Synthesis of magnetic iron oxidegraphene aerogel nanocomposites for adsorption of bisphenol a, tetracyline

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐỨC QUÂN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE OXIT SẮT TỪ/GRAPHENE AEROGEL ĐỂ HẤP PHỤ BISPHENOL A, TETRACYLINE (Synthesis of magnetic iron oxide/graphene aerogel nanocomposites for adsorption of bisphenol A, tetracyline) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019 i Cơng trình hồn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Hiếu… …………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: …………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: …………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: .…………………………… – Chủ tịch .…………………………… – Ủy viên phản biện .…………………………… – Ủy viên phản biện .…………………………… – Ủy viên .…………………………… – Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Đức Quân MSHV: 1670198 Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1991 Nơi sinh: Ninh Bình Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI Tên Tiếng Việt: Ngiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite oxit sắt từ/graphene aerogel để hấp phụ bisphenol A, tetracyline Tên Tiếng Anh: Synthesis of magnetic iron oxide/graphene aerogel nanocomposites for adsorption of bisphenol A, tetracycline II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan: Graphite, graphene, graphene oxit, graphene aerogel, oxit sắt từ, oxit sắt từ/graphene aerogel, bisphenol A, tetracyline, hấp phụ 2.2 Thực nghiệm:  Khảo sát điều kiện tổng hợp GA;  Khảo sát điều kiện tổng hợp Fe3O4/GA;  Khảo sát hình thái - đ c t nh - cấu tr c vật liệu Fe3O4/GA phù hợp;  Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ Fe3O4/GA bisphenol A, tetracyline III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2019 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU HIẾU TP HCM, ngày … tháng … năm 2019 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TRƢỞNG PHÒNG TN TRỌNG ĐIỂM (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin cảm ơn gia đình tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ tác giả vật chất lẫn tinh thần suốt trình thực hồn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Ch Minh nhiệt tình hỗ trợ, truyền đạt kiến thức quý báu cho tác giả suốt trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu tận tình hướng dẫn, bảo cho tác giả trình thực luận văn Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn đến bạn nghiên cứu viên, học viên, sinh viên Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc gia TP HCM Cơng nghệ Hóa học Dầu khí (CEPP Lab) hỗ trợ hết mình, hướng dẫn tận tình cho tác giả suốt q trình thực hồn thành luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019 Tác giả Lê Đức Quân iv LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực, chưa sử dụng để bảo vệ cho học vị Mọi gi p đỡ cho việc hoàn thành luận văn cảm ơn, thông tin tr ch dẫn luận văn rõ nguồn gốc TP Hồ Ch Minh, tháng 07 năm 2019 Tác giả Lê Đức Quân v TÓM TẮT Trong luận văn này, graphene oxit (GO) tổng hợp từ graphite phương pháp Hummers cải tiến Graphene aerogel (GA) tổng hợp phương pháp thủy nhiệt điều kiện tổng hợp GA nghiên cứu thông qua khảo sát hai yếu tố: loại chất khử hàm lượng chất khử Nano oxit sắt từ (Fe3O4) tổng hợp phương pháp đồng kết tủa Vật liệu composite oxit sắt từ/graphene aerogel (Fe3O4/GA) tổng hợp phương pháp đồng kết tủa Điều kiện tổng hợp Fe3O4/GA nghiên cứu thông qua khảo sát hai yếu tố: tỷ lệ Fe3O4:GO thời gian phản ứng Cấu trúc - hình thái - đ c tính vật liệu khảo sát bằng: khối lượng riêng biểu kiến, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, nhiễu xạ tia X, phổ Raman, phổ tán sắc lượng tia X, kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét, phổ tán sắc lượng tia X, diện tích bề m t riêng theo BET, từ kế mẫu rung Vật liệu nanocomposite Fe3O4/GA ứng dụng để hấp phụ bisphenol A, tetracyline Ảnh hưởng yếu: thời gian, pH, nồng độ ban đầu chất hấp phụ, hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ Fe3O4/GA khảo sát Quá trình hấp phụ đánh giá dựa vào mơ hình động học biểu kiến bậc một, bậc hai; khuếch tán mao quản; đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich Bên cạnh đó, ảnh hưởng đồng thời ba yếu tố: pH, nồng độ ban đầu hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ vật liệu khảo sát quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp bề m t đáp ứng với mơ hình Box - Behnken vi ABSTRACT In this thesis, graphene oxide (GO) was synthesized from graphite using the improved Hummers method Graphene aerogel (GA) was synthesized from GO by hydrothermal method The conditions of GA synthesis were studied through surveying the following factors: type and content of reducing agent Iron oxide (Fe3O4) nanoparticles were synthesized by co-precipitation method The magnetic iron oxide/graphene aerogel (Fe3O4/GA) nanocomposites material were synthesized by precipitation Effects of Fe3O4:GO mass ratio and reduction time on Fe3O4/GA synthesis were studied to determined the suistabe conditions The morphology – structure – characterization of the materials were studied by density, Fourier transform infrared spectrum, X-ray diffraction, Raman spectrum, X-ray dispersion spectrum, electron microscope transmission, scanning electron microscope, Brunauer– Emmett–Teller specific surface area, sample magnetometer vibration, and dispersive X-ray energy spectrum The Fe3O4/GA nanocomposite was applied for removing bisphenol A, tetracycline from water Effect of single factors including contact time, pH, initial concentration, and adsorbent mass on adsorption capacity of Fe3O4/GA was surveyed The experimental data were examined through pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models; intrapartilce diffusion; and Langmuir and Freundlich, isotherm models Besides, the simultaneous effects of adsorption variables including pH, initial concentration and adsorbent mass on the adsorption capacity of Fe3O4/GA were investigated by response surface methodology involving Box-Behnken design vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v TÓM TẮT vi ABSTRACT vii DANH MỤC HÌNH xi DANH MỤC BẢNG xv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi LỜI MỞ ĐẦU xvii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Graphite 1.2 Graphene 1.2.1 Cấu trúc 1.2.2 Tính chất 1.2.3 Ứng dụng 1.3 Graphene oxit 1.3.1 Cấu trúc 1.3.2 Tính chất 1.3.3 Phương pháp tổng hợp 1.3.4 Ứng dụng 1.4 Graphene aerogel 1.4.1 Cấu trúc 1.4.2 Tính chất 1.4.3 Phương pháp tổng hợp 10 1.4.4 Ứng dụng 16 1.5 Oxit sắt từ 17 1.6 Vật liệu nanocomposite oxit sắt từ/graphene aerogel 18 1.6.1 Cấu trúc 18 1.6.2 Phương pháp tổng hợp 18 viii 1.6.3 Ứng dụng 20 1.7 Bisphenol A, tetracyline 20 1.7.1 Tình hình nhiễm mơi trường 20 1.7.2 Bisphenol A, tetracyline 20 1.8 Quá trình hấp phụ 22 1.8.1 Giới thiệu 22 1.8.2 Cơ chế hấp phụ Fe3O4/GA BPA, TC 23 1.8.3 Thơng số đánh giá q trình hấp phụ 24 1.8.4 Mơ hình động học hấp phụ 24 1.8.5 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 26 1.9 Tình hình nghiên cứu nƣớc 27 1.10 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu, tính đề tài 27 1.10.1 Tính cấp thiết 29 1.10.2 Mục tiêu nghiên cứu 29 1.10.3 Nội dung nghiên cứu 30 1.10.4 Phương pháp nghiên cứu 30 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 41 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, địa điểm thực 41 2.1.1 Hóa chất 41 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 42 2.1.3 Địa điểm thực 43 2.2 Thí nghiệm 44 2.2.1 Tổng hợp GO 43 2.2.2 Tổng hợp GA 44 2.2.3 Tổng hợp Fe3O4 45 2.2.4 Tổng hợp Fe3O4/GA 46 2.3 Khảo sát hình thái - cấu trúc - đặc tính vật liệu 47 2.4 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến dung lƣợng hấp phụ Fe3O4/GA BPA, TC 47 ix 2.4.1 Quy trình hấp phụ 47 2.4.2 Ảnh hưởng yếu tố 48 2.4.3 Ảnh hưởng đồng thời yếu tố 49 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 54 3.1 Điều kiện tổng hợp GA 53 3.1.1 Loại chất khử 53 3.1.2 Hàm lượng chất khử 55 3.2 Điều kiện tổng hợp Fe3O4/GA 54 3.2.1 Tỷ lệ Fe3O4:GO 54 3.2.2 Thời gian phản ứng 56 3.3 Hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu Fe3O4/GA 64 3.3.1 Giản đồ XRD 64 3.3.2 Phổ FTIR 64 3.3.3 Ảnh TEM 65 3.3.4 Ảnh SEM 66 3.3.5 Diện tích bề mặt riêng theo BET 67 3.3.6 Từ kế mẫu rung 68 3.3.7 Phổ EDX 69 3.4 Ảnh hƣởng yếu tố đến dung lƣợng hấp phụ BPA, TC Fe3O4/GA 71 3.4.1 Ảnh hưởng yếu tố 71 3.4.2 Ảnh hưởng đồng thời yếu tố 86 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ x  Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất hấp phụ Bảng PL 3.4: Ảnh hưởng hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ BPA Fe3O4/GA m (g) pH VBPA (mL) Co (ppm) qe (mg/g) 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,20 6 6 6 20 20 20 20 20 20 20 240 240 240 240 240 240 240 360,48 185,02 93,33 63,14 49,90 39,95 19,98  Kết quy hoạch thực nghiệm Hình PL 4.2 : Bố trí thí nghiệm Dung lượng Hình PL 4.3: Kết phân tích ANOVA Hình PL 4.4: Các hệ số ước tính mơ hình Phụ lục 4.2: Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến dung lƣợng hấp phụ TC Fe3O4/GA  Phƣơng pháp xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ TC UV-Vis - Cân 100 mg chất chuẩn TC 99,9 % 100 mL nước cất để tạo dung dịch chuẩn gốc 1000 mg/L - Pha dung dịch chuẩn TC với nồng độ 25, 50, 100, 200, 300, 500 mg/L từ chuẩn gốc nước cất - Tiến hành đo UV-Vis dung dịch chuẩn TC y = 0.0318x - 0.0633 Độ hấp thu A R² = 0.9995 Nồng độ (mg/L) Hình PL 3.1: Đường chuẩn TC  Ảnh hƣởng thời gian Bảng PL 3.1: Ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ TC Fe3O4/GA T m (g) Co (ppm) VTC (mL) qt (mg/g) t/qt (phút.mg-1.g) 30 60 120 240 360 480 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 200 200 200 200 200 200 20 20 20 20 20 20 105,11 110,40 115,71 116,54 121,07 123,53 0,28 0,54 1,04 2,06 2,97 3,86  Ảnh hƣởng pH Bảng PL 3.2: Ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ TC Fe3O4/GA pH m (g) VTC (mL) Co (ppm) qt (mg/g) 10 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 20 20 20 20 20 20 20 20 200 200 200 200 200 200 200 200 120,73 121,38 125,75 129,68 120,48 116,89 115,89 110,31  Ảnh hƣởng nồng độ TC ban đầu Bảng PL 3.3: Ảnh hưởng nồng độ TC ban đầu đến khả hấp phụ Fe3O4/GA Co (ppm) 25 m (mg) 0,02 V (mL) 20 qe (mg/g) 13,02 1/Ce 0,083 1/qe 0,077 ln Ce 2,48 ln qe 2,56 50 0,02 20 28,49 0,046 0,035 3,07 3,35 100 0,02 20 49,04 0,019 0,021 3,93 3,89 200 0,02 20 130,91 0,014 0,007 4,24 4,87 300 0,02 20 169,12 0,008 0,006 4,87 5,13 400 0,02 20 194,28 0,004 0,005 5,33 5,27 500 0,02 20 205,41 0,003 0,004 5,68 5,33  Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất hấp phụ Bảng PL 3.4: Ảnh hưởng hàm lượng chất hấp phụ đến khả hấp phụ TC Fe3O4/GA m (g) 0,005 pH VTC (mL) 20 Co (ppm) 200 qt (mg/g) 422,24 0,01 20 200 219,05 0,02 20 200 121,39 0,025 20 200 104,33 0,04 20 200 76,07 0,08 20 200 46,33 0,12 20 200 32,11  Kết quy hoạch thực nghiệm Hình PL 3.2 : Bố trí thí nghiệm Dung lượng Hình PL 3.3: Kết phân tích ANOVA Hình PL 3.4: Các hệ số ước tính mơ hình Phụ lục 5: Sản phẩm luận văn Hình PL 5.1: Sản phẩm Fe3O4/GA PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên khai sinh: LÊ ĐỨC QUÂN Sinh ngày: 08 tháng 06 năm 1991 Nơi sinh: Ninh Bình Nơi nay: 463 Nguyễn Văn Cơng, Phường 3, Quận Gị Vấp, TP Hồ Chí Minh Nghề nghiệp thân nay: Kỹ sư Công Nghệ Hóa Học Q TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2010-2015: Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Năm 2016-2019: Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh – Cao học Kỹ Thuật Hóa Học Q TRÌNH CƠNG TÁC + T4/2015 – T7/2017: Công Ty TNHH Intertek VN + T8/2017 – T6/2019: Công Ty TNHH TUV Rhienland VN + T6/2019 – Nay: Công Ty TNHH CleanDye VN ... oxit sắt từ/graphene aerogel để hấp phụ bisphenol A, tetracyline Tên Tiếng Anh: Synthesis of magnetic iron oxide/graphene aerogel nanocomposites for adsorption of bisphenol A, tetracycline II NHIỆM... GA Graphene aerogel Graphene aerogel Fe3O4/GH Magnetic iron oxide/ Graphene hydrogel Oxit sắt từ/graphene hydrogel Fe3O4/GA Magnetic iron oxide/ Graphene aerogel Oxit sắt từ/graphene aerogel EDA... method The magnetic iron oxide/graphene aerogel (Fe3O4/GA) nanocomposites material were synthesized by precipitation Effects of Fe3O4:GO mass ratio and reduction time on Fe3O4/GA synthesis were