ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPNghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải và ứng dụng xử lý Xanhmetylen trong môi trường nướcXanhmetylen (Methylene Blue) là một phẩm nhuộm mang màu, khó phân hủy, có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người, động vật và gây ô nhiêm đến môi trường. Do đó việc xử lý hấp phụ xanhmetylen ra khỏi nước trước khi thải ra ngoài môi trường là rất cần thiết và thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để xử lý xanhmetylen trong nước thải ví dụ như: phương pháp keo tụ, trao đổi ion, điện phân, tách chiết, quang xúc tác, kết tủa hóa học và hấp phụ. Một trong những hướng đi ưu tiên gần đây rất được quan tâm cả trong và ngoài nước là xử lý hấp phụ thuốc nhuộm sử dụng các vật liệu dựa trên nền cacbon như cacbon nanotube (CNT), than hoạt tính,... đặc biệt là nano graphene.Bên cạnh đó, thế giới đang chứa lượng khổng lồ rác thải nhựa mỗi năm, con người đang lạm dụng quá mức vật dụng bằng nhựa khó phân hủy. Với mục đích có thể tái chế nhựa thải làm nguyên liệu cho ngành khoa học vật liệu năng lượng mới, phương pháp hấp phụ nước thải chứa xanhmetylen sử dụng vật liệu mới có nguồn gốc tái chế rác thải nhựa được quan tâm nghiên cứu bởi nguồn nguyên liệu sẵn có, khả năng tái sử dụng cao, quy trình xử lý đơn giản. Xuất phát từ những lý do trên, đồ án tốt nghiệp này thực hiện nghiên cứu với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải và ứng dụng xử lý Xanhmetylen trong môi trường nước”, dưới sự hướng dẫn của TS. Lã Đức Dương, Viện Hóa học Vật liệu và TS. Nguyễn Thị Hồng Phượng, Viện Kỹ thuật Hóa học. Nhiệm vụ của đồ án là:•Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene terephthalate bằng phương pháp nhiệt kết hợp với xúc tác bentonite và bentonite biến tính.•Ứng dụng Graphene chế tạo được xử lý chất màu Xanhmetylen trong môi trường nước.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải ứng dụng xử lý Xanhmetylen môi trường nước Ngành kỹ thuật hóa học Chun ngành Cơng nghệ chất vô Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Hồng Phượng Bộ môn: Viện: Công nghệ chất vơ Kỹ thuật hóa học Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 7/2021 TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Viện Kỹ thuật Hóa học o0o - Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o - NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: Điện thoại liên lạc: Lớp: KTHH06 – K61 Hệ đào tạo: Đại học quy Đồ án tốt nghiệp thực tại: Phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ chất Vơ cơ, Viện Kỹ thuật Hóa Học, Đại học Bách Khoa Hà Nội Mục đích nội dung ĐATN: Chế tạo vật liệu graphene từ nhựa thải khảo sát khả hấp phụ xanhmetylen môi trường nước graphene chế tạo Các nhiệm vụ cụ thể ĐATN: Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene terephthalate phương pháp nhiệt kết hợp với xúc tác bentonite bentonite biến tính Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ, pH, nồng độ dung dịch xanhmetylen đến hiệu hấp phụ graphene Lời cam đoan sinh viên: Tôi – Nguyễn Thị Dung - cam kết ĐATN cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Phượng Các kết nêu ĐATN trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 23 tháng năm 2021 Tác giả ĐATN Nguyễn Thị Dung Thời gian làm ĐATN: Từ tháng 3/2021 đến tháng 7/2021 Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Trưởng môn PGS.TS La Thế Vinh Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Phượng Lời cảm ơn Trong thời gian hồn thành khóa luận tốt nghiệp này, em nhận hỗ trợ giúp đỡ nhiều quan tổ chức cá nhân Trước hết em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa Hà Nội nói chung, thầy Bộ môn Công nghệ chất vô - Viện Kỹ thuật Hóa học nói riêng dạy cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Hồng Phượng, Viện Kỹ thuật Hóa học, TS Lã Đức Dương, Viện Hóa học - Vật liệu, quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành đề tài thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, động viên em suốt trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu thân cịn hạn chế, nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, giáo, bạn lớp người quan tâm đến vấn đề trình bày để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung đồ án Xanhmetylen (Methylene Blue) phẩm nhuộm mang màu, khó phân hủy, có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người, động vật gây nhiêm đến mơi trường Do việc xử lý hấp phụ xanhmetylen khỏi nước trước thải ngồi mơi trường cần thiết thu hút quan tâm nghiên cứu nhà khoa học ngồi nước Có nhiều phương pháp sử dụng để xử lý xanhmetylen nước thải ví dụ như: phương pháp keo tụ, trao đổi ion, điện phân, tách chiết, quang xúc tác, kết tủa hóa học hấp phụ Một hướng ưu tiên gần quan tâm nước xử lý hấp phụ thuốc nhuộm sử dụng vật liệu dựa cacbon cacbon nanotube (CNT), than hoạt tính, đặc biệt nano graphene Bên cạnh đó, giới chứa lượng khổng lồ rác thải nhựa năm, người lạm dụng mức vật dụng nhựa khó phân hủy Với mục đích tái chế nhựa thải làm nguyên liệu cho ngành khoa học vật liệu lượng mới, phương pháp hấp phụ nước thải chứa xanhmetylen sử dụng vật liệu có nguồn gốc tái chế rác thải nhựa quan tâm nghiên cứu nguồn nguyên liệu sẵn có, khả tái sử dụng cao, quy trình xử lý đơn giản Xuất phát từ lý trên, đồ án tốt nghiệp thực nghiên cứu với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải ứng dụng xử lý Xanhmetylen môi trường nước”, hướng dẫn TS Lã Đức Dương, Viện Hóa học - Vật liệu TS Nguyễn Thị Hồng Phượng, Viện Kỹ thuật Hóa học Nhiệm vụ đồ án là: Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene terephthalate phương pháp nhiệt kết hợp với xúc tác bentonite bentonite biến tính Ứng dụng Graphene chế tạo xử lý chất màu Xanhmetylen môi trường nước Hà Nội, tháng 07 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Thị Dung MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Xanhmetylen (MB) 1.1.1 Đặc điểm MB 1.1.2 Ứng dụng MB .2 1.1.3 Ảnh hưởng MB tới môi trường sinh thái .3 1.2 Nhựa Polyethylene Terephthalate (PET) 1.2.1 Đặc điểm PET .3 1.2.2 Ảnh hưởng nhựa thải PET tới môi trường 1.3 Graphene 1.3.1 Đặc điểm Graphene .7 1.3.2 Các phương pháp tổng hợp Graphene .8 1.3.3 Một số nghiên cứu chế tạo graphene từ nguyên liệu nhựa thải 11 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 13 2.1 Nguyên liệu, hóa chất thiết bị nghiên cứu 13 2.1.1 Nguyên liệu .13 2.1.2 Hóa chất sử dụng nghiên cứu 13 2.1.3 Thiết bị, dụng cụ sử dụng nghiên cứu 14 2.2 Quy trình thực chế tạo graphen .14 2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá tính chất đặc trưng vật liệu 15 2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .15 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 16 2.3.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis máy phổ quang khả kiến (UV – Vis) 17 2.3.4 Phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR 18 2.4 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới khả hấp phụ dung dịch MB VL 19 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian 19 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng pH .20 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ .20 2.4.4 Xây dựng đẳng nhiệt hấp phụ 21 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 Kết phân tích cấu trúc vật liệu graphene 24 3.1.1 Kết mẫu VL chụp kính hiển vi điện tử quét SEM 24 3.1.2 Kết nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu VL 26 3.1.3 Kết mẫu VL phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR 27 3.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ MB VL .29 3.2.1 Kết khảo sát bước sóng MB đạt hấp thụ cực đại 29 3.2.2 Xây dựng đường chuẩn MB 29 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ 30 3.2.4 Ảnh hưởng pH dung dịch MB 32 3.2.5 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch MB 33 KẾT LUẬN .37 YÊU CẦU VÀ KIẾN NGHỊ .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Bảng số liệu xây dựng đường chuẩn dung dịch MB 29 Bảng 3.2: Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ MB VL1 31 Bảng 3.3: Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ MB VL2 31 Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ MB VL3 31 Bảng 3.5: Ảnh hưởng pH dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ VL 32 Bảng 3.6: Ảnh hưởng nồng độ ban đầu dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ VL1 34 Bảng 3.7: Ảnh hưởng nồng độ ban đầu dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ VL2 34 Bảng 3.8: Ảnh hưởng nồng độ ban đầu dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ VL3 34 Bảng 3.9: Các thông số đẳng nhiệt Langmuir Freundlich hấp thụ MB mẫu vật liệu graphene .36 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Số thứ tự Từ viết tắt MB VL PET UV - Vis FTIR 10 11 12 13 14 15 SEM XRD GO EPA FAO MMT PPM CNT s p DANH MỤC HÌN Từ đầy đủ Xanhmetylen Vật liệu Nhựa Polyethylene Terephthalate Ultraviolet Visible Spectroscopy (Quang phổ tử ngoại) Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourie) Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) X - ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) Graphen oxit Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ Tổ chức Lương Nơng Liên Hiệp Quốc Khống vật Montmorillonite biến tính Part per million (mg/l) Carbon Nanotube (ống nano cacbon) giây phút Hình 1.0.1: Cơng thức cấu tạo MB .1 Hình 1.0.2: MB dạng (a) tinh thể, (b) bột Hình 1.0.3: Cơng thức cấu tạo cation MB+ Hình 2.0.1: Nhựa PET lấy từ vỏ chai nước uống đóng chai qua sử dụng .13 Hình 2.0.2: Nhựa PET cắt nhỏ 2-4mm 13 Hình 3.1: Hình ảnh chụp SEM VL1 24 Hình 3.2: Hình ảnh đo SEM VL2 .25 Hình 3.3: Hình ảnh đo SEM VL3 .26 Hình 3.4: Giản đồ XRD VL1 26 Hình 3.5: Giản đồ XRD VL2 27 Hình 3.6: giản đồ XRD VL3 .27 Hình 3.7: Phổ FTIR VL1 28 Hình 3.8: Phổ FTIR VL2 28 Hình 3.9: Phổ FTIR VL3 29 Hình 3.10: Độ hấp thụ (abs) bước sóng (nm) dung dịch MB 10ppm .29 Hình 3.11: Xây dựng phương trình đường chuẩn dung dịch MB 30 Hình 3.12: Thể phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian 32 Hình 3.13: Ảnh hưởng pH dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ vật liệu 33 Hình 3.14: Ảnh hưởng nồng độ ban đầu dung dịch MB tới hiệu suất hấp phụ VL 35 Hình 3.15: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (trái); Freundlich (phải) với MB VL2 35 Hình 3.16: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (trái); Freundlich (phải) với MB VL3 36 MỞ ĐẦU Chai nhựa sản phẩm thông dụng, sử dụng phổ biến đời sống Trong đó, chai nhựa sử dụng chủ yếu để đựng: nước khoáng, nước ngọt, loại chai gia vị nấu ăn, mỹ phẩm, dược phẩm…Tổ chức Lương Nông Liên Hiệp Quốc (FAO) cho biết, năm 2016 tồn giới có 480 tỷ chai nhựa sản xuất tiêu thụ, tức phút có khoảng triệu chai nhựa bán Trong đó, ước tính phải tới 450 – 1.000 năm mơi trường nước biển chai nhựa bị phân hủy hoàn toàn Đây thực khoảng thời gian dài, suốt thời gian đó, rác thải chai nhựa mang tới nhiều ảnh hưởng xấu tới người, môi trường sinh vật như: ngộ độc thể, ảnh hưởng đến thai nhi trẻ nhỏ, nguy gây ung thư; tắc nghẽn cống rãnh, ô nhiễm môi trường, ngăn cản q trình oxy hóa đất; động vật ăn phải khơng tiêu hóa hoại tử;…Đã có nhiều chiến dịch chung tay phân loại xử lý đồ nhựa, tái chế đồ nhựa, sử dụng sản phẩm thân thiện với mơi trường Xuất phát từ tính cấp bách vấn đề xử lý nhựa thải nguy hại phân hủy chậm tự nhiên, nghiên cứu quan tâm đến việc tận dụng nhựa thải nguyên liệu chế tạo vật liệu nano có tính ứng dụng cao: vật liệu nano graphene Cụ thể loại nhựa PET polyethylene perephthalate nguyên liệu chứa hàm lượng cacbon lớn, nhà khoa học quan tâm khai thác, thay nguyên liệu hóa thạch nguyên liệu sinh khối Một tính chất vật liệu nano graphene khai thác loại vật liệu có tính hấp phụ ứng dụng xử lý số tiêu ô nhiễm mơi trường, góp phần vào cơng bảo vệ môi trường sức khỏe người Xanhmetylen – loại thuốc nhuộm sử dụng phổ biến gây ô nhiễm môi trường nước, lựa chọn dung dịch thực nghiên cứu độ hấp phụ vật liệu nano graphene khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Xanhmetylen (MB) 1.1.1 Đặc điểm MB Xanhmetylen (MB) hợp chất dị vịng, có tên gọi khác methylene blue, tetramethylthionine chlorhydrate, methythioninium chloride, glutylene Công thức phân tử MB C16H18N3SCl, có vịng thơm chứa nhóm màu –C=C, –C=N, –C=S nhóm trợ màu N(CH3)2 Hình 1.0.1: Cơng thức cấu tạo MB Hình 1.0.2: MB dạng (a) tinh thể, (b) bột Hình 1.0.3: Cơng thức cấu tạo cation MB+ Tinh thể MB có màu xanh thẫm có ánh đồng đỏ MB có đặc điểm khó tan nước lạnh rượu etylic, đun nóng tan dễ Ở nhiệt độ phịng, tồn dạng rắn có màu xanh đen, khơng mùi, hịa tan vào nước tạo thành dung dịch có màu xanh lam MB có phân tử khối 319,85g/ mol, ... đích nội dung ĐATN: Chế tạo vật liệu graphene từ nhựa thải khảo sát khả hấp phụ xanhmetylen môi trường nước graphene chế tạo Các nhiệm vụ cụ thể ĐATN: Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene... đề xử lý nhựa thải nguy hại phân hủy chậm tự nhiên, nghiên cứu quan tâm đến việc tận dụng nhựa thải ngun liệu chế tạo vật liệu nano có tính ứng dụng cao: vật liệu nano graphene Cụ thể loại nhựa. .. cứu với tên đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải ứng dụng xử lý Xanhmetylen môi trường nước? ??, hướng dẫn TS Lã Đức Dương, Viện Hóa học - Vật liệu TS Nguyễn Thị Hồng Phượng,