Nghiên cứu điều chế, các tính chất lý hóa và định hướng ứng dụng của vật liệu carbon biến tính từ rơm

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌCVÀCÔNG NGHỆVIỆT NAM HỌCVIỆN KHOAHỌCVÀCÔNGNGHỆ - BỘ GIÁODỤC VÀĐÀOTẠO NGUYỄNNGỌCBÍCH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, CÁC TÍNH CHẤTLÝ HĨA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦAVẬTLIỆUCARBONBIẾN TÍNHTỪRƠM LUẬNÁN TIẾN SĨHỐ HỌC Hà Nội–2023 BỘ GIÁODỤC VÀĐÀOTẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌCVÀCÔNG NGHỆVIỆT NAM NGUYỄNNGỌCBÍCH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, CÁC TÍNH CHẤTLÝ HĨA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦAVẬTLIỆUCARBONBIẾN TÍNH TỪRƠM Chunngành:Hóavơ Mãsốchuyênngành:9 44 01 13 LUẬNÁN TIẾN SĨHOÁ HỌC NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC: PGS.TS.NguyễnĐình Thành TS.PhạmCaoThanhTùng Hà Nội–2023 LỜICẢMƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn ĐìnhThành Thầy TS Phạm Cao Thanh Tùng nhiệt tình hướng dẫn cho tơi trongsuốt q trình thực luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo, Quý thầy côViệnK h o a h ọ c V ậ t l i ệ u Ứ n g d ụ n g , V i ệ n H n l â m K h o a h ọ c v C ô n g n g h ệ V i ệ t Namđãluôngiúpđỡtrongthờigianhọctậpvànghiêncứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Học viện Khoa học Cơng nghệ,Lãnh đạo Khoa Hóa Bộ phận hỗ trợ đào tạo giúp đỡ suốt thời gian thựchiệnluậnán Tơi xin thể lịng biết ơn chân thành đến thầy cô bạn sinhviên Phịng thí nghiệm Hóa lý Ứng dụng, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên,Đại họcQuốcgia Thành phốHồChíMinhđã tạođiềukiệnthuận lợi,t ậ n t ì n h hướngdẫntrong suốtthờigianthựchiệnnghiêncứutạiPhịngthínghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp, BanGiám đốc đồng nghiệp Trung tâm Thực hành – Thí nghiệm, Trường Đại họcĐồng Tháp tạo điều kiện tốt cho thời gian học tập làm việcvừaqua Cuối cùng, xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc đến người thân tronggia đình, bạn bè ln quan tâm động viên suốt thời gian học tập vànghiêncứu Tp.HCM,ngày tháng năm2023 Tácgiảluận án NguyễnNgọcBích LỜICAMĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày trung thựcvà chưa công bố luận án khác Tất đồng tác giả báo đãcơngbốđềuđồngthuậnchophéptơisử dụngđểbáocáoluậnán tiếnsĩ Tácgiảluận án NguyễnNgọcBích MỤCLỤC LỜICẢMƠN .i LỜICAMĐOAN ii MỤCLỤC .iii DANHMỤCCÁCKÍHIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT vi DANHMỤCCÁCBẢNG .viii DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ,ĐỒTHỊ .ix MỞĐẦU CHƯƠNG1.TỔNGQUAN .3 1.1 Tổngquanvềvậtliệucarboncónguồngốcsinhkhốithựcvật 1.1.1 Giớithiệuchungvềvậtliệucarbontừsinhkhốithựcvật 1.1.2 Cácphươngphápđiềuchếvậtliệucarbontừsinhkhốithựcvật 1.2 Mộtsốứngdụngphổbiếncủarơmvàtrotrấu .9 1.2.1 Ứngdụngphổbiếncủarơm 1.2.2 Ứngdụngphổbiếncủatrotrấu 12 1.3 Giớithiệuvềthuốcnhuộmxanhmethylenevàarsenic 15 1.3.1 Giớithiệuvềthuốcnhuộmxanhmethylene 15 1.3.2 Giớithiệuchungvềarsenic 15 1.4 CơsởlýthuyếtcủaqtrìnhhấpphụthuốcnhuộmMBvàanionkimloạiAstrênthansinhhọc 20 1.5 Tổngquanvềnguồnđiệnhốhọc 23 1.5.1 Giớithiệucácnguồnđiệnhoáhọc .23 1.5.2 PinsạcLi-ion 24 1.5.3 Siêutụđiện 25 1.5.4 Phânloạivàxuhướngpháttriểncủasiêutụđiện .25 1.6 Tìnhhìnhnghiêncứuliênquanđếnđềtài 28 1.6.1 Vậtliệuthansinhhọctừsinhkhốiđượcbiếntínhbởicácmuối 28 1.6.2 Vậtliệuthansinhhọctừtínhtừsinhkhốiứngdụnglàmchấthấpphụ 30 1.6.3 Thanhoạttínhbiếntínhứngdụnglàmvậtliệuđiệncực 33 1.6.4 Silicatrongnângcaodunglượngđiệnhóa 36 1.7 Kếtluậnrútratừtổngquan .39 CHƯƠNG2.THỰCNGHIỆM 41 2.1 Nguyênliệuvàhoáchất 41 2.2 Điềuchếvậtliệuhấpphụ 42 2.2.1 Điềuchếthansinhhọc(BC) 42 2.2.2 Điềuchếthansinhhọctừtính(MC) .43 2.3 Điềuchếvậtliệuđiệncực 45 2.3.1 ĐiềuchếthanhoạttínhbiếntínhN(ACN) 45 2.3.2 ĐiềuchếthanhoạttínhđồngbiếntínhNvàMn(ACNMn) 45 2.3.3 ĐiềuchếvậtliệunanoSiO2 46 2.4 KhảosátkhảnănghấpphụcủavậtliệuBC 47 2.4.1 KhảnănghấpphụdungdịchMBcủacácmẫuBC 48 2.4.2 ẢnhhưởngcủathờigiantiếpxúcvàđộnghọchấpphụcủamẫuBCZn 48 2.4.3 ĐẳngnhiệthấpphụcủamẫuBCZn .49 2.5 KhảosátkhảnănghấpphụcủavậtliệuMC 50 2.5.1 KhảnănghấpphụdungdịchMBcủacácmẫuMC 51 2.5.2 KhảnănghấpphụMB,As(V)vàAs(III)củamẫuMC-1.0 51 2.5.3 ĐánhgiákhảnăngtáisửdụngtrênmẫuMC-1.0 53 2.6 PhântíchtínhchấtđiệnhốcủacácvậtliệuACN,ACN/SiO2vàACNMn .53 2.6.1 Chếtạomàngđiệncực .53 2.6.2 Quytrìnhlắptụđiện 54 2.6.3 Phươngphápqtthếvịngtuầnhồn 55 2.6.4 Phươngphápđophóngsạcdịngcốđịnh 56 2.6.5 Phươngpháptổngtrởđiệnhoá 56 2.7 Phântíchtínhchấtđặctrưngcủavậtliệu .56 2.7.1 NhiễuxạtiaX 56 2.7.2 PhổtánsắcnănglượngtiaX 57 2.7.3 PhổhồngngoạibiếnđổiFurier .57 2.7.4 PhổtánxạRaman 57 2.7.5 Hiểnviđiệntửquét 58 2.7.6 Hiểnviđiệntửtruyềnqua 58 2.7.7 Đẳngnhiệthấpphụ-khửhấpphụN2 58 2.7.8 XácđịnhđiểmđiệntíchkhơngpHPZC 59 CHƯƠNG3.KẾTQUẢ-THẢOLUẬN 61 3.1 Thànhphầnhoáhọccủanguyênliệurơmvàtrotrấu 61 3.2 KếtquảquátrìnhđiềuchếBC 61 3.2.1 ẢnhhưởngcủatácnhânmuốibiếntínhđếntínhchấtcủaBC 61 3.2.2 ĐánhgiákhảnănghấpphụMBtrênmẫuBCZn 65 3.3 KếtquảquátrìnhđiềuchếMC 68 3.3.1 ẢnhhưởngcủanồngđộdungdịchFeCl3đếntínhchấtcủaMC 68 3.3.2 ĐánhgiákhảnănghấpphụMB,As(V)vàAs(III)trênmẫuMC-1.0 73 3.4 KếtquảquátrìnhđiềuchếSiO2 83 3.5 KếtquảquátrìnhđiềuchếACN 86 3.5.1 ẢnhhưởngcủalượngureađếntínhchấtcủacácmẫuACN .86 3.5.2 KhảosáttínhchấtđiệnhốcủacácmẫuACN 90 3.5.3 KhảosáttínhchấtđiệnhốcủacácmẫuACN/SiO2 94 3.6 KếtquảquátrìnhđiềuchếACNMn 96 3.6.1 ẢnhhưởngcủatỉlệKMnO4đếntínhchấtcủacácmẫuACNMn 96 3.6.2 KhảosáttínhchấtđiệnhốcủacácmẫuACNMn 100 KẾTLUẬNVÀKIẾNNGHỊ 104 NHỮNGĐÓNGGÓPMỚICỦALUẬNÁN 105 DANHMỤCCƠNGTRÌNHCỦATÁCGIẢ 106 TÀILIỆUTHAMKHẢO 107 PHỤLỤC DANHMỤCCÁCKÍ HIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT I Danhmụccác kýhiệu H Hiệusuấtcủaqtrìnhchuyểnhóarơmthànhthansinhhọc(%) mRS Khốilượngrơmthơ banđầu(g) mBC Khối lượng sản phẩm than sinh học thu (g)R Hiệusuấthấpphụtrênvậtliệutạithờiđiểmt(%)C0 Nồngđộcủachấtbịhấpphụbanđầu(mg/L) Ct Nồngđộcủachấtbịhấpphụtạithờiđiểmt(mg/L) qt Dunglượnghấpphụtrênvậtliệutạithờiđiểmt(mg/g) qe Dunglượnghấpphụ tạicânbằng(mg/g) qm Dunglượnghấpphụ cựcđại(mg/g) V Thểtíchdungdịch(L) m Lượngchấthấpphụ(g) k1 Hằngsốtốcđộbiểukiếnbậcnhấttạithờiđiểmt(phút−1) k2 Hằngsốtốcđộbiểukiếnbậchaitạithời điểm t(g/(mgphút)) KL HằngsốhấpphụLangmuir(L/mg) KF HằngsốhấpphụFreundlich(mg/g(L/mg)1/n) 2 Phân tích Chi-bình phương phi tuyến tínhqe,exp Dung lượng hấp phụ thực nghiệm (mg/g)qe,cal Dunglượng hấpphụtínhtốn(mg/g) ∆G0 NănglượngtựdoGibbs(kJ/mol) ∆H0 Biếnthiênentanpytiêuchuẩn(kJ/mol) ∆S0 Biếnt h i ê n e n t r o p y ( J / m o l K) KD Hằngsốcânbằngnhiệt độnghọc(L/g) CCV ĐiệndungriêngtínhtheoCV(F/g) I Cườngđộdịngđiện (A) m Tổngkhối lượngvậtliệutrên2điệncực(g)  Tốcđộquét thế(V/s) ∆V Hiệuđiệnthế(V) pHPZC Điểmđiện tíchkhơngcủavậtliệu SBET Diệntíchbề mặtriêng(m2/g) VP Thểtíchlỗxốp(cm3/g) DP Kíchthướclỗ xốp(nm) II Danhmụctừviếttắt Chữviếttắt TiếngAnh TiếngViệt HTC HydrothermalCarbonization Carbonhóathủynhiệt BC Biochar Thansinh học MC Magneticbiochar Thansinhhọctừtính AC Activecarbon Thanhoạttính RS Ricestraw Rơm MB Methyleneblue Xanhmetylen UV-Vis UltraViolet-Visible Hấpthụtửngoại-khảkiến XRD X-RayDiffraction Nhiễuxạtia X EDX Energy-dispersive X-ray TánsắcnănglượngtiaX FTIR Fouriertransforminfrared HồngngoạibiếnđổiFourier SEM Scanningelectron microscopy Hiểnviđiệntửquét TEM Transmissionelectronmicroscopy Hiểnviđiệntửtruyềnqua BET Brunauer-Emmett-Teller Phântíchdiệntíchbềmặt VSM Vibratingsample magnetometer Từkếmẫurung EDLC ElectronicDoubleLayerCapacitor Tụđiệnlớpkép CV CyclicVoltammetry Qtthếvịngtuần hồn GCD Galvanostaticcharge-discharge Đophóng sạcdịngcốđịnh EIS ElectrochemicalImpedance Phổtổngtrởđiệnhóa Spectroscopy DANHMỤCCÁCBẢNG Bảng2.1 Danhsách hóachấtthínghiệm .41 Bảng3.1 Thànhphầnkhốilượngcácnguyêntốvàsợixơtrongrơm 61 Bảng3.2 Thànhphầnkhốilượngcácchấttrongtrotrấu 61 Bảng3.3 HiệusuấtchuyểnhóavàhiệusuấthấpphụcủaRSvàmẫuBC .63 Bảng3.4 PhântíchthànhphầnnguntốvàcácthơngsốbềmặtcủaRSvàBCZn 63 Bảng3.5 CácthơngsốđộnghọccủasựhấpphụMBtrênBCZnở30oC .66 Bảng3.6 CácthôngsốđẳngnhiệtcủasựhấpphụMBtrênBCZn .67 Bảng3.7 CácthôngsốbềmặtcủacácmẫuMC-0vàMC-1.0 .72 Bảng3.8 CácthôngsốđộnghọccủasựhấpphụMB,As(V)vàAs(III)trênMC-1.0 74 Bảng3.9 CácthơngsốđẳngnhiệtcủasựhấpphụtrênMC-1.0ở30oC 77 Bảng3.10 BảngsosánhđộtừhốvàdunglượnghấpphụcủaMC-1.0 .78 Bảng3.11 CácthôngsốnhiệtđộngcủasựhấpphụtrênMC-1.0ởcácnhiệtđộkhácnhau82 Bảng3.12 CácthôngsốbềmặtcácmẫuACN 88 Bảng3.13 CácthơngsốbềmặtcácmẫuthanbiếntínhđồngthờiMnvàN 99 Bảng314 PhântíchthànhphầnnguyêntốcủacácmẫuthanbiếntínhđồngthờiMnvàN100 Bảng3.15 Sosánhđiệnlượngriêngcủamẫuthanđiềuchếvớicácthanbiếntínhkhác 102