Tổng hợp vật liệu nanocomposite gromil 101(cr) và khảo sát khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRÀ PHƯƠNG TRINH TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE GrO@MIL-101(Cr) VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU HỮU CƠ Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã chuyên ngành: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Võ Thế Kỳ Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 10 tháng 09 năm 2021 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Ngọc Tuấn - Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Trần Nguyễn Minh Ân - Phản biện PGS.TS Ngô Văn Tứ - Phản biện TS Đoàn Văn Đạt - Ủy viên TS Cao Xuân Thắng - Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC i BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH _ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trà Phương Trinh MSHV: 19630421 Ngày, tháng, năm sinh: 13/12/1997 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã chuyên ngành: 8520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) khảo sát khả hấp phụ chất màu hữu NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: − Thu thập tài liệu tổng quan lĩnh vực đề tài nghiên cứu; − Tổng hợp graphite oxide; − Tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr); − Phân tích cấu trúc vật liệu phương pháp phân tích đại: FT-IR, SEM, TEM, TGA, XRD hấp phụ-giải hấp N2; − Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ màu vật liệu; − Nghiên cứu mơ hình động học mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ; − Tính tốn thơng số nhiệt động; − Nghiên cứu chế hấp phụ màu vật liệu; − Đánh giá khả tái sử dụng vật liệu II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo định số 181/QĐ-ĐHCN việc giao đề tài cử người hướng dẫn LVThS Hiệu trưởng Trường Đại học Cơng nghiệp TPHCM ngày 04/02/2021 III NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/08/2021 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Võ Thế Kỳ Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 20… NGƯỜI HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HĨA ii LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, để hoàn thành tốt luận văn này, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến với Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung khoa Cơng nghệ Hóa học nói riêng ln tạo điều kiện sở vật chất, thiết bị em hồn thành đề tài Cám ơn q thầy khoa Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM quan tâm giúp đỡ, tâm huyết, truyền đạt kiến thức quý báu thời gian em học tập vừa qua Điều giúp em tích lũy thêm nhiều kiến thức để có nhìn sâu sắc hồn thiện hành trang tới Hơn hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Võ Thế Kỳ quan tâm, giúp đỡ truyền đạt cho em kinh nghiệm cách định hướng tư làm việc khoa học Đó thực kiến thức trân quý làm tản cho em hồn thiện thực luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè ln đồng hành, ủng hộ, giúp đỡ em vượt qua khó khăn suốt q trình học tập nghiên cứu trường Xin chân thành cám ơn! i TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Ơ nhiễm mơi trường trở thành vấn đề quan tâm Trong đó, vấn đề nhiễm nguồn nước chất thải công nghiệp kim loại nặng, phẩm nhuộm, kháng sinh, v.v., ảnh hưởng độc hại đến sức khỏe người môi trường sống Nhiều giải pháp nghiên cứu phát triển để loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi nước thải Trong đó, phương pháp hấp phụ nhận nhiều ý ưu điểm trội, bao gồm chi phí thấp, vận hành đơn giản, hiệu xử lý cao Nhiều vật liệu nghiên cứu ứng dụng cho trình hấp phụ than hoạt tính, bã sinh khối, oxide kim loại, v.v Gần đây, vật liệu khung hữu cơ-kim loại (MOFs) xem vật liệu có tiềm lớn xử lý nhiễm nguồn nước tính chất ưu việt độ xốp cao, thể tích lỗ xốp lớn, kích thước lỗ xốp điều chỉnh được, có độ bền nhiệt hóa học cao Graphite oxide (GrO), ứng dụng nhiều xử lý môi trường có độ bền cao giàu nhóm chức Vật liệu nanocomposite GrO@MOF tích hợp ưu điểm vật liệu MOF GrO cải thiện độ xốp, tăng độ bền, dễ thu hồi sau sử dụng Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) với thành phần thay đổi tổng hợp phương pháp nhiệt dung mơi Cấu trúc tính chất vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) (GrO@MCr) phân tích phương pháp tích HR-SEM, HR-TEM, FT-IR, TGA, XRD, hấp phụ -giải hấp N2 Các vật liệu tổng hợp ứng dụng hấp phụ loại bỏ chất màu hữu methyl da cam (MO) reactive blue 198 (RB198) nước Kết phân tích cho thấy, việc kết hợp MIL-101(Cr) vào cấu trúc GrO dẫn đến cải thiện độ xốp vật liệu composite Theo đó, diện tích bề mặt vật liệu composite tăng lên từ ~2980 ~3540 m2g-1 tương ứng với tăng hàm lượng GrO composite từ 0~6% trọng lượng Dung tích hấp phụ cao ~ 235 mg/g cho MO ~175 mg/g cho RB198 (ở 27 ⁰C pH=5,5) đạt vật liệu GrO@MCr composite chứa wt% GrO Các giá trị cao 2,3 1,97 lần so với vật liệu MIL-101(Cr) ban đầu Các nghiên cứu động học, nhiệt động chế hấp phụ tiến ii hành cách hệ thống Thí nghiệm tái sử dụng cho thấy hiệu suất hấp phụ MO RB198 lên GrO@MCr đạt ~ 89 % ~ 86 % sau năm chu kỳ hấp phụgiải hấp phụ liên tiếp Ngoài ra, vật liệu composite GrO@MCr thể độ bền cao sau trình hấp phụ giải hấp Những kết đạt cho thấy vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) có tiềm ứng dụng lớn xử lý ô nhiễm nguồn nước iii ABSTRACT Graphite oxide (GrO), as a superb platform with highly dense arrays of atoms and abundant functionalities, can increase dispersive forces within metal–organic frameworks (MOFs), which provides a feasible strategy to control physicochemical properties of MOFs In this study, a series of hybrid GrO/MIL-101(Cr) (GrO@MCr) nanocomposites were readily prepared via hydrothermal synthesis The prepared composites were applied to remove methyl orange (MO) and reactive blue 198 (RB198) as organic pollutants from an aqueous solution The surface area of GrO@MCr composite increased from ~2980 to 3540 m2g-1 with increasing GrO loading amount from to 6.0 wt.% The highest adsorption capacities of MO (235 mg g-1) and RB198 (175 mg g-1) were obtained at 25⁰C and pH = 5.5 using wt.% GrO loaded GrO@MCr composite; these values were ~2.3 and ~1.97 times higher than that of pristine MIL-101(Cr) The reusability and stability analyses showed that the sorption capacities of MO and RB198 onto the fabricated GrO@MCr decreased to 89% and 86%, respectively, after five adsorption–desorption cycles Moreover, the adsorption kinetics and adsorption isotherms were studied in detail to investigate the adsorption mechanism iv LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hay hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường cam đoan Học viên Trà Phương Trinh v MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề .1 Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN .4 1.1 Tình trạng nhiễm thuốc nhuộm 1.2 Tổng quan thuốc nhuộm hữu 1.2.1 Tổng quan 1.2.2 Methyl da cam (MO) 1.2.3 Reactive blue 198 (RB198) 1.3 Các phương pháp xử lý nước ô nhiễm 1.3.1 Phương pháp vật lý 1.3.2 Phương pháp hóa học .10 1.3.3 Phương pháp sinh học 10 1.3.4 Phương pháp hấp phụ .11 1.4 Vật liệu graphite oxide (GrO) .11 1.4.1 Cấu trúc vật liệu graphite oxide (GrO) 12 1.4.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu graphite oxide .14 1.4.3 Ứng dụng graphite oxide 17 1.5 Tổng quan vật liệu khung hữu -kim loại MIL-101(Cr) 18 1.5.1 Tổng quan MIL-101(Cr) 18 1.5.2 Các phương pháp tổng hợp MIL-101(Cr) 19 i 1.5.3 Ứng dụng vật liệu MIL-101(Cr) 20 1.6 Tình hình nghiên cứu giới .20 1.7 Tình hình nghiên cứu nước .21 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 22 2.1 Hóa chất, thiết bị, dụng cụ 22 2.1.1 Hóa chất 22 2.1.2 Thiết bị, dụng cụ 22 2.2 Tổng hợp vật liệu GrO@MIL-101(Cr) .23 2.2.1 Phương pháp tổng hợp graphite oxide (GrO) 23 2.2.2 Tổng hợp MIL-101(Cr) 24 2.2.3 Tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@ MIL-101(Cr) 25 2.3 Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu 26 2.3.1 Xác định độ kết tinh cấu trúc tinh thể vật liệu phương pháp nhiễu xạ X (X-ray Diffraction) 26 2.3.2 Xác định hình thái bề mặt vật liệu phương pháp quét phát xạ từ trường có độ phân giải cao (FE-SEM) .26 2.3.3 Phổ hồng ngoại Fourier- Transform infrared spectroscopy 26 2.3.4 Hấp phụ- giải hấp N2 .26 2.3.5 Phân tích TGA 26 2.3.6 Điện Zeta 27 2.4 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ chất màu MO RB 198 27 2.4.1 Khảo bước sóng hấp thụ xây dựng đường chuẩn cho hợp chất màu MO RB 198 27 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ vật liệu GrO, MIL101(Cr), GrO@MIL-101(Cr) .27 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đến khả hấp phụ vật GrO@MIL101(Cr) 28 2.4.4 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến khả hấp phụ vật liệu MIL101(Cr), GrO@MIL-101(Cr) .28 2.4.5 Khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ vật liệu GrO, MIL101(Cr), GrO@MIL-101(Cr) .28 ii Hình 3.18 Phân tích zeta chất hấp phụ thuốc nhuộm Như thể Hình 3.18, bề mặt GrO ln có điện tích âm, MIL101(Cr) có điện tích dương pH< 7,6 điện tích âm pH> 7,6 Nanocomposite GrO@MCr có điện tích dương pH< 7,2 điện tích âm pH> 7,2 Đối với MO RB198, bề mặt chúng mang điện tích âm vùng pH nghiên cứu Điều GrO với bề mặt mang điện tích âm không thuận lợi cho hấp phụ thuốc nhuộm anion lực đẩy tĩnh điện GrO phân tử thuốc nhuộm Đối với MIL-101(Cr) nanocomposite GrO@MCr, khả hấp phụ chúng MO RB198 thuận lợi môi trường pH 7,6) làm giảm dung tích hấp phụ chúng thuốc nhuộm lực đẩy tĩnh điện, tốc độ giảm dung tích hấp phụ mơi trường pH >7,6 thấp mơi trường pH