Phân tích các đặc trưng cấu trúc và đánh giá khả năng hấp thụ xanh metylen của vật liệu cacbon mao quản trung bình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC - ĐOÀN THỊ VÂN ANH PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ XANH METYLEN CỦA VẬT LIỆU CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ Thái Nguyên - 2022 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC - PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ XANH METYLEN CỦA VẬT LIỆU CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH CHUN NGÀNH: HĨA PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 8.44.01.18 Người thực hiện: ĐOÀN THỊ VÂN ANH Lớp: CAO HỌC HĨA PHÂN TÍCH K14 Khóa: 2020- 2022 Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ HỒNG HOA Thái Nguyên - 2022 ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực đề tài, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Hoa giảng viên Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, người tin tưởng, giao đề tài, tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện giúp đỡ suốt q trình học tập, nghiên cứu, hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, Ban giám hiệu cán kĩ thuật viên phịng thí nghiệm tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thực luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè ln quan tâm, giúp đỡ, khích lệ để tơi hồn thành tốt cơng việc, nhiệm vụ Tơi xin chân thành cảm ơn Học viên Đồn Thị Vân Anh iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu mao quản trung bình 1.1.1 Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình 1.1.2 Phân loại vật liệu mao quản trung bình 1.1.3 Tổng quan vật liệu MQTB họ SBA 1.1.4 Tìm hiểu vật liệu MQTB SBA -16 1.2 Vật liệu cacbon mao quản trung bình trật tự (OMC) 1.2.1 Giới thiệu vật liệu OMC 1.2.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu CMQTB: 1.3 Hiện tượng hấp phụ 1.3.1 Tổng quan tượng hấp phụ 1.3.2 Quá trình hấp phụ lỏng - rắn 11 1.3.3 Những ưu điểm hạn chế phương pháp xử lý hấp phụ 12 1.3.4 Mơ hình q trình hấp phụ 12 1.3.5 Động học trình hấp phụ 15 1.4 Tổng quan xanh metylen (MB) 16 1.5 Các phương pháp đặc trưng 18 1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 18 1.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 19 1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 20 1.5.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET) 21 iv 1.5.5 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 23 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 25 2.1 Chuẩn bị hóa chất thiết bị 25 2.2 Thực nghiệm 26 2.2.1 Tổng hợp cacbon mao quản trung bình 26 2.2.2 Phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu 26 2.2.3 Đánh giá khả hấp phụ vật liệu 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Tổng hợp phân tích đặc trưng cấu trúc cacbon mao quản trung bình 31 3.1.1 Kết nhiễu xạ tia X (XRD) 31 3.1.2 Kết đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET) 31 3.1.3 Kết quan sát hiển vi điện tử (SEM, TEM) 32 3.2 Đánh giá khả hấp phụ cacbon mao quản trung bình 33 3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ vật liệu CMQTB 33 3.3.2 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 34 3.3.3 Nghiên cứu động học hấp phụ 37 KẾT LUẬN 43 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại vật liệu mao quản Bảng 1.2 So sánh hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 10 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng trình nghiên cứu 25 Bảng 2.2 Danh mục thiết bị, dụng cụ thí nghiệm dùng trình nghiên cứu 25 Bảng 3.1 Dung lượng hấp phụ MB cực đại tính theo Langmuir (mg/g) số vật liệu 35 Bảng 3.2 Thông số động học phương trình động học biểu kiến bậc trình hấp phụ OMC(SBA-16) 38 Bảng 3.3 Thông số động học phương trình động học biểu kiến bậc hai trình hấp phụ OMC(SBA-16) 40 Bảng 3.4 Thông số động học khuếch tán Weber- Morris trình hấp phụ MB OMC(SBA-16) 41 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các dạng cấu trúc vật liệu mao quản trung bình Hình 1.2 Hình ảnh không gian chiều mối liên kết hốc mao quản qua cửa sổ mao quản thứ cấp cấu trúc vật liệu SBA-16 Hình 1.3 Sự hình thành phức kim loại hốc SBA-16 Hình 1.4 (a) Giản đồ XRD ảnh TEM SBA -16 1Au5Pd/APS-S16; (b) Phân bố độ rộng mao quản đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ N SBA -16 1Au5Pd/APS-S16 Hình 1.5 Các bước tổng hợp “phương pháp khuôn mẫu cứng” Hình 1.6 Đồ thị phụ thuộc Ce /qe vào 1/Ce 14 Hình 1.7 Đồ thị phụ thuộc lnqe vào lnCe 15 Hình 1.8 Mơ tả cấu trúc hóa học MB 16 Hình 1.9 Phổ UV - Vis MB 17 Hình 1.10 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 19 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý SEM 20 Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý TEM 21 Hình 1.13 Sáu đường đẳng nhiệt hấp phụ theo IUPAC 23 Hình 1.14 Các bước chuyển lượng 23 Hình 2.1 Thiết bị than hóa 25 Hình 2.2 Thiết bị đo XRD 25 Hình 2.3 Thiết bị đo BET 25 Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010(JEOL) 25 Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quét S-4800 (FE-SEM, Hitachi) 28 Hình 3.1 XRD vật liệu OMC (SBA-16) 31 Hình 3.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (a) đường phân bố mao quản (b) vật liệu OMC(SBA-16) 32 Hình 3.3 Ảnh SEM vật liệu OMC (SBA-16) 32 Hình 3.4 Ảnh TEM vật liệu OMC(SBA-16) 33 Hình 3.5 Đường cong động học hấp phụ MB OMC(SBA-16) 33 vii Hình 3.6 Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir trình hấp phụ MB vật liệu OMC(SBA-16) 35 Hình 3.7.Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich trình hấp phụ MB vật liệu OMC(SBA-16) 36 Hình 3.8 Đồ thị ảnh hưởng điều kiện thực nghiệm đến hấp phụ MB OMC(SBA-16) 37 Hình 3.9 Đồ thị mơ hình động học biểu kiến bậc trình hấp phụ MB OMC(SBA-16) 38 Hình 3.10 Đồ thị mơ hình động học biểu kiến bậc hai q trình hấp phụ MB OMC(SBA-16) 39 Hình 3.11 Đồ thị động học khuếch tán Weber - Morris trình hấp phụ MB OMC(SBA-16) 41 Hình 3.12 Đồ thị xác định lượng tự tiêu chuẩn trình hấp phụ MB OMC(SBA-16) 42 viii DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt HĐBM IUPAC Tên Hoạt động bề mặt Quy định chung danh pháp quốc tế chất hóa học CMQTB Cacbon mao quản trung bình OMC Ordered mesoporous carbon SBA-16 M41S Santa Barbara Acid - 16 Mesoporous 41 Sieves (Họ vật liệu mao quản trung bình) MCM Mesoporous Crystalline Material TEOS Tetra ethyl orthosilicate MB Methylene Blue (xanh metylen) XRD X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) UV-Vis SEM TEM BET Ultraviolet - visible spectroscopy (Phổ tử ngoại - khả kiến) Scanning Electron Microscope (Phương pháp hiển vi điện tử quét) Transmission electron microscopy (Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua) Brunauer - Emmett - Teller (Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2) ix MỞ ĐẦU Khoa học công nghệ phát triển khiến người có nhìn suy ngẫm môi trường Trong 50 năm trở lại đây, khoảng 80.000 loại hóa chất khác tạo ra, có chất màu hóa học hữu POPs (Persistant Organic Pollutant), tồn nước vô độc hại Các chất ô nhiễm phát tán rộng môi trường, liên tục thâm nhập vào thể người dù nồng độ thấp gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe Vì thế, nghiên cứu xử lý, tách loại hợp chất hữu độc hại khỏi môi trường việc làm quan trọng cấp thiết Mục tiêu phát triển hóa học đại hướng tới thân thiện với môi trường, bao gồm quy trình nghiêm ngặt hạn chế đến mức tối đa chất thải, hiệu suất cao nguyên liệu gần gũi với tự nhiên Những phương pháp xử lý mang tính xu tìm giải pháp công nghệ mới, sử dụng vật liệu có khả hấp phụ chọn lọc, dung lượng hấp phụ lớn, tốc độ hấp phụ cao, triệt để, tái sử dụng vật liệu hấp phụ không gây ô nhiễm thứ cấp… Một loại vật liệu mao quản ứng dụng sớm phổ biến cơng nghiệp đời sống than hoạt tính Trong năm kỉ XVIII, người biết sử dụng than gỗ chất hấp phụ để hấp phụ chất khí, khử màu dung dịch hay làm đường mía…Tuy nhiên, kích thước mao quản than hoạt tính nhỏ nên khó khăn hấp phụ chất hữu có kích thước lớn Trong năm 1991 -1992, nhà khoa học tập đoàn Mobil Oil đường tổng hợp sử dụng chất định hướng cấu trúc phát minh họ vật liệu mao quản trung bình, kí hiệu M41S Kích thước mao quản lớn nên trở thành vật liệu hấp phụ có khả hấp phụ chất có kích thước lớn với hiệu suất cao Từ đó, năm 1999, Zhao cộng sử dụng polyme trung hoà điện làm chất tạo cấu trúc cho họ vật liệu SBA Vật liệu có đường kính mao quản đồng với kích thước lớn đến lần kích thước vi mao quản Interface Sci., vol 363, no 1, pp 410–417, 2011 [10] Y Chen et al., “Solvent-free aerobic oxidation of benzyl alcohol over Pd monometallic and Au–Pd bimetallic catalysts supported on SBA-16 mesoporous molecular sieves,” Appl Catal A Gen., vol 380, no 1–2, pp 55–65, 2010 [11] K Azam et al., “Development of recoverable magnetic mesoporous carbon adsorbent for removal of methyl blue and methyl orange from wastewater,” J Environ Chem Eng., vol 8, no 5, p 104220, 2020 [12] N H Phú, “Hấp Thụ Và Xúc Tác Trên Bề Mặt Vật Liệu Vô Cơ Mao Quản,” 1998 [13] S Lagergren, “Zur theorie der sogenannten adsorption geloster stoffe,” K Sven vetenskapsakademiens Handl., vol 24, pp 1–39, 1898 [14] Y.-S Ho and G McKay, “Pseudo-second order model for sorption processes,” Process Biochem., vol 34, no 5, pp 451–465, 1999 [15] N Chaukura, E C Murimba, and W Gwenzi, “Sorptive removal of methylene blue from simulated wastewater using biochars derived from pulp and paper sludge,” Environ Technol Innov., vol 8, pp 132–140, 2017 [16] S Wang, C W Ng, W Wang, Q Li, and Z Hao, “Synergistic and competitive adsorption of organic dyes on multiwalled carbon nanotubes,” Chem Eng J., vol 197, pp 34–40, 2012 [17] Y Guesmi, H Agougui, R Lafi, M Jabli, and A Hafiane, “Synthesis of hydroxyapatite-sodium alginate via a co-precipitation technique for efficient adsorption of Methylene Blue dye,” J Mol Liq., vol 249, pp 912– 920, 2018 [18] Z Cai, Y Sun, W Liu, F Pan, P Sun, and J Fu, “An overview of nanomaterials applied for removing dyes from wastewater,” Environ Sci Pollut Res., vol 24, no 19, pp 15882–15904, 2017 [19] J Epp, “X-ray diffraction (XRD) techniques for materials characterization,” in Materials characterization using nondestructive evaluation (NDE) methods, Elsevier, 2016, pp 81–124 45 [20] K C A Smith and C W Oatley, “The scanning electron microscope and its fields of application,” Br J Appl Phys., vol 6, no 11, p 391, 1955 [21] M T Yagub, T K Sen, S Afroze, and H M Ang, “Dye and its removal from aqueous solution by adsorption: a review,” Adv Colloid Interface Sci., vol 209, pp 172–184, 2014 [22] D Ghosh and K G Bhattacharyya, “Adsorption of methylene blue on kaolinite,” Appl Clay Sci., vol 20, no 6, pp 295–300, 2002 [23] Y Yao, F Xu, M Chen, Z Xu, and Z Zhu, “Adsorption behavior of methylene blue on carbon nanotubes,” Bioresour Technol., vol 101, no 9, pp 3040–3046, 2010 [24] A H Jawad, A S Abdulhameed, L D Wilson, S S A Syed-Hassan, Z A ALOthman, and M R Khan, “High surface area and mesoporous activated carbon from KOH-activated dragon fruit peels for methylene blue dye adsorption: Optimization and mechanism study,” Chinese J Chem Eng., vol 32, pp 281–290, 2021 [25] T Van Tran et al., “Facile synthesis of manganese oxide-embedded mesoporous carbons and their adsorbability towards methylene blue,” Chemosphere, vol 227, pp 455–461, 2019 [26] A H Jawad and S N Surip, “Upgrading low rank coal into mesoporous activated carbon via microwave process for methylene blue dye adsorption: Box Behnken Design and mechanism study,” Diam Relat Mater., vol 127, p 109199, 2022 [27] Y Liu, “Is the free energy change of adsorption correctly calculated?,” J Chem Eng Data, vol 54, no 7, pp 1981–1985, 2009 46 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - OMC-SBA16 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1300 Lin (Cps) PHỤ LỤC 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0.5 2-Theta - Scale File: ManhDHMo OMCSBA16.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.7 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° 10 47 XRD vật liệu OMC (SBA-16) 1400 48 49 Ảnh SEM vật liệu OMC(SBA-16) Ảnh TEM vật liệu OMC(SBA-16) 50 DAT HQC TTIAI NGUYEN cO Nc HOA xA TRTIONG DAI H QCKHOAH Qc cl HO r cHo NGHIA vnpT NAM do- h hric BrtN BAN cnAur LUAN vAN THAc si HQi