Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu hấp phụ

6. Cấu trúc luận văn

3.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu hấp phụ

Để đánh giá vai trò của hàm lượng vật liệu rGO đối với quá trình hấp phụ Alizarin red S, tiến hành các thí nghiệm với dung dịch Alizarin red S nồng độ 25 ppm, hàm lượng vật liệu rGO từ 0,1 g/L đến 0,5 g/L. Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất xử lý Alizarin red S và tải trọng hấp phụ của vật liệu rGO sau 40 phút vào hàm lượng vật liệu rGO được thể hiện trên Hình 3.10 và Hình 3.11.

Hình 3.10. Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Alizarin red S vào hàm lượng vật liệu hấp phụ rGO.

Kết quả thực nghiệm cho thấy, hàm lượng vật liệu ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất hấp phụ Alizarin red S và tải trọng hấp phụ của vật liệu. Tăng hàm lượng rGO hiệu suất hấp phụ tăng nhanh, sau đó tăng chậm lại. Ở hàm lượng vật liệu 0,5 g/L sau 40 phút hiệu suất hấp phụ đạt 85%. Điều này có thể được giải thích là do tăng hàm lượng vật liệu sẽ đồng nghĩa với việc tăng số lượng tâm hấp phụ nên lượng Alizarin red S được hấp phụ sẽ tăng lên dẫn

20 40 60 80 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 H, %

28

đến hiệu suất hấp phụ tăng. Tuy nhiên khi tăng hàm lượng vật liệu tải trọng hấp phụ giảm dần (Hình 3.11).

Do vậy trong các khảo sát tiếp theo, hàm lượng vật liệu rGO được chọn là 0,4 g/L.

3.4.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch

Một trong các yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới quá trình hấp phụ phải kể đến là pH của môi trường. Tùy thuộc vào pH mà Alizarin red S cũng như vật liệu hấp phụ sẽ tồn tại ở dạng mang điện tích âm, điện tích dương hoặc không mang điện, từ đó sẽ ảnh hưởng đến khả năng tương tác giữa chúng trong quá trình hấp phụ.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường đến hiệu suất hấp phụ Alizarin red S của vật liệu rGO được thể hiện trên Hình 3.12.

Theo kết quả Hình 3.12 tăng pH môi trường từ 5 (môi trường axit) đến 9 (môi trường bazơ) hiệu suất hấp phụ giảm mạnh. Hiệu suất hấp phụ cực đại đạt được ở pH = 6 là H 84,25%.

40 50 60 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 q, m g/g

Hàm lượng vật liệu rGO, g/L

Hình 3. 11. Đồ thị phụ thuộc của tải trọng hấp phụ Alizarin red S vào hàm lượng vật liệu hấp phụ rGO.

29

Hình 3. 12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Alizarin red S vào pH môi trường

Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu có thể được giải thích dựa vào kết quả xác định điểm đẳng điện của vật liệu. Theo như kết quả mục 3.1.3 điểm đẳng điện của vật liệu rGO là pHI = 6,4. Ở pH > 6,4 vật liệu mang điện tích âm, cùng dấu với Alizarin red S nên chúng đẩy nhau, quá trình hấp phụ không thuận lợi. Ở pH < 6,4 vật liệu rGO mang điện tích dương sẽ hút Alizarin red S mang điện tích âm nên hiệu suất hấp phụ tăng. Trong các khảo sát tiếp theo pH môi trường được lựa chọn là pH = 6.

3.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Alizarin red S trên rGO, tiến hành các khảo sát ở 25oC, 30oC, 35oC, 40oC, 45oC. Nhiệt độ quá trình hấp phụ được thay đổi bằng cách sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt và được kiểm tra bằng nhiệt kế đặt trong dung dịch.

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Alizarin red S của vật liệu rGO vào nhiệt độ hấp phụ được thể hiện trên Hình 3.13.

83.57 84.25 51.82 44.46 39.62 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5 6 7 8 9 H (%) pH

30

Kết quả thực nghiệm cho thấy tăng nhiệt độ hấp phụ, hiệu suất xử lý Alizarin red S tăng mạnh, hiệu suất cao nhất đạt được là 96 % tại 45oC. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ lên cao quá sẽ làm cho nước bị bay hơi rất nhiều.

Từ ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ tiến hành xác định các tham số nhiệt động học của quá trình hấp phụ bao gồm biến thiên entanpi chuẩn (ΔHo), biến thiên entropi chuẩn (ΔSo) và biến thiên entanpi tự do chuẩn (ΔGo).

Hệ số Kd được xác định theo phương trình:

e d e q K C  (3.4)

ΔH° và ΔS° của quá trình hấp phụ liên hệ với lnKd theo phương trình van’t-Hoff: ln o o d H S K RT R      (3.5)

Và ΔG° được xác định theo phương trình Gibbs-Helmholtz:

ΔG° = ΔH° - T ΔS° (3.6)

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKd và 1/T được thể hiện trên Hình 3.14. 70 80 90 100 20 25 30 35 40 45 50 H, % ToC

Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Alizarin red S vào nhiệt độ môi trường

31 Từ phương trình hồi quy tuyến tính:

1

lnKd 8897,3. 31,919

T

   (3.7)

Suy ra ΔHo = 73,97 kJ/mol > 0 và ΔSo = 265,37 J. mol-1.K-1. Thay vào phương trình (3.6) suy ra giá trị ΔGo

298 = -5109,5 J < 0

Như vậy quá trình hấp phụ Alizarin red S bằng rGO là quá trình thu nhiệt tự phát.

3.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ

Ảnh hưởng của nồng độ đầu Alizarin red S đến hiệu suất hấp phụ bằng vật liệu rGO được thể hiện trên Hình 3.15.

Kết quả thực nghiệm cho thấy, tăng nồng độ đầu Alizarin red S hiệu suất hấp phụ giảm dần. Khi nồng độ đầu Alizarin red S là 100 ppm thì hiệu suất hấp phụ chỉ còn 33%.

y = -8897.3x + 31.919 R² = 0.9832 0.5 2.5 4.5 0.0031 0.00315 0.0032 0.00325 0.0033 0.00335 0.0034 lnK d 1/T

Hình 3.14. Đồ thị xác định thông số nhiệt động học (ΔHo và ΔSo) của quá trình hấp phụ Alizarin red S bằng rGO

32

Hình 3.15. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ đầu Alizarin red S.

Đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ Alizarin red S bằng vật liệu rGO cũng được đánh giá qua hai mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phổ biến là mô hình đẳng nhiệt Langmuir:

1 . e e e L m m C C q  K q q (3.8)

với mức độ hấp phụ được đánh giá qua hệ số tách hay thông số cân bằng RL:

0 1 1 . L L R K C   (3.9) và đẳng nhiệt Freundlich [10]: 1 lnqe lnCe lnKF n   (3.10) Trong đó + qm là tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g).

+ qe là tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

+ Ce là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L).

+ KL là hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) đặc trưng cho ái lực của tâm hấp phụ.

+ RL là thông số tách hay thông số cân bằng, giá trị RL nằm giữa 0 và 1 chỉ ra cân bằng hấp phụ là thuận lợi; RL = 1 chỉ ra đẳng nhiệt tuyến tính; RL > 1 chỉ ra sự hấp phụ không thuận lợi.

+ C0 là nồng độ ban đầu của Alizarin red S (ppm)

88.8 83.2 67.3 53.7 33.1 0 20 40 60 80 12.5 25 30 50 100 H, %

33

+ KF là hằng số Freundlich (mg/g), được xem như là một hệ số hấp phụ hoặc hệ số phân bố, biểu diễn lượng chất bị hấp phụ trên một lượng chất hấp phụ.

+ 1/n là thông số kinh nghiệm, là thước đo cường độ hấp phụ hoặc tính không đồng nhất của bề mặt, 0 < 1/n < 1 quá trình hấp phụ là thuận lợi, 1/n càng tiến đến “0” bề mặt càng không đồng nhất [11].

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ce /qe vào Ce đối với mô hình Langmuir được trình bày trên Hình 3.16, và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnqe vào lnCe đối với mô hình Freundlich được trình bày trên Hình 3.17.

Hình 3.16. Đồ thị đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Alizarin red S lên vật liệu rGO.

Hình 3.17. Đồ thị đẳng nhiệt Frendlich hấp phụ Alizarin red S lên vật liệu rGO.

y = 0.0114x + 0.4546 R² = 0.9937 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 20 40 60 80 Ce /qe Ce, ppm y = 0.2614x + 3.3675 R² = 0.9036 3 4 5 0 1 2 3 4 5 lnq e lnCe

34

Từ giá trị độ dốc và đoạn cắt của trục tung sẽ tính được giá trị tham số của các phương trình đẳng nhiệt (Bảng 3.2). Thay giá trị đó vào phương trình (3.9) tính được các thông số cân bằng RL phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của Alizarin red S. Giá trị RL dao động từ 0,29 đến 0,76 tùy theo nồng độ Alizarin red S.

Bảng 3. 2. Thông số của các phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich quá trình hấp phụ Alizarin red S lên rGO

Đẳng nhiệt Langmuir Đẳng nhiệt Freundlich

KL (L/mg) qm (mg/g) R2 KF (L/g) 1/n R2

0,025 87,72 0,9937 29,01 0,2614 0,9036

Như vậy có thể thấy quá trình hấp phụ Alizarin red S lên rGO phù hợp với phương trình đẳng nhiệt Langmuir hơn là Freundlich.

35

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

- Đã tổng hợp thành công vật liệu hấp phụ rGO có khả năng hấp phụ tốt alizarin red S từ bột graphit.

- Đã xác định các đặc trứng hóa lí (IR, XRD) và điểm đẳng điện của vật liệu: pHi (rGO) = 0,64.

- Đã xác định được phương trình đường chuẩn của Alizarin red S.

- Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ Alizarin red S của vật liệu rGO. Xác định được điều kiện tốt nhất cho quá trình hấp phụ là 0,4 g/L, thời gian 40 phút, nhiệt độ 45oC.

- Đã chứng mình được quá trình hấp phụ Alizarin red S trên rGO tuân thao mô hình động học biểu kiếm bậc 2; là quá trình thu nhiệt tự phát và tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir, tải trọng hấp phụ cực đại tính theo Langmuir là 87,72 mg/g.

36

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Qiqi Zhuo, Jing Gao, Mingfa Peng, Lili Bai, Jiujun Deng, Yujian Xia, Yanyun Ma, Jun Zhong, Xuhui Sun, "Large-scale synthesis of graphene by the reduction of graphene oxide at room temperature using metal nanoparticles as catalyst," Carbon, vol. 52, 2013, pp. 559- 564

[2] W. S. Hummers and R. E. Offeman, "Preparation of Graphitic Oxide," Journal of the American Chemical Society, vol. 80, no. 61958, pp. 1339-1339

[3] X. Jiao, Y. Qiu, L. Zhang, and X. Zhang, "Comparison of the characteristic properties of reduced graphene oxides synthesized from natural graphites with different graphitization degrees," RSC Advances, vol. 7, 2017, no. 82, pp. 52337-52344.

[4] Paulchamy B1, Arthi G2 and Lignesh BD , "A Simple Approach to Stepwise Synthesis of Graphene Oxide Nanomaterial," Journal of Nanomedicine & Nanotechnology, vol. 6, 2015, p. 1000253

[5] F. Yusoff, K. Suresh, M. S. Noorashikin, “Synthesis and characterization of reduced graphene oxide-iron oxide nanocomposite as a potential fuel cell electrocatalyst”, IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 463, 2020

[6] B. Kartick, S. K. Srivastava, Srivastava, and I, "Green Synthesis of Graphene," Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 13, no. 6, 2013, pp. 4320-4324.

[7] F. W. Low, C. W. Lai, and S. B. Abd Hamid, "Easy preparation of ultrathin reduced graphene oxide sheets at a high stirring speed," Ceramics International, 41, 2015

[8] Jafar Soleymani, Mohammad Hansanzadeh, Nasrin Shadjou, Maryam Khoubnasab Jafari, Jalil Vaez Gharamaleki, Mehdi Yadollahi, Abolghasem Jouybal, “A new kinetic– mechanistic approach to elucidate electrooxidation of doxorubicin hydrochloride in unprocessed human fluids using magnetic graphene based nanocomposite modified glass”,

Materials Science & Engineering C, 61, 2016, 638-650.

[9] Chang Y. P., Ren C. L., Qu J. C., Chen X. G. (2012), Preparation and characterization of Fe3O4/graphene nanocomposite and investigation of its 111 adsorption performance for aniline and p-chloroaniline, Appl. Surf. Sci., 261, 504– 509.

[10] Kumar P. S., Flores R. Q., Sjostedt C., and Onnby L. (2016), Arsenic adsorption by iron-aluminium hydroxide coated onto macroporous supports: insights from Xray

37

absorption spectroscopy and comparison with granular ferric hydroxides, J. Hazard. Mater., 302, 166-174.

[11] Mohammadi N., Khani H., Gupta V.K., Amereh E., Agarwal S. (2011), Adsorption process of methyl orange dye onto mesoporous carbon material–kinetic and

thermodynamic studies, J. Colloid Interface Sci., 362(2), 457-462.

[12] Gao W. (2012), Graphite oxide: Structure, reduction and applications, thesis of Ph.D, Rice University, Texas,

[13] Hoàng Nhâm (2000), Hóa học vô cơ tập 2, NXB Giáo dục, Hà Nội.

[14][Marcano D. C., Kosynkin D. V., Berlin J. M., Sinitskii A., Sun Z., Slesarev A., Alemany L. B., Lu W., and Tour J. M. (2010), Improved Synthesis of Graphene Oxide,

ACS Nano, 4(8), 4806-4814.

[15] Brodie B. C. (1859), On the atomic weight of graphite, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 149, 249-259.

[16] Marcano D. C., Kosynkin D. V., Berlin J. M., Sinitskii A., Sun Z., Slesarev A., Alemany L. B., Lu W., and Tour J. M. (2010), Improved Synthesis of Graphene Oxide,

ACS Nano, 4(8), 4806-4814.

[17]. Kovtyukhova N. I., Ollivier P. J., Martin B. R., Mallouk T. E., Chizhik S. A., Buzaneva E. V., and Gorchinskiy A. D. (1999), Layer-by-Layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-Sized Graphite Oxide Sheets and Polycations, Chem. Mater., 11(3), 771-778.

[18]. https://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BA%A5p_ph%E1%BB%A5

[19]. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lý nước và nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội.