Chế tạo và đánh giá cấu trúc lỗ xốp của giấy lọc nano trên cơ sở ma trận ống nano cacbon trật tự

221_LVCH_HVPhuc_230203.docx ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ VĨNH PHÚC CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC LỖ XỐP CỦA GIẤY LỌC NANO TRÊN CƠ SỞ MA TRẬN ỐNG NANO CACBON TRẬT TỰ Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật Liệu Mã số: 8520309 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: TS Phạm Tấn Thi _ Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Văn Thăng _ Cán chấm nhận xét 1: TS Trần Văn Mẫn _ Cán chấm nhận xét 2: TS Đồn Đức Chánh Tín _ Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐGQG-HCM ngày 13 tháng 01 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Đình Thành - Chủ tịch TS Trần Văn Mẫn - Phản biện TS Đồn Đức Chánh Tín - Phản biện TS Vũ Anh Quang - Ủy viên TS Nguyễn Hữu Huy Phúc - Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau nhận luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA KỸ THUẬT VẬT LIỆU PGS TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH PGS.TS HUỲNH ĐẠI PHÚ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hà Vĩnh Phúc Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1997 Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu I II MSHV: 2170187 Nơi sinh: TP.HCM Mã số : 8520309 TÊN ĐỀ TÀI: Tiếng Việt: Chế tạo đánh giá cấu trúc lỗ xốp giấy lọc nano sở ma trận ống nano cacbon trật tự Tiếng Anh: Fabrication of ordered matrix carbon nanotubes filtering paper and evaluate its porous structures NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tổng quan tài liệu giấy lọc nano sở ma trận ống nano cacbon trật tự, phương pháp nghiên cứu kế hoạch thực đề tài Xây dung mơ hình hệ điện cực để chế tạo màng nano ống nano cacbon trật tự từ công cụ mô số kiểm chứng thực nghiệm Chế tạo giấy lọc nano sở ma trận ống nano cacbon trật tự đánh giá cấu trúc, hình thái, tính chất sản phẩm Thiết lập phương pháp đánh giá cấu trúc lỗ xốp giấy lọc nano sơ phân tích tổng trở điện hóa III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CBHD 1: TS Phạm Tấn Thi CBHD 2: PGS.TS Lê Văn Thăng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TP.HCM, ngày … tháng … năm 2022 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TS Phạm Tấn Thi PGS.TS Nguyễn Trần Hà CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KHOA KỸ THUẬT VẬT LIỆU (Họ tên chữ ký) PGS.TS Lê Văn Thăng PGS.TS Huỳnh Đại Phú LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể cán hướng dẫn – Thầy Lê Văn Thăng thầy Phạm Tấn Thi – tận tình hướng dẫn đưa góp ý q giá giúp tơi hồn thành luận văn Từ tận đáy lịng, tơi xin dành lời tri ân sâu sắc đến thầy Lê Văn Thăng, người tạo điều kiện tốt để tơi làm việc, học tập trau dồi kĩ nghiên cứu khoa học Phịng thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc gia Cơng Nghệ Vật Liệu, giúp tơi toàn tâm toàn ý hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Vương Vĩnh Đạt, người đưa nhiều góp ý chỉnh sửa để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Đức Bình ln hỗ trợ tơi việc phân tích bàn luận để em hoàn thiện nội dung luận văn này.Đồng thời, tơi xin cảm ơn đồng nghiệp phịng thí nghiệm sát cánh bên suốt trình thực luận văn Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình hỗ trợ, động viên tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành thành luận văn TP Hồ Chí Minh, ngày _tháng 01 năm 2023 Học viên Hà Vĩnh Phúc i TÓM TẮT Nguyên tắc chọn lọc hầu hết loại màng lọc thực phẩm dựa việc điều khiển kích thước lỗ xốp cấu trúc màng, cho phép chất có kích thước phân tử phù hợp qua Nghiên cứu hướng tới việc kiểm soát kích thước lỗ xốp bề mặt màng thông qua việc điều chỉnh thông số phủ màng điện di, điều hướng ống nano cacbon đường sức điện trường trật tự Màng mỏng với sợi CNT xếp theo trật tự ngang tạo thành hệ thống kênh dẫn dày đặc từ khoảng trống sợi CNT đan chéo nhau, giúp tăng thông lượng lưu chất vào màng Ngoài ra, khả hấp phụ CNT nhóm carboxyl –COOH bề mặt giúp màng có khả giữ lại ion, tạp chất dung dịch cách hiệu Phương pháp phủ màng sử dụng nghiên cứu tương đối đơn giản, dễ áp dụng quy mô pilot, giúp tăng giá trị sử dụng sản phẩm Kết Raman cho thấy thay đổi hàm lượng MWCNT-COOH màng theo q trình điều chỉnh thơng số phủ Tốc độ thấm ướt màng giảm dần theo thời gian phủ theo cường độ điện trường, tương ứng với giảm dần kích thước lỗ xốp bề mặt màng Ảnh chụp kính hiển vi quang học cịn cho thấy phân bố đồng đều, trật tự ống CNT đan chéo bề mặt màng mỏng Bán kính lát cắt dọc theo độ sâu lỗ xốp có phân bố tăng dần từ bề mặt màng xuống, thông số tăng mạnh số vị trí, chứng tỏ tạo hệ thống kênh dẫn dày đặc bên cấu trúc màng Ngoài ra, kết EIS cho thấy hiệu khuếch tán màng thành phẩm nhờ chế hấp phụ ion Kết nghiên cứu đề xuất phương pháp đánh giá hình thái lỗ xốp tiện lợi, dễ áp dụng quy mơ phịng thí nghiệm nước ii ABSTRACT The principle of selectivity of most food filters is based on controlling the pore size in the membrane structure, allowing only particles of suitable size to pass through This study aims to control the pore size on the film surface through adjusting the electrophoretic coating parameters, redirecting the carbon nanotubes by ordered electric field lines The thin film with the CNT fibers arranged in a horizontal order forms a dense channel system from the void between the crisscrossed CNT fibers, increases the fluidflow into the membrane In addition, the adsorption capacity of CNT and carboxyl -COOH groups on the surface helps the membrane to effectively retain ions and impurities in the solution The coating method used in the study is relatively simple, easy to apply at pilot scale, and helps to increase the use value of the product Raman results showed the change of MWCNT-COOH content in the film according to the coating parameter adjustment process The contact angle of the film decreased gradually with the coating time as well as with the field strength, corresponding to the gradual decrease of the pore size on the membrane surface The scanning electron microscopy images also shows a uniform, orderly distribution of the CNTs crisscrossing on the surface of the thin film The dics radius along the pore depth has an increasing distribution from the membrane surface downwards, this parameter increases sharply in some positions, proving that a dense channel system has been created inside the membrane structure In addition, the EIS results also show the diffusion efficiency of the finished film thanks to the ion adsorption mechanism Study results have suggested a convenient method of pore morphology assessment, easy to apply at the domestic laboratory scale iii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, khơng chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022 Học viên Hà Vĩnh Phúc iv MỤC LỤC i ii iii iv v viii xii xiii 1.1 Nhu cầu tổng hợp nghiên cứu giấy lọc nano 1.2 Tình hình nghiên cứu phương pháp chế tạo giấy lọc nano 1.3 Tình hình nghiên cứu phương pháp tổng trở điện hóa 18 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 22 1.5 Mục tiêu đề tài 23 2.1 Cấu trúc màng cacbon nanotube 27 v 2.2 Phương pháp phủ màng điện di 36 2.3 Phương pháp tổng trở điện hóa 47 3.1 Hóa chất thiết bị 57 3.2 Quy trình thực nghiệm 58 4.1 Kết mô điện trường 75 4.2 Kết chế tạo màng nanocacbon 76 5.1 Kết đạt 121 vi Hình PL - 12 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Hình PL - 13 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Trang 154 / 166 Hình PL - 14 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 40k Hình PL - 15 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 40k Trang 155 / 166 Hình PL - 16 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Hình PL - 17 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 30k Trang 156 / 166 Hình PL - 18 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 110k Hình PL - 19 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 25k Trang 157 / 166 Hình PL - 20 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 70k Hình PL - 21 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 70k Trang 158 / 166 Hình PL - 22 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 50k Hình PL - 23 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 110k Trang 159 / 166 Hình PL - 24 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Hình PL - 25 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Trang 160 / 166 Hình PL - 26 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Hình PL - 27 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Trang 161 / 166 Hình PL - 28 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 20k Hình PL - 29 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 100k Trang 162 / 166 Hình PL - 30 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 35k Hình PL - 31 Kết SEM mẫu màng 200V/cm_2mm_5p độ phóng đại 80k PHỤ LỤC PHÂN TÍCH ẢNH SEM BẰNG MATLAB Ảnh SEM xử lý phần mềm MATLAB Trang 163 / 166 Hình PL - 32 Lệnh chi tiết để tính phân bố kích thước lỗ xốp phần mềm MATLAB Các ảnh SEM phụ lục trước xử lý để tăng độ tương phản theo hàm Gamma 𝑠 = 𝑐𝑟 𝛾 , 𝑟 ∈ để tăng độ xác sử dụng phần mềm MATLAB Hình PL-33b thể Trang 164 / 166 độ xám ảnh sau xử lý, với c hàm số, r độ xám chuẩn hóa γ hệ số chuyển đổi gamma Hình PL-33b tiếp tục xử lý MATLAB để nhận diện vị trí sợi CNT cách chính xác thông qua độ sâu màu ảnh (hình PL33c) Các sợi CNT tách khỏi ảnh, để lại khoảng trống chúng, tương ứng với lỗ xốp tạo đan chéo sợi CNT (hình PL-33d) Hình PL - 33 (a) ảnh SEM gốc, (b) ảnh xử lý thang xám, (c) ảnh độ sâu màu (d) ảnh phân mảnh lỗ xốp sau xử lý ảnh SEM bề mặt Trang 165 / 166 Hình PL - 34 (a) ảnh SEM gốc, (b) ảnh xử lý thang xám, (c) ảnh độ sâu màu (d) ảnh phân mảnh lỗ xốp sau xử lý ảnh SEM mặt cắt Trang 166 / 166 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Hà Vĩnh Phúc Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1994 Nơi sinh: Thành phố Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 687/32/14 Lạc Long Quân, phường 10, quận Tân Bình, Tp Hồ Chí Minh Email: havinhphuc1310@gmail.com Q trình đào tạo: Bậc Thời Nơi Chuyên đào tạo gian đào tạo ngành Đại học 20152021 Trường Đại Học Khoa Đại Thạc sĩ Tên luận văn tốt nghiệp Vật liệu Synthesis Tiên tiến flammable of LiClO4/PVA gel non- electrolyte for Bách (Việt Pháp) thermostable lithium ion battery – Fabrication of ordered matrix carbon Học Kĩ thuật nanotubes Vật liệu evaluate its porous structures Nơi công tác Chức vụ 2021- Quốc Gia TP.HCM filtering paper and Q trình cơng tác: Thời gian Từ 2021 đến PTN Trọng Điểm ĐHQG-HCM Công Nghệ Vật Liệu, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM Nghiên cứu viên Trang xv / 166