Nghiên cứu tổng hợp glucomannan graphen oxit hydrogel và ứng dụng hấp phụ chất màu hữu cơ (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỪA TÂN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GLUCOMANNAN/GRAPHEN OXIT HYDROGEL VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU HỮU CƠ Chuyên ngành: Hóa hữu Demo Version -Mã Select.Pdf Số: 60 44 SDK 01 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN ĐÔNG TIẾN Thừa Thiên Huế, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu ghi luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố cơng trình khác Huế, tháng 11 năm 2018 Tác giả Lê Thừa Tân Demo Version - Select.Pdf SDK ii LỜI CẢM ƠN Đề tài thực Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ, Trường Đại học Khoa học Huế Để thực luận văn này, trước hết xin chân thành cám ơn TS Trần Đông Tiến, nhận tận tình hướng dẫn; xin trân trọng cám ơn ThS Lê Lâm Sơn, mơn Hóa hữu cơTrường ĐHKH Huế, người dành nhiều thời gian để hướng dẫn chu đáo trình thực nghiệm góp ý sâu sắc cho thảo luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu, q thầy giáo Khoa Hóa học, Phòng Đào tạo Sau đại học-Trường ĐHSP Huế; quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy Cao học Demo Version - Select.Pdf SDK Khóa XXV; q thầy giáo mơn Hóa hữu cơ-Trường ĐHKH Huế, người giúp tơi có kiến thức khoa học điều kiện thuận lợi để hồn thành cơng việc học tập, nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo quan, đồng nghiệp, gia đình, người thân bạn bè quan tâm, giúp đỡ động viên suốt thời gian học tập vừa qua Xin trân trọng cám ơn Tác giả Lê Thừa Tân iii MỤC LỤC Trang PHỤ BÌA i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CÁM ƠN iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn Demo Version - Select.Pdf SDK CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10 1.1 Tổng quan hydrogel 10 1.1.1 Khái niệm 10 1.1.2 Phân loại hydrogel 10 1.1.3 Tính chất hydrogel 11 1.2 Tổng quan GM 12 1.2.1 Cấu trúc hóa học GM 12 1.2.2 Tính chất vật lý 12 1.2.3 Tính chất hóa học 14 1.2.4 Ứng dụng GM dẫn xuất 14 1.3 Tổng quan GO 16 1.3.1 Graphen 16 1.3.2 GO 16 1.3.3 Các phương pháp tổng hợp GO 18 1.3.4 Đặc trưng GO 19 1.4 Vật liệu hydrogel GM/GO 20 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới nước 21 1.4.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO 22 1.4.3 Đặc trưng vật liệu hydrogel GM/GO 22 1.5 Lý thuyết hấp phụ 24 1.5.1 Hiện tượng hấp phụ 24 1.5.2 Phân loại trình hấp phụ 24 1.5.3 Dung lượng hấp phụ cân 25 1.5.4 Các mơ hình động học hấp phụ 25 1.5.5 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 27 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Nội dung nghiên cứu 29 2.2 Hóa chất 29 2.3 Phương pháp nghiên cứu 30 2.3.1 Phương pháp tinh chế GM 30 Demo Version - Select.Pdf SDK 2.3.2 Phương pháp tổng hợp GO 31 2.3.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO 33 2.3.4 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 33 2.3.5 Xác định hàm lượng metylen xanh, rodamin B, metyl da cam phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 39 2.3.6 Phương pháp xử lý số liệu 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Tinh chế GM 42 3.1.1 Độ ẩm 42 3.1.2 Hiệu suất tinh chế GM 43 3.1.3 Đặc trưng GM tinh chế 44 3.2 GO 45 3.2.1 Tổng hợp GO 45 3.2.2 Đặc trưng vật liệu GO 46 3.3 Vật liệu hydrogel GM/GO 47 3.3.1 Tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO 47 3.3.2 Tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO khảo sát yếu tố ảnh hưởng trình tổng hợp đến khả hấp phụ chất màu hữu 49 3.3.3 Đặc trưng vật liệu hydrogel GM/GO 54 3.4 Nghiên cứu trình hấp phụ chất màu hữu vật liệu hydrogel GM/GO 60 3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ metylen xanh rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO 60 3.4.2 Nghiên cứu động học trình hấp phụ xanh metylen rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO 61 3.4.3 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ trình hấp phụ xanh metylen rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC P1 Demo Version - Select.Pdf SDK DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐKTN Điều kiện thực nghiệm EDX Phổ tán sắc lượng tia X (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) GM Glucomannan GO Graphen oxit Hydrogel GM/GO Hydrogel glucomannan/graphen oxit KGM Konjac glucomannan NXB Nhà xuất PA SEM Pure analysis Demo Version - Select.Pdf SDK Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) TGA Phân tích nhiệt (Thermal Gravimetric Analysis) TLTK Tài liệu tham khảo XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tạo gel 13 Bảng 1.2 Tình hình nghiên cứu hydrogel GM/GO giới 21 Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng 29 Bảng 3.1 Độ ẩm GM ban đầu GM tinh chế 42 Bảng 3.2 Hiệu suất tinh chế GM 43 Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ vật liệu hydrogel GM/GO loại chất màu khác 49 Bảng 3.4 Dung lượng hấp phụ metylen xanh sau trình hấp phụ giá trị pH khác 60 Bảng 3.5 Dung lượng hấp phụ rodamin B sau trình hấp phụ giá trị pH khác 60 Bảng 3.6 Các thơng số phương trình động học bậc biểu kiến (A) bậc biểu kiến (B) metylen xanh rodamin B lên vật liệu hydrogel GM/GO 64 Bảng 3.7 Dung lượng hấp phụ dung dịch metylen xanh với nồng độ khác Demo Version - Select.Pdf SDK vật liệu hydrogel GM/GO 65 Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ dung dịch rodamin B với nồng độ khác vật liệu hydrogel GM/GO 66 Bảng 3.9 Các tham số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 67 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc mạch thẳng GM, với thành phần lặp lại G-G-M-M 12 Hình 1.2 Cấu trúc graphen 16 Hình 1.3 Cấu trúc đề xuất GO nhà nghiên cứu khác 17 Hình 1.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X graphit GO 19 Hình 1.5 Phổ FT-IR GO 20 Hình 1.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X GO, hydrogel KGM hydrogel KGM/GO 22 Hình 1.7 Ảnh SEM (a) hydrogel GM; (b) hydrogel GM/GO; (c) hình ảnh phóng đại hydrogel GM/GO 23 Hình 1.8 Phổ FT-IR GM, hydrogel GM hydrogel GM/GO 23 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tinh chế bột GM 30 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình tổng hợp GO từ graphit 31 Hình 2.3 Mơ tả q trình hình thành GO 32 Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO 33 Hình 2.5 Mơ hình phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 35 Demo Version - Select.Pdf SDK Hình 2.6 Mơ tả hình học định luật Bragg 36 Hình 3.1 Mẫu GM thương phẩm trước tinh chế (A); mẫu GM sau tinh chế (B) 43 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại GM tinh chế 44 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu GM tinh chế 45 Hình 3.4 Sản phẩm gia đoạn trình tổng hợp GO 45 Hình 3.5 Phổ FT-IR GO graphit 46 Hình 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu graphit GO 47 Hình 3.7 Mơ hình chế hình thành vật liệu hydrogel GM/GO 48 Hình 3.8 Vật liệu hydrogel GM/GO trước đông khô: (A), (B); sau đông khô: (C) 48 Hình 3.9 Dung lượng hấp phụ metylen xanh rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO với hàm lượng GO từ 0-15% 50 Hình 3.10 Dung lượng hấp phụ metylen xanh rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO nhiệt độ tổng hợp khác 52 Hình 3.11 Dung lượng hấp phụ metylen xanh rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO thời gian tổng hợp khác 53 Hình 3.12 Phổ FT-IR mẫu GM, GO hydrogel GM/GO 54 Hình 3.13 Phổ Raman mẫu GM, GO hydrogel GM/GO 55 Hình 3.14 Phổ EDX mẫu vật liệu hydrogel GM/GO 56 Hình 3.15 Giản đồ XRD mẫu vật liệu hydrogel GM/GO (15% GO) 56 Hình 3.16 Ảnh SEM với độ phóng đại 20,000 lần mẫu (A): hydrogel GM; (B): hydrogel GM/GO với 15% GO 57 Hình 3.17 Ảnh SEM với độ phóng đại 500 lần mẫu (A): hydrogel GM (B): hydrogrel GM/GO (15% GO) 57 Hình 3.18 Giản đồ phân tích nhiệt vật liệu GO, vật liệu GM vật liệu hydrogrel GM/GO 58 Hình 3.19 Giản đồ xác định pHi.e.p vật liệu hydrogrel GM/GO 59 Hình 3.20 Ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ metylen xanh rodamin B vật liệu hydrogrel GM/GO 61 Hình 3.21 Quét phổ UV-VIS (A) dung dịch rodamin B (B) dung dịch Version - Select.Pdf SDK metylen xanhDemo có nồng độ từ 2ppm – 10 ppm 62 Hình 3.22 Mối quan hệ dung lượng hấp phụ thời gian trình hấp phụ rodamin B metylen xanh 62 Hình 3.23 Động học hấp phụ metylen xanh lên vật liệu hydrogel GM/GO (A): theo mơ hình bậc biểu kiến (B): theo mơ hình bậc hai biểu kiến 63 Hình 3.24 Động học hấp phụ rodamin B lên vật liệu hydrogel GM/GO (A): theo mơ hình bậc biểu kiến (B): theo mơ hình bậc hai biểu kiến 64 Hình 3.25 Đồ thị phương trình đẳng nhiệt hấp phụ dạng tuyến tính metylen xanh vật liệu hydrogel GM/GO (A): Langmuir ; (B): Freundlich 66 Hình 3.26 Đồ thị phương trình đẳng nhiệt hấp phụ dạng tuyến tính rodamin B vật liệu hydrogel GM/GO (A): Langmuir ; (B): Freundlich 67 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, nhóm sản phẩm điển hình polyme thơng minh nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ hydrogel Hydrogel polyme với cấu trúc mạng lưới ba chiều có khả hấp thu lượng nước chất lỏng lớn gấp nhiều lần khối lượng trương mơi trường mà trì cấu trúc ban đầu Do đặc tính cấu trúc đặc biệt nó, hydrogel nghiên cứu rộng rãi sử dụng việc hấp phụ chất gây ô nhiễm, phân phối thuốc, phân tách vật liệu, lọc nước,…[68; 92] Chất ô nhiễm từ ngành công nghiệp dệt, giấy, nhựa, cao su, mỹ phẩm thực phẩm khơng có biện pháp xử lý hiệu gây tổn hại đến mơi trường, lồi sinh vật hệ sinh thái toàn cầu [20; 28] Thuốc nhuộm hữu sử dụng rộng rải nhiều ngành công nghiệp chúng chất gây ô nhiễm hữu nguy hiểm [20] Khoảng 10-15% thuốc nhuộm từ ngành công nghiệp dệt may bị xả vào môi trường năm [64] hầu hất thuốc nhuộm Demo - Select.Pdf SDK chất độc hại có Version khả gây ung thư [66] Do đó, việc loại bỏ thuốc nhuộm từ chất thải ngành công nghiệp vấn đề nhà khoa học quan tâm Đã có nhiều nỗ lực để loại bỏ ô nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải bao gồm nhiều phương pháp vật lý, hóa học sinh học [40] Nhiều vật liệu chứa chất hấp phụ tự nhiên nhân tạo nghiên cứu phát triển nhiều năm qua [19], vật liệu hấp phụ phổ biến than hoạt tính, cacbon nano ống, zeolit, graphen, loại polyme, loại hydrogel [29; 51; 54; 63; 70; 87; 94] Trong số polyme để sản xuất hydrogel polysaccarit nhận nhiều quan tâm chúng thân thiện với môi trường, có có khả phân hủy phong phú tự nhiên Một số polysaccarit tự nhiên glucomannan (GM), chiết xuất từ loài Amorphophallus [8] Trong năm trở lại đây, graphen graphen oxit (GO) nghiên cứu rộng rãi việc chế tạo vật liệu hydrogel polyme GO với khả hấp phụ cao [38; 88] Trên giới, có số cơng trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO ứng dụng Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu Riêng Việt Nam, chúng tơi chưa tìm thấy cơng trình liên quan đến tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO ứng dụng hấp phụ chất màu hữu Trên sở tổng quan tài liệu, nhận thấy hướng nghiên cứu tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO, tổng hợp hydrogel GM ứng dụng vào lĩnh hấp phụ chất màu hữu Việt Nam, hướng nghiên cứu cần thiết, có ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn Vì chúng tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp glucomannan/graphen oxit hydrogel ứng dụng hấp phụ chất màu hữu cơ” Mục đích nghiên cứu Tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO có khả hấp phụ chất màu hữu Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu hydrogel GM/GO - Quá trình hấp phụ chất màu hữu Phương pháp nghiên cứu - Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tổng quan tài liệu Demopháp Version SDK - Các phương tách và- Select.Pdf tinh chế hợp chất hữu - Các phương pháp tổng hợp vật liệu - Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu (EDX, FT-IR, SEM, TGA, XRD, ) - Các phương pháp nghiên cứu động học trình hấp phụ; phương pháp đo quang (UV-Vis) Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung luận văn gồm có chương: Chương 1: Tổng quan lý thuyết hydrogel, GM, graphen GO, vật liệu hydrogel GM/GO lý thuyết hấp phụ có liên quan đến nội dung nghiên cứu Chương 2: Xác định nội dung nghiên cứu; trình bày hóa chất, thiết bị phương pháp thực nghiệm để thực nội dung nghiên cứu Chương 3: Trình bày kết nghiên cứu thảo luận CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan hydrogel 1.1.1 Khái niệm Hydrogel định nghĩa polyme ưa nước có cấu trúc khơng gian ba chiều, có khả trương nước mà khơng tan Trên quan điểm tính chất lưu biến, hydrogel định nghĩa polyme khâu mạch có tính chất nhớt đàn hồi đàn hồi túy Khả trương hydrogel lớn, chúng hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khơ chúng Tính chất hấp thụ nước hydrogel khiến chúng trở nên có ích lĩnh vực [27]: vận chuyển thuốc, tách protein, công nghệ tế bào xúc tác [7] 1.1.2 Phân loại hydrogel Quá trình khâu mạch đặc biệt quan trọng để trì cấu trúc mạng lưới hydrogel, ngăn cản q trình hòa tan mạch ưa nước Dựa kiểu khâu mạch có cách phân loại hydrogel: hydrogel khâu mạch vật lý, hydrogel khâu mạch hóa học [7; 41] Demo Select.Pdf SDKmạch loại hydrogel Hydrogel khâuVersion mạch vật -lý: Quá trình khâu lực hấp dẫn phi hóa trị mạch polyme Những lực thường tương tác ion kỵ nước Hydrogel khâu mạch hóa học: hydrogel loại bền so với hydrogel khâu mạch vật lí liên kết ngang tạo thành liên kết cộng hóa trị [53] Hydrogel tạo thành cách khâu mạch thường có cấu trúc ổn định trừ yếu tố không bền đưa vào cách có chủ ý mạng lưới Gel khâu mạch hóa học chủ yếu tạo thành q trình trùng hợp monomer có mặt tác nhân khâu mạch Hydrogel tạo thành q trình khâu mạch nhóm chức khác mạch polyme Các polyme chứa nhóm hydroxyl, amin hay hydrazit khâu mạch sử dụng tác nhân tạo liên kết thích hợp Căn vào kích thước, người ta phân biệt macrogel microgel Macrogel gel có 10 ... tài: Nghiên cứu tổng hợp glucomannan/ graphen oxit hydrogel ứng dụng hấp phụ chất màu hữu cơ Mục đích nghiên cứu Tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO có khả hấp phụ chất màu hữu Đối tượng nghiên cứu. .. quan tài liệu, nhận thấy hướng nghiên cứu tổng hợp vật liệu hydrogel GM/GO, tổng hợp hydrogel GM ứng dụng vào lĩnh hấp phụ chất màu hữu Việt Nam, hướng nghiên cứu cần thiết, có ý nghĩa mặt khoa... tổng hợp đến khả hấp phụ chất màu hữu 49 3.3.3 Đặc trưng vật liệu hydrogel GM/GO 54 3.4 Nghiên cứu trình hấp phụ chất màu hữu vật liệu hydrogel GM/GO 60 3.4.1 Nghiên cứu