Ảnh hưởng của nồng độ GO đến tính chất và khả năng hấp thụ các kim loại nặng của vật liệu nano lai GO fe3o4

NGUYỄN THỊ THU THẢO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ THU THẢO VẬT LÝ KỸ THUẬT ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ GO ĐẾN TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC KIM LOẠI NẶNG CỦA VẬT LIỆU NANO LAI GO/Fe3O4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Khoa học Công nghệ nano 2017 - 2019 Hà Nội – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THU THẢO ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ GO ĐẾN TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA VẬT LIỆU NANO LAI GO/Fe 3O4 Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Khoa học Công nghệ nano NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thị Lan Hà Nội – Năm 2019 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Những kết số liệu luận văn chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc nhà trƣờng cam đoan HVCH Nguyễn Thị Thu Thảo Nguyễn Thị Thu Thảo i Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, em xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Lan – Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Cơ ngƣời tận tình hƣớng dẫn em, ln định hƣớng, góp ý suốt q trình học tập nghiên cứu để giúp em hoàn thành tốt việc Cô tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian thực luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy cô Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em học tập thực tốt công việc nghiên cứu đề tài Chúng tơi cảm ơn hỗ trợ từ Phịng thí nghiệm Hiển vi điện tử Vi phân tích (BKEMMA), Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) cho phép đo hệ SEM Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ngƣời bên em, quan tâm, động viên, giúp đỡ để em hoàn thành tốt luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Nội dung nghiên cứu nằm khuôn khổ thực đề tài NAFOSTED mã số 103.02-2017.357 Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2019 HVCH Nguyễn Thị Thu Thảo Nguyễn Thị Thu Thảo ii Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tính chất 1.1.1 Vật liệu sắt từ Fe3O4 1.1.2 Vật liệu Graphene oxit (GO) 1.1.3 Vật liệu lai GO/Fe3O4 11 1.2 Phƣơng pháp tổng hợp 12 1.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp hạt nano Fe3O4 12 1.2.2 Phƣơng pháp tổng hợp Graphene oxit (GO) 13 1.2.3 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu GO/Fe3O4 17 1.3 Một số ứng dụng 17 1.3.1 Ứng dụng hạt nano Fe3O4 17 1.3.2 Ứng dụng Graphene oxit 18 1.3.3 Ứng dụng vật liệu nano lai GO/Fe3O4 18 1.4 Các khái niệm hấp phụ 20 1.4.1 Khái niệm 20 1.4.2 Hấp phụ vật lý 20 Nguyễn Thị Thu Thảo iii Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Cơng nghệ 1.4.3 Hấp phụ hóa học 21 1.4.4 Cân hấp phụ 21 1.4.5 Hiệu suất hấp phụ 22 1.4.6 Dung lƣợng hấp phụ cân 22 1.4.7 Động học hấp phụ 22 1.4.8 Các mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 23 1.4.9 Asen số phƣơng pháp xử lý ô nhiễm Asen 25 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Thiết bị, hóa chất 29 2.1.1 Thiết bị dụng cụ 29 2.1.2 Hóa chất 29 2.2 Tổng hợp vật liệu 29 2.2.1 Tổng hợp graphene oxit từ graphite 29 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nano lai GO/Fe3O4 30 2.2.3 Quy trình hấp phụ Asen 31 2.3 Các phƣơng pháp phân tích 32 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 32 2.3.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua 33 2.3.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét phân giải cao 34 2.3.4 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 35 2.3.5 Phƣơng pháp đo từ kế mẫu rung 35 2.3.6 Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử 36 2.3.7 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ – khử hấp phụ nitơ 37 2.3.8 Phƣơng pháp quang phổ Raman 38 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Khảo sát cấu trúc hình thái vật liệu GO/Fe3O4 40 3.1.1.Cấu trúc vật liệu nano lai GO/Fe3O4 40 3.1.2 Hình thái vật liệu nano lai GO/Fe3O4 42 3.2 Khảo sát liên kết vật liệu nano lai GO/Fe3O4 44 Nguyễn Thị Thu Thảo iv Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ 3.2.1 Phép đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 44 3.2.2 Phép đo phổ tán xạ Raman 45 3.3 Khảo sát tính chất từ vật liệu lai GO/Fe3O4 46 3.4 Diện tích bề mặt riêng vật liệu lai GO/Fe3O4 48 3.5 Khảo sát khả hấp phụ Asen(V) vật liệu nano lai GO/Fe3O4 52 3.5.1 Hiệu suất hấp phụ As(V) vật liệu lai GO/Fe3O4 theo thời gian 52 3.5.2 Dung lƣợng hấp phụ cân 55 3.5.3 Các mơ hình động học hấp phụ 55 3.5.4 Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt Langmuir Freundlich 56 3.5.5 Cơ chế hấp phụ Asen 58 KẾT LUẬN 60 MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 61 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Nguyễn Thị Thu Thảo v Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU: Bảng 1.1: Mối tương quan RL mô hình đẳng nhiệt 25 Bảng 2.1: Danh mục hóa chất dùng luận văn 29 Bảng 2.2: Ký hiệu mẫu GO/Fe3O4 với nồng độ GO khác 31 Bảng 3.1: Hằng số mạng a(Å), kích thước tinh thể trung bình dXRD(nm) 42 Bảng 3.2: Các thơng số từ tính mẫu Fe3O4 vật liệu lai GO/Fe3O4 (TG1, TG2, TG3, TG4) với nồng độ GO thay đổi từ 5%, 10%, 15% 20% 48 Bảng 3.3: Các thông số thu từ kết đo BET mẫu GO vật liệu lai GO/Fe3O4 (TG1, TG2, TG3, TG4) 52 Bảng 3.4: Giá trị hiệu suất hấp phụ cực đại thời gian hấp phụ cân tương ứng mẫu thực nghiệm GO, Fe3O4 GO/Fe3O4 có nồng độ GO thay đổi54 Bảng 3.5: Các thông số fit theo mơ hình động học bậc bậc hai mẫu TG1, TG2, TG3, TG4 55 Bảng 3.6: Hằng số hấp phụ hệ số tương quan (R2) mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 57 Nguyễn Thị Thu Thảo vi Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp [4] Hình 1.2: Sự xếp spin phân tử Fe3O4 [4] Hình 1.3: Lực kháng từ phụ thuộc vào kích thước hạt (trái) Cấu trúc đa đơmen (ở giữa) đơn đômen hạt từ (phải) Hình 1.4: Đường cong từ hóa hạt nano Fe3O4 kích thước khác Hình nhỏ phụ thuộc kích thước hạt vào lực kháng từ [10] Hình 1.5: Cấu trúc đề xuất GO nhà khoa học khác [17] 10 Hình 1.6: Sơ đồ mơ q trình xen kẽ hạt nano Fe3O4 vào GO vật liệu GO/Fe3O4 11 Hình 1.7: Mức độ thành cơng q trình tổng hợp hàm tỉ lệ mol Fe2+ Fe3+ 13 Hình 1.8: Giá trị mơmen bão hịa kích thước hạt trung bình hàm nồng độ pH dung dịch muối sắt 13 Hình 1.9: Các phương pháp chế tạo GO 14 Hình 1.10: Cơ chế hình thành Graphene oxit (GO) 16 Hình 1.11: Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) phụ thuộc Ce/qe vào Ce (b) 24 Hình 2.1: Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp GO/Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa 31 Hình 2.2: Độ tù pic phản xạ gây kích thước hạt 33 Hình 2.3: Máy đo TEM 34 Hình 2.4: Thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR 35 Hình 2.5: Thiết bị đo VSM 36 Hình 2.6: Hệ thống máy hấp phụ nguyên tử hãng Varian 37 Hình 2.7: Các dạng đường đẳng nhiệt - khử đẳng nhiệt UIPAC 38 Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu Fe3O4, GO mẫu GO/Fe3O4 với nồng độ khối lượng GO thay đổi: 5%; 10%; 15%; 20% 41 Hình 3.2: Ảnh FESEM mẫu vật liệu lai TG1, TG2,TG3 TG4 42 Hình 3.3: Ảnh TEM vật liệu lai TG2 43 Nguyễn Thị Thu Thảo vii Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Cơng nghệ Hình 3.4: Phổ FTIR mẫu Fe3O4, vật liệu lai GO/Fe3O4 (TG2, TG4) GO 44 Hình 3.5: Phổ Raman mẫu Fe3O4, vật liệu lai GO/Fe3O4 (TG1, TG2, TG3, TG4) GO 46 Hình 3.6: Đường cong từ hóa (M-H) (a) mẫu GO/Fe3O4 (TG1, TG2, TG3, TG4) với nồng độ GO thay đổi: 5%, 10%, 15% 20% đường từ hóa M(1/Hc) (b) mẫu TG1 47 Hình 3.7: Các đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ GO, Fe3O4 vật liệu lai GO/Fe3O4 49 Hình 3.8: Đường cong phân bố kích thước lỗ mao quản GO, Fe3O4 mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 (TG1, TG2, TG3, TG4) 50 Hình 3.9: Hiệu suất hấp phụ theo thời gian mẫu GO, Fe3O4, GO/Fe3O4 (TG1, TG2, TG3, TG4) 53 Hình 3.10: Mơ hình động học bậc mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 56 Hình 3.11: Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir vật liệu lai TG1, TG2, TG3, TG4 57 Hình 3.12: Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich vật liệu lai TG1, TG2, TG3, TG4 58 Hình 3.13: Mơ hình giải thích chế hình thành vật liệu lai GO/Fe3O4 59 Nguyễn Thị Thu Thảo viii Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ 3.5.2 Dung lƣợng hấp phụ cân Trên sở nghiên cứu hiệu suất hấp phụ thời gian hấp phụ As(V), dung lƣợng hấp phụ cân mẫu đƣợc tính theo cơng thức (1.10) nhƣ đƣợc trình bày mục 1.4.6 kết đƣợc trình bày bảng 3.4 Kết cho thấy, dung lƣợng hấp phụ thời điểm cân mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 có giá trị lần lƣợt 14,70 mg/g (TG1); 14,57 mg/g (TG2); 14,59 mg/g (TG3) 14,58 mg/g (TG4) cao hẳn so với hai mẫu chứa 12,75 mg/g (GO) 14,29 mg/g (Fe3O4) Điều đƣợc giải thích diện tích bề mặt hấp phụ mẫu GO Fe3O4 đơn lẻ nhỏ so với vật liệu lai GO/Fe3O4 (xem bảng 3.3) 3.5.3 Các mơ hình động học hấp phụ Các thơng số mơ hình động học bậc bậc mẫu đƣợc trình bày bảng 3.5 Bảng 3.5: Các thơng số fit theo mơ hình động học bậc bậc hai mẫu TG1, TG2, TG3, TG4 Tên mẫu Mơ hình động học bậc Mơ hình động học bậc Năng lƣợng hoạt hóa Ea (kJ/mol) K1 R2 K2 R2 TG1 0,0598 0,9853 0,0690 13,351 TG2 0,0473 0,9852 0,0691 13,312 TG3 -0,0236 0,9999 0,0694 13,286 TG4 -0,0310 0,9917 0,0697 13,271 Kết từ bảng 3.5, dễ dàng nhận thấy hệ số tƣơng quan R2 mơ hình bậc nhỏ hệ số tƣơng quan R2 mơ hình động học bậc nhỏ Điều chứng tỏ trình hấp phụ As(V) vật liệu lai GO/Fe3O4 tn theo mơ hình động học bậc Mặt khác bảng 3.5 cho thấy lƣợng hoạt hóa mẫu có giá trị ~ 14 kJ/mol (< 40 kJ/mol theo mục 1.4.7), điều chứng tỏ vật liệu GO/Fe3O4 hấp phụ As theo chế hấp phụ Nguyễn Thị Thu Thảo 55 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ vật lý Hình 3.10 trình bày đƣờng fit động học bậc cho trình hấp phụ As theo thời gian mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 có tỷ phần GO thay i Mô hình động học bậc - TG1 12 Mô hình động học bậc - TG2 12 10 8 t/qt t/qt 10 6 Y = 0,06895X + 3,0132E-4 R2 = Y = 0,0691X + 3,52E-4 R2 = 2 20 40 60 80 100 120 140 160 20 180 40 60 12 Mô hình động học bậc - TG3 12 10 8 t/qt t/qt 10 Y = 0,06935X + 2,17E-4 R2 = 2 40 60 80 100 120 140 160 180 20 thêi gian (phút) 100 120 140 160 180 Mô hình động học bËc - TG4 Y = 0,0697X + 9,47E-16 R2 = 20 80 thêi gian (phót) thêi gian (phót) 40 60 80 100 120 thêi gian (phót) 140 160 180 Hình 3.10: Mơ hình động học bậc mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 3.5.4 Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Số liệu thực nghiệm đƣợc fit theo hai mơ hình Langmuir mơ hình Freundlich Mơ hình đẳng nhiệt đƣợc trình bày hình 3.11, 3.12, giá trị đƣợc trình bày bảng 3.6 Kết tìm phƣơng trình biễu diễn cho đƣờng nhiệt Langmuir, Freundlich với hệ số tƣơng quan tƣơng ứng R2Langmuir > 0,99 > R2Freundlich Điều chứng tỏ hấp phụ As vật liệu lai GO/Fe3O4 phù hợp với mơ hình Langmuir Nguyễn Thị Thu Thảo 56 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Bảng 3.6: Hằng số hấp phụ hệ số tương quan (R2) mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 Tên mẫu Mơ hình Langmuir Mơ hình Freundlich kL(l/mg) qm(mg/g) R2 N kf (mg/g) R2 TG1 0,069 14,41 0,9999 0,0018 53,22 0,986 TG2 0,055 14,09 0,99993 2,6053 43,30 0,969 TG3 0,053 14,30 0,99993 2,6378 48,91 0,970 TG4 0,019 12,80 0,99994 2,5141 32,71 0,966 0.0015 Mô hình đẳng nhiệt Langmuir - TG1 0.005 0.004 Ce/qe (g/l) Ce/qe (g/l) 0.0010 Mô hình đẳng nhiệt Langmuir - TG2 0.0005 Y = 0,0693X + 3,045E-6 R2 = 0,9999 0.0000 0.003 0.002 Y = 0,07077X + 2,11827E-5 R2 = 0,9999 0.001 0.000 -0.0005 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.02 0.040 0.04 0.0040 0.06 0.08 0.10 Ce(mg/l) Ce(mg/l) Mô hình đẳng nhiệt Langmuir- TG3 Mô hình đẳng nhiệt Langmuir - TG4 0.012 0.0035 0.010 0.0025 Y = 0,06982X + 1,09066E-5 R2 = 0,9999 0.0020 Ce/qe (g/l) Ce/qe (g/l) 0.0030 0.008 Y = 0,07415X + 4,97269E-5 R2 = 0,9999 0.006 0.0015 0.004 0.0010 0.002 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.06 Ce(mg/l) 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 Ce(mg/l) Hình 3.11: Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir vật liệu lai TG1, TG2, TG3, TG4 Nguyễn Thị Thu Thảo 57 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa hc v Cụng ngh 2.680 2.684 Mô hình đẳng nhiệt Freunlich - TG1 Mô hình đẳng nhiệt Freunlich - TG2 2.682 2.675 2.670 ln(qe) ln(qe) 2.680 2.678 2.676 Y = -0,00885X + 0,00184 R = 0,98553 2.665 2.660 Y = -0,02174X + 2,60529 R2 = 0,96976 2.674 2.655 2.672 -4.2 -4.0 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -3.4 -3.0 -3.2 -3.0 ln(Ce) -2.8 ln(Ce) -2.6 -2.4 2.685 2.67 Mô hình đẳng nhiệt Freunlich - TG3 Mô hình đẳng nhiệt Freunlich - TG4 2.680 2.675 Y = -0,01088X + 2,63775 R2 = 0,96976 ln(qe) ln(qe) 2.64 2.61 Y = -0,05682X + 2,5141 R2 = 0,96617 2.670 2.58 2.665 -4.4 -4.2 -4.0 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -3.0 -2.8 -3.0 ln(Ce) -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 ln(Ce) Hình 3.12: Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich vật liệu lai TG1, TG2, TG3, TG4 3.5.5 Cơ chế hấp phụ Asen Cơ chế hấp phụ As(V) vật liệu nano lai GO/Fe3O4 q trình có tƣơng tác ion As(V) với nhóm chức chứa oxy ƣu nƣớc có bề mặt GO vật liệu GO/Fe3O4 Để hiểu rõ chế hấp phụ As(V) vật liệu nano lai này, nghiên cứu chế hấp phụ As(V) vật liệu lai GO/Fe3O4, mơ hình giải thích đƣợc trình bày hình 3.13 Nhƣ biết bề mặt GO ln tồn lại nhóm chức chứa oxy nhƣ nhóm hydroxyl (– OH), epoxy (C–O–C), cacbonyl (–C=O) cacboxyl (–COOH) [1], nhƣ đƣợc trình bày chƣơng Các nhóm chức GO trình chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa sấy mẫu chân không phần bị khử thành rGO Một số nhóm chức chƣa bị khử liên kết với ion Fe Fe 3O4 tạo thành vật liệu lai GO/Fe3O4 Các liên kết chia thành hai xu hƣớng: Nguyễn Thị Thu Thảo 58 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Cơng nghệ Q trình tƣơng tác xảy As(V) nhóm chức vật liệu (i) lực tƣơng tác tĩnh điện, lực Vander Wall ( liên kết yếu) đƣợc gọi hấp phụ vật lý (ii) Ngƣợc lại, trình tƣơng tác xảy ion As(V) với nhóm chức liên kết cộng hóa trị liên kết ion (liên kết mạnh) đƣợc gọi hấp phụ hóa học Từ kết trình bày cho thấy trình hấp phụ As(V) vật liệu nano lai GO/Fe3O4 có nồng độ GO thay đổi chủ yếu tuân theo chế hấp phụ vật lý, tức xảy tƣơng tác tĩnh điện ion As(V) với nhóm chức vật liệu Vì vật liệu nano lai GO/Fe3O4 có giá trị hiệu suất hấp phụ As(V) cao vật liệu đơn lẻ GO, Fe3O4 nhƣ đƣợc trình bày bảng 3.4 Theo Yeojoon Yoon cộng [55] hấp phụ As(V) vật liệu lai xảy theo phƣơng trình (3.8), (3.9) (3.10) Fe3O4-OH2+ + H2AsO4- → Fe3O4-OH2+ - H2AsO4- (3.8) GO-COOH2+ + H2AsO4- → GO-COOH2+ -H2AsO4- (3.9) GO-OH2+ + H2AsO4- → GO-OH2+ -H2AsO4- (3.10) Từ kết cho thấy vật liệu nano lai GO/Fe3O4 hấp phụ As(V) xảy bề mặt đồng nhất, hấp phụ đơn lớp tuân theo chế hấp phụ vật lý, khơng có hợp chất tạo thành Sự tƣơng tác ion dƣơng âm theo tƣơng tác tĩnh điện lực đẩy Vander Walls, + As5+ Hình 3.13: Mơ hình giải thích chế hấp phụ As(V) vật liệu lai GO/Fe3O4 Nguyễn Thị Thu Thảo 59 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ KẾT LUẬN Tổng hợp thành công vật liệu lai GO/Fe3O4 phƣơng pháp đồng kết tủa với kích thƣớc hạt sắt từ Fe3O4 không thay đổi cỡ 11 nm tỷ phần GO thay đổi 5%, 10%, 15% 20% Vật liệu lai GO/Fe3O4 có cấu trúc dạng mesoporous với phân bố kích thƣớc mao quản tập trung phạm vi từ đến 40 nm, chiều rộng trung bình lỗ mao quản hấp phụ khoảng 6,58– 9,31 nm, diện tích bề mặt riêng BET đạt giá trị lớn 183,11 m2/g mẫu TG1, lớn gấp 33 lần so mẫu GO lớn gấp lần so với Fe3O4 Tất mẫu vật liệu lai GO/Fe3O4 có tƣợng hồi phục siêu thuận từ nhiệt độ phòng, giá trị MS giảm tăng tỷ phần GO có giá trị lớn đạt 66,8 emu/g (GO–5%) Giá trị Ms tƣơng đối cao cho phép thu hồi tối đa vật liệu lai từ trƣờng ngồi Đây giải pháp có chọn lọc hơn, hiệu cao nhanh phƣơng pháp lọc, ly tâm tránh tái nhiễm có khả tái sử dụng cao Hiệu suất hấp phụ cao (Hmax = 99,91%) đạt thời gian bão hòa sớm t 60 phút mẫu TG1–5% Khi thay đổi tỷ phần GO, giá trị H (%)và t có thay đổi khơng nhiều Hấp phụ Asen vật liệu lai GO/Fe3O4 tuân theo chế hấp phụ vật lý với dung lƣợng hấp phụ cực đại qmax = 14,4 mg/g Mẫu TG1 (GO – 5%) có tính chất khả hấp phụ tốt Nguyễn Thị Thu Thảo 60 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ MỘT SỐ KIẾN NGHỊ + Nghiên cứu ảnh hƣởng As(V) nhiệt độ, pH đến khả hấp phụ vật liệu nano lai GO/Fe3O4 + Nghiên cứu khả thu hồi từ trƣờng tái sử dụng vật liệu nano lai GO/Fe3O4 + Nghiên cứu khảo sát thử nghiệm hiệu xử lý hấp phụ nguồn nƣớc nhiễm số kim loại nặng khác nhƣ: Cu(II), Pb(II), Hg(II), Cd(II), Cr(III), Cr(VI), Nguyễn Thị Thu Thảo 61 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Cơng nghệ CƠNG TRÌNH KHOA HỌC N T T Thao, T K Anh, D Hui, Nguyen T Lan (2019) “SIZE – DEPENDENT EFFECTS ON PROPERTIES OF Fe3O4 NANOPARTICLES”, International Conference On Composites Engineering - ICCE-27, July 14-20, 2019 in Granada, Spain Nguyễn Thị Thu Thảo 62 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Huỳnh Thị Mỹ Hòa (2010), “Phần A Lý thuyết thổng qua,” pp 3–45 [2] Lê Thị Mai Hoa (2016), “Nghiên cứu tổng hợp đạc trưng vật liệu cấu trúc nano ứng dụng quang hóa xúc tác phân hủy thuốc nhuộm”, Luận án tiến sĩ hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ [3] Nguyễn Hữu Đức (2007) “Chế tạo nghiên cứu tính chất từ hạt nanơ Fe3O4 ứng dụng y sinh học”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, vol 23, pp 231–237 [4] Nguyễn Thị Lan (2012), chƣơng 1, Luận án tiến sỹ, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [5] Nguyễn Cửu Khoa (2012) "Báo cáo chuyên đề vật liệu polymer ứng dung trong: y dươc, vật liệu mới", Trung tâm thông tin Khoa học Công nghệ TP.HCM, pp 1–31 [6] Nguyễn Hữu Hiếu (2015) “Tổng hợp Fe3O4/graphene oxide nanocomposite để xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng”, Science and Technology Development, vol 18, No T6, pp 212–220 [7] Ngô Thị Huyền Ngân (2017) “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai graphene oxide hạt nano từ Fe3O4 nhằm ứng dụng xử lý Asen nước”, Luận văn Thạc sĩ khoa học - Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Quy Nhơn [8] Phạm Thị Lan Hƣơng (2017), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp sở oxit sắt bon, định hướng ứng dụng xử lý ion As(V) methylen nước”, Luận án tiến sỹ Khoa học vật liệu - Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ [9] Tô Thanh Tâm (2013 ), “Chế tạo khảo sát tính chất vật lý hạt Fe3O4 Fe3O4 pha tạp”, Luận văn thạc sĩ khoa học - Đại học Quốc Gia Hà Nguyễn Thị Thu Thảo 63 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Nội [10] Vƣơng Thị Kim Oanh (2016), “Nghiên cứu chế tạo chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 chất lượng cao định hạt nano Fe3O4 chất lượng cao định hướng cho số ứng dụng y sinh”, Luận án tiến sĩ Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam TIẾNG ANH [11] Arshad, F., M Selvaraj, J Zain, F Banat, and M A Haija (2019) “Polyethylenimine modified graphene oxide hydrogel composite as an efficient adsorbent for heavy metal ions”, Separation and Purification Technology, vol 209, no April 2018, pp 870–880 [12] Aytas, S., S Yusan, S Sert, and C Gok (2018) “Preparation and Characterization of Magnetic Graphene Oxide Nanocomposite ( GO-Fe3O4) for Removal of Strontium and Cesium from Aqueous Solutions”, Composite Materials Research, vol 7, no 1, pp 1–16 [13] Boukhvalov, D W (2006) “Oxidation of graphite surface : the role of water”, Nano micro Letters, pp - [14] Brodie, B.C (1860) “Sur le poids atomique du graphite”, Ann Chemistry Physics, 59, pp 466-472 [15] Chandra, V., J Park, Y Chun, J W Lee, I Hwang, and K S Kim (2010) “Polyethylenimine modified graphene oxide hydrogel composite as an efficient adsorbent for heavy metal ions”, Separation and Purification, vol 4, no 7, pp 3979–3986 [16] Huai - Ping Cong, Jia-Jun He, Yang Lu and Shu-Hong Yu (2010) “WaterSoluble Magnetic-Functionalized Reduced Graphene Oxide Sheets : In situ Synthesis and Magnetic Resonance Imaging Applications”, Willey InterScience, No 2, vol 8, pp 169–173 [17] Dreyer, D R., D Todd, and C W Bielawski, (2014), “Harnessing the Nguyễn Thị Thu Thảo 64 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ chemistry of graphene oxide”, The Royal Society of Chemistry, pp 1–13 [18] I Srideve, Engineering, M T E (2018), “Synthesis Of Graphene Oxide Modified Hummers Method And Its Application”, Jour of Adv Research in Dynamical & Control Systems, Vol 10, 06-Special Issue, pp 544-550 [19] F.Y Ban, S.R Majid, N.M Huang, H.N Lim, (2012) “Graphene oxide and its electrochemical performance” International Journal of Electrochemical Science, vol 7, pp 4345 – 4351 [20] Gnanaprakash, G., S Mahadevan, T Jayakumar, P Kalyanasundaram, J Philip, and B Raj (2007) “Effect of initial pH and temperature of iron salt solutions on formation of magnetite nanoparticles”, Materials Chemistry and Physics 103, pp 168–175 [21] Gollavelli, G., C Chang, and Y Ling (2013), “Facile Synthesis of Smart Magnetic Graphene for Safe Drinking Water: Heavy Metal Removal and Disinfection Control”, American Chemical Society, 1, pp 462─472 [22] Han, F., L Ma, Q Sun, C Lei, and A Lu, (2014), “Rationally Designed Carbon-Coated Fe3O4 Coaxial Nanotubes with Hierarchical Porosity as High-Rate Anodes for Lithium Ion Batteries”, Nano Research, pp 1─11 [23] Nguyen Huu Hieu (2017) “Removal of Cd(II) from water by using graphene oxide – MnFe2O4 magnetic nanohybrids”, Journal of Science and Technology, 55 (1B), pp 109–121 [24] Hieu, N H., H M Nam, P Thi, and H Diem (2016) “Fabrication, characterization, and adsorption capacity of Fe3O4/graphene oxide nanocomposites for nickel removal”, Science & Technology Development, Vol 19, No.K6, pp 60 - 66 [25] Jakubovics J.P, (1994) "Magnetism and Magnetic Materials", 2nd ed., The Institute of Materials, Cambridge [26] Journal, I., R Energy, and E E Issn (2014) “Graphene Oxide Synthesized by Nguyễn Thị Thu Thảo 65 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ using Modified Hummers Approach”, International Journal of Renewable Energy and Environmental Engineering ISSN 2348-0157, Vol 02, No 01 pp 58–63 [27] Li, J., X Zeng, T Ren, and E Van Der Heide, (2014), “The Preparation of Graphene Oxide and Its Derivatives and Their Application in BioTribological Systems”, Lubricants, 2, pp 137–161 [28] Li, W W., F Y Kong, J Y Wang, Z D Chen, H L Fang, and W Wang, (2015), “Facile one-pot and rapid synthesis of surfactant-free Au-reduced graphene oxide nanocomposite for trace arsenic (III) detection” Electrochim Acta, vol 157, pp 183–190 [29] Hummer, W.S., & Offeman, R.E (1958) “Preparation of Graphitic Oxide”, Journal of the American Chemical Society, 80(6), p 1937 [30] Miao, J., F Wang, Y Chen, Y Zhu, Y Zhou, and S Zhang (2019) “The adsorption performance of tetracyclines on magnetic graphene oxide : A novel antibiotics absorbent” Applied Surface Science, vol 475, no January, pp 549–558 [31] Microspheres, O P H (2013) “For High-Performance Supercapacitors”, Science of Advanced Materials, Vol 5, pp 1686–1693 [32] Mukherjee, R., P Bhunia, and S De (2016), “Impact of graphene oxide on removal of heavy metals using mixed matrix membrane”, Chemical Engineering Journal, vol 292, pp 284–297 [33] Nandi, D and K Gupta (2012), “Manganese-incorporated iron (III) oxide – graphene magnetic nanocomposite : synthesis , characterization , and application for the arsenic ( III ) -sorption from aqueous solution”, Journal of Nanoparticle Research, no Iii, pp 149─162 [34] Narayanan, T N., Z Liu, P R Lakshmy, W Gao, Y Nagaoka, D S Kumar, J Lou, R Vajtai, and P M Ajayan (2011), “Synthesis of reduced graphene Nguyễn Thị Thu Thảo 66 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ oxide – Fe3O4 multifunctional freestanding membranes and their temperature dependent electronic transport properties” Carbon ,vol 50, no 3, pp 1338– 1345 [35] Nor Aida Zubir, Christelle Yacou, Julius Motuzas, Xiwang Zhang, and João C Diniz da Costa (2014) “Structural and functional investigation of graphene oxide–Fe3O4 nanocomposites for the heterogeneous Fenton-like reaction”, Scientific reports, 4, 4594, pp 1-8 [36] Nupearachchi, C N., K Mahatantila, and M Vithanage (2017), “Application of graphene for decontamination of water; Implications for sorptive removal” Groundwater for Sustainable Development, vol 5, no April, pp 206–215 [37] N.T.T.Thao, T.K Anh, D Hui and N T Lan (2019) “Size – Dependent effects in properties of Fe3O4 nanoparticles.” International Conference On Composites Engineering – ICCE–27, July 14–20, 2019 in Granada, Spain [38] Staudenmaier, L.: (1898) “Verfahren zur Darstellung der Graphitsaure”, Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 31(2), 1481–1487 [39] Phuong Lan, Vietnam Economic News, 24 (2000) 24 [40] Pradeep T, Anshup (2009) "Noble metal nanoparticles for water purification: A critical review", Thin Solid Films, 517(24), pp.6441–6478 [41] Prucek, R., J Kolar, G Zoppellaro, M Petr, J Filip, V K Sharma, and R Zbor (2017), “Zero-Valent Iron Nanoparticles Reduce Arsenites and Arsenates to As(0) Firmly Embedded in Core−Shell Superstructure: Challenging Strategy of Arsenic Treatment under Anoxic Conditions”, ACS Sustainable Chem Eng, no 0, 5, pp 3027–3038 [42] Qi, T., C Huang, S Yan, X J Li, and S Y Pan (2015), “Synthesis, characterization and adsorption properties of magnetite/reduced graphene oxide nanocomposites”, Talanta, vol 144, pp 1116–1124 Nguyễn Thị Thu Thảo 67 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ [43] Qin, Y., M Long, B Tan, and B Zhou (2014), “RhB Adsorption Performance of Magnetic Adsorbent Fe3O4/RGO Composite and Its Regeneration through A Fenton-like Reaction” Nano-Micro Letters, vol 6, no 2, pp 125–135 [44] Ramesha, G K and S Sampath (2011), “In-situ formation of graphene-lead oxide composite and its use in trace arsenic detection” Sensors Actuators, B Chem, vol 160, no 1, pp 306–311 [45] Shulga, Y M., S A Baskakov, V E Muradyan, D N Voylov, V A Smirnov, A Michtchenko, J G Caba, K G Belay, C A Weatherford, and G L Gutsev (2012), “Colorful Polymer Compositions with Dyed Graphene Oxide Nanosheets” International Scholarly Research Network ISRN, vol 2012, no 100 mL, pp 1–6 [46] Tartaj, P., P Morales, S Veintemillas-verdaguer, and T Gonz (2003), “The preparation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine”, Journal Of Physics D: Applied Physics, vol 36, pp R182–R197 [47] Thi, N., V Hoan, N Thi, A Thu, H Van Duc, N D Cuong, D Q Khieu, and V Vo (2016), “Fe3O4 /Reduced Graphene Oxide Nanocomposite : Synthesis and Its Application for Toxic Metal Ion Remova”, Journal of Chemistry, vol 2016, pp 1-11 [48] Vogel, B (2011), “Oxidation of surfactant stabilized magnetic cobalt nanoparticles”, Dissertation, pp 1-173 [49] Vu, H C., A D Dwivedi, T T Le, S H Seo, E J Kim, and Y S Chang (2017), “Magnetite graphene oxide encapsulated in alginate beads for enhanced adsorption of Cr(VI) and As(V) from aqueous solutions: Role of crosslinking metal cations in pH control”, Chemical Engineering Journal, vol 307, pp 220–229 [50] Wang, J and B Chen (2015), “Adsorption and coadsorption of organic Nguyễn Thị Thu Thảo 68 Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ pollutants and a heavy metal by graphene oxide and reduced graphene materials”, Chemical Engineering Journal, vol 281, pp 379–388 [51] Wei, M ping, H Chai, Y li Cao, and D zeng Jia (2018), “Sulfonated graphene oxide as an adsorbent for removal of Pb2+and methylene blue”, Journal of Colloid and Interface Science, vol 524, pp 297–305 [52] Yang, X., T Zhou, B Ren, Z Shi, and A Hursthouse (2017), “Synthesis, Characterization, and Adsorptive Properties of Fe3O4/GO Nanocomposites for Antimony Remova”, Journal of Analytical Methods in Chemistry, vol 2017, pp 1-8 [53] Yang, Y., J Wang, J Zhang, J Liu, X Yang, and H Zhao (2009), “Exfoliated Graphite Oxide Decorated by PDMAEMA Chains and Polymer Particles”, American Chemical Society, vol 25, no 15, pp 11808–11814 [54] Yoon, Y., W K Park, T M Hwang, D H Yoon, W S Yang, and J W Kang (2016) “Comparative evaluation of magnetite-graphene oxide and magnetite-reduced graphene oxide composite for As(III) and As(V) removal”, Journal of Hazardous Materials, vol 304, pp 196–204 [55] Zhao, D., X Gao, C Wu, R Xie, S Feng, and C Chen (2016), “Applied Surface Science Facile preparation of amino functionalized graphene oxide decorated with Fe3O4 nanoparticles for the adsorption of Cr ( VI )”, Applied Surface Science, vol 384, pp 1–9 [56] Zhou, C., H Zhu, Q Wang, J Wang, J Cheng, Y Guo, X Zhou, and R Bai, (2017) “RSC Advances polypyrrole – graphene oxide nanocomposite”, Royal Society Chemistry Advances, vol 1, pp 18466–18479 Nguyễn Thị Thu Thảo 69 Luận văn thạc sĩ khoa học ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THU THẢO ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ GO ĐẾN TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA VẬT LIỆU NANO LAI GO/ Fe 3O4... kim loại nặng vật liệu lai GO/ Fe3O4? ?? [7] Tuy nhiên, q trình nghiên cứu chúng tơi thấy tính chất khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu lai GO/ Fe3O4 phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, nồng độ GO. .. lại, vật liệu nano lai GO/ Fe3O4 xử lý tốt kim loại nặng nƣớc nhƣng cịn nhiều vấn đề ảnh hƣởng đến tính chất khả hấp phụ kim loại nặng GO/ Fe3O4 Điển hình nhƣ: kích thƣớc hình dạng hạt nano Fe3O4;