Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu khung hữu cơ kim loại ZIF-8 và ZIF-8 biến tính trong xử lý nước và lọc khí
MỤC LỤC
Vật liệu khung hữu cơ kim loại ZIF-8
ZIFs được cấu tạo từ các ion kim loại chuyển tiếp phối trí tứ diện (ví dụ như Me = Fe, Co, Cu, Zn) liên kết với các đầu nối là imidazole hữu cơ theo cách tương tự Si và Al được nối với nhau qua cầu oxi trong zeolit. Bản chất và kích thước của cầu nối hữu cơ dẫn đến việc ZIFs có cấu trúc tương đồng với zeolite nhưng mao quản lớn hơn zeolite tương ứng. Nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng ZIFs có hiện tượng "cửa mở": khi tương tác với các phân tử hấp phụ, chúng trải qua sự thay đổi cấu trúc trong quá trình hấp phụ, bằng cách cho phép nhiều hơn các phân tử chất bị hút bám đi vào khung.
Do các thành phần liên kết hữu cơ trong khung luân phiên để cho phép các hiện tượng trên, bản chất của mối liên kết hữu cơ có ý nghĩa trọng yếu trong việc chọn lọc và tính chất của vật liệu ZIFs phù hợp cho các ứng dụng đặc hiệu [11]. Trong số các loại vật liệu ZIFs, thì ZIF-8 được nghiên cứu rộng rãi nhất [16]. ZIF-8 được tạo thành từ nguyên tử Zn liên kết với 2-methylimidazolate (MeIM), tạo thành công thức Zn(MeIM)2.
ZIF-8 cấu trúc nano đã được tổng hợp dựa trên phương pháp phản ứng trong hỗn hợp thông thường ở nhiệt độ phòng và dung môi methanol [19]. Gần đây, vật liệu ZIF-8 có cấu trúc nano còn được tổng hợp trong nước [20]. ZIF-8 cũng được thử nghiệm như là xúc tác dị thể cho phản ứng ngưng tụ Knoevenagel [29], tổng hợp styren cacbonat từ CO2 và styren oxit [18], tổng hợp etyl metyl cacbonat [32], Friedel-Crafts [15].
Một số đặc trưng hóa lý của vật liệu ZIF-8 và ZIF-8 biến tính tổng hợp
Cỏc hạt cầu phõn tỏn, bề mặt đều ớt bị kết tụ, bề mặt tinh thể quan sỏt rừ ràng dự đoán vật liệu có diện tích bề mặt cao và độ kết tinh cao. Độ bền nhiệt của ZIF-8 và ZIF-8(9:1) được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt TGA, kết quả được trình bày ở hình 1.9. Kết quả cho thấy diện tích bề mặt và kích thước mao quản của ZIF-8 được tổng hợp từ Zn2+ có cao hơn so với những công bố.
Tuy nhiên, diện tích bề mặt và kích thước mao quản giảm khi biến tính ZIF-8 bằng Fe2+.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir isotherm: Mô hình đẳng nhiệt Langmuir dựa trên giả thiết sự hấp phụ là đơn lớp, nghĩa là các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử và tất cả các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ có ái lực như nhau đối với chất bị hấp phụ [13]. Freundlich isotherm: Mô hình đẳng nhiệt Freundlich dựa trên giả thiết cho rằng bề mặt chất hấp phụ là không đồng nhất với các tâm hấp phụ về số lượng và năng lượng hấp phụ [5]. Sips isotherm: Theo phương trình Freundlich (2.3) ta thấy khi nồng độ tăng thì lượng chất hấp phụ càng tăng, điều này hoàn toàn vô lí.
Trong khóa luận này, tôi áp dụng hai mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich để nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt phẩm nhuộm trên vật liệu ZIF-8 và ZIF-8 biến tính. Để xác định giá trị của KL, KF, qm, n tôi sử dụng phương pháp tổng bình phương tối thiểu trong hàm Solver trong Microsoft Excel.
Thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ phẩm nhuộm của ZIF-8, ZIF-8(9:1)
- Thiết bị đo quang: Đo mật độ quang của dung dịch sau hấp phụ bằng máy Jasco V-550 UV/VIS Spectrophotometer (Nhật). 50 mg/l (các dung dịch chuẩn phải có cùng điều kiện như dung dịch xác định). Tiến hành tương tự với dung dịch phẩm nhuộm RDB với nồng độ 30mg/l và 50mg/l.
Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt phẩm nhuộm trên vật liệu ZIF-8 và ZIF-8 biến tính. LAB system với tốc độ 300 vòng/phút trong 24 giờ để đảm bảo được cân bằng hấp phụ. Sau đó, ly tâm để loại bỏ chất hấp phụ, nồng độ của dung dịch phẩm nhuộm được xác định bằng phương pháp UV-Vis trên máy Jasco V-550 UV/VIS Spectrophotometer (Nhật) ở maxcủa phẩm nhuộm RDB (600 nm).
Kết quả cho thấy ZIF-8 và ZIF-8(9:1) có khả năng hấp phụ kém đối với loại phẩm nhuộm cation (Astrazon black AFDL). Tuy nhiên, ZIF-8 và ZIF-8(9:1) lại có hoạt tính hấp phụ cao đối với loại phẩm nhuộm trung tính Dianix black và loại phẩm nhuộm anion Remazol deep black (RDB).
ZIF-8
Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
Để mô tả quá trình hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu ZIF-8 và ZIF-8 biến tính đối với phẩm nhuộm RDB, chúng tôi sử dụng mô hình hai tham số: Langmuir, Freundlich. Kết quả thực nghiệm qe theo Ce và kết quả tính toán theo dạng phi tuyến tính của các mô hình đẳng nhiệt được trình bày trên Hình 3.3.
ZIF-8(9:1)
Để mô tả quá trình hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu ZIF-8 và ZIF-8 biến tính đối với phẩm nhuộm RDB, chúng tôi sử dụng mô hình hai tham số: Langmuir, Freundlich. Kết quả thực nghiệm qe theo Ce và kết quả tính toán theo dạng phi tuyến tính của các mô hình đẳng nhiệt được trình bày trên Hình 3.3. qeexperiment qe Langmiur qe Freudlich. qe Langmuir qe Freudlich qe experiment. Giản đồ qe theo Ce và các đường cong mô hình đẳng nhiệt a) ZIF-8 và Freundlich. Trong đó SSE là tổng bình phương sai lệch của điểm thực nghiệm với mô hình và SSEtotal là tổng bình phương sai lệch giá trị trung bình với thực nghiệm. Kết quả Hình 3.3 cho thấy các điểm thực nghiệm phân bố xung quanh đường cong của cỏc mụ hỡnh và thể hiện rừ chỳng phự hợp với đường cong của mụ hỡnh đẳng nhiệt Langmuir hơn Freundlich.
Điều này thể hiện rừ hơn trong kết quả Bảng 3.1.Giá trị hệ số xác định r2 mô hình hấp phụ đẳng nhiệt RDBtrên ZIF-8 và ZIF-8(9:1) theo mô hình Langmuir cao hơn mô hình Freundlich. Dựa vào sự phân bố các điểm thực nghiệm theo hai mô hình và độ chính xác r2, có thể kết luận rằng sự hấp phụ đẳng nhiệt RDB trên ZIF-8 và ZIF-8(9:1) đều phù hợp với mô hình Langmuir hơn.
