Tổng hợp vật liệu 3d graphene aerogel để hấp phụ asen, chì

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHAN HỮU PHƢƠNG TỔNG HỢP VẬT LIỆU 3D-GRAPHENE AEROGEL ĐỂ HẤP PHỤ ASEN, CHÌ (Synthesis of 3D-graphene aerogels for adsorption of arsenic, lead) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019 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 hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Minh Nam… …………………… (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 HĨA HỌC (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) i 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: Nguyễn Phan Hữu Phương MSHV:1570720 Ngày, tháng, năm sinh: 20/03/1990 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI Tên Tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu 3D-graphene aerogel để hấp phụ asen, chì Tên Tiếng Anh: Synthesis of 3D-graphene aerogels for adsorption of arsenic, lead II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan: Graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene, graphene aerogel, kim loại nặng (asen, chì), phương pháp xử lý kim loại nặng, trình hấp phụ, chế hấp phụ kim loại nặng 2.2 Thực nghiệm:  Khảo sát điều kiện tổng hợp GA sử dụng hai chất khử etylendiamin, natri ascorbat  Khảo sát hình thái - đặc t nh - cấu tr c vật liệu GA tổng hợp  Khảo sát khả hấp phụ GA tổng hợp asen, chì III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2019 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU HIẾU, TS HOÀNG MINH NAM 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) ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin trân trọng cảm ơn gia đình, bạn bè ln động viên tác giả vượt qua khó khăn suốt q trình hồn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn đến thầy Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa nhiệt tình gi p đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt q trình học tập, hồn thành luận văn tốt nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Hiếu TS Hồng Minh Nam tận tình gi p đỡ phương pháp nghiên cứu q trình hồn thành luận văn Tác giả xin cám ơn anh, chị, em Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP HCM Công nghệ Hóa học Dầu khí (CEPP) hỗ trợ tác giả hoàn thành luận văn Tác giả Nguyễn Phan Hữu Phƣơng iii TÓM TẮT Trong luận văn này, vật liệu graphene aerogel (GA) tổng hợp từ graphene oxit (GO) phương pháp khử hóa học Theo đó, GO tổng hợp từ graphit theo phương pháp Hummers cải tiến Tiếp theo, GO khử etylendiamin natri ascorbat tạo thành vật liệu graphene hydrogel (GH) GH sấy thăng hoa để thu GA Ảnh hưởng hàm lượng chất khử, nồng độ GO, thời gian khử đến trình tổng hợp vật liệu GA nghiên cứu để tìm điều kiện phù hợp tổng hợp GA Hình thái - cấu trúc – đặc tính vật liệu GA khảo sát phương pháp đo khối lượng riêng, phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, nhiễu xạ tia X, phổ Raman, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua, diện tích bề mặt riêng theo Brunauer - Emmett Teller Vật liệu GA tổng hợp ứng dụng để hấp phụ ion asen (As5+), chì (Pb2+) Ảnh hưởng yếu tố pH, thời gian, nồng độ As5+, Pb2+ ban đầu dung dịch đến dung lượng hấp phụ vật liệu GA khảo sát Q trình hấp phụ nghiên cứu thơng qua mơ hình động học: bậc bậc hai, đẳng nhiệt hấp phụ: Langmuir, Freundlich, Tempkin v ABSTRACT In this thesis, graphene aerogel (GA) was synthesized from graphene oxide (GO) by chemical reduction method GO was synthesized from graphite by improved Hummers method Next, GO was reduced by ethylenediamine or sodium ascorbate to form a graphene hydrogel (GH) GH was freeze-dried to obtain of GA Effects of reducing agent contents, GO concentrations, and reduction time on GA synthesis were studied to determined the suistabe conditions The morphology – structure – characterization of GAs were investigated by density, Fourier-transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscope, transmission electron microscope, and Brunauer–Emmett–Teller specific surface area The synthesized GAs were appied as adsorbent of arsenic (As5+), lead ions (Pb2+) from water The effect factors including contact time, pH, and initial As5+, Pb2+ concentration on the adsorption capacity of GA were studied The experimental data was examined through pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models, and Langmuir, Freundlich, and Temkin isotherm models vi 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 trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019 Tác giả Nguyễn Phan Hữu Phƣơng iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii LỜI CAM ĐOAN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH x DANH MỤC BẢNG xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi LỜI MỞ ĐẦU xvii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Graphite 1.2 Graphite oxit 1.3 Graphene oxit 1.3.1 Cấu trúc 1.3.2 Phương pháp tổng hợp 1.3.3 Ứng dụng 1.4 Graphene aerogel 1.4.1 Cấu trúc 1.4.2 Phương pháp tổng hợp 1.4.3 Ứng dụng 10 1.5 Kim loại nặng 14 1.5.1 Asen 14 1.5.2 Chì 15 1.6 Các phƣơng pháp xử lý kim loại nặng 16 1.6.1 Phương pháp kết tủa 16 1.6.2 Phương pháp trao đổi ion 17 1.6.3 Phương pháp điện hóa 18 1.6.4 Phương pháp hấp phụ 18 vii 1.7 Phƣơng pháp hấp phụ 19 1.7.1 Cơ chế hấp phụ kim loại nặng vật liệu GA 20 1.7.2 Các thơng số đánh giá q trình hấp phụ 21 1.7.3 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 22 1.7.4 Động học trình hấp phụ 23 1.8 Tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu, nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu 24 1.8.1 Tính cấp thiết tính 24 1.8.2 Mục tiêu nghiên cứu 25 1.8.3 Nội dung nghiên cứu 25 1.8.4 Phương pháp nghiên cứu 25 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 34 2.1 Hóa chất, dụng cụ, địa điểm thực nghiên cứu 34 2.1.1 Hóa chất 34 2.1.2 Dụng cụ 34 2.1.3 Địa điểm thực nghiên cứu 35 2.2 Thí nghiệm 36 2.2.1 Tổng hợp GO 36 2.2.2 Tổng hợp GA 37 2.3 Khảo sát hình thái - cấu trúc - đặc tính vật liệu 41 2.4 Khảo sát ảnh hƣởng yếu tố đến dung lƣợng hấp phụ hai vật liệu GA 42 2.4.1 Đối với As5+ 42 2.4.2 Đối với Pb2+ 43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 45 3.1 Điều kiện tổng hợp hình thái - cấu trúc – đặc tính GA 45 3.1.1 Đối với chất khử EDA 45 3.1.2 Đối với chất khử SA 58 3.2 Ảnh hƣởng yếu tố đến dung lƣợng hấp phụ As5+, Pb2+ GAE-15 GAS-15 67 3.2.1 Thời gian hấp phụ 67 viii 3.2.2 pH 70 3.2.3 Nồng độ ban đầu 72 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ix Phụ lục 1.16: Kết FTIR GAE-15 Phụ lục 1.17: Kết XRD Gi Graphite 8000 d=3.36284 7000 6000 4000 3000 2000 d=1.67861 Lin (Counts) 5000 1000 10 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale Graphite - File: Graphite.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 5.000 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 101 70 Phụ lục 1.18: Kết XRD GO GO 800 700 600 d=9.34536 Lin (Counts) 500 400 300 200 100 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale GO - File: GO.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.872 ° - End: 58.862 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 3.872 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 Phụ lục 1.19: Kết XRD GAE-15 102 60 Phụ lục 1.20: Kết TEM GAE-15 103 Phụ lục 1.21: Kết BET GAE-15 104 Phụ lục 1.22: Kết BET GAE-15 105  Đối với chất khử EDA Phụ lục 1.22: Kết Raman GAS-15 Phụ lục 1.23: Kết Raman GAS-8 106 Phụ lục 1.24: Kết Raman GAS-14 Phụ lục 1.25: Ảnh SEM GAS-15 107 Phụ lục 1.26: Kết FTIR GAS-15 Phụ lục 1.27: Kết XRD GAS-15 108 Phụ lục 1.28: Ảnh TEM GAS-15 109 Phụ lục 1.29: Kết BET GAS-15 110 Phụ lục 1.30: Kết BET GAS-15 111 Phụ lục : Số liệu khảo sát ảnh hƣởng yếu tố đến dung lƣợng hấp phụ As5+, Pb2+ vật liệu GAE-15 GAS-15 Phụ lục 2.1: Thời gian hấp phụ Bảng PL 2.1.1: Ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ ion As5+ vật liệu GAE-15 GAS-15 5+ t (phút) m (g) VAs (mL) Co (mg/L) GAE-15 GAS-15 Ce (mg/L) qt (mg/g) Ce (mg/L) qe (mg/g) 15 0,02 20 50 38,91 11,09 44,96 5,04 30 0,02 20 50 35,79 14,21 42,50 7,50 60 0,02 20 50 32,1 17,9 39,56 10,44 120 0,02 20 50 33,59 16,41 39,94 10,06 240 0,02 20 50 33,52 16,48 40,20 9,80 480 0,02 20 50 33,27 16,73 39,66 10,34 Bảng PL 2.1.2: Ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ ion Pb2+ vật liệu GAE-15 GAS-15 t (phút) m (g) VPb2+ (mL) Co (mg/L) GAE-15 Ce (mg/L) qe (mg/g) GAS-15 Ce (mg/L) qe (mg/g) 60 0,02 20 200 124,73 75,27 164,01 35,99 120 0,02 20 200 77,94 122,06 123,90 76,10 240 0,02 20 200 45,45 154,55 101,23 98,77 480 0,02 20 200 49,61 150,39 101,33 98,67 600 0,02 20 200 50,32 149,68 104,65 95,35 720 0,02 20 200 51,01 148,99 101,37 98,63 112 Phụ lục 2.2: pH Bảng PL 2.2.1: Ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ ion As5+ vật liệu GAE-15 GAS-15 GAE-15 GAS-15 pH m (g) VAs5+ (mL) Co (mg/L) Ce (mg/L) qe (mg/g) Ce (mg/L) qe (mg/g) 0,02 20 50 36,45 13,55 39,79 10,21 0,02 20 50 24,98 25,02 34,83 15,17 0,02 20 50 27,52 22,48 38,97 11,03 0,02 20 50 37,10 12,90 39,80 10,20 10 0,02 20 50 43,45 6,55 44,89 5,11 12 0,02 20 50 47,60 2,40 45,99 4,01 Bảng PL 2.2.2: Ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ Pb2+ vật liệu GAE-15 GAS-15 GAE-15 VPb2+ pH m (g) (mL) Co (mg/L) 0,02 20 200 168,40 3,5 0,02 20 200 0,02 20 4,5 0,02 5,5 GAS-15 Ce (mg/L) qe (mg/g) 31,60 114,39 85,61 138,67 61,33 96,85 101,15 200 54,64 145,36 111,93 88,07 20 200 91,28 108,72 110,81 89,19 0,02 20 200 109,61 90,39 120,97 79,03 0,02 20 200 112,99 87,01 122,18 77,82 Ce (mg/L) qe (mg/g) 113 2.3: Nồng độ ban đầu Bảng PL 2.3.1: Ảnh hưởng nồng độ đầu đến dung lượng hấp phụ ion As5+ vật liệu GAE-15 GAS-15 GAS-15 GAE-15 Nồng độ đầu (mg/L) m (g) VAs (mL) 10 0,02 15 5+ Ce (mg/L) qe (mg/g) Ce (mg/L) qe (mg/g) 20 1,80 8,20 4,63 5,37 0,02 20 2,05 12,95 6,70 8,30 20 0,02 20 2,98 17,02 7,97 12,03 25 0,02 20 3,98 21,02 12,23 12,77 40 0,02 20 11,24 28,76 26,42 13,58 50 0,02 20 21,04 28,96 36,20 13,80 Bảng PL 2.3.2: Ảnh hưởng nồng độ đầu đến dung lượng hấp phụ Pb2+ vật liệu GAE-15 GAS-15 Nồng độ đầu (mg/L) m (g) VPb2+ (mL) 50 0,02 100 GAE-15 GAS-15 Ce (mg/L) qe (mg/g) Ce (mg/L) qe (mg/g) 20 7,95 42,05 4,44 45,56 0,02 20 15,90 84,10 15,57 84,43 150 0,02 20 32,43 117,57 47,54 102,46 200 0,02 20 49,67 150,33 90,40 109,60 250 0,02 20 90,84 159,16 135,10 114,90 300 0,02 20 139,33 160,67 189,69 110,31 114 Phụ lục 3: Sản phẩm tổng hợp luận văn Phụ lục 3.1: Vật liệu GAE-15 Phụ lục 3.2: Vật liệu GAS-15 115 ... hấp phụ khuếch tán theo mao quản đến bề mặt chất hấp phụ  Tương tác hấp phụ 19 Tốc độ trình hấp phụ phụ thuộc vào tính chất cấu trúc vật liệu hấp phụ 1.7.1 Cơ chế hấp phụ kim loại nặng vật liệu. .. Tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu 3D- graphene aerogel để hấp phụ asen, chì Tên Tiếng Anh: Synthesis of 3D- graphene aerogels for adsorption of arsenic, lead II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan: Graphite,... không cao độ chọn lọc thấp nên đòi hỏi cần phát triển vật liệu hấp phụ Hiện nay, vật liệu GA trở thành vật liệu hấp phụ đầy hứa hẹn Tại Việt Nam, vật liệu GA loại vật liệu thu h t nhiều quan