Nghiên cứu và chế tạo vật liệu dựa trên cơ sở graphene để khử mặn trong nước biển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Nghiên cứu chế tạo vật liệu dựa sở Graphene để khử mặn nước biển HOÀNG THỊ CHIỆN Chien.HT202631M@sis.hust.edu.vn Chuyên ngành Kỹ thuật hóa học Giảng viên hướng dẫn: TS.Vũ Thị Tần Bộ môn: Viện: Công nghệ chất vơ Kỹ thuật hóa học HÀ NỘI, 07/2022 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Hoàng Thị Chiện Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo vật liệu dựa sở Graphene để khử mặn nước biển Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số SV: 20202631M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 18/07/2022 với nội dung sau: Sửa lại lỗi tả, cú pháp trang 2, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 13, 17, 25, 37, 45 Đã sửa lại hình 1.3, 1.4, 3.6 3.9 Đã đổi lại vị trí mục 1.2 1.3 Đã đánh lại số thứ tự hình vẽ trang 18, 25, 26, 29, 31 Đã trích dẫn lại tài liệu tham khảo Đã rút gọn phần kết luận luận văn Ngày 15 tháng 08 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Lời cảm ơn Trước hết em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới cô TS Vũ Thị Tần, người giao đề tài trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô môn Công nghệ chất vơ cơ, Viện kỹ thuật hóa học Viện Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập nghiên cứu Em xin cảm ơn thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt đóng góp ý kiến để em hồn luận văn Cuối xin cảm ơn gia đình bạn bè ln động viên ủng hộ em Xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Sự bùng nổ dân số năm gần dẫn đến tình trạng khan nước phục vụ cho sinh hoạt sản xuất, đặc biệt vùng ven biển hải đảo Hiện nay, hệ thống khử mặn chủ yếu dựa nguyên lý chưng cất q trình màng (NF, RO); cơng nghệ địi hỏi sở hạ tầng tốt, chi phí đầu tư vận hành cao, khơng thích hợp với điều kiện kinh tế-xã hội vùng ven biển, hải đảo ứng dụng thuyền bè đánh bắt xa bờ Trong bối cảnh này, vật liệu lọc graphene giải pháp đầy hứa hẹn cho trình khử mặn nước biển, nhiên giá thành cao ổn định vật liệu lọc nhược điểm cố hữu Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo màng lọc composite/graphene áp dụng cho trình khử muối nước biển Quảng Ninh, Việt Nam Đầu tiên, quy trình tiền xử lý than chì thơ đề xuất làm sở cho q trình tổng hợp graphen oxit (rGO), sau rGO cố định vật liệu composite để tạo thành màng khung xốp – composite/graphen có kích thước mao quản nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình khử mặn nước biển Các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu SEM, XRD, BET sử dụng để đặc trưng hóa vật liệu tổng hợp Cuối chế tạo thành cơng Graphene có kích thước mao quản nhỏ 1nm xây dựng thành công hệ lọc Graphene-PU với hiệu suất loại bỏ muối khoảng 71,4 mg/g (sau lọc 500 mL dung dịch muối) Kết cao đáng kể so với kết than hoạt tính (2-20 mg/g), màng ống nano carbon (5 mg/g), Graphene oxy hóa 3D (66,3 mg/g) HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Tổng quan trình khử mặn lựa chọn công nghệ 1.1.1 Sự phân bố nguồn nước trái đất cần thiết phải khử mặn nước biển 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.1.2 Tình hình khử mặn nước biển 1.1.3 Thành phần nước biển 1.1.4 Các trình khử mặn 1.1.5 Phương pháp nhiệt 1.1.6 Phương pháp lọc màng 1.1.7 Phân tích lựa chọn cơng nghệ khử muối 13 Vật liệu graphene 15 1.2.1 Giới thiệu vật liệu graphene 15 1.2.2 Cơ sở lý thuyết trình khử mặn graphene 17 1.2.3 Các phương pháp tổng hợp graphene 20 Vật liệu than chì xốp Expanded Graphite (EG) 24 1.3.1 Cấu trúc tính chất 24 1.3.2 Phương pháp tổng hợp 25 Vật liệu graphen oxit (GO) 26 1.4.1 Cấu trúc tính chất GO 26 1.4.2 Phương pháp tổng hợp GO 27 Vật liệu graphen oxit dạng khử rGO 29 1.5.1 Cấu trúc tính chất rGO 29 1.5.2 Các phương pháp tổng hợp rGO 29 Vật liệu PU (bọt xốp Polyurethane) 31 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ MẶN BẰNG MÀNG LỌC DỰA TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE 33 2.1 Mục đích nghiên cứu 33 2.2 Đối tượng nghiên cứu 33 2.3 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 33 2.3.1 Hóa chất 33 2.3.2 Dụng cụ thiết bị 34 2.4 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 34 2.5 Phương pháp chế tạo vật liệu lọc dựa sở graphen 34 2.6 2.5.1 Phương pháp chế tạo EG từ graphite 34 2.5.2 Phương pháp chế tạo GO 35 2.5.3 Phương pháp chế tạo rGO 36 2.5.4 Phương pháp chế tạo vật liệu lọc composite PU –rGO 36 Sơ đồ hệ lọc muối 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 3.2 Kết chế tạo graphite xốp EG 41 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng lượng axit H2SO4 41 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng lượng (NH4)2S2O4 41 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt graphit 42 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian sốc nhiệt lị vi sóng đến KV 43 3.1.5 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ sốc nhiệt lò nung đến KV 45 Kết khử muối 46 3.2.1 Kết khử muối EG 46 3.2.2 Kết khử muối rGO 47 3.2.3 Kết khử muối EG rGO 49 3.2.4 Kết khử muối hệ PU rGO 50 3.2.5 Kết phân tích vật liệu trước sau khử muối 55 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ED MEE MSF MF UF NF RO Electro Dialysis - Điện thẩm tích Multiple Effect Evaporation – Bay đa bậc Multiple Stage Flash – Bay nhanh nhiều bậc Microfiltration – Vi lọc Utrafiltration – Siêu lọc Nanofiltration - Lọc nano Reverse Osmosis – Thẩm thấu ngược EG Expanded Graphite GO rGO PU Graphen oxit Reduced Graphene Oxide – Graphen dạng khử Polyurethane DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu đồ phân bố nước trái đất Hình 1.2 Thành phần nước biển Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý khử muối Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống khử mặn MSF Hình 1.5 Sơ đồ nguyên tắc khử mặn MED Hình 1.6 Sơ đồ trình điện thẩm tách 10 Hình 1.7 Qúa trình thẩm thấu ngược 12 Hình 1.8 Cơ chế lọc muối màng RO 12 Hình 1.9 Dạng 3D graphen mạng lưới graphit 16 Hình 1.10 Nguyên lý khử mặn màng Graphene 17 Hình 1.11 Nguyên lý giữ muối màng 2D Graphene 18 Hình 1.12 Phương pháp tách lớp graphene băng dính 20 Hình 1.13 Sơ đồ mơ tả q trình tách hóa học graphit thành graphen 21 Hình 1.14 Tổng hợp graphen phân tách pha lỏng LPE 23 Hình 1.15 Sự hình thành lớp màng graphen bề mặt đế Ni 24 Hình 1.16 Hình ảnh than chì xốp Expanded Graphite 25 Hình 1.17 Chế tạo EG phương pháp xen chèn H2SO4/HNO3 [12] 26 Hình 1.18 Chế tạo EG phương pháp sốc nhiệt [13] 26 Hình 1.19 Cấu trúc GO 27 Hình 1.20 Qúa trình khử GO thành rGO 29 Hình 1.21 Phản ứng nhóm chức GO với Axit ascobic 31 Hình 1.22 Phản ứng hình thành PU 32 Hình 2.1 PU làm sấy 37 Hình 2.2 Nhúng PU vào dung dịch GO 37 Hình 2.3 Mặt cắt ngang PU ngâm nồng độ GO khác 38 Hình 2.4 PU trước sau nhúng GO 39 Hình 2.5 Khử hệ PU – GO tác nhân axit ascorbic 39 Hình 2.6 Sơ đồ hệ lọc muối 40 Hình 3.1 Ảnh hưởng lượng axit H2SO4 đến Kv 41 Hình 3.2 Ảnh hưởng lượng (NH4)2S2O8 đến Kv 42 Hình 3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt graphite đến Kv 43 Hình 3.4 Ảnh hưởng thời gian sốc nhiệt đến Kv 44 Hình 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ lò nung đến Kv 45 Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện nước muối sau lọc EG 47 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện nước muối sau lọc rGO 48 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện nước muối sau lọc EG+rGO 50 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện nước muối sau lọc PU-rGO 51 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện nước muối sau lọc PU-rGO với khối lượng rGO=5g 52 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện nước khử ion sau tái sinh PU-rGO 53 Hình 3.12 Ảnh SEM bề mặt vật liệu sau lọc muối 53 Hình 3.13 Ảnh SEM với độ phóng đại 10.000 lần mẫu EG chế tạo graphit kích thước khác 55 Hình 3.14 XRD graphite mẫu Graphite giãn nở 56 Hình 3.15 phổ Raman mẫu Graphite, mẫu Graphite giãn nở có kích thước khác 57 Hình 3.16 Ảnh SEM GO ( hình a, b); Ảnh SEM rGO ( hình c,d) 58 Hình 3.17 Ảnh SEM Rgo trước ngâm tẩm PU 58 Hình 3.18 Hình ảnh TEM mẫu rGO 59 Hình 3.19 Ảnh phân tích XRD Rgo GO 60 Hình 3.20 Ảnh phân tích Raman GO hệ rGO 61 Hình 3.21 Hình ảnh đo BET vật liệu 61 Hình 3.22 Hình ảnh đo kích thước mao quản BET 62 Hình 3.23 Ảnh phân tích SEM hệ PU-RGO 62 Hình 3.24 Kết phân tích XRD PU- rGO 63 Hình 3.25 Kết phân tích EDX PU- rGO 63 Hình 3.26 Diện tích bề mặt riêng (chấm đỏ), PVA-rGO (ô vuông) 64 Hình 3.27: Kích thước mao quản rGO (chấm đỏ), PU-rGO (ô vuông) 65 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Điều kiện làm việc công suất lọc nước công nghệ nhiệt màng[13] 14 Đặc tính PU: 32 Bảng 2.1 Danh mục nguyên vật liệu sử dụng luận văn 33 Bảng 2.2 Khảo sát thời gian nhúng PU GO 37 Bảng 2.3 Khảo sát nồng độ GO 38 Bảng 2.4 Khảo sát tác nhân khuấy 38 Bảng 2.5 Khảo sát số lần nhúng 38 Bảng 3.1 Khảo sát ảnh hưởng lượng axit H2SO4 đến Kv 41 Bảng 3.2 Khảo sát ảnh hưởng lượng (NH4)2S2O8 đến Kv 42 Bảng 3.3 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt graphite đến Kv 43 Bảng 3.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian sốc nhiệt đến Kv 44 44 Bảng 3.5 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lò nung đến Kv 45 Bảng 3.6 Kết khử muối EG 46 Bảng 3.7 Kết khử muối rGO 48 Bảng 3.8 Kết khử muối hệ EG rGO 49 Bảng 3.9 Kết khử muối hệ PU-rGO 50 Bảng 3.10: Diện tích bề mặt riêng cụ thể vật liệu 57 CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Tổng quan trình khử mặn lựa chọn công nghệ 1.1.1 Sự phân bố nguồn nước trái đất cần thiết phải khử mặn nước biển Khoảng 71% bề mặt trái đất bao phủ nước, nước tài nguyên khan Tuy nhiên, tổng lượng nước giới (bao phủ 71% bề mặt trái đất), có 3% nước mà người sử dụng [1] Hình 1.1 Biểu đồ phân bố nước trái đất Hiện vấn đề gia tăng dân số, ô nhiễm mơi trường, biến đổi khí hậu,… khiến cho nguồn nước sử dụng khan trầm trọng Theo Liên hợp quốc Y tế giới khoảng 0,7-1,2 tỷ người khơng có nước sử dụng [10] Với tình trạng biến đổi khí hậu nay, người ta ước tính vào năm 2030, khoảng nửa dân số giới sống tình trạng thiếu nước [10] Ngân hàng giới cho rằng, tương lai khơng xa, nước yếu tố gây ổn định trị, xung đột vũ trang hay giảm tăng trưởng kinh tế, nghèo đói, bệnh tật Để đảm bảo khả cung cấp nước tương lai, bao gồm việc bảo vệ nguồn nước tự nhiên sẵn có Hai cách khả thi để làm tăng khối lượng tài nguyên nước khử mặn nước tái sử dụng nước Nước biển nguồn nước dường không giới hạn, sử dụng mà khơng làm suy giảm hệ sinh thái nước tự nhiên Kỹ thuật khử muối cung cấp nước nơi có nguồn nước mặn lợ Bằng cách chuyển đổi một phần nhỏ nguồn nước mặn thành nước ngọt, đóng góp đáng kể vào việc giải vấn đề khan nước Do trình khử muối coi cách tốt để chống lại giảm thiểu tình trạng khan nước Về mặt địa lý Việt Nam có ba mặt giáp biển Đông Nam giáp biển Đông (thuộc Thái Bình Dương) với bờ biển kéo dài khoảng 3.260 km, kể từ Móng Cái phía bắc đến Hà Tiên phía tây Nam, với hệ thống đảo ven bờ gồm có 2.773 Hình 3.12 cho thấy phân tích kích thước vi mơ màng Graphene PU sau lọc dung dịch NaCl 0,6 M Có thể thấy tinh thể muối xen kẽ bề mặt Graphene Chúng ta biết NaCl dễ tan nước nên khơng có hạt lơ lửng dung dịch Các hạt tìm thấy bề mặt Graphene tinh thể NaCl hình thành trình lọc Các tinh thể NaCl siêu nhỏ phát triển từ vị trí tạo mầm khơng có kế hoạch Hình 3.12 cho thấy nhiều hạt NaCl nhỏ bề mặt màng Graphene-PU Chúng xác định cách lập đồ phân tích màng sử dụng sau trình lọc (Hình 12 c, e) Hình 12 b 12 d xác định phân bố carbon oxy màng 54 3.2.5 Kết phân tích vật liệu trước sau khử muối Kết phân tích EG Kết đo SEM EG chế tạo được: Hình 3.13 Ảnh SEM với độ phóng đại 10.000 lần mẫu EG chế tạo graphit kích thước khác Hình 3.13 cho thấy hình thái Graphite tự nhiên thể bề mặt phẳng với cấu trúc tinh thể nhiều lớp Sau trình này, cấu trúc lớp xen kẽ mảnh Graphite tự nhiên mở rộng với mức độ giãn nở khác nhau, tìm thấy Hình 3.13 (b – d) EG-75 thể khoảng cách nhỏ hai lớp Graphite Trong đó, EG-315 cho thấy khoảng cách lớn hai lớp Graphene Nói chung, nhiều lớp đóng gói cấu trúc nếp nhăn, rãnh xuất bề mặt EG-125 EG-315 Ngồi ra, ba mẫu EG tìm thấy ảnh với cấu trúc xốp bên trong, giống hình worm tạo điều kiện thuận lợi cho việc khử mặn 55 200000 (002) I ntensity (a.u.) 150000 Graphite 100000 50000 EG-75 EG-125 EG-315 25 26 27 28 2θ Hình 3.14 XRD graphite mẫu Graphite giãn nở Hình 3.14 cho thấy mẫu XRD NG với kích thước 315Pm (NG-315), EG-75; EG-125; EG-315 mẫu Đỉnh nhiễu xạ A (002) quan sát rõ ràng tất mẫu XRD Mẫu (002) XRD graphit tự nhiên cho thấy phản xạ theo hướng vng góc (trục c) mặt phẳng lục giác graphite Tuy nhiên, tín hiệu nhiễu xạ (002) ba EG yếu nhiều so với tín hiệu NG ban đầu Kết cho thấy rối loạn vị trí tất EG q trình bong tróc lớp than chì EG thay đổi cấu trúc hoàn toàn so với Graphite ban đầu Phổ Raman NG-315, EG-75; EG-125; EG-315 thể Hình 3.15 So sánh, đỉnh D ba mẫu EG trở nên rõ ràng chút Và tỷ lệ ID / IG tính tốn 0, 0,42; 0,50; 0,65 tương ứng với NG, EG-75; EG-125; EG-315, tương ứng Tỷ lệ ID / IG> cho thấy thay đổi cấu trúc vật liệu Trong tác phẩm này, EG-315 có đỉnh ID / IG cao nhất, thay đổi cấu trúc vật liệu sau trình giãn nở Do đó, kết cho thấy EG-315 giãn nở so với hạt Graphite có kích thước nhỏ 56 G D EG-315 I ntensity, a.u I D/I G= 0.65 EG-125 I D/I G= 0.50 EG-75 I D/I G= 0.42 Graphite I D/I G= 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Raman shift, cm-1 Hình 3.15 phổ Raman mẫu Graphite, mẫu Graphite giãn nở có kích thước khác Bảng thể diện tích bề mặt riêng NG, EG-75; EG-125; EG-315 mẫu Kết cho thấy EG-315 cho thấy diện tích bề mặt riêng cao Kết giải thích mức độ mở rộng mẫu Tất kết mơ tả đặc tính chứng minh mức độ mở rộng EG phụ thuộc vào kích thước bên graphit Đây nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ mức độ mở rộng EG kích thước bên than chì Theo ý kiến em, H2SO4 khó xâm nhập vào vảy graphit kích thước mặt bên nhỏ Điều làm cho mức độ giãn nở thấp so với kích thước bên lớn Bảng 3.10: Diện tích bề mặt riêng cụ thể vật liệu Sample Specific surface area, m2/g NG-315 5.21 EG-75 8.31 EG-125 18.03 EG-315 20.04 Phân tích vật liệu rGO Phân tích SEM Phân tích SEM sử dụng rộng rãi để khảo sát hình thái vật liệu kích thước nano Hình 3.16 cho thấy phân tích SEM có độ phân giải cao đại diện vảy GO tổng hợp (Hình 3.16a Hình 3.16b) rGO (Hình 3.16c Hình 3.16d) 57 Lớp GO có cấu trúc phẳng với hình thái suốt trước chuyển đổi thành cấu trúc rGO a b 10 μm 30 μm c d 100 μm 50 μm Hình 3.16 Ảnh SEM GO ( hình a, b); Ảnh SEM rGO ( hình c,d) Việc khử GO thành cơng cách sử dụng ascorbic acid kiểm tra hình thái bề mặt vật liệu thu Hình ?? c ???d cho thấy khép lại cấu trúc 3D dạng vảy Graphene, cuộn tròn tạo hệ lỗ xốp Việc tạo nếp nhăn 3D rGO cho thấy GO khử hoàn toàn ascorbic acid, tạo thành cấu trúc 3D xốp, tạo khả giữ muối tốt Phân tích TEM Phân tích TEM cơng cụ để kiểm tra cấu trúc hình thái vật liệu Hình 3.17 trình bày hình ảnh TEM GO tổng hợp Hình 3.17 Ảnh SEM Rgo trước ngâm tẩm PU Ở độ phóng đại độ phân giải thấp, GO hiển thị cấu trúc 2D phẳng với kích thước mảng khoảng 10 μm (Hình 3.17a) Hình ảnh TEM có độ phân giải cao Hình 3.17 b, 3.17 c cho thấy GO hiển thị cấu trúc lớp phẳng, suốt Trong đó, hình ảnh TEM có độ phân giải thấp rGO cho thấy hình thái nhăn nheo với cấu trúc 3D (Hình 3.17 a) Ở độ phân giải cao hơn, vật liệu có cấu trúc gấp nếp, đặc tính suốt lớp Graphene trì (Hình 3.17b) Ngồi ra, dễ dàng quan sát kích thước lỗ nano bề mặt Graphene hình ảnh TEM có độ phân giải cao (Hình 3.18c) Các mao quản kích thước 58 nano hình thành trình khử GO axit ascorbic Ở độ phóng đại thấp, ta thấy rGO có cấu trúc 3D, phù hơp cho việc đính lên bọt biển Ngồi độ phóng đại cao cho thấy vật liệu có lỗ mao quản nhỏ nm phù hợp cho việc giữ ion nước biển Hình 3.18 Hình ảnh TEM mẫu rGO Phân tích XRD Phổ XRD điển hình GO rGO đo từ 5º đến 70º Hình 3.19 cho thấy XRD GO 2T = 9,76º, tương ứng với đỉnh nhiễu xạ (001), cho thấy khoảng cách lớp GO 0,85 nm Đồng thời, sau q trình khử với có mặt ascorbic acid, đỉnh 9,76º hoàn toàn biến mất, đỉnh khác xuất 2T = 23,36º, tương ứng với (002) đỉnh nhiễu xạ vật liệu dựa Graphene Đỉnh rộng 23,36º rGO, cho biết xếp lại trật tự phạm vi ngắn hai lớp Graphene khoảng cách chúng 0,38nm Kết chứng minh GO bị giảm hồn tồn q trình xử lý thủy nhiệt 59 Hình 3.19 Ảnh phân tích XRD Rgo GO Kết phân tích XRD vật liệu GO rGO cho thấy trình khử vật liệu GO ascorbic acid hồn tồn Phân tích Raman Để xác định đặc tính vật liệu dựa Graphene, quang phổ Raman công cụ cần thiết để xác định hình thành khuyết điểm (defect) vật liệu Hình 3.20 miêu tả phổ Raman vật liệu GO rGO D G Raman intensity, (a.u.) PU-rGO ID/IG= 1.11 GO ID/IG= 0.87 800 1300 1800 2300 Raman shift, cm-1 2800 3300 60 Hình 3.20 Ảnh phân tích Raman GO hệ rGO Có thể thấy đỉnh G 1621 cm-1 có liên quan đến lai hóa cacbon sp2 Đỉnh D 1352 cm-1 có liên quan đến lai hóa cacbon sp3 khuyết tật graphene Tỷ lệ cường độ ID / IG so sánh điển hình để đánh giá mức độ khử GO Trong Hình 3.20, tỷ lệ ID / IG rGO 1,11; đó, tỷ lệ ID / IG GO 0,87 Kết chứng minh GO bị khử hồn tồn q trình xử lý thủy nhiệt với ascorbic axit Kết Raman hoàn toàn phù hợp với kết XRD, SEM, TEM Hơn nữa, tỷ lệ ID / IG sử dụng để nghiên cứu khuyết điểm dạng đốm rGO, hoạt động giống lỗ nano cho mục đích khử muối Phân tích BET Đường đẳng nhiệt hấp thụ / nhả hấp thụ N2 hai mẫu GO rGO trình bày Hình 3.21 Ta thấy đường đẳng nhiệt hai vật liệu khác kết cấu cụ thể chúng Theo quy định phân loại IUPAC, đường đẳng nhiệt GO tương ứng với hệ H3, liên kết với lỗ rỗng mesoporous Ngồi ra, đẳng nhiệt rGO có liên quan đến hệ H4, thể cấu trúc với lỗ nanoporous Hình 3.21 Hình ảnh đo BET vật liệu Hệ PU-rGO có kích thước mao quản tiêu biểu 1.1 nm 4.95 nm Kích thước mao quản 1.1 nm phù hợp với ứng dụng lọc muối, giữ ion muối Kết đo kích thước mao quản BET phù hợp với kết phân tích TEM phía 61 dV/dlog(D), cm3 ·g-1 3,00 PU-rGO 2,00 1.1 nm 1,00 4.95 nm 0,00 10 Pore size (D), nm 100 Hình 3.22 Hình ảnh đo kích thước mao quản BET Phân tích vật liệu PU-rGO Phân tích SEM hệ PU- RGO Hình 3.23 Ảnh phân tích SEM hệ PU-RGO Hình 3.23 miêu tả hình thái cuả hệ PU- RGO sau sấy khô RGO lấp trống mao mạch PU Điều làm cho khả lọc muối tốt nhiều Hơn nữa, cấu trúc lỗ xốp dễ nước chảy qua cách nhanh Phân tích XRD hệ PU- RGO 62 Hình 3.24 Kết phân tích XRD PU- rGO Hình 3.24 Miêu tả kết phân tích XRD mẫu mẫu rGO Từ kết XRD, ta thấy phổ Graphene nằm vị trí 26,4T phù hợp với vị trí lý thuyết Graphene Như Graphene mẫu rGO khử hoàn toàn oxy từ Graphene Oxide Hơn nữa, q trình khử, nhóm chức chứa oxy bị đi, để lại lỗ trống trền bề mặt Graphene, giúp cho vật liệu có nhiều mao quản Việc thuận lợi cho việc sử dụng vật liệu để lọc nước biển Do PU hợp chất hữu cơ, nên khơng cho kết phân tích phổ XRD Kết phân tích EDX PU- rGO Hình 3.25 Kết phân tích EDX PU- rGO 63 Hình 3.25 cho biết kết EDX GO, ta thấy hàm lượng C có vật liệu chiếm 82,91% khối lượng khoảng 87,86% số nguyên tử, hàm lượng O chiếm 13,67% khối lượng khoảng 10,88% số nguyên tử Tỷ lệ số nguyên tử C/O 87,86/ 10,88 Tỷ lệ C nhiều hẳn so với O cho thấy trình khử diễn tốt Ngồi thành phần rGO số nguyên tố chưa loại bỏ hết Kết phân tích diện tích bề mặt riêng BET PU- rGO rGO Hình 3.26 biểu diễn kết phân tích diện tích bề mặt riêng BET PU-rGO rGO Vật liệu rGO có diện tích bề mặt riêng 156 m2/g cịn PU-rGO có diện tích bề mặt riêng 36 m2/g Như việc kết hợp PU với rGO làm giảm Adsorbed volume, cm STP·g-1 diện tích bề mặt riêng rGO 0,2 0,4 0,6 Relative pressure (p/po) 0,8 Hình 3.26 Diện tích bề mặt riêng (chấm đỏ), PVA-rGO (ơ vng) Hình 3.26 biểu diễn kết phân tích kích thước mao quản PU-rGO rGO Vật liệu rGO có kích thước mao quản 37 mm, cịn PVA-rGO có kích thước mao quản khơng xác định 64 dV/dlog(D), cm3·g-1 0,30 0,20 0,10 0,00 30 300 -0,10 dV/dlog(D), cm3·g-1 Pore size (D), nm 0,30 0,20 0,10 0,00 30 Pore size (D), nm 300 Hình 3.27: Kích thước mao quản rGO (chấm đỏ), PU-rGO (ơ vng) 65 KẾT LUẬN Những kết luận văn: Đã chế tạo thành công vật liệu Graphene oxide nhiệt độ thường Graphene Oxide chế tạo thành công từ Graphite xốp, rút ngắn thời gian oxy hoá, giảm thiểu lượng chất oxy hoá dùng để chế tạo Graphene Oxide từ Graphite xốp Chế tạo thành cơng Graphene có kích thước mao quản nhỏ 1nm Xây dựng thành công hệ lọc Graphene-PU để hiệu lọc nước biển tốt Đã chế tạo màng Graphene -PU với hiệu suất loại bỏ muối khoảng 71,4 mg/g (sau lọc 500 mL dung dịch muối) Kết cao đáng kể so với kết than hoạt tính (2-20 m/g), màng ống nano carbon (5 mg/g), Graphene oxy hóa 3D (66,3 mg/g) 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Ngọc Minh (2014) Vật liệu cacbon cấu trúc nano ứng dụng tiềm năng, Hà Nội, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ [2] Nguyễn Thị Hằng (2019) Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất Graphene oxit biến tính, Luận văn thạc sĩ Hóa học, Thái Nguyên [3] Hà Quang Ánh (2016) Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng vật liệu cấu trúc nano sở Graphene ứng dụng xử lí mơi trường, Luận án tiến sĩ hóa học, Hà Nội [4] Trần Thị Vân Anh (2019) Nghiên cứu trình khử mặn công nghệ thẩm thấu ngược RO phục vụ cấp nước vùng duyên hải hải đảo, Luận văn thạc sĩ môi trường, Hà Nội [5] Nguyễn Văn Trọng (2017) Nghiên cứu tổng hợp tính chất xúc tác quang vật liệu TiO2/Graphen oxit biến tính, Luận văn thạc sĩ hóa học, Bình Định [6] S Stankovich, D A Dikin, G H B Dommett (2016) Graphene-based composite materials, Nature, vol 442, no 7100, pp 282–286 [7] C N R Rao, K Biswas, K S Subrahmanyam, and A Govindaraj (2009) Graphene, the new nanocarbon, Journal of Materials Chemistry, vol 19, no 17, pp 2457–2469 [8] M J Allen, V C Tung, and R B Kaner (2010) Honeycomb carbon: a review of graphene, Chemical Reviews, vol 110, no 1, pp 132–145 [9] S Park and R S Ruoff (2009) Chemical methods for the production of graphenes, Nature Nanotechnology, vol 4, no 4, pp 217–224 [10] Vu T Tan, La The Vinh, Tran Ngoc Khiem, Huynh Dang Chinh (2019) Adsorption capacities of reduced graphene oxide: effect of reductants [11] TS Vu Thi Tan (2019) A method for the manufacture of graphene oxide from kish graphite, International Patent Classification International Bureau [12] TS Vu Thi Tan (2018) A method for the manufacture of reduced graphene oxide from kish graphene, International Patent Classification [13] A K Geim and K S Novoselov (2007) The rise of graphene,” Nature Materials, vol 6, no 3, pp 183–191 [14] Y Wang, Z Shi, Y Huang (2009) Supercapacitor devices based on graphene materials, Journal of Physical Chemistry C, vol 113, no 30, pp 13103–13107 [15] O’Hern, S.C (2008) Nanofiltration across defect-sealed nanoporous monolayer graphene Nano letters, 2015 15(5): p 3254-3260 [16] Y Si and E T Samulski (2008) Synthesis of water soluble graphene, Nano Letters, vol 8, no 6, pp 1679–1682 67 [17] S Stankovich, D A Dikin, G H B Dommett (2006) Graphene-based composite materials, Nature, vol 442, no 7100, pp 282–286 [18] Y Si and E T Samulski (2008) Synthesis of water soluble graphene, Nano Letters, vol 8, no 6, pp 1679–1682 68 ... NGHIỆM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ MẶN BẰNG MÀNG LỌC DỰA TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu khả khử mặn màng lọc dựa sở Graphene để lọc nước biển, nước nhiễm mặn với độ mặn khác Vật. .. hợp với ứng dụng khử mặn cho nước biển Do tính cấp thiết đề tài nghiên cứu chế tạo hệ khung xốp dựa sở vật liệu Graphene để làm tăng tính giữ muối, khử mặn nước biển Vật liệu Graphene với mao... tạo vật liệu Graphene có kích thước lỗ xốp từ 0.5-0.9 nm để tăng khả lọc tách ion muối có nước biển 2.2 Đối tượng nghiên cứu -Vật liệu Graphite -Vật liệu Graphite xốp -Vật liệu Graphene Oxide -Vật