Tổng hợp vật liệu graphene oxit aerogel để hấp phụ kim loại nặng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ HỒNG TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIT AEROGEL ĐỂ HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG (Synthesis of graphene oxide aerogel for heavy metals 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 Hoàng Minh Nam……………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Trần Hà………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Trần Ngọc Quyển……………………… (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 10 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ – Chủ tịch PGS.TS Nguyễn Trần Hà – Ủy viên phản biện PGS TS Trần Ngọc Quyển – Ủy viên phản biện TS Nguyễn Trường Sơn – Ủy viên TS Nguyễn Tuấn Anh – 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 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: Trần Thị Hồng Ngày, tháng, năm sinh: 04/11/1989 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học MSHV: 1670192 Nơi sinh: Bình phước Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu graphene oxit aerogel để hấp phụ kim loại nặng Tên tiếng Anh: Synthesis of graphene oxide aerogel for heavy metals adsorption II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan Graphit, graphit oxit, graphene oxit (GO), graphene oxit aerogel (GOA), kim loại nặng (KLN), tình hình nhiễm KLN từ nước, phương pháp xử lý KLN từ nước, phương pháp hấp phụ, chế hấp phụ KLN GOA 2.2 Thực nghiệm - Tổng hợp: GOA theo phương pháp tự lắp ghép tách đá, khảo sát điều kiện tổng hợp GOA; - Khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính vật liệu GOA; - Khảo sát điều kiện hấp phụ vật liệu GOA Cd2+, Ni2+ riêng rẽ đồng thời III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/6/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG MINH NAM Tp HCM, ngày … tháng… năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PTN TĐ ĐHQG TP.HCM-CNHH & DK (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, hỗ trợ tạo điều kiện tốt để tác giả hồn thành luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đặc biệt q Thầy Cơ Khoa Kỹ Thuật Hóa Học tận tình giảng dạy truyền đạt cho tác giả kiến thức quý báu suốt thời gian qua Sau cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn hướng dẫn dạy tận tình kiến thức tinh thần thầy TS Hoàng Minh Nam, thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu thời gian thực luận văn Cảm ơn anh chị em Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc Gia TP.HCM Cơng nghệ Hóa học Dầu khí (CEPP) giúp đỡ tạo điều kiện suốt tình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả Trần Thị Hồng iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, graphene oxit (GO) tổng hợp theo phương pháp Hummers cải tiến Graphene oxit aerogel (GOA) tổng hợp từ GO theo phương pháp tự lắp ghép tách đá (ISISA) Thông qua khảo sát điều kiện tổng hợp GOA nồng độ GO, thời gian sấy để tìm điều kiện tổng hợp phù hợp Hình thái, cấu trúc, đặc tính vật liệu tổng hợp khảo sát phương pháp: nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, phổ Raman, diện tích bề mặt riêng theo BET, kính hiển vi điện tử quét Khả hấp phụ vật liệu GOA Cd2+, Ni2+ (riêng rẽ đồng thời) khảo sát thông qua ảnh hưởng điều kiện hấp phụ thời gian, pH, nồng độ Cd2+, Ni2+ ban đầu Quá trình hấp phụ khảo sát thơng qua mơ hình động học biểu kiến bậc bậc hai; mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Langmuir iv ABSTRACT In this study, graphene oxide (GO) was synthesized by improved Hummers method Graphene oxide aerogel (GOA) was synthesized from GO by ice segragation induced self-assembly (ISISA) process The suitable conditions on the synthesis of GOA was found to be GO concentration, drying time The morphology, structure, and characteristic of GOA was studied by X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, Brunauer– Emmett–Teller specific surface area, and scanning electron microscope The individual and competitive adsorption of cadimi (Cd2+) and nickel (Ni2+) on GOA consiting of contact time, pH, and initial concentration was investigated The adsorption process was examined by the pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models; Langmuir and Freundlich isotherm models v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu thực cá nhân tác giả thực hướng dẫn TS Hồng Minh Nam, Phịng TN Trọng điểm ĐHQG TP.HCM Cơng nghệ Hóa học Dầu khí (CEPP), Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM Các số liệu, kết nghiên cứu, kết luận luận văn hoàn toàn trung thực, chưa cơng bố cơng trình khác trước Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc, khơng đạo văn từ nguồn tài liệu khác Tác giả xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tác giả Trần Thị Hồng vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT v LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH x DANH MỤC BẢNG xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii LỜI MỞ ĐẦU xiv TỔNG QUAN 1.1 Graphite 1.2 Graphite oxit 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phương pháp tổng hợp GiO 1.3 Graphene oxit 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Các phương pháp tổng hợp GO 1.3.3 Ứng dụng GO 1.4 Graphene oxit aerogel 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Tính chất 1.4.3 Các phương pháp tổng hợp GOA 1.4.4 Ứng dụng GOA 1.5 Kim loại nặng 1.5.1 Khái niệm 1.5.2 Tình hình nhiễm KLN Việt Nam 1.5.3 Tác hại KLN 10 1.6 Các phương pháp xử lý KLN nước 14 1.6.1 Phương pháp kết tủa hóa học 14 1.6.2 Phương pháp hấp phụ 15 1.6.3 Phương pháp trao đổi ion 16 vii 1.6.4 Phương pháp điện hóa 16 1.6.5 Phương pháp sinh học 17 1.7 Quá trình hấp phụ 17 1.7.1 Khái niệm 17 1.7.2 Cơ chế hấp phụ GOA KLN 18 1.7.3 Thơng số đánh giá q trình hấp phụ 20 1.7.4 Mơ hình hấp phụ 20 1.7.5 Đánh giá động học hấp phụ 22 1.8 Tình hình nghiên cứu nước 23 1.9 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, phương pháp tính nghiên cứu 24 1.9.1 Tính cấp thiết 24 1.9.2 Mục tiêu nghiên cứu 24 1.9.3 Nội dung nghiên cứu 24 1.9.4 Phương pháp nghiên cứu 25 1.9.5 Tính nghiên cứu 32 THỰC NGHIỆM 33 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị địa điểm nghiên cứu 33 2.1.1 Hóa chất 33 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 33 2.1.3 Địa điểm 34 2.2 Thí nghiệm 34 2.2.1 Tổng hợp GO 34 2.2.2 Tổng hợp GOH 35 2.2.3 Tổng hơp GOA 35 2.3 Khảo sát điều kiện tổng hợp GOA 36 2.3.1 Nồng độ GO 36 2.3.2 Thời gian sấy 36 2.4 Khảo sát đặc tính, hình thái, cấu trúc vật liệu GOA 37 2.4.1 Giản đồ XRD 37 2.4.2 Phổ hồng ngoại chuyển tiếp Fourier 37 2.4.3 Phổ Raman 37 2.4.4 Diện tích bề mặt riêng 37 viii 2.4.5 Ảnh SEM 37 2.4.6 Đo ICP-MS 37 2.5 Khảo sát khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu GOA 38 2.5.1 Quy trình hấp phụ 38 2.5.2 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện hấp phụ 38 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 40 3.1 Điều kiện tổng hợp GOA 40 3.1.1 Nồng độ GO 40 3.1.2 Thời gian sấy GOA 41 3.2 Hình thái, cấu trúc, đặc tính vật liệu GOA10 42 3.2.1 Giản đồ XRD 42 3.2.2 Phổ FTIR 43 3.2.3 Phổ Raman 44 3.2.4 Diện tích bề mặt riêng 45 3.2.5 Ảnh SEM 46 3.3 Ảnh hưởng điều kiện hấp phụ 46 3.3.1 Đối với Cd2+ 46 3.3.2 Đối với Ni2+ 52 3.3.3 Hấp phụ đồng thời Cd2+ Ni2+ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 4.1 Kết luận 61 4.2 Kiến nghị 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ix [46] Jonathon Brame and Chris Griggs, "Surface Area Analysis Using the BrunauerEmmett-Teller," The U.S Army Engineer Research and Development Center (ERDC), vol 30, pp 1-4, 2016 [47] S M W C X L J W S J R P R S R Yanwu Zhu, "Graphene and Graphene oxide, Synthesis, Properties, and Application," Advanced Materials, vol 22, no 35, pp 3906-3924, 2010 [48] Tabrizi NS, Zamani S, "Removal of Pb(II) from aqueous solutions by graphene oxide aerogels," Water Sci Technol, vol 74, no 1, pp 256-265, 2016 [49] P Kollu, S.Felix, S.K Jeong and A.N.Grace C Santhosh, "CoFe2O4 and NiFe2O4 @ graphene adsorbents for heavy metal ions-Kinetic and Thermodynamic analysis," RSC Adv, vol 5, pp 28965-28972, 2015 [50] N M Tường, "Nghiên cứu khả hấp phụ số kim loại nặng nước vật liệu Nano composite GO/MnO2," Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học , vol 03, p Tập 22, 2017 [51] Nguyễn Hữu Hiếu, Hoàng Minh Nam and Phan Thị Hoài Diễm, "Chế tạo, khảo sát đặc tính khả hấp phụ niken vật liệu nanocomposite Fe3O4/graphene oxide," Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ, 2016 [52] Z Dong, D Wang, X Liu, X Pei, L Chen and J Jin, "Bio-inspired surfacefunctionalization of graphene oxide for the adsorption of organic dyes and heavy metal ions with a superhigh capacity," Journal of Materials Chemistry, vol 2, pp 5034-5040, 2014 [53] Ping Tan, Jian Sun, Yongyou Hu, Zheng Fang, Qi Bi, Yuancai Chen and Jianhua Cheng, "Adsorption of Cu2+, Cd2+ and Ni2+ from aqueous single metal solutions on graphene oxide membranes," Journal of Hazardous Materials, 2015 [54] Clementi, E, Raimond, D L and Reinhardt, W P, "Atomic Screening Constants from SCF Functions II Atoms with 37 to 86 Electrons," Journal of Chemical Physics , p 1300–1307, 1967 [55] L J C F K W Y K R S a J H Jaemyung Kim, "Graphene Oxide Sheets at Interfaces," Journal of the American Chemical Society, vol 132, pp 8180-8186, 2010 67 [56] S Zamani , N Salman Tabrizi, "Removal of methylene blue from water by graphene oxide aerogel: thermodynamic, kinetic, and equilibrium modeling," Res Chem Intermed, vol 41, no 10, pp 7945-7963, 2015 [57] Xiong Chen, Sukun Zhou, Liming Zhang, Tingting You and Feng Xu, "Adsorption of Heavy Metals by Graphene Oxide/Cellulose Hydrogel Prepared from NaOH/Urea Aqueous Solution," Materials, vol 9, no 7, p 582, 2016 [58] Torab Mostaedi, M Hemmati and Khosravi, "Equilibrium, Kinetic, and thermodynamic studies for biosorption of cadium and nikel on graperfruit peel," Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineer, vol 44, pp 295-302, 2013 [59] Jihoon Lee, Yulin Deng, "The morphology and mechanical properties of layer structured cellulose microfibril foams from ice-templating methods," Soft Matter, vol 7, no 13, pp 6034-6040, 2011 68 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Kết tổng hợp GOA PL1.1: Sản phẩm GOA10 luận văn Phụ lục 2: Kết phân tích hình thái, cấu trúc đặc tính GOA10 PL2.1: Giản đồ XRD GO PL2.2: Giản đồ XRD GOA10 PL2.3: Phổ FTIR GO PL2.4: Phổ FTIR GOA10 PL2.5: Phổ Raman GO PL2.6: Phổ Raman GOA10 PL2.7: Diện tích bề mặt riêng GOA10 PL2.8: Ảnh SEM GOA10 Phụ lục 3: Số liệu thực nghiệm khảo sát điều kiện hấp phụ vật liệu GOA10 PL 3.1: Thời gian hấp phụ Bảng PL 3.1.1: Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ GOA10 Cd2+ t (phút) m (g) V (mL) Ce (ppm) qt (mg/g) t/qt Ln(qe-qt) 15 0,02 20 178,13 21,87 0,686 4,494 30 0,02 20 167,90 32,10 0,935 4,373 60 0,02 20 146,72 53,28 1,126 4,062 90 0,02 20 133,65 66,35 1,357 3,807 120 0,02 20 123,88 76,12 1,576 3,562 180 0,02 20 122,71 77,29 2,329 3,529 Bảng PL 3.1.2: Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến dung lượng hấp phụ GOA10 Ni2+ t (phút) m (g) V (mL) Ce (ppm) qt (mg/g) t/qt Ln (qe-qt) 15 0,02 20 170,13 29,87 0,502 4,035 30 0,02 20 155,87 44,13 0,680 3,745 60 0,02 20 134,72 65,28 0,919 3,052 90 0,02 20 124,95 75,05 1,199 2,433 120 0,02 20 119,22 80,78 1,486 1,733 180 0,02 20 118,92 81,08 2,220 1,679 PL 3.2: Khảo sát ảnh hưởng pH Bảng PL.3.2.1: Khảo sát ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ GOA Cd2+ pH m (g) VCd (mL) Ce (ppm) qe (mg/g) 0,02 20 196,81 3,186 0,02 20 164,21 35,787 0,02 20 133,88 66,124 0,02 20 128,63 71,367 0,02 20 128,68 71,321 0,02 20 129,88 70,124 Bảng PL.3.2.2: Khảo sát ảnh hưởng pH đến dung lượng hấp phụ GOA Ni2+ pH m (g) VNi (mL) Ce (ppm) qt (mg/g) 0,02 20 189,02 10,98 0,02 20 167,77 32,23 0,02 20 140,23 59,77 0,02 20 124,05 77,95 0,02 20 122,16 75,84 0,02 20 123,32 73,68 PL 3.3: Nồng độ Cd2+, Ni2+ ban đầu Bảng PL.3.3.1: Bảng số liệu ảnh hưởng nồng độ Cd2+ ban đầu lên trình hấp phụ GOA10 Co m (g) VCd (mL) 40 0,02 20 60 0,02 100 Cc qe (mg/g) Ce/qe lnCe lnqe 5,34 34,66 0,154 1,675 1,675 20 11,74 48,26 0,243 2,276 2,463 0,02 20 27,20 72,80 0,374 3,472 3,303 120 0,02 20 33,96 86,04 0,395 3,760 3,525 150 0,02 20 55,89 94,11 0,594 4,023 4,023 200 0,02 20 103,67 96,33 1,076 4,641 4,641 (ppm) (mg/L) Bảng PL.3.3.2 Bảng số liệu ảnh hưởng nồng độ Ni2+ ban đầu lên trình hấp phụ GOA10 Co (ppm) m (g) VNi Cc (ml) (mg/l) qe (mg/g) Ce/qe lnCe lnqe 40 0,02 20 9,04 30,96 0,292 2,202 3,433 60 0,02 20 16,44 43,56 0,377 2,780 3,774 100 0,02 20 33,90 66,10 0,513 3,523 4,191 120 0,02 20 44,56 75,44 0,591 3,797 4,323 150 0,02 20 72,59 77,41 0,938 4,284 4,349 200 0,02 20 120,14 79,86 1,504 4,789 4,380 PL 3.4: Kết khảo sát hấp phụ đồng thời Cd2+, Ni2+ vật liệu GOA10 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Trần Thị Hồng Ngày tháng năm sinh: 04-11-1989 Nơi sinh: Bình phước Địa liên lạc: ấp Cầu hai, xã Đồng tiến, huyện Đồng phú, tỉnh Bình phước Điện thoại: 0931233880 Email: tranhongcnhh@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - 2008-2011: Sinh viên trường Đại học Đà Lạt - 2016 đến nay: học viên cao học trường Đại học Bách Khoa – ĐH Quốc gia TP HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2012 đến công tác trường Cao đẳng Công nghiệp Cao su thuộc tỉnh Bình phước ... dung lượng hấp phụ cao, thu hồi vật liệu sau hấp phụ Với ưu điểm tính mẻ vật liệu trên, tác giả tiến hành nghiên cứu đề tài “TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIT AEROGEL ĐỂ HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG” với... dung lượng hấp phụ lớn mang lại hiệu cao việc hấp phụ kim loại nặng nghiên cứu mở rộng Chính vậy, tác giả chọn đề tài “TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIT AEROGEL ĐỂ HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG” để nghiên... mía, Hiện nay, graphene vật liệu hấp phụ tiên tiến quan tâm, từ graphene tổng hợp vật liệu đáp ứng tốt yêu cầu xử lý kim loại nặng Có thể kể đến vật liệu graphene oxit aerogel, vật liệu với nhiều