Tổng hợp vật liệu 3D Graphene Aerogel ứng dụng hấp phụ dầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC & MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP VẬT LIỆU 3D GRAPHENE AEROGEL ỨNG DỤNG HẤP PHỤ DẦU NGUYỄN MAI QUANG HUY ĐỒNG NAI, THÁNG 12/2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC & MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP VẬT LIỆU 3D GRAPHENE AEROGEL ỨNG DỤNG HẤP PHỤ DẦU Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MAI QUANG HUY Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Hiếu TS Nguyễn Huỳnh Bạch Sơn Long ĐỒNG NAI, THÁNG 12/2017 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt để tài nghiên cứu khoa học này, bên cạnh trình cố gắng thân, tác giả nhận giúp đỡ thầy cơ, gia đình bạn bè Đối với tác giả, kỉ niệm đẹp đọng lại thời sinh viên kí ức khó phai cho sống sau Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Hữu Hiếu, người hướng dẫn tác giả bước đầu nghiên cứu khoa học, khơi gợi cho tác giả lòng đam mê nghiên cứu, động viên tinh thần giúp tác giả hoàn thành nghiên cứu Tác giả xin cảm ơn quý Thầy Cô trường Đại học Lạc Hồng, đặc biệt quý Thầy Cô khoa Kỹ thuật hóa học mơi trường giảng dạy, truyền đạt cho tác giả kiến thức quý báu bốn năm qua Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc đến gia đình, bạn bè, người thân tác giả động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả suốt trình thực nghiên cứu khoa học Biên Hòa, ngày 18 tháng 11 năm 2017 Sinh viên thực Nguyễn Mai Quang Huy MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH i DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .iv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Graphite 1.2 Graphene oxit 1.2.1 Các phương pháp tổng hợp GO 1.3 Graphene 1.4 Aerogel 1.5 Graphene aerogel 1.5.1 Tính chất GA 1.5.2 Các phương pháp tổng hợp GA 1.5.3 Các phương pháp sấy GH 11 1.5.3.2 Phương pháp sấy thăng hoa 12 1.5.4 Ứng dụng GA 13 1.6 Quá trình hấp phụ 14 1.6.1 Khái niệm 14 1.6.2 Cơ chế hấp phụ dầu GA 14 1.7 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 15 1.7.1 Ngoài nước 15 1.7.2 Trong nước 15 1.8 Tính cấp thiết đề tài 16 1.9 Mục tiêu nghiên cứu 16 1.10 Nội dung nghiên cứu 16 1.11 Phương pháp nghiên cứu 16 1.11.1 Tổng hợp vật liệu GA 16 1.11.2 Các phương pháp phân tích đặc tính, hình thái cấu trúc vật liệu 17 1.11.2.1 Khối lượng riêng 17 1.11.2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffaction – XRD) 17 1.11.2.3 Phương phá p đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ N2 (BET) 17 1.11.2.4 Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM) 19 1.11.2.5 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 20 1.11.2.6 Phổ Raman 20 1.12 Khảo sát khả hấp phụ dầu 21 CHƯƠNG : THỰC NGHIỆM 22 2.1 Hoá chất, dụng cụ địa điểm 22 2.1.1 Hóa chất 22 2.1.2 Dụng cụ 22 2.1.3 Địa điểm thực 22 2.2 Tổng hợp vật liệu GA 22 2.2.1 Tổng hợp GO từ Gi 22 2.2.2 Tổng hợp GA từ GO 24 2.2.2.1 Tác nhân khử EDA 24 2.2.2.2 Tác nhân khử vitamin C 25 2.3 Khảo sát đặc tính, hình thái cấu trúc vật liệu GA 26 2.3.1 Khối lượng riêng 26 2.3.2 Giản đồ XRD 26 2.3.3 Diện tích bề mặt riêng 26 2.3.4 Ảnh FE-SEM 26 2.3.5 Phổ FTIR 26 2.3.6 Phổ Raman 27 2.4 Khảo sát khả hấp phụ dầu GA 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 28 3.1 Khối lượng riêng 28 3.2 Giản đồ XRD 29 3.3 Diện tích bề mặt riêng thể tích lỗ xốp 30 3.4 Ảnh FE-SEM 31 3.5 Phổ FTIR 33 3.6 Phổ Raman 34 3.7 Khả hấp phụ dầu 35 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC i DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể graphite Hình 1.2: Cấu trúc GO theo Left – Klinowski Hình 1.3: Cấu trúc graphene Hình 1.4: Một số dạng thù hình cacbon lai hóa sp2: cầu fullerene 0D, ống nano cacbon 1D, graphene 2D graphene aerogel 3D Hình 1.5: Graphene aerogel Hình 1.6: Quy trình tổng hợp GA phương pháp thủy nhiệt Hình 1.7: Cơ chế khử nhóm epoxy diol vitamin C Hình 1.8: Cơ chế khử nhóm chức chứa oxy EDA Hình 1.9: Cơ chế khử nhóm nhóm chức chứa oxy glutathione Hình 1.10: Cơ chế hình thành GH sử dụng L-Cys làm chất khử 10 Hình 1.11: Giản đồ pha lưu chất 10 Hình 1.12: Sự hình thành cấu trúc xốp 3D theo hai cách sấy khác 12 Hình 1.13: Sự chuyển đổi gel-sol môi trường pH khác GO/PVA hydrogel 13 Hình 1.14: Cơ chế hấp phụ GA 14 Hình 1.15: Sự cố tràn dầu Quảng Ngãi Quy Nhơn năm 2013 15 Hình 1.16: Nguyên lý nhiễu xạ tia X 16 Hình 1.17: Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại IUPAC 18 Hình 1.18: Nguyên lý hoạt động máy đo FTIR 19 Hình 1.19: Nguyên lý quang phổ Raman 20 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp GO 23 Hình 2.2: Quy trình tổng hợp GA−EDA 24 Hình 2.3: Quy trình tổng hợp GA−VC 25 Hình 3.1: Cơng đoạn qui trình chế tạo GA ảnh 28 Hình 3.2: Kích thước khối lượng cùa GA 28 Hình 3.3 Giản đồ XRD Gi, GO, GA−EDA GA−VC 30 Hình 3.4: Kết phân bố kích thước lỗ xốp cấu trúc GA 30 Hình 3.5: Ảnh FE-SEM GA-EDA với độ phóng đại khác 32 ii Hình 3.6: Ảnh FE-SEM GA-VC với độ phóng đại khác 33 Hình 3.7 Phổ FTIR Gi, GO, GA−EDA GA−VC 34 Hình 3.8: Phổ Raman GO, GA−EDA GA−VC 35 Hình 3.9: Dầu nhờn mặt nước hấp phụ hoàn toàn giây 35 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Khối lượng riêng khả hấp phụ với tác nhân khử khác Bảng 2.1: Các hoá chất sử dụng 22 Bảng 2.2: Kí hiệu mẫu với nồng độ EDA khác 25 Bảng 2.3: Kí hiệu mẫu với tỉ lệ GO/VC khác 26 Bảng 3.1: So sánh khối lượng riêng vật liệu GA 29 Bảng 3.2: so sánh diện tích bề mặt riêng thể tích lổ xốp GA 31 Bảng 3.3: Khả hấp phụ mẫu GA với dầu thô dầu nhờn 36 Bảng 3.4: Khả hấp phụ số vật liệu 37 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Gi graphite GO graphene oxide Ge graphene GH graphene hydrogel GA graphene aerogel RF resorcinol-formaldehyde EDA etylenediamine PVA poly(vinyl alcohol) PSS poly(styrene sulfonate) CPD critical point drying PS poly styrene MF melemine formaldehyde XRD X-ray diffraction BET Brunauer - Emnet - Teller BJH Barrett - Joyner - Halenda TGA thermalgravimetric analysis Tiếng Việt Nhiễu xạ tia X Phân tích nhiệt trọng lượng FE-SEM field emission scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao FTIR Fourier transform infrared spectroscopy Phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier LỜI MỞ ĐẦU Từ phát đến nay, dầu mỏ nguồn nguyên liệu vô quý giá Việt Nam Ngày nay, sản phẩm dầu mỏ có mặt hầu hết lĩnh vực đời sống sinh hoạt ngày người cơng nghiệp Do đó, cơng đoạn khai thác vận chuyển dầu thô ngày tăng theo phát triển chung kéo theo nguy tràn dầu lớn Thực tế cho thấy cố tràn dầu liên tiếp xảy năm gần Ví dụ, cố tràn dầu biển Quy Nhơn đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) năm 2013, cố tràn dầu sau lũ quét Quy Nhơn năm 2016 hàng chục cố nhỏ lẻ khác nước ngành dầu khí Đứng trước nguy này, việc nghiên cứu công nghệ ứng cứu với cố tràn dầu vấn đề có tính cấp bách quan trọng Việt Nam Thế Giới Để khắc phục cố tràn dầu biển người tìm cách xử lý chúng nhiều phương pháp xử lý đời sử dụng phao quây xa bờ, phao quây gần bờ, sử dụng thiết bị kiểu đập hút chân không, hấp phụ… Hấp phụ phương pháp thích hợp dầu thu hồi, hiệu suất xử lý cao, chi phí sản xuất thấp, vận hành đơn giản đảm bảo tiêu môi trường đề Một số vật liệu hấp phụ để khắc phục cố tràn dầu đất sét, len thuỷ tinh có khả hấp phụ thấp Graphene aerogel (GA) vật liệu xốp có cấu trúc 3D gồm lớp Ge tự lắp ráp với qua xem phủ π-π, tương tác Van der Waals tương tác với qua liên kết ion, liên kết lưỡng tính với hỗ trợ chất kết dính GA tổng hợp cách khử graphene oxit với số tác nhân khử vitamin C, Etylenediamine (EDA), NH3, ion kim loại, glutathione Dựa vào tính chất phương pháp tổng hợp, GA hứa hẹn vật liệu khắc phục cố tràn dầu hiệu cao không gây hại cho mơi trường Phụ lục Các diện tích bề mặt riêng thể tích lỗ xốp GA Phụ lục 3.1a: Thể tích lỗ xốp GA-VC-1:2 Phụ lục 3.1b: Đường hấp phụ-giải hấp phụ GA-VC-1:2 Phụ lục 3.1c: Diện tích bề mặt riêng GA-VC-1:2 Phụ lục 3.2a: Thể tích lỗ xốp GA-VC-1:3 Phụ lục 3.2b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-VC-1:3 Phụ lục 3.2c: Diện tích bề mặt riêng GA-VC-1:3 Phụ lục 3.3a: Thể tích lỗ xốp GA-VC-1:4 Phụ lục 3.3b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-VC-1:4 Phụ lục 3.3c: Diện tích bề mặt riêng GA-VC-1:4 Phụ lục 3.4a: Thể tích lỗ xốp GA-VC-1:5 Phụ lục 3.4b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-VC-1:5 Phụ lục 3.4c: Diện tích bề mặt riêng GA-VC-1:5 Phụ lục 3.5a: Thể tích lỗ xốp GA-EDA15 Phụ lục 3.5b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-EDA15 Phụ lục 3.5c: Diện tích bề mặt riêng GA-EDA15 Phụ lục 3.6a: Thể tích lỗ xốp GA-EDA30 Phụ lục 3.6b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-EDA30 Phụ lục 3.6c: Diện tích bề mặt riêng GA-EDA30 Phụ lục 3.7a: Thể tích lỗ xốp GA-EDA45 Phụ lục 3.7b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-EDA45 Phụ lục 3.7c: Diện tích bề mặt riêng GA-EDA45 Phụ lục 3.8a: Thể tích lỗ xốp GA-EDA60 Phụ lục 3.8b: Đường hấp phụ-nhả hấp phụ GA-EDA60 Phụ lục 3.8c: Diện tích bề mặt riêng GA-EDA60 Phụ lục 4: Các kết phổ FTIR Phụ lục 4.1: Phổ FTIR GO Phụ lục 4.2: Phổ FTIR GA-VC Phụ lục 4.3: Phổ FTIR GA-EDA Phụ lục 5: Các kết phổ Raman Phụ lục 5.1: Phổ Raman GO Phụ lục 5.2: Phổ Raman GA-VC Phụ lục 5.3: Phổ Raman GA-EDA ... mặt chất bị hấp phụ như: ion, nguyên tử, phân tử [1]… Hấp phụ phân làm loại: hấp phụ vật lí hấp phụ hố học Trong hấp phụ vật lý, chất hấp phụ tương tác với bề mặt chất bị hấp phụ lực vật lý ( lực... bảo tiêu môi trường đề Một số vật liệu hấp phụ để khắc phục cố tràn dầu đất sét, len thuỷ tinh có khả hấp phụ thấp Graphene aerogel (GA) vật liệu xốp có cấu trúc 3D gồm lớp Ge tự lắp ráp với qua... 2: Khảo sát khả hấp phụ dầu thô dầu nhớt vật liệu GA 1.11 Phương pháp nghiên cứu 1.11.1 Tổng hợp vật liệu GA - Tổng hợp GO từ Gi theo phương pháp Hummers cải biên [2] - Tổng hợp GH từ GO phương