Nghiên Cứu Điều Chế, Các Tính Chất Lý Hóa Và Định Hướng Ứng Dụng Của Vật Liệu Carbon Biến Tính Từ Rơm.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, CÁC TÍNH CHẤT LÝ HÓA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON BIẾN TÍNH TỪ RƠM LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC Hà Nội – 2023 of 195 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, CÁC TÍNH CHẤT LÝ HÓA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON BIẾN TÍNH TỪ RƠM Chun ngành: Hóa vơ Mã số chuyên ngành: 44 01 13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Đình Thành TS Phạm Cao Thanh Tùng Hà Nội – 2023 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Đình Thành Thầy TS Phạm Cao Thanh Tùng nhiệt tình hướng dẫn cho tơi suốt q trình thực luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo, Quý thầy cô Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ thời gian học tập nghiên cứu 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 thực luận án Tôi xin thể lịng biết ơn chân thành đến thầy bạn sinh viên Phịng thí nghiệm Hóa lý Ứng dụng, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi, tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực nghiên cứu Phịng thí nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp, Ban Giám đốc đồng nghiệp Trung tâm Thực hành – Thí nghiệm, Trường Đại học Đồng Tháp tạo điều kiện tốt cho thời gian học tập làm việc vừa qua Cuối cùng, xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc đến người thân gia đình, bạn bè ln quan tâm động viên suốt thời gian học tập nghiên cứu Tp.HCM, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Bích luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày trung thực chưa công bố luận án khác Tất đồng tác giả báo công bố đồng thuận cho phép sử dụng để báo cáo luận án tiến sĩ Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Bích luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 Tổng quan vật liệu carbon có nguồn gốc sinh khối thực vật 1.1.1 Giới thiệu chung vật liệu carbon từ sinh khối thực vật 1.1.2 Các phương pháp điều chế vật liệu carbon từ sinh khối thực vật 1.2 Một số ứng dụng phổ biến rơm tro trấu 1.2.1 Ứng dụng phổ biến rơm 1.2.2 Ứng dụng phổ biến tro trấu 12 1.3 Giới thiệu thuốc nhuộm xanh methylene arsenic 15 1.3.1 Giới thiệu thuốc nhuộm xanh methylene 15 1.3.2 Giới thiệu chung arsenic 15 1.4 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ thuốc nhuộm MB anion kim loại As than sinh học 20 1.5 Tổng quan nguồn điện hoá học 23 1.5.1 Giới thiệu nguồn điện hoá học 23 1.5.2 Pin sạc Li-ion 24 1.5.3 Siêu tụ điện 25 1.5.4 Phân loại xu hướng phát triển siêu tụ điện 25 1.6 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài 28 1.6.1 Vật liệu than sinh học từ sinh khối biến tính muối 28 1.6.2 Vật liệu than sinh học từ tính từ sinh khối ứng dụng làm chất hấp phụ 30 1.6.3 Than hoạt tính biến tính ứng dụng làm vật liệu điện cực 33 1.6.4 Silica nâng cao dung lượng điện hóa 36 1.7 Kết luận rút từ tổng quan 39 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 41 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 iv 2.1 Nguyên liệu hoá chất 41 2.2 Điều chế vật liệu hấp phụ 42 2.2.1 Điều chế than sinh học (BC) 42 2.2.2 Điều chế than sinh học từ tính (MC) 43 2.3 Điều chế vật liệu điện cực 45 2.3.1 Điều chế than hoạt tính biến tính N (ACN) 45 2.3.2 Điều chế than hoạt tính đồng biến tính N Mn (ACNMn) 45 2.3.3 Điều chế vật liệu nano SiO2 46 2.4 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu BC 47 2.4.1 Khả hấp phụ dung dịch MB mẫu BC 48 2.4.2 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc động học hấp phụ mẫu BCZn 48 2.4.3 Đẳng nhiệt hấp phụ mẫu BCZn 49 2.5 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu MC 50 2.5.1 Khả hấp phụ dung dịch MB mẫu MC 51 2.5.2 Khả hấp phụ MB, As(V) As(III) mẫu MC-1.0 51 2.5.3 Đánh giá khả tái sử dụng mẫu MC-1.0 53 2.6 Phân tích tính chất điện hố vật liệu ACN, ACN/SiO2 ACNMn 53 2.6.1 Chế tạo màng điện cực 53 2.6.2 Quy trình lắp tụ điện 54 2.6.3 Phương pháp qt vịng tuần hồn 55 2.6.4 Phương pháp đo phóng sạc dịng cố định 56 2.6.5 Phương pháp tổng trở điện hoá 56 2.7 Phân tích tính chất đặc trưng vật liệu 56 2.7.1 Nhiễu xạ tia X 56 2.7.2 Phổ tán sắc lượng tia X 57 2.7.3 Phổ hồng ngoại biến đổi Furier 57 2.7.4 Phổ tán xạ Raman 57 2.7.5 Hiển vi điện tử quét 58 2.7.6 Hiển vi điện tử truyền qua 58 2.7.7 Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 58 2.7.8 Xác định điểm điện tích khơng pHPZC 59 CHƯƠNG KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 61 3.1 Thành phần hoá học nguyên liệu rơm tro trấu 61 3.2 Kết trình điều chế BC 61 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 v 3.2.1 Ảnh hưởng tác nhân muối biến tính đến tính chất BC 61 3.2.2 Đánh giá khả hấp phụ MB mẫu BCZn 65 3.3 Kết trình điều chế MC 68 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch FeCl3 đến tính chất MC 68 3.3.2 Đánh giá khả hấp phụ MB, As(V) As(III) mẫu MC-1.0 73 3.4 Kết trình điều chế SiO2 83 3.5 Kết trình điều chế ACN 86 3.5.1 Ảnh hưởng lượng urea đến tính chất mẫu ACN 86 3.5.2 Khảo sát tính chất điện hố mẫu ACN 90 3.5.3 Khảo sát tính chất điện hố mẫu ACN/SiO2 94 3.6 Kết trình điều chế ACNMn 96 3.6.1 Ảnh hưởng tỉ lệ KMnO4 đến tính chất mẫu ACNMn 96 3.6.2 Khảo sát tính chất điện hố mẫu ACNMn 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 105 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT I Danh mục ký hiệu H Hiệu suất q trình chuyển hóa rơm thành than sinh học (%) mRS Khối lượng rơm thô ban đầu (g) mBC Khối lượng sản phẩm than sinh học thu (g) R Hiệu suất hấp phụ vật liệu thời điểm t (%) C0 Nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu (mg/L) Ct Nồng độ chất bị hấp phụ thời điểm t (mg/L) qt Dung lượng hấp phụ vật liệu thời điểm t (mg/g) qe Dung lượng hấp phụ cân (mg/g) qm Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) V Thể tích dung dịch (L) m Lượng chất hấp phụ (g) k1 Hằng số tốc độ biểu kiến bậc thời điểm t (phút−1) k2 Hằng số tốc độ biểu kiến bậc hai thời điểm t (g/(mg phút)) KL Hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) KF Hằng số hấp phụ Freundlich (mg/g (L/mg)1/n) 2 Phân tích Chi-bình phương phi tuyến tính qe,exp Dung lượng hấp phụ thực nghiệm (mg/g) qe,cal Dung lượng hấp phụ tính tốn (mg/g) ∆G0 Năng lượng tự Gibbs (kJ/mol) ∆H0 Biến thiên entanpy tiêu chuẩn (kJ/mol) ∆S0 Biến thiên entropy (J/mol K) KD Hằng số cân nhiệt động học (L/g) CCV Điện dung riêng tính theo CV (F/g) I Cường độ dòng điện (A) m Tổng khối lượng vật liệu điện cực (g)  Tốc độ quét (V/s) ∆V Hiệu điện (V) pHPZC Điểm điện tích khơng vật liệu SBET Diện tích bề mặt riêng (m2/g) luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 vii VP Thể tích lỗ xốp (cm3/g) DP Kích thước lỗ xốp (nm) II Danh mục từ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt HTC Hydrothermal Carbonization Carbon hóa thủy nhiệt BC Biochar Than sinh học MC Magnetic biochar Than sinh học từ tính AC Active carbon Than hoạt tính RS Rice straw Rơm MB Methylene blue Xanh metylen UV-Vis Ultra Violet-Visible Hấp thụ tử ngoại - khả kiến XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X EDX Energy-dispersive X-ray Tán sắc lượng tia X FTIR Fourier transform infrared Hồng ngoại biến đổi Fourier SEM Scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét TEM Transmission electron microscopy Hiển vi điện tử truyền qua BET Brunauer-Emmett-Teller Phân tích diện tích bề mặt VSM Vibrating sample magnetometer Từ kế mẫu rung EDLC Electronic Double Layer Capacitor Tụ điện lớp kép CV Cyclic Voltammetry Qt vịng tuần hồn GCD Galvanostatic charge-discharge Đo phóng sạc dịng cố định EIS Electrochemical Impedance Phổ tổng trở điện hóa Spectroscopy luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Danh sách hóa chất thí nghiệm 41 Bảng 3.1 Thành phần khối lượng nguyên tố sợi xơ rơm 61 Bảng 3.2 Thành phần khối lượng chất tro trấu 61 Bảng 3.3 Hiệu suất chuyển hóa hiệu suất hấp phụ RS mẫu BC 63 Bảng 3.4 Phân tích thành phần ngun tố thơng số bề mặt RS BCZn 63 Bảng 3.5 Các thông số động học hấp phụ MB BCZn 30 oC 66 Bảng 3.6 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ MB BCZn 67 Bảng 3.7 Các thông số bề mặt mẫu MC-0 MC-1.0 72 Bảng 3.8 Các thông số động học hấp phụ MB, As(V) As(III) MC-1.0 74 Bảng 3.9 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ MC-1.0 30 oC 77 Bảng 3.10 Bảng so sánh độ từ hoá dung lượng hấp phụ MC-1.0 78 Bảng 3.11 Các thông số nhiệt động hấp phụ MC-1.0 nhiệt độ khác 82 Bảng 3.12 Các thông số bề mặt mẫu ACN 88 Bảng 3.13 Các thông số bề mặt mẫu than biến tính đồng thời Mn N 99 Bảng 3.14 Phân tích thành phần nguyên tố mẫu than biến tính đồng thời Mn N100 Bảng 3.15 So sánh điện lượng riêng mẫu than điều chế với than biến tính khác 102 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 11 Phổ FTIR mẫu BCZn Phụ lục 12 Phổ FTIR mẫu BCNa Phụ lục 13 Phổ FTIR mẫu BCCa luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 14 Phổ FTIR mẫu AC Phụ lục 15 Phổ FTIR mẫu ACN-0.03 Phụ lục 16 Phổ FTIR mẫu ACN-0.05 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 17 Phổ FTIR mẫu ACN-0.07 Phụ lục 18 Phổ EDS mẫu AC Phụ lục 19 Phổ EDS mẫu ACN-0.05 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 20 Phổ EDS mẫu ACNMn-1:0.02 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 21 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu RS luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 22 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu BCZn luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 23 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu MC-1.0 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 24 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu MC-0 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 25 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu AC luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 26 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu ACN-0.03 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 27 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu ACN-0.05 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 28 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu ACN-0.07 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 29 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu ACNMn-1:0.01 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 30 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu ACNMn-1:0.02 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195 of 195 Phụ lục 31 Kết đo diện tích bề mặt riêng mẫu ACNMn-1:0.04 luan van, tai lieu, bao cao, tieu luan, Tìm kim mi, Ch tài liu mi ng of 195