Phân tích đặc tính của vật liệu

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

2.3 Phân tích đặc tính của vật liệu

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)

Độ tinh thể của PFA và pACs được xác định bằng cách sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD; Shimadzu 6100, Japan), với nguồn bức xạ Cu Kα ( λ= 1.54 Aº), góc quay 2 theta từ 10 đến 80o.

21

2.3.2 Quang phổ hồng ngoại chuỗi biến đổi Fourier (FT-IR)

Phân tích FT-IR được thực hiện bằng máy đo quang phổ FT-IR (Tensor 27, Bruker, Đức) trong dãy số sóng từ 4000 đến 500 cm-1.

2.3.3 Quang phổ Raman

Hình thái phân tử của vật liệu được đánh giá bằng quang phổ Raman của máy quang phổ JASCO NRS-5000 sử dụng diode laser bước sóng 532 nm.

2.3.4 Hấp phụ- giải hấp N2

Hấp phụ- giải hấp N2 được phân tích bằng phương pháp đo porosimetry N2 (Tristar 2020, Micromeritics, USA) ở 77 K. Diện tích bề mặt của các mẫu tổng hợp được tính tốn bằng phương trình Brunauer-Emmett-Teller (BET), trong khi phân bố kích thước lỗ của chúng được xác định bằng phương pháp Horvath-Kawazoe (HK).

2.3.5 Thế zeta của vật liệu than hoá

Điện thế zeta được xác định sử dụng laser Doppler electrophoresis của HORIBA, Japan.

2.4 Khảo sát ứng dụng than hoạt tính vào q trình hấp phụ chất màu MB và MO

Phương pháp quang phổ hấp phụ UV-vis được sử dụng để xác định hàm lượng chất màu trong dung dịch. Khả năng hấp phụ quang được đo ở bước sóng 665 nm đối với chất màu MB và 465nm đối với chất màu MO sử dụng máy UV-vis spectrophotometer, tại phịng thí nghiệm D14 khoa Cơng nghệ Hố học, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM.

2.4.1 Thiết lập đường chuẩn đối với các hợp chất màu MB và MO

Pha dãy nồng độ chuẩn (C) của chất màu MB và MO trong khoảng nồng độ từ 2 đến 14 mg/L. Tiến hành đo độ hấp thu quang, giá trị độ hấp thu quang A ở bước sóng hấp phụ cực đại được ghi nhận và dựng đường đường chuẩn A= f(C).

22

2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của pACs

Đầu tiên, ta cần xác định thời gian hấp phụ đạt cân bằng. Cho lượng pACs đã biết trước vào erlen chứa dung dịch chất màu và tiến hành lắc hỗn hợp. Tại mỗi khoảng thời gian định trước, mẫu được lấy ra loại bỏ phần chất rắn và tiến hành xác định nồng đợ. Q trình lặp lại đến khi nồng đợ của dung dịch không đổi ta xác định được khoảng thời gian đạt hấp phụ cân bằng là 210 phút. Sau đó, cho lượng xúc tác biết trước vào 10 ml dung dịch chất màu ở các nồng độ khác nhau 40, 50, 60, 70, và 80 mg/L, hỗn hợp được lắc với tốc đợ 280 vịng/phút. Sau mỗi khoảng thời gian dung dịch được lấy ra, lọc loại bỏ chất rắn, dịch lọc đem đi xác định nồng đợ chất màu. Dung tích hấp phụ của trên vật liệu được tính tốn bằng cách sử dụng công thức sau:

𝑞 = (𝐶0− 𝐶𝑒)𝑉 𝑚

(2-1)

Trong đó

𝐶0 và 𝐶𝑒 (mg/L) lần lượt là nồng độ ban đầu và cân bằng và của thuốc nḥm; V (L) là thể tích của dung dịch thuốc nhuộm;

m (mg) là khối lượng của chất hấp phụ; q (mg/g) là dung lượng hấp phụ.

2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu đến khả năng hấp phụ của pACs

Thêm 10 mg pACs vào các erlen có nồng đợ chất màu từ 40 đến 80 mg/L. Tiến hành lắc hỗn hợp trong 210 phút, lọc loại bỏ phần chất rắn, lấy dịch lọc xác định nồng độ chất màu.

2.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng pACs đến khả năng hấp phụ

Để khảo sát ảnh hưởng của khối lượng pACs đến khả năng hấp phụ, các mẫu pACs có khối lượng khác nhau từ 5 đến 30 mg được thêm vào erlen chứa 10 ml dung dịch chất màu có nồng đợ 40 mg/L, hỗn hợp được lắc trong vịng 210 phút, lọc loại bỏ

23

phần chất rắn, dịch lọc được xác định nồng độ chất màu bằng phân tích phổ hấp phụ UV-Vis.

2.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ chất màu của pACs

Quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ chất màu của pACs được tiến hành như sau: một lượng pACs biết trước được thêm vào erlen chứa 10 ml dung dịch màu có nồng đợ 40 mg/L, hỗn hợp được lắc với tốc đợ 280 vịng/phút. Sau mỗi khoảng thời gian định trước, dung dịch được lấy ra, lọc loại bỏ phần chất rắn, lấy dịch lọc và nồng đợ chất màu được phân tích bằng phổ hấp thu UV-Vis. Thí nghiệm được tiến hành ở bốn giá trị nhiệt độ cố định là 25 ºC, 35 ºC, 45 ºC, và 55 ºC.

2.4.6 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của pACs

Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của pACs được khảo sát tại các giá trị từ 2 đến 12. Thí nghiệm được tiến hành tương tự như trên chỉ thêm vào việc điều chỉnh giá trị pH định trước bằng dung dịch HCl hoặc NaOH.

2.4.7 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian q trình than hóa PFA

được tổng hợp bằng xúc tác ChCl:ZnCl2 đến khả năng hấp phụ chất màu

Cân 10 mg mỗi mẫu pACs thu được từ các quá trình than hố với nhiệt đợ và thời gian khác nhau cho vào erlen chứa 10 ml dung dịch chất màu có nồng đợ 40 mg/L, hỗn hợp được lắc trong vịng 210 phút với tốc đợ 280 vịng/phút. Sau đó, dung dịch được lọc loại bỏ phần chất rắn, lấy dịch lọc và nồng đợ chất màu được phân tích bằng phổ hấp thu UV-Vis.

2.5 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu sau khi hấp phụ chất màu

Đối với thực nghiệm cho quá trình rửa giải, vật liệu pACs được thêm vào 10 ml dung dịch chất màu nồng độ 40 mg/L và hỗn hợp được lắc trong 210 phút. Sau đó, hỗn hợp được ly tấm để tách loại phần dung dịch, phần rắn còn lại được thêm vào 10 mL methanol và lắc trong 180 phút để quá trình rửa giải diễn ra. Tiếp tục ly tâm và loại bỏ phần dịch phía trên. Q trình lặp lại đến khi phần dịch lọc khơng cịn tín hiệu khi phân tích UV-vis trong dãy bước sóng 800 đến 200 nm. Sau đó pACs được thu lại, sấy khơ hồn tồn ở 45 ºC để tái sử dụng hấp phụ chất màu cho quy trình tiếp theo.

24

Quá trình hấp phụ-giải hấp của pACs được lặp lại 5 lần để đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu pACs.

25

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Tổng hợp PFA

Quá trình trùng hợp 2.0 g monomer FA được tiến hành với các loại DES khác nhau tại các nhiệt độ phản ứng khác nhau, sau q trình phản ứng polymer được cơ lập và sấy khơ hồn tồn để tính tốn đợ chuyển hóa như được thể hiện ở Bảng 3.1. Theo như kết quả có thể thấy được rằng q trình tổng hợp sử dụng DES loại EG: ZnCl2 (4:1) cho đợ chuyển hóa cao nhất là 88.0% với nhiệt độ phản ứng là 70 ℃ trong 48 giờ, tiếp đến là p- ToSA cho 82.4% ở nhiệt độ phản ứng là 25 ℃ trong 48 giờ. Trong khi đó, ChCl: ZnCl2 (1:2) cho đợ chuyển hóa 80.4% ở nhiệt đợ phản ứng 25 ℃ chỉ với thời gian phản ứng là 0.25 giờ hay 15 phút. Như vậy khi so sánh hiệu quả của các loại DES đối với quá trình trùng hợp polymer này ta thấy được hỗn hợp DES loại ChCl: ZnCl2 cho hiệu quả tốt với đợ chuyển hóa phản ứng khá cao tại điều kiện nhiệt độ là 25 ℃ trong khi rút ngắn được thời gian phản ứng đáng kể.

Bảng 3.1. Hiệu śt của q trình polymer hóa FA sử dụng các loại DES khác nhau

Loại DES Khối lượng DES (g) Nhiệt độ (℃) Thời gian (giờ) PFA (g) Độ chuyển hóa (%) p- ToSA 0.04 25 48 1.648 82.4 ChCl:ZnCl2 (1:2) 4.0 25 0.25 1.608 80.4 EG:ZnCl2 (4:1) 4.0 70 48 1.76 88.0 Ure:ZnCl2 (3.5:1) 4.0 70 48 0.58 29.0

Dựa vào kết quả thu được ta có thể thấy được rằng việc sử dụng DES loại ChCl: ZnCl2 (1:2) hồn tồn có khả năng thay thế cho các loại xúc tác acid thông thường mà vẫn đem lại hiệu quả cao của phản ứng trong một khoảng thời gian phản ứng rất ngắn.

26

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất q trình chuyển hóa FA

3.2.1 Tỷ lệ DES/FA

Sau khi tiến hành tổng hợp PFA sử dụng các loại xúc tác DES khác nhau thì ChCl:ZnCl2 (1:2) được chọn là DES mang lại hiệu quả tổng hợp tốt nhất về nhiệt độ và thời gian phản ứng như trình bày ở Bảng 3.1. Do đó ở các thí nghiệm tiếp theo, các yếu tố như tỷ lệ khối lượng DES/FA hay nhiệt đợ q trình phản ứng được khảo sát mợt cách chi tiết hơn để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất chuyển hóa của FA. Kết quả về ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DES/FA đến độ chuyển hóa được trình bày ở Bảng 3.2.

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng DES/FA đối với hiệu śt q trình chuyển hóa FA tại 60 °C trong 4 giờ

Tỷ lệ khối lượng DES/FA (wt.%) 5 7.5 10

Đợ chuyển hóa FA (wt.%) 43.0 64.2 82.0

Từ kết quả ở Bảng 3.2 có thể xác định được rằng tỷ lệ khối lượng DES/FA có ảnh hưởng khá lớn đến hiệu suất chuyển hóa FA. Tại nhiệt đợ 60 °C và thời gian phản ứng là 4 giờ khi tỷ lệ DES/FA tăng từ 5 đến 10% thì theo đó đợ chuyển hóa của q trình tổng hợp cũng tăng lên từ 43% đến 82%. Từ đó ta có thể thấy được rằng tỷ lệ DES càng cao càng có lợi cho q trình trình tổng hợp PFA. Điều này có thể chứng minh được rằng DES đóng vai trị vừa là mơi trường vừa là xúc tác hiệu quả, thúc đẩy tốt q trình chuyển hóa hình thành polymer PFA.

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt đợ đến hiệu śt q trình phản ứng được khảo sát tiếp theo tại điều kiện cố định tỷ lệ khối lượng DES/FA là 10% và thời gian phản ứng là 4 giờ. Các giá trị nhiệt độ phản ứng được thay đổi ở 25 °C, 60 °C, 70 °C, và 80 °C. Sau khi tiến hành thực nghiệm, kết quả được thể hiện ở Bảng 3.3.

27

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu śt q trình chuyển hóa FA với tỷ lệ khối lượng DES/FA 10% trong 4 giờ

Nhiệt độ phản ứng (°C) 25 60 70 80

Độ chuyển hóa FA (wt.%) 0 82 87.9 92.5

Kết quả từ Bảng 3.3 cho thấy rằng đối với quá trình tổng hợp polymer PFA thì nhiệt đợ là mợt trong các yếu tố góp phần quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chuyển hóa của FA. Như kết quả đã trình bày, khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 25 °C lên đến 80 °C với thời gian phản ứng 4 giờ thì hiệu śt chuyển hóa cũng tăng từ 0% đến 92.5%. Từ đây ta có thể thấy được nhiệt đợ càng cao, tốc độ phản ứng trùng hợp FA càng tăng nhanh và hiệu śt chuyển hóa chung của q trình tổng hợp cũng càng đạt hiệu quả cao.

3.3 Tổng hợp pACs từ q trình than hóa PFA

Sau khi q trình polymer hóa, hỗn hợp PFA và DES được trực tiếp tiến hành than hóa trong mơi trường trơ để hình thành pACs. Hiệu śt của q trình than hóa khi tiến hành ở 600 °C thể hiện trong Bảng 3.4.

Bảng 3.4. Hiệu śt q trình than hóa tiến hành ở 600 °C

DES Thời gian than hóa

(giờ) Hiệu suất than hóa (%)

p- ToSA 4 56.35

ChCl:ZnCl2 (1:2) 4 68.75

EG:ZnCl2 (4:1) 4 61.40

Ure:ZnCl2 (3.5:1) 4 11.25

Qua kết quả của q trình than hóa, hiệu śt của q trình thể hiện rõ PFA được tổng hợp từ DES loại ChCl: ZnCl2 (1:2) cho hiệu suất than hóa cao nhất (68.75%) so với ba loại cịn lại. Như vậy có thể thấy được mặc dù trong phản ứng trùng hợp FA để tạo PFA thì xúc tác p-ToSA cho đợ chuyển hóa cao nhưng ở q trình than hóa thì DES loại ChCl: ZnCl2 (1:2) lại cho hiệu suất than hóa cao nhất. Điều này có thể được giải thích là do xúc tác ChCl:ZnCl2 (1:2) đã thúc đẩy phản ứng tạo nên các mạch phân tử PFA với khối lượng lớn và tự nối mạch hình thành mạch khơng gian ba chiều trong

28

khoảng thời gian ngắn (15 phút), dẫn đến giảm lượng carbon mất mát do phân hủy trong q trình than hóa ở điều kiện nhiệt đợ cao, làm tăng hiệu suất than hóa. Từ đây có thể nhận định rằng vệc sử dụng DES đã góp phần nâng cao hiệu quả chung của quá trình phản ứng và q trình than hóa tạo pACs.

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt đợ than hóa đến hiệu śt than hóa, ta tiến hành q trình than hóa tại các giá trị nhiệt đợ khác nhau trong các khoảng thời gian khác nhau. Kết quả về ảnh hưởng của nhiệt đợ và thời gian than hóa đến hiệu śt q trình than hóa PFA để tạo pACs khi sử dụng ChCl: ZnCl2 (1:2) được thể hiện ở Bảng 3.5. Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt đợ và thời gian than hóa đến hiệu śt q trình than

hóa với xúc tác DES loại ChCl: ZnCl2 (1:2)

DES Nhiệt độ

than hóa (℃) Thời gian than hóa (giờ)

Hiệu suất than hóa (%) ChCl: ZnCl2 600 2 64.28 ChCl: ZnCl2 600 4 68.75 ChCl: ZnCl2 600 6 66.88 ChCl: ZnCl2 500 4 88.25 ChCl: ZnCl2 700 4 45.95

Từ kết quả thể hiện ở Bảng 3.5 thấy được rằng, các yếu tố thời gian và nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu śt của q trình than hóa. Khi thời gian q trình than hóa là 4 giờ với ba giá trị nhiệt độ khác nhau là 500, 600, và 700 ℃, hiệu śt q trình than hóa cũng thay đổi. Trong đó hiệu suất than hóa tại 500 ℃ đạt hiệu suất cao nhất là 88.25%, tiếp đến là 600 ℃ và 700 ℃ cho hiệu suất lần lượt là 68.75% và 45.95% trong cùng thời gian 4 giờ. Với kết quả này có thể nhận ra được rằng q trình than hóa tiến hành ở nhiệt đợ càng cao sẽ làm giảm hiệu suất quá trình than hóa. Thực nghiệm q trình than hóa ở 600 ℃ với thời gian than hóa khác nhau là 2, 4, và 6 giờ cho thấy hiệu suất của quá trình than hóa cũng thay đổi nhưng chênh lệch khơng đáng kể với các giá trị tương ứng lần lượt là 64.28, 68.75 và 66.88%. Từ những kết quả thu được này ta nhận thấy hiệu śt than hóa khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố thời gian than hóa. Do đó, các loại sản phẩm than hóa pACs này được tiến hành phân tích

29

đặc trưng hóa lý cũng như khảo sát hiệu quả hấp phụ chất màu để có đủ thơng tin đánh giá mợt cách tồn diện hơn như được trình bày ở phần tiếp theo.

3.4 Đặc tính của vật liệu

3.4.1 Phân tích phổ hồng ngoại chuỗi biến đổi FT-IR

Để đánh giá về cấu trúc của tiền chất polymer PFA và các loại vật liệu pACs được tổng hợp, phân tích phổ hồng ngoại chuỗi biến đổi FT-IR đã được sử dụng phân tích cho PFA và pACs. Như thể hiện trong Hình 3.1a, đỉnh x́t hiện ở số sóng 598 cm-1 được cho là do dao đợng biến dạng của vịng furan trong khi các dải hấp thụ vòng furan được quan sát ở 733 và 1506 cm-1. Đỉnh peak đặc trưng ở 789 cm-1 được cho dao động là các monofuran. Các peak ở số sóng 973 và 1011 cm-1 là do sự dao đợng giãn ra của các nhóm C-O-C. Dao đợng C-H của các nhóm -CH và -CH2 được quan sát ở khoảng số sóng 2877 và 2920 cm-1 do sự uốn cong của các hydrocarbon béo, trong khi dao động của -CH của vịng thơm được thể hiện ở số sóng 3118 cm-1. Sự dao đợng kéo dài của các nhóm hydroxyl trong cấu trúc PFA làm xuất hiện các peak hấp thụ ở số sóng 3400 cm-1. Ngoài ra, mợt peak khác được quan sát ở số sóng 1559 cm-1 là do dao đợng giãn của nhóm C = C từ vịng furan trong cấu trúc PFA. Sau q trình than hóa, hầu hết các vị trí peak hấp thụ do dao đợng vịng furan biến mất trong khi chỉ một peak với cường đợ thấp ở vị trí 1559 cm-1 vẫn cịn do dao động C = C từ vịng furan chưa bị carbon hóa được được thể hiện trong Hình 3.1b và 3.1c. Ngồi ra,