Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và tính chất hấp phụ chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước của vật liệu cacbon mao quản trung bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THỊ HỒNG HOA NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THỊ HỒNG HOA NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đặng Tuyết Phương TS Trần Thị Kim Hoa Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS Đặng Tuyết Phương TS Trần Thị Kim Hoa không trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết luận án trung thực, chưa công bố tạp chí đến thời điểm ngồi cơng trình tác giả Hà Nội, ngày… tháng… năm 2019 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng Hoa ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, cảm phục kính trọng tới PGS TS Đặng Tuyết Phương TS Trần Thị Kim Hoa – người Thầy tận tâm hướng dẫn khoa học, định hướng nghiên cứu để luận án hoàn thành, động viên khích lệ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa học, Học viện Khoa học Cơng nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam cán Viện, Học viện quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, nhân viên phòng Hóa học Bề mặt Viện Hóa học ln giúp đỡ, ủng hộ tạo điều kiện tốt đóng góp chun mơn cho tơi suốt q trình thực bảo vệ luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, lãnh đạo Khoa Hóa học đồng nghiệp Khoa Hóa học tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè ln quan tâm, khích lệ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực luận án Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng Hoa iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.1.1 Vật liệu cacbon 1.1.2 Vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.1.2.1 Giới thiệu 1.1.2.2 Ứng dụng 1.2 Phương pháp tổng hợp 1.2.1 Tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.2.1.1 Phương pháp khuôn mẫu mềm 1.2.1.2 Phương pháp khuôn mẫu cứng 18 1.2.2 Tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình chứa kim loại 23 1.2.2.1 Phương pháp trực tiếp 23 1.2.2.2 Phương pháp gián tiếp 23 1.3 Tính chất hấp phụ 25 1.3.1 Hấp phụ môi trường nước 25 1.3.2 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 31 1.3.3 Động học trình hấp phụ 33 1.3.4 Năng lượng tự tiêu chuẩn 36 1.3.5 Tình hình sử dụng vật liệu cacbon mao quản trung bình lĩnh vực hấp phụ 37 1.4 Những kết luận rút từ tổng quan 42 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 44 2.1 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm 44 2.1.1 Hóa chất 44 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 44 iv 2.2 Tổng hợp vật liệu 45 2.2.1 Tổng hợp cacbon mao quản trung bình 45 2.2.1.1 Phương pháp khuôn mẫu mềm 45 2.2.1.2 Phương pháp khuôn mẫu cứng 47 2.2.2 Tổng hợp cacbon mao quản trung bình chứa sắt 48 2.2.2.1 Phương pháp tẩm 48 2.2.2.2 Phương pháp cấy ghép nguyên tử 48 2.3 Phương pháp đặc trưng 50 2.3.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 50 2.3.2 Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (BET) 51 2.3.3 Hiển vi điện tử (SEM, TEM) 55 2.3.4 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 55 2.3.5 Phân tích nhiệt (TA) 56 2.3.6 Phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier (FTIR) 56 2.3.7 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 57 2.4 Phương pháp xác định điểm đẳng điện cacbon mao quản trung bình 57 2.5 Phương pháp xác định tính chất hấp phụ 58 2.5.1 Đánh giá khả hấp phụ 58 2.5.1.1 Thực nghiệm 58 2.5.1.2 Xác định khả hấp phụ vật liệu 58 2.5.1.3 Thiết lập mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 58 2.5.1.4 Thiết lập mơ hình động học hấp phụ 59 2.5.1.5 Xác định lượng tự tiêu chuẩn 59 2.5.2 Phổ hấp phụ tử ngoại khả kiến (UV – Vis) 59 2.6 Phương pháp đánh giá khả tái sử dụng vật liệu 60 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 61 3.1 Tổng hợp cacbon mao quản trung bình 61 3.1.1 Phương pháp khuôn mẫu mềm 61 3.1.1.1 Nhiệt độ 61 3.1.1.2 pH 65 3.1.2 Phương pháp khuôn mẫu cứng 68 3.1.2.1 Chất tạo cấu trúc 68 v 3.1.2.2 Lượng (số lần tẩm) nguồn cacbon 72 3.1.2.3 Điều khiển kích thước mao quản 74 3.2 Tổng hợp cacbon mao quản trung bình chứa sắt 83 3.2.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 83 3.2.2 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 85 3.2.3 Phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier (FTIR) 85 3.2.4 Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ Nitơ (BET) 86 3.2.5 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 87 3.2.6 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 88 3.3 Đánh giá khả hấp phụ cacbon mao quản trung bình 90 3.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng 90 3.3.1.1 Chất bị hấp phụ 90 3.3.1.2 Nồng độ MB ban đầu 92 3.3.1.3 pH dung dịch MB 93 3.3.2 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 94 3.3.2.1 Thiết lập mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 94 3.3.2.2 Thiết lập mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 96 3.3.3 Nghiên cứu động học hấp phụ 98 3.3.3.1 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc 98 3.3.3.2 Mơ hình động học hấp phụ biểu kiến bậc 99 3.3.3.3 Mơ hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai 101 3.3.3.4 Động học khuếch tán Weber – Morris 103 3.3.4 Xác định lượng tự tiêu chuẩn 104 3.4 Đánh giá khả hấp phụ cacbon mao quản trung bình chứa sắt 105 3.4.1 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 105 3.4.1.1 Thiết lập mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 105 3.4.1.2 Thiết lập mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 107 3.4.2 Nghiên cứu động học hấp phụ 109 3.4.2.1 Mơ hình động học hấp phụ biểu kiến bậc 109 3.4.2.2 Mơ hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai 110 3.4.2.3 Động học khuếch tán Weber – Morris 112 3.4.3 Năng lượng tự tiêu chuẩn 113 vi 3.5 Đánh giá khả tái sinh cacbon mao quản trung bình 114 3.6 Bước đầu đánh giá khả xúc tác cacbon mao quản trung bình chứa sắt 117 KẾT LUẬN 119 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 121 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU BET Brunauer - Emmett - Teller (BET) CMQTB Cacbon mao quản trung bình CNTs Carbon nanotubes (Ống nano cacbon) D Kích thước mao quản trung bình EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán xạ lượng tia X) EISA Evaporation induced self- assembly (Tự lắp ráp cách bay hơi) FTIR Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourie) F127 Copolime khối PEO106PPO70PEO106 IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry MB Methylene Blue (Xanh metylen) MCF Mesocellular foam MCK Loại vật liệu cacbon mao quản trung bình MCM Mobile composition of matter MQTB Mao quản trung bình OMC Ordered mesoporous cacbon (Cacbon mao quản trung bình trật tự) P123 Copolime khối (PEO)20(PPO)70(PEO)20 qe, cal Dung lượng hấp phụ cân tính tốn theo phương trình động học qe, exp Dung lượng hấp phụ cân theo thực nghiệm qm Dung lượng hấp phụ cực đại tính theo Langmuir SBET Diện tích bề mặt tính theo phương pháp BET TA Thermal analysis (Phân tích nhiệt) TEM Transmission electron microscopy (Hiển vi điện tử truyền qua) TEOS Tetraethyl orthorsilicate UV-Vis Ultraviolet – visible spectroscopy (Phổ tử ngoại - khả kiến) Vpore Thể tích mao quản XRD X-Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) XPS X-ray photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số vật liệu CMQTB Bảng 1.2 Những đặc điểm khác Novolac Resol [21] 11 Bảng 1.3 Thơng số đặc trưng cho tính chất xốp vật liệu CMQTB thu với nhiệt độ cacbon hóa khác [54] 14 Bảng 1.4 Thông số đặc trưng cho tính chất xốp vật liệu CMQTB với tỷ lệ chất hoạt động bề mặt / nguồn cacbon khác [58] 17 Bảng 1.5 Thơng số đặc trưng cho tính chất xốp SBA-15 CMQTB tổng hợp từ nguồn cacbon glixerol saccarozơ [19] 22 Bảng 1.6 Đẳng nhiệt hấp phụ động học hấp phụ xanh metylen chất hấp phụ khác 27 Bảng 1.7 Đẳng nhiệt hấp phụ động học hấp phụ chất hấp phụ CMQTB 28 Bảng 1.8 Mối tương quan RL dạng mơ hình đẳng nhiệt [96], [97] 32 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất dùng luận án 44 Bảng 2.2 Kí hiệu mẫu tổng hợp 49 Bảng 3.1 Thông số đặc trưng cho tính chất xốp CMQTB tổng hợp nhiệt độ khác 63 Bảng 3.2 Thơng số đặc trưng cho tính chất xốp vật liệu CMQTBM1, CMQTBM2, CMQTBM3 66 Bảng 3.3 Thơng số đặc trưng cho tính chất xốp CMQTBC(SBA-15) CMQTBC(MCF) 70 Bảng 3.4 Thông số đặc trưng cho tính chất xốp SBA-15, CMQTBC1(SBA-15), CMQTBC2(SBA-15), CMQTBC3(SBA-15) 74 Bảng 3.5 Thơng số đặc trưng cho tính chất xốp SBA-15, CMQTBC(SBA-15) CMQTBC(TTL) 76 Bảng 3.6 Thông số đặc trưng cho tính chất xốp SBA-15, SBA-15(TTL), C-SiO2, C3, CMQTBC(TTL) C5 79 Bảng 3.7 Thông số đặc trưng cho tính chất xốp CMQTBC(SBA15), CMQTBC(MCF) CMQTBC(TTL) 82 Bảng 3.8 Thành phần phần trăm khối lượng nguyên tố Fe-tCMQTBC(TTL) Fe-b-CMQTBC(TTL) 88 Bảng 3.9 Đặc điểm hai chất bị hấp phụ 92 2-Theta - Scale File: Noname OMC-MCF.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.5 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: Phổ XRD CMQTBC(TTL) Lin (Cps) 4000 3000 2000 0 0 0.5 10 2-Theta - Scale File: Hoa OMC22.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.5 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 mm Operations: Smooth 0.030 | Import Phổ XRD Fe-t-CMQTBC(TTL) Lin (Cps) Lin (Cps) 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta Scale File: Noname Fe-5OMCgoclon.raw Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2Theta: 10.000 ° Theta: 5.000 ° Chi: 0.00 ° - Phi: Phổ XRD Fe-b-CMQTBC(TTL) Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - 1000 900 800 700 Lin (Cps) 600 500 400 300 200 100 0.5 10 2-Theta - Scale File: ManhDHMo M1-SEP18.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: 16 s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - 100 90 d=2.697 80 70 d=3.679 40 d=1.486 d=1.843 20 d=1.597 30 d=1.451 d=1.694 d=2.519 50 d=3.047 Lin (Cps) 60 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: ManhDHMo 2-SEP.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° 00-033-0664 (*) - Hematite, syn - Fe2O3 - Y: 70.65 % - d x by: - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 5.03560 - b 5.03560 - c 13.74890 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - - 301.926 - I/I 80 Kết chụp BET mẫu CMQTBM Kết chụp BET mẫu CMQTBC(SBA-15) Kết chụp BET mẫu CMQTBC(MCF) Kết chụp BET mẫu CMQTBC(TTL) Kết chụp BET mẫu Fe-t-CMQTBC(TTL) Kết chụp BET mẫu Fe-b-CMQTBC(TTL) Phổ FTIR mẫu CMQTBC(TTL) Phổ FTIR mẫu Fe-t-CMQTBC(TTL) Phổ FTIR mẫu Fe-b-CMQTBC(TTL) Phổ XPS mẫu CMQTBC(TTL) Phổ XPS mẫu Fe-t-CMQTBC(TTL) Phổ XPS mẫu Fe-b-CMQTBC(TTL) ... vật liệu CMQTB cách hiệu khả thi vấn đề cần nghiên cứu Từ lý trên, đề tài luận án Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng tính chất hấp phụ chất hữu độc hại môi trường nước vật liệu cacbon mao quản trung. .. yếu mao quản trung bình (kích thước mao quản 2-50 nm), phân bố cách trật tự Do đó, họ vật liệu cacbon tổng hợp có tên vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.1.2 Vật liệu cacbon mao quản trung bình. .. thiệu Vật liệu cacbon quản trung bình (CMQTB) cách gọi tương đối cho mao họ vật liệu có cấu trúc tự, mao quản chủ yếu mao quản trung bình có trật chất cacbon Năm 1999, vật liệu CMQTB trật tự tổng