ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRƯƠNG THỊ THUỲ LINH NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU ZIF 67/rGO Chuyên ngành HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số 8440119 TÓM TẮT L[.]
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - TRƯƠNG THỊ THUỲ LINH NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU ZIF-67/rGO Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số: 8440119 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC ĐÀ NẴNG, NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn khoa học: TS Đinh Văn Tạc Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiêp thạc sĩ hóa học Trường Đại học Sư phạm – ĐHĐN vào ngày …tháng … năm 2022 Có thể tìm hiểu thơng tin luận văn tại: - Thư viện Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng - Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nước yếu tố quan trọng nhiều q trình cơng nghiệp Nếu khơng kiểm sốt, nước thải cơng nghiệp nguồn ô nhiễm độc hại Các hợp chất hữu kim loại nặng phát sinh từ q trình cơng nghiệp đại, thải ngồi mơi trường, gây tác động tiêu cực đến sức khoẻ người gây thảm hoạ môi trường Nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng nước thải nghiên cứu áp dụng như: kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ, điện hóa, keo tụ…, đó, hấp phụ phương pháp hiệu kinh tế với thiết kế vận hành đơn giản ZIF-67 thuộc nhóm vật liệu khung hữu - kim loại (MOFs) nhóm vật liệu xốp, dạng tinh thể lai hữu - vô hình thành từ ion kim loại Co2+ 2-methyl-imidazolate để tạo thành cấu trúc mạng không gian chiều xác định ZIF-67 có nhiều ưu điểm diện tích bề mặt riêng lớn, có hệ thống mao quản đồng đều, có nhiều tâm xúc tác hấp phụ bề mặt vật liệu Graphene oxide dạng khử (rGO) sản phẩm thu từ việc khử graphene oxide (GO) hay graphite oxide (GrO) tác nhân khử mạnh hydrazine hay NaBH4, hay phương pháp xử lí nhiệt, quang xúc tác tia UV…rGO nhà khoa học quan tâm nghiên cứu có tính chất đặc biệt độ dẫn điện cao, bề mặt hoạt động lớn, tính chất xúc tác điện hoá đặc biệt Nhằm tăng khả ứng dụng rGO lĩnh vực khác nhau, nhà khoa học thực biến t nh ằng hợp chất vô c ng hữu Trong số vật liệu ZIF-67/rGO nghi n cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực, ao gồm hấp phụ ion kim loại nặng nước với dung lượng hấp phụ cao, tốc độ hấp phụ lớn Với lí trên, tơi định chọn đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ số ion kim loại nặng nước vật liệu ZIF-67/rGO” Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu hấp phụ ZIF-67/rGO - Khảo sát khả hấp phụ ion kim loại nặng (Pb(II); Cu(II)) môi trường nước vật liệu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng - Vật liệu hấp phụ ZIF-67/rGO 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu ZIF-67/rGO; - Xác định đặc trưng hóa lý vật liệu ZIF-67/rGO tổng hợp được; - Nghiên cứu khả hấp phụ Cu(II), Pb(II) môi trường nước vật liệu Phương pháp nghiên cứu 4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Thu thập, tổng hợp tài liệu, tư liệu thông tin liên quan đến đề tài - Tìm hiểu phương pháp thực nghiệm sử dụng trình nghiên cứu - Xử lý thơng tin lý thuyết sử dụng để đưa vấn đề cần thực trình thực nghiệm 3 4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Phương pháp học: khuấy trộn, ly tâm - Các phương pháp phân t ch công cụ: + Phương pháp von-ampe hòa tan (kĩ thuật DPV) xác định nồng độ Cu(II), Pb(II) dung dịch nước; + Phương pháp phổ hồng ngoại IR, XRD, BET Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu ZIF-67/rGO; Xác định đặc trưng hóa lý vật liệu ZIF-67/rGO tổng hợp (XRD, IR, BET); Nghiên cứu khả hấp phụ Cu(II), Pb(II) vật liệu: - thử khả hấp phụ; khảo sát ảnh hưởng pH, thời gian, hàm lượng vật liệu, nồng độ nhiệt độ; giải hấp tái sử dụng vật liệu Ý nghĩa đề tài Đề tài bổ sung thêm tài liệu tham khảo khả hấp phụ ion kim loại nặng nước Cu(II), Pb(II) vật liệu ZIF67/rGO Cấu trúc luận văn Luận văn bố cục sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan tài liệu - Chương 2: Thực nghiệm - Chương 3: Kết thảo luận - Kết luận kiến nghị - Tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan vật liệu khung hữu kim loại 1.2 Vật liệu zeolitic imidazole framework-67 (ZIF-67) 1.2.1 Phương pháp tổng hợp ZIF-67 1.2.2 Các ứng dụng vật liệu ZIF-67 1.3 Giới thiệu graphite, graphite oxit/graphene oxit graphene oxit dạng khử 1.3.1 Graphite 1.3.2 Graphite oxit graphene oxit 1.3.3 Vật liệu graphene oxide dạng khử (rGO) 1.3.4 Vật liệu ZIF-67/rGO 1.4 Giới thiệu ion kim loại nặng Pb(II) Cu(II) 1.4.1 Giới thiệu sơ lược kim loại nặng 1.4.2 Nguồn gốc tác hại nước nhiễm kim loại nặng sức khỏe người 1.4.3 Tình trạng nhiễm nguồn nước kim loại nặng 1.4.4 Giới thiệu ion kim loại nặng Pb(II) 1.4.5 Giới thiệu ion kim loại nặng Cu(II) 1.5 Các phương pháp xử lý ion kim loại nặng nước 1.5.1 Phương pháp kết tủa hoá học 1.5.2 Phương pháp trao đổi ion 1.5.3 Phương pháp điện hoá 1.5.4 Phương pháp sinh học 1.5.5 Phương pháp hấp phụ 1.6 Tổng quan phương pháp hấp thụ 1.6.1 Khái niệm hấp phụ - giải hấp 1.6.2 Hấp phụ môi trường nước CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất dụng cụ 2.1.1 Hoá chất 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 2.2 Tổng hợp vật liệu 2.2.1 Tổng hợp graphit oxide (GrO) graphene oxide (GO) Graphite oxit graphene oxit tổng hợp theo quy trình sau: Làm lạnh hỗn hợp ( vật liệu mang điện tích âm 3.2 Xây dựng đường chuẩn Pb(II) Cu(II) Phương trình đường chuẩn Pb(II) Cu(II) dựa kết hồi quy tuyến tính cực đại dòng đỉnh anot nồng độ ion kim loại: Ipa(μA) = 1,8097CPb(II) (ppm) + 3,6865; R² = 0,9907 Ipa(μA) = 1,6143CCu(II) (ppm) + 1,6725; R² = 0,9979 11 Đối với hai ion kim loại giá trị hệ số tương quan R2 nên sử dụng phương pháp von-ampe hòa tan, kĩ thuật xung vi phân (DPV) để xác định nồng độ P (II) Cu(II) nước 3.3 Thử khả hấp phụ Pb(II) Cu(II) loại vật liệu Vật liệu hấp 100 phụ sau chế tạo 80 hấp phụ Pb(II) 60 Cu(II) nước H (%) đem thử khả Pb(II) Cu(II) 40 Hiệu suất hấp phụ sau 80 phút trình bày Hình 3.5 Kết thăm 20 rGO ZIF-67 ZIF-67/rGO dò cho thấy rGO Hình 3.5 Hiệu suất hấp phụ Pb(II) và ZIF-67 có khả Cu(II) vật liệu khác hấp phụ Pb(II) Cu(II) nước, hiệu suất hấp phụ hai loại vật liệu tương đương Trong đó, hiệu suất hấp phụ ion Cu(II) (H ≈ 60%) lớn ion P (II) (H ≈ 50%) Điều thú vị là, biến tính rGO ZIF-67 làm tăng mạnh khả hấp phụ vật liệu Hiệu suất hấp phụ P (II) tăng gần lần so với vật liệu đơn an đầu: H ≈ 90%, hiệu suất hấp phụ Cu(II) tăng t hơn, khoảng gần 1,4 lần so với vật liệu đơn an đầu: H ≈ 81% Điều hoàn toàn phù hợp với kết đo diện tích bề mặt BET vật liệu, theo ZIF-67/rGO có diện tích bề mặt 1872 m2/g lớn nhiều so với vật liệu đơn rGO (200 m2/g) ZIF-67 (1330 m2/g) Sự gia tăng đáng kể diện tích bề mặt vật liệu ZIF-67/rGO li n quan đến việc tổng hợp 12 ZIF-67 rGO giới hạn phát triển k ch thước hạt tinh thể ZIF-67 3.4 Khảo sát trình hấp phụ Pb(II) Cu(II) 3.2.1 Ảnh hưởng pH Kết khảo 500 sát cho thấy, tăng pH hấp phụ Pb(II) Cu(II) 67/rGO ZIF- 400 q(mg/g) từ đến dung lượng 300 200 tăng 100 nhanh, sau giảm mạnh, đạt giá trị cực đại khoảng pH = 5÷6 Dung lượng hấp phụ cực đại ZIF- Pb(II) Cu(II) pH Hình 3.6 Ảnh hưởng pH môi trường đến dung lượng hấp phụ Pb(II) 67/rGO Pb(II) Cu (II) vật liệu ZIF-67/rGO 448 mg/g (tại pH = 5), Cu(II) 413 mg/g (tại pH = 6) (Hình 3.6) Điều giải thích dựa vào ảnh hưởng pH đến điện tích vật liệu dạng tồn Pb(II) Cu(II) môi trường pH khác Thực vậy, điểm đẳng điện ZIF-67/rGO xác định thực nghiệm pHI = 5, điều có nghĩa mơi trường pH < vật liệu mang điện t ch dương, môi trường pH > vật liệu mang điện tích âm Trong Pb(II) Cu(II) tùy thuộc vào pH mơi trường tồn dạng hạt mang điện t ch dương (P 2+ , Pb(OH)+, Cu2+, Cu(OH)+), trung hịa (Pb(OH)2, Cu(OH)2) hay hạt mang điện tích âm (Pb(OH)3-, Pb(OH)42-, Cu(OH)3-, Cu(OH)42-) Trong môi trường axit mạnh Pb(II) 13 Cu(II) tồn chủ yếu dạng Pb2+ Cu2+, lực đẩy tĩnh điện với vật liệu c ng mang điện t ch dương gây ất lợi cho trình hấp phụ, dung lượng hấp phụ nhỏ Tương tự môi trường pH >7 Pb(II) Cu(II) tồn chủ yếu dạng trung hòa (Pb(OH)2, Cu(OH)2) dạng anion (Pb(OH)3-, Cu(OH)3-) vật liệu mang điện t ch âm, c ng khơng thuận lợi cho q trình hấp phụ Trong mơi trường pH = 5÷6 Pb2+ Cu2+ bị thủy phân phần tạo thành Pb(OH)+ Cu(OH)+, dễ dàng hấp phụ lên bề mặt vật liệu bị deproton hóa mang điện tích âm, dung lượng hấp phụ đạt giá trị lớn pH môi trường chọn cho khảo sát P (II) pH = 5, Cu(II) pH = 3.4.2 Thời gian đạt cân hấp phụ Pb(II) Cu(II) 500 Kết khảo sát cho thấy, phút đến 80 phút, dung lượng hấp phụ Pb(II) Cu(II) vật liệu ZIF-67/rGO tăng nhanh sau thay đổi chậm Quá 400 q(mg/g) khoảng thời gian từ 300 Pb(II) 200 Cu(II) 100 20 40 t (phút) 60 trình hấp phụ Hình 3.7 Sự phụ thuộc dung lượng xác định đạt cân hấp phụ Pb(II) Cu(II) vật liệu sau thời gian 60 phút ZIF-67/rGO vào thời gian 80 (Hình 3.7) Động học trình hấp phụ Pb(II) Cu(II) vật liệu ZIF-67/rGO đánh giá thông qua hai mơ hình động học biểu 14 kiến bậc bậc Để đánh giá mức độ phù hợp mơ hình động học số liệu thực nghiệm, xác định sai số trung bình tương đối: ARE (%) qe,cal qe,exp qe,exp 100% (3.3) Trong đó, qe, cal, qe, exp dung lượng hấp phụ cân theo tính tốn theo thực nghiệm Từ số liệu ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ vật liệu xây dựng đồ thị mô tả động học hấp phụ biểu kiến bậc bậc (Hình 3.8) Cu(II) Pb(II) 0.15 Cu(II) t/qt ln(qe-qt) 0.2 Pb(II) (a) 0.1 (b) 0.05 0 20 40 60 t (phút) 80 20 40 t (phút) 60 80 Hình 3.8 Đồ thị mơ tả động học hấp phụ biểu kiến bậc (a) bậc (b) trình hấp phụ Pb(II) Cu(II) Kết hồi quy tuyến tính phương trình động học: *Đối với Pb(II) + Bậc 1: ln(qe-qt) = 5,4723 – 0,0571.t, R2 = 0,8817 + Bậc 2: t/qt = 0,0182 + 0,00196.t, R2 = 0,9962 *Đối với Cu(II) + Bậc 1: ln(qe-qt) = 4,6577 – 0,0669.t, R2 = 0,8863 + Bậc 2: t/qt = 0,0037 + 0,0022.t, R2 = 0,9998 15 Từ giá trị độ dốc đoạn cắt với trục tung đường tuyến t nh, xác định giá trị k1, k2, qe,cal ARE (Bảng 3.2) Thực nghiệm cho thấy, ion mơ hình động học biểu kiến bậc hai có hệ số tin cậy gần sai số trung bình khơng q lớn Trong mơ hình động học biểu kiến bậc ion có R2