Tổng hợp vật liệu graphene aerogel để hấp phụ chất màu hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ LAN TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE AEROGEL ĐỂ HẤP PHỤ CHẤT MÀU HỮU CƠ (Synthesis of graphene aerogels for organic dyes adsorption) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - 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: TS Nguyễn Trường Sơn…………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong (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 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ TS Nguyễn Trường Sơn PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong TS Hoàng Minh Nam TS Nguyễn Tuấn Anh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ LAN MSHV: 1670195 Ngày, tháng, năm sinh: 01/02/1993 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu graphene aerogel để hấp phụ chất màu hữu Tên tiếng Anh: Synthesis of graphene aerogels for organic dyes adsorption II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan: graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene aerogel, tính chất, phương pháp tổng hợp graphene aerogel, ứng dụng, chất màu hữu (methylene blue, methyl orange), chế hấp phụ chất màu hữu 2.2 Thực nghiệm 2.2.1 Tổng hợp graphene aerogel từ graphene oxit khảo sát điều kiện tổng hợp 2.2.2 Phân tích hình thái, cấu trúc, đặc tính graphene aerogel tổng hợp 2.2.3 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu graphene aerogel chất màu hữu cơ: methylene blue, methyl orange III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU HIẾU Tp HCM, ngày … tháng… năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PTN TĐ ĐHQG TP.HCM CNHH & DK (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin cảm ơn đến gia đình ln tạo điều kiện tốt giúp tác giả thực luận văn thuận lợi Tiếp đến, tác giả xin cảm ơn q Thầy Cơ Khoa Kỹ thuật Hóa học nhiệt tình giúp đỡ tác giả tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn tập thể anh, chị, em Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc gia TP HCM Công nghệ Hóa học Dầu khí (CEPP) giúp đỡ tác giả suốt thời gian thực luận văn Tác giả Nguyễn Thị Lan 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 graphite (Gi) phương pháp Hummers cải tiến Sau đó, GO khử tạo thành khối graphene hydrogel (GH) sấy thăng hoa GH để tạo thành GA Quá trình khử GO thực 90 oC thời gian với hai loại chất khử axit L-ascorbic (LAA) ethylenediamine (EDA) Sản phẩm GAL3 (với lượng chất khử LAA 0,16 g) GAE3 (với lượng chất khử EDA 30 L) phân tích hình thái, đặc tính, cấu trúc thông qua khối lượng riêng, phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, nhiễu xạ tia X, phổ Raman, kính hiển vi điện tử, diện tích bề mặt riêng theo Brunauer – Emmett – Teller Đồng thời, GAL3 GAE3 khảo sát khả hấp phụ chất màu hữu methylene blue (MB), methyl orange (MO) thông qua ảnh hưởng điều kiện hấp phụ thời gian, pH, nồng độ đầu chất màu lên dung lượng hấp phụ Quá trình hấp phụ đánh giá thơng qua mơ hình động học biểu kiến bậc một, hai mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich v ABSTRACT In this study, GO was synthesized from graphite (Gi) by modified Hummers method Accordingly, graphene aerogel (GA) was synthesized by chemical-reduction method using L-ascorbic acid (L-AA) and ethylenediamine (EDA) as reducing agents The structure and morphology of GAL3 (amount of reducing agent LAA of 0,16 g) and GAE3 (amount of reducing agent LAA of 30 L) were characterized by analyzed morphologically, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and Brunauer–Emmett–Teller specific surface area At the same time, GAL3, GAE3 were used as an adsorbent for methylene blue (MB) and methyl orange (MO) from aqueous solutions The effect factors including contact time, pH, and initial concentration on GAL3, GAE3 were investigated The experimental adsorption data were well-fitted to first-order, second-order kinetic models and Langmuir, Freundlich theoretical models vi LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn nghiên cứu cá nhân tác giả thực hướng dẫn thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM Số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hoàn toàn trung thực, chưa công bố cơng trình khác trước Tác giả xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018 Tác giả Nguyễn Thị Lan iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii LỜI CAM ĐOAN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH xiii DANH MỤC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Graphite 1.2 Graphite oxit 1.3 Graphene oxit 1.4 Graphene aerogel 1.4.1 Định nghĩa 1.4.2 Tính chất GA 1.4.2.1 Khối lượng riêng 1.4.2.2 Tính chất nhiệt 1.4.2.3 Tính chất 1.4.3 Phương pháp tổng hợp GA 1.4.3.1 Phương pháp liên kết ngang 1.4.3.2 Phương pháp thủy nhiệt 1.4.3.3 Phương pháp khử hóa học 1.4.4 Ứng dụng GA 13 1.4.4.1 GA ứng dụng vật liệu xúc tác 14 1.4.4.2 GA ứng dụng làm vật liệu hấp phụ 14 1.5 Chất màu hữu 15 1.5.1 Methylene blue 16 vii 1.5.2 Methyl orange 16 1.6 Quá trình hấp phụ 17 1.6.1 Định nghĩa phân loại 17 1.6.2 Cơ chế hấp phụ GA MB, MO 17 1.6.3 Thông số đánh giá trình hấp phụ 18 1.6.4 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 19 1.6.4.1 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 19 1.6.4.2 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 20 1.6.5 Mơ hình động học hấp phụ 21 1.6.5.1 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 21 1.6.5.2 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai 22 1.7 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu tính đề tài 22 1.7.1 Tính cấp thiết 22 1.7.2 Mục tiêu nghiên cứu 23 1.7.3 Nội dung nghiên cứu 23 1.7.4 Phương pháp nghiên cứu 23 1.7.4.1 Tổng hợp GA 23 1.7.4.2 Khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính GA 24 1.7.4.3 Khảo sát khả hấp phụ GA 24 1.7.5 Tình hình nghiên cứu nước 29 1.7.5.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 29 1.7.5.2 Tình hình nghiên cứu nước 29 1.7.6 Tính đề tài 29 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 30 2.1 Hóa chất, dụng cụ, địa điểm thí nghiệm 30 2.1.1 Hóa chất 30 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 30 2.1.3 Địa điểm thí nghiệm 31 2.2 Thí nghiệm 31 viii 2.2.1 Tổng hợp graphene oxit 31 2.2.2 Tổng hợp GA 32 2.2.2.1 Tổng hợp GA chất khử LAA 32 2.2.2.2 Tổng hợp GA chất khử EDA 34 2.2.3 Khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính 35 2.2.3.1 Khối lượng riêng 35 2.2.3.2 Giản đồ XRD 35 2.2.3.3 Phổ Raman 35 2.2.3.4 Phổ FTIR 36 2.2.3.5 Ảnh SEM 36 2.2.3.6 Bề mặt riêng BET 36 2.2.3.7 UV–VIS 36 2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện hấp phụ 36 2.2.4.1 Thời gian hấp phụ 36 2.2.4.2 pH 37 2.2.4.3 Nồng độ chất màu ban đầu 37 2.2.4.4 Hấp phụ đồng thời MB MO 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 38 3.1 Điều kiện tổng hợp vật liệu GA 38 3.1.1 Đối với chất khử LAA 38 3.1.2 Đối với chất khử EDA 39 3.2 Hình thái, đặc tính, cấu trúc vật liệu GA 40 3.2.1 Đối với chất khử LAA 40 3.2.1.1 Khối lượng riêng 40 3.2.1.2 Phổ FTIR 41 3.2.1.3 Giản đồ XRD 42 3.2.1.4 Phổ Raman 43 3.2.1.5 Ảnh SEM 44 3.2.1.6 Bề mặt riêng BET 45 3.2.2 Đối với chất khử EDA 45 ix c) Khảo sát nồng độ đầu  MB Nồng độ đầu (ppm) Độ hấp thu A Nồng độ sau (ppm) 50 0,032 1,58 100 0,099 4,78 150 0,422 20,25 200 0,178 42,84 250 0,266 63,91 300 0,446 107,02 350 0,623 149,40 400 0,821 196,82 Nồng độ đầu (ppm) Độ hấp thu A Nồng độ sau (ppm) 50 0,039 5,78 100 0,166 21,05 150 0,299 37,03 200 0,102 66,77 250 0,157 99,82 300 0,239 149,10 350 0,322 198,98 400 0,401 246,45  MO Phụ lục 3.4 Số liệu thực nghiệm đánh giá khả hấp phụ đồng thời MB, MO vật liệu GAL3 GAE3 Tiến hành pha dung dịch X với nồng độ thuốc nhuộm 200 ppm Pha loãng dung dịch 50 lần Dùng thiết bị UV-vis quét bước sóng từ 400 nm đến 600 nm để tìm bước sóng cực đại dung dịch Bước sóng phù hợp với dung dịch 535 nm a) Xây dựng đường chuẩn dung dịch X Đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch X theo độ hấp thu A b) Thông số hấp phụ pH Độ hấp thu A Nồng độ đầu (ppm) Nồng độ sau (ppm) GAL3 0,182 200 1,15 GAE3 0,102 200 0,60 CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Thị Lan Ngày tháng năm sinh: 01-02-1993 Nơi sinh: Quảng Nam Địa liên lạc: thôn 3, xã Lộc Nam, huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng Điện thoại: 0978.097.477 Email: nguyenlandhho7@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO  10/2011-8/2015: Sinh viên trường Đại học Công nghiệp TP HCM  2016 đến nay: học viên cao học trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC  10/2015 – 07/2016: Cơng ty TNHH Thương Mại Kỹ Thuật Tín Việt  7/2016 đến nay: Cơng ty TNHH Thương Mại Kỹ Thuật Tín Việt ... tức độ xốp chất hấp phụ cao khả hấp phụ cao [51-53] Về phân loại, phân loại theo chế hấp phụ gồm có kiểu hấp phụ: Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Bảng 1.1: So sánh hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học... Nam, vật liệu GA lĩnh vực hấp phụ có số nghiên cứu tiêu biểu có nghiên cứu tiểu biểu sau:  Tổng hợp vật liệu GA thử nghiệm khả hấp phụ vật liệu dầu chất màu hữu [77]  Tổng hợp GA hấp phụ dầu... đó, tổng hợp GA để hấp phụ chất màu hữu hướng nghiên cứu với cơng bố thức nước 1.7.6 Tính đề tài  Xác định lượng chất khử LAA, EDA phù hợp trình tổng hợp vật liệu GA  Khảo sát trình hấp phụ chất