng 12/2020 Thời gian nộp báo cáo: ngày MỞ ĐẢU (ABSTRACT) Trong thời gian vừa qua, công nghệ nano biết đến ngành khoa học mũi nhọn, phát then nhanh, có quan hệ liên ngành hồ trợ phát trien ngành khoa học khác Cơng nghệ nano có nhiều ứng dụng lĩnh vực điện tử, lượng, y học, mỹ phẩm Đặc biệt ngành công nghệ tạo cách mạng mảng y sinh học, giúp người can thiệp mức nano mét đến quan the [1] Vật liệu nano kim loại thể nhùng tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt vơ quý giá, đặc biệt khả hấp phụ, ứng dụng làm chất khử màu lĩnh vực hố học bảo vệ mơi trường Trong cơng nghiệp phát triển, việc xử lý chất thải công nghiệp bảo vệ môi trường sống yêu cầu cấp thiết chung cần đảm bảo Vật liệu nano kim loại tỏ rõ vượt trội với chất xúc tác, chất hấp phụ nano có khả xử lý chất thải đạt hiệu cao [2], Các hạt nano kim loại vàng, bạc sử dụng sớm có nhiều ứng dụng việc xử lý khử màu Tuy nhiên, với chi phí tổng hợp tốn kém, giá thành cao việc sử dụng nano kim loại quy mô lớn khơng khả thi Trong đó, magie dồi dào, phố biến, rẻ tiền dễ tìm thấy tự nhiên Hơn nữa, với đặc diem có mặt riêng lớn, MgO sử dụng chất xúc tác, chất mang hiệu nhiều phản ứng khác chất hấp phụ tốt đe xử lý chất nhiễm mơi trường Do đó, hạt nano magie oxid nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [3] Cây huỳnh liên Tecoma Stans L., sống lâu năm họ Bignoniaceae Cây có nguồn gốc vùng nhiệt đới Châu Mỳ trồng làm cảnh nhiều quốc gia khắp giới Hầu tất phận sử dụng làm thuốc sử dụng theo y học truyền thống để chữa trị nhùng bệnh khác đau dày, tiếu đường, rắn cắn Những nghiên cứu gần cho thấy huỳnh liên có khả chống oxy hóa, kháng vi sinh vật, kháng ung thư, chống khối ưu, kháng viêm Các hoạt tính sinh học dược lý chứa nhiều hợp chất hừu thuộc nhóm alkaloid, flavonoid, saponin, quinon, tannin irridoid [4] Từ lý trên, tiến hành thực đề tài: “Nghiên cứu tong hợp nano MgO dịch chiết huỳnh liên ứng dụng xử lý màu hữu cơ” CHƯƠNG TÒNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Vật liệu nano ỉ.ỉ.ỉ Khái niệm Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nanomet Đây đối tượng nghiên cứu khoa học nano Tính chất vật liệu nano phụ thuộc vào kích thước chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thước tới hạn nhiều tính chất hóa học vật liệu thơng thường Vật liệu nano có kích thước từ vài nanomet đen vài trăm nanomet tùy thuộc vào phương pháp chế tạo ứng dụng chúng [5] 1.1.2 Phân loại • vật • liệu • nano Phân loại theo hình dáng vật liệu - Vật liệu nano không chiều vật liệu mà ba chiều có kích thước nano, ví dụ đám nano, hạt nano - Vật liệu nano chiều vật liệu chiều tự do, hai chiều có kích thước nano Ví dụ dây nano, ống nano - Vật liệu nano hai chiều vật liệu có hai chiều tự do, chiều có kích thước nano Ví dụ màng mỏng (có chiều dày kích thước nano) - Vật liệu nano composite có phần cùa vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano khơng chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn [6] Phân loại • theo tính chất vật • liệu • Thế khác biệt kích thước nano vật liệu nano kim loại, vật liệu nano bán dần, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học, Ngồi cịn phối hợp hai cách phân loại với nhau, phối họp hai khái niệm nhỏ để tạo khái niệm Ví dụ, đối tượng “hạt nano kim loại”, “hạt” phân loại theo hình dáng, “kim loại” phân loại theo tính chất “vật liệu nano từ tính sinh học” “từ tính” “sinh học” khái niệm phân loại theo tính chất 1.1.3 Các phương pháp tổng họp vật liệu nano Phương pháp từ xuống (top-down): phương pháp tạo vật kiệu nano từ vật liệu khối ban đầu 3.4 Tối ưu mô hình Box-Behnken 3.4.1 Thiết kế Box-Behnken Vật liệu MgO NPs@F cho thấy khả hấp phụ màu CR (73.45-99.09%) tốt màu cv (56.39-93.82%) Chỉ so khác biệt giá trị thực nghiệm dự đoán tương đối thấp Dấu âm dương phương trình bậc hai (3) (4) khuynh hướng tác động cùa yếu tố Trong đó, nồng độ màu (Ci) có tác động nghịch biến, liều lượng MgO NPs@F có tác động đồng biến lên hấp phụ màu CR màu cv Điều có nghĩa hiệu suất hấp phụ cải thiện điều kiện nồng độ ban đầu thấp liều lượng vật liệu cao Ngược lại, pH có the tác động đồng biến, ảnh hưởng hiệu suất hấp phụ màu CR, yếu to có the tác động nghịch biến hiệu suất loại bỏ màu cv Ấ£CT(%) = 98.50-5.84x(C,.) + 5.75x(Do.v) + 1.57x(p//) + 3.16x(C,.)x(Z)o5) , ', , -0.05x(C;)x(pH)+1.01x(Do5)x(p/7)-3.71x(C,.) -6.07x(£>o.v) -5.84x(pH) (3) RECy (%) = 77.44- 6.15 X (q) +11.11X(Dos)-5.65 X(pH) + 3.53X(q)x (Dos) -0.ĩlx(Ci)x(pH)-0A5x(Dos)x(pH)+2Aìx(Ci) -ỉ.2ỉx(Dos) -14.29x(pH) Bảng 3.2 Thiết kế Box-Behnken design dừ liệu thực nghiệm/dự đốn mơ hình loại bỏ màu vật liệu MgO NPs@F Mức STT Ký hiệu Yêu tô -1 +1 Nồng độ ban đẩu Ci (mg/L) 10 15 Lượng chất hấp phụ Dos (g/L) 0.1 0.2 0.3 pH dung dịch pH(~) 11 Yểu tô Hiệu suất loại bỏ màu CR Hiệu suất loại bỏ màu cv Nghiệm Ci Dos pH REíxp ẪEpred Khác biệt REcxp (mg/L) (g/L) (-) (%) (%) (%) 0.1 93.71 91.96 15 0.1 73.45 0.3 15 0.3 5 15 REpred Khác biệt (%) (%) (%) +1.75 78.46 77.19 +1.27 73.97 -0.52 56.39 57.85 -1.46 97.66 97.14 +0.52 93.82 92.36 +1.46 90.05 91.80 -1.75 85.86 87.13 -1.27 0.2 92.72 93.16 -0.44 76.3 76.99 -0.69 0.2 83.42 81.59 +1.83 67.47 65.43 +2.04 thức 24 0.2 11 94.58 96.41 -1.83 64.38 66.42 -2.04 15 0.2 11 85.07 84.63 +0.44 54.08 53.39 +0.69 10 0.1 78.96 80.27 -1.31 55.45 56.03 -0.58 10 10 0.3 89.67 89.75 -0.08 78.38 79.15 -0.77 11 10 0.1 11 81.48 81.40 +0.08 46.39 45.62 +0.77 12 10 0.3 11 96.23 94.92 +1.31 67.53 66.95 +0.58 13 10 0.2 98.86 98.50 +0.36 77.51 77.44 +0.07 14 10 0.2 97.54 98.50 -0.96 78.74 77.44 +1.3 15 10 0.2 99.09 98.50 +0.59 76.06 77.44 -1.38 Ghi chú: Ci (mg/L), Dos (g/L) pH cùa dung dịch ban đầu, luợng chất hấp phụ pH cũa dung dịch màu; /?Ecxp (%) ÁEpred (%) la luợt hiệu suất loại bỏ màu thực nghiệm dự đoán 3.4.2 Xử lý thống kê Đe đánh giá mơ hình đề nghị nào, thống kê phù họp model term giữ vai trị định Tóm tắt mơ hình đề nghị cho thấy phương trình hồi quy bậc hai đa thức bậc hai cho hai mơ hình Những mơ hình hồi quy bậc hai thường mong đợi cho q trình tối ưu Xử lý thống kê mơ hình bậc hai phù họp mơ hình đánh giá chi tiết thơng qua kết ANOVA Cả hai mơ hình loại bỏ màu CR cv đạt tin cậy mức < 0,05, điều xác nhận mơ hình đề nghị có ý nghĩa thống kê điều kiện thí nghiệm bố trí (Bảng 3.3) Bảng ANNOVA ý nghĩa giới hạn mơ hình Model term loại bỏ màu CR Bao gom Cị, Dos, pH, (Ci)x(Dos), (pH)2 ghi nhận có mức ý nghĩa thống kê Đặc biệt, nhân to pH (P = 0.0688 > 0.05) tác động mạnh đến hiệu suất loại bỏ màu CR Ghi nhận phù hợp với kết ảnh hưởng pH lên dung lượng hấp phụ màu mục 3.2.1 Thống kê fitness đem lại số quan trọng đe đánh giá mức độ tương thích hai mơ hình Hệ số xác định R2 tốt, từ 0.9792 đến 0.9908, chứng minh giong kết thực nghiêm kết dự đoán Cùng xu hướng này, R2 dự đoán [(Rpred.)2 = 0.9419- 0.9743] đe đo lường liệu model đề nghị có dự đốn giá trị đáp ứng tốt hay không, phù hợp với giá trị R2 thực nghiệm Do đó, kết model đáp ứng dự đoán tốt kết với sai biệt thấp 25 Bảng 3.3 Dừ liệu ANOVA xử lý hai mơ hình hiệu st loại bỏ màu Sum of Source Mean Degree CR F-value Prob.> F Remarks square squares removal 874.73 97.19 26.20 0.0011 Significant (*) Ci 272.38 272.38 73.41 0.0004 Significant Dos 264.62 264.62 71.32 0.0004 Significant pH 19.81 19.81 5.34 0.0688 (C^(Dos) 40.01 40.01 10.78 0.0219 0.0110 0.0110 0.0030 0.9586 (Dos)*(pH) 4.08 4.08 1.10 0.3423 (Ci)2 50.78 50.78 13.69 0.0140 Significant (Dos)2 136.08 136.08 36.68 0.0018 Significant (pH)2 125.96 125.96 33.95 0.0021 Significant Residuals 18.55 3.71 Lack of Fit 17.15 5.72 8.17 0.1110 Pure Error 1.40 0.6996 Core Total 893.28 14 model Significant Not significant Fitness statistics: Standard deviation (SD = 1.93), mean = 90.17, coefficient of variation (CV = 2.14%), coefficient of determination (R2 = 0.9792), predicted R2 (Rpred2 = 0.9419), adequate precision (AP = 15.5957), (*) significant at < p < 0.05, (**) not significant at p > 0.05 cv removal 2396.56 266.28 60.06 0.0001 Significant (*) Ci 302.09 302.09 68.14 0.0004 Significant Dos 987.90 987.90 222.82