Nghiên cứu lý thuyết khả năng hấp phụ 2,4-dichlorophenoxylacetic acid trên carbon hoạt tính biến tính bởi Fe và Ag

Việc đưa các nguyên tử kim loại vào AC đã nâng cao đáng kể khả năng hấp phụ đối với 2,4-D. Cơ chế hấp phụ thay đổi từ hấp phụ vật lý (trên AC) sang hấp phụ hóa học (trên AC-M). Ảnh hưởng của các dung môi khác nhau (nước, methanol, acetonitrile) đến quá trình hấp phụ cũng được nghiên cứu và phân tích thông qua thuật toán Poisson-Boltzmann.

Khoa học Tự nhiên DOI: 10.31276/VJST.63(11DB).02-06 Nghiên cứu lý thuyết khả hấp phụ 2,4-dichlorophenoxylacetic acid carbon hoạt tính biến tính Fe Ag Nguyễn Thúy Hằng1, Phạm Thị Bé1, 2, Nguyễn Thị Kim Giang1, Nguyễn Hoàng Hào3, Nguyễn Hồng Anh4, Nguyễn Thị Thu Hà1* Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Trường Đại học Tây Nguyên Viện Sư phạm Tự nhiên, Trường Đại học Vinh Viện Khoa học Năng lượng, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận 8/9/2021; ngày chuyển phản biện 13/9/2021; ngày nhận phản biện 13/10/2021; ngày chấp nhận đăng 21/10/2021 Tóm tắt: Phương pháp phiếm hàm mật độ liên kết chặt (GFN2-xTB) sử dụng để khảo sát khả hấp phụ 2,4-dichlorophenoxylacetic acid (2,4-D) carbon hoạt tính (AC) AC biến tính Fe Ag (AC-M) Các đặc tính electron hệ nghiên cứu khảo sát thơng qua ion hóa, lực electron số electrophin toàn phần Năng lượng hấp phụ, mật độ điện tích thơng số hình học tính tốn phân tích để làm rõ khả hấp phụ AC AC-M Kết cho thấy, việc đưa nguyên tử kim loại vào AC nâng cao đáng kể khả hấp phụ 2,4-D Cơ chế hấp phụ thay đổi từ hấp phụ vật lý (trên AC) sang hấp phụ hóa học (trên AC-M) Ảnh hưởng dung môi khác (nước, methanol, acetonitrile) đến trình hấp phụ nghiên cứu phân tích thơng qua thuật tốn Poisson-Boltzmann Từ khóa: carbon hoạt tính, doping kim loại, GFN2-xTB, hấp phụ, 2,4-D Chỉ số phân loại: 1.4 Đặt vấn đề Sự tích tụ chất nhiễm hữu khó phân hủy (POPs) môi trường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người động vật [1] Cơng ước Stockholm xóa bỏ hạn chế sản xuất sử dụng hợp chất POPs đời năm 2001, đến năm 2019 thu hút tham gia 184 quốc gia vùng lãnh thổ, có Việt Nam [2] 2,4-D hợp chất POPs phổ biến, biết đến loại thuốc diệt cỏ trừ sâu lâu đời phổ biến nhất, nên hợp chất thường tìm thấy mơi trường nước mặt nước ngầm [3] Gần đây, nhiều phương pháp công nghệ khác phát triển để xử lý 2,4-D như: phân hủy sinh học [4], xử lý quang xúc tác [5], ơxy hóa điện hóa [6]… Thách thức xử lý 2,4-D thường tìm thấy mơi trường với nồng độ thấp Do đó, bước để xử lý hiệu 2,4-D “thu gom”, hấp phụ phương pháp phù hợp để thực điều AC chất hấp phụ sử dụng rộng rãi diện tích bề mặt cao, cấu trúc xốp chế tạo đơn giản [7] Hơn nữa, đặc tính kỵ nước cấu trúc hệ electron π AC thích hợp để hấp phụ hợp chất có độ phân cực thấp chứa vòng thơm POPs [8] Tuy nhiên, tính hấp phụ linh hoạt đa dạng, AC có khả hấp * phụ nhiều hợp chất khác dung dịch Do đó, cần phải biến tính AC để thúc đẩy q trình hấp phụ có chọn lọc POPs Biến tính AC kim loại chuyển tiếp phương pháp phổ biến làm tăng khả hấp phụ AC Ví dụ: pha tạp kim loại (Cu, Co, Fe, Ni, Zn Mg) làm tăng đáng kể hiệu hấp phụ AC 2,4-D [9] AC biến tính hạt nano magnetite Fe3O4 thể khả hấp phụ tốt 60% so với AC nguyên chất ban đầu [10] Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu lý thuyết hấp phụ 2,4-D AC AC-M Trong đó, Fe đại điện cho kim loại chuyển tiếp sử dụng tương đối rộng rãi xử lý POPs [5, 10] Ag đại diện cho nhóm xúc tác kim loại quý, tương đối bền mặt hóa học Kết thu cung cấp thông tin khả tương tác 2,4-D AC, AC-M cấp độ phân tử, góp phần cung cấp thơng tin hữu ích cho việc thiết kế tổng hợp vật liệu áp dụng xử lý POPs Mơ hình phương pháp tính tốn Mơ hình AC xây dựng dựa hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [11] Mơ hình chứa 134 nguyên tử, chủ yếu vòng carbon cạnh, có số vịng carbon cạnh để biểu thị khuyết tật bề mặt [12] Các nguyên tử biên bề mặt AC bão hòa hóa trị nguyên tử hydrogen Tác giả liên hệ: Email: ntt.ha@hnue.edu.vn 63(11ĐB) 11.2021 Khoa học Tự nhiên Tất tính tốn tối ưu hóa lượng thực phương pháp phiếm hàm mật độ liên kết chặt mở rộng (GFN2-xTB) [13] Năng lượng thu từ GFN2mộtxTB số vòng carbon lượng cạnh để biểu thị nguyên khuyết bao gồm: đẩy cặp tử (Etật ),trên bề mặt [1 rep nguyên biênphụ trênthuộc bề mặtvào ACmật đượcđộbão trị cácmở ngun tử hydro phântửtán (Ehịa),hóa Huckel kiểu Fe and Ag supported on activated carbon as an effective adsorbent for rộngtất (Ecả ), tĩnh traolượng đổi đẳng tínhđiện tốn đẳng tối ưuhướng hóa vàvà đượchướng thực phươ 2,4-dichlorophenoxylacetic acid phiếm liêndịkết chặt mở (GFN2-xTB) [13] (E hàm ),mật tĩnhđộđiện hướng (E rộng ), trao đổi dị hướng E Năng lượng thu GFN2-xTB bao gồm: lượng đẩy cặp nguyên tử (E ), phân hóa học electron (G ) treatment: a theoretical study thuộc vào mật độ (E ), Huckel kiểu mở rộng (E ), tĩnh điện đẳng hướng disp EHT IES+IXC Thuy Hang Nguyen1, Thi Be Pham1, 2, Thi Kim Giang Nguyen1, Hoang Hao Nguyen3, Hong Anh Nguyen4, Thi Thu Ha Nguyen1* Faculty of Chemistry, Hanoi National University of Education Faculty of Natural Sciences and Technology, Tay Nguyen University Institute of Natural Sciences Education, Vinh University Institute of Energy Science, VAST Received September 2021; accepted 21 October 2021 AES disp AXC Fermi rep EHT E =hướng Erep + E + EEHT + EIES+IXC + EAXC +G (1) dị hướng EAX đổi đẳng (Edisp ), tĩnh điện +dịEhướng (EAES ),Fermi trao đổi AES IES+IXC hóa học electron (G ) Fermihiện nhiệt độ electron 300 Các phép toán thực -5 K, tiêu tụ lượng+ 0,1x10 Hartree E = Echuẩn + EEHT + EIES+IXC EAES + EAXC + GFermivà rep + Evề disp hội -3 hội Các tụ hàm sóng 0,1x10 Cácởđặc tính cácK, tiêu chuẩn v phép tốnlàđược thựce.hiện nhiệt độelectron electroncủa 300 -5 đánh giá thông qua lượng ion hóa hệ nghiên cứu lượng 0,1x10 Hartree hội tụ hàm sóng 0,1x10-3 e Các đặc tính nghiên lực electon (EA)đánh số electrophin toàn phần của(IP), hệ cứu giá thơng qua lượng ion hóa (IP), lực (GEI) tính theo sau: (EA) chỉGEI số electrophin tồncơng phầnthức (GEI) GEI tính theo cơng thức sau: (2) Abstract: Extended tight-binding quantum chemical method Vấn đề xác định cấu hình hấp hấp phụ phụ tối tối ưu, ưu, việc xác định phần củađịnh mộtcực cấu tiểu trúc tồn ln phần vấncủa đề đặc biệt quan tâm nghiê (GFN2-xTB) was performed to investigate thetồnviệc xác cấu trúc ln phứctâm tạpđặc củabiệt Trongnghiên nghiên cứu cứu lý này, để xác định vị trí adsorption of 2,4-dichlorophenoxylacetic acid (2,4-thuyết vấndo đềmức đượcđộquan thuyết đưatạp cáccủa kimnó loại Fe, Ag lên hấp phụ 2,4-D trê D) on activated carbon (AC) and AC modified by Fethuận lợi mức độkhi phức Trong nghiên cứuAC này,hoặc để xác cấu trúc có lượng thấp (cực tiểu toàn phần đối vớ or Ag (AC-M) Electronic properties of the studiedAC-M, định vị trí hấp phụ thuận lợi đưa kim loại Fe, tiến hành sau: trước tiên, mô siêu động lực học mở rộn systems were estimated via vertical ionisation potential, Ag lên AC hấp phụ 2,4-D AC AC-M, dynamic MTD) kết hợp với trường lực cổ điển bổ sung bước vertical electron affinity, and global electrophilicity cấu trúc có lượng thấp (cực tiểu toàn phần chuyển giao z-GC (genetic z-matrix crossing) sử dụng để “lấy mẫu” (sampling), tạ index Adsorption energy, population analysis, and 2-4 D), tiến hành sau: trước tiên, mơ cấu trúc có lượng thấp (khoảng 200 cấu trúc tạo ra) Các cấu trúc geometrical parameters were calculated to clarify siêu động lực học mở rộng (meta-dynamic - MTD) lượng thấp lựa chọn để tối ưu hoàn toàn sau GFN2-xTB the adsorption ability of AC and AC-M The resultstoánkết hợp kết với trường cổz-GC điển bổ sung bước chuyển giaovới phần mềm MTD hợp malực trận (iMTD-GC) tích hợp indicated that the introduction of metal atoms to AC(mãma trận mở z-GC (geneticđã z-matrix crossing) sửcông dụngcụđểhiệu nguồn GFN-Xtb) chứng minhđược substantially enhanced the adsorption ability for 2,4-các “lấy vị trímẫu” hấp phụ tối ưu, cấu cực tiểu phần,lượng đặc biệt c (sampling), tạonhư trúc tồn có D The adsorption mechanism changed from physicaltử hữu [14, 15] thấp (khoảng 200 cấu trúc tạo ra) Các cấu trúc có adsorption (on AC) to chemisorption (on AC-M) The lượng thấp lựa chọn để tối ưu hoàn toàn Năng lượng hấp phụ tính theo cơng thức sau: influence of different solvents (water, methanol, and sau GFN2-xTB Thuật toán MTD kết hợp ma trận Eads = Ecấu hình hấp phụ - Echất hấp phụ - Echất bị hấp phụ acetonitrile) on the adsorption process was studied via z-GC (iMTD-GC) tích hợp với phần mềm CREST an Analytical linearized Poisson-Boltzmann algorithm hưởng dung môi đến trình hấplàphụ (mãẢnh nguồn mở GFN-Xtb) chứng minh mộtđược cơngđánh giá thuật tốn phân tích tuyến tính Poisson-Boltzmann [16] Keywords: activated carbon, adsorption, GFN2-xTB,dụng cụ hiệu xác định vị trí hấp phụ tối ưu, metal doping, 2,4-D Kếtnhư quảcác thảo luậntoàn phần, đặc biệt phân tử cực tiểu hữu [14, 15] Cấu trúc hình học tính chất electron 2,4-D, AC AC-M Classification number: 1.4 Năng tính sau:Kết tính tốn cá Hình 1lượng trình hấp bày phụ cấu trúc tối ưutheo công 2,4-Dthức AC số thể bảng Eads = Ecấu hình hấp phụ - Echất hấp phụ - Echất bị hấp phụ (3) Ảnh hưởng dung mơi đến q trình hấp phụ đánh giá cách sử dụng thuật tốn phân tích tuyến tính Poisson-Boltzmann [16] Kết thảo luận Cấu trúc hình học tính chất electron 2,4-D, AC, AC-M Hình trình bày cấu trúc tối ưu 2,4-D AC Kết tính tốn thơng số thể bảng 63(11ĐB) 11.2021 Khoa học Tự nhiên (A) (B) (A) Hình Cấu trúc tối ưu 2,4-D (A) AC (B) Bảng Các kết tính tốn cấu trúc đặc tính electron cho 2,4-D AC GFN2-xTB Thông số GFN2-xTB Tài liệu tham khảo d(C6-O14) (Å) 1,359 1,378* [17], 1,369** [18] d(C12-O14) (Å) 1,401 1,421 [17], 1,413** [18]