CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ CỦA
THAN SINH HỌC
2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng.
Phân tích nhiệt trọng lượng là phương pháp phân tích trong đó sự thay đổi khới lượng của mẫu dưới sự thay đổi của nhiệt độ theo một chương trình được ghi lại như là một hàm sớ của nhiệt độ hoặc thời gian. Phép đo nhiệt trọng lượng được xác định bằng cách sử dụng lò đo nhiệt trọng lượng được thiết kế và lắp đặt tại phịng thí nghiệm CleanED tại trường đại học khoa học công nghệ Hà Nội. Lấy 0,7 g mẫu đưa vào lị phản ứng trong mơi trường khơng khí với tớc độ gia nhiệt là 5oC/phút. Phạm vi nhiệt độ khảo sát là từ nhiệt độ phòng đến 800oC. Cứ sau 5 giây, dữ liệu về sự thay đổi khối lượng và nhiệt độ được phần mềm MTG ghi lại trên máy tính và phân tích trên phần mềm Origin.
2.3.2. Phương pháp xác định điểm đẳng điện (Point Zero Charge)
Điểm đẳng điện (pHPZC) được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của các giá trị pH khác nhau của dung dịch đối với sự hấp phụ của các ion trên bề mặt vật liệu. Nó là giá trị pH mà tại đó bề mặt của chất hấp phụ là trung hịa về điện tích. Người ta đã chứng minh rằng dưới giá trị pH này, bề mặt của chất hấp phụ tích điện dương và trở nên tích điện âm nếu giá trị pH của dung dịch lớn hơn pHPZC [38]. Do đó, chất hấp phụ có khả năng hấp phụ anion trên bề mặt tích điện dương và cation trên bề mặt tích điện âm.
Để xác định pHPZC, luận văn sử dụng dung dịch natri clorua (NaCl) 0,01 M và 0,05 M, nước khử ion, điều chỉnh pH bằng axit clohydric (HCl) và natri hydroxit (NaOH ) đến các giá trị pH khác nhau là 2, 4, 6, 8, 10 và 12. Sau đó, than sinh học với tỉ lệ 5g/L được cho vào các bình riêng biệt chứa 50 ml dd NaCl đã điều chỉnh pH. Mẫu được đặt vào máy lắc ổn nhiệt và lắc với tớc độ 250 vịng/phút trong 24 giờ. Sau khi lắc, ghi lại giá trị pH cuối cùng.
2.3.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là một cơng cụ phân tích hiệu quả để phát hiện các nhóm chức và đặc trưng cho thơng tin liên kết
cộng hóa trị. Trong luận văn này, FTIR được sử dụng để mô tả đặc điểm của than sinh học và tập trung vào những thay đổi trong các nhóm chức của than sinh học như một hàm của nhiệt độ nhiệt phân. Các phép đo được thực hiện trên máy Nicolet iS50 thermo-scientific tại trường Đại học khoa học và công nghệ Hà Nội.
2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ X-ray (XRD) là một kỹ thuật phân tích khơng phá hủy, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, giai đoạn, định hướng tinh thể, và các thông số cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước trung bình hạt hay các khuyết tật tinh thể. Đỉnh nhiễu xạ X-ray được tạo ra do sự giao thoa của một chùm tia X nhiễu xạ ở góc độ cụ thể từ bề mặt mạng trong một mẫu. Các đỉnh giao thoa đặc trưng bởi sự phân bố của các ngun tử trong mạng tinh thể. Do đó mơ hình nhiễu xạ X-ray là duy nhất với mỗi sắp xếp nguyên tử trong vật liệu. So sánh với cơ sở dữ liệu của mơ hình nhiễu xạ X-ray ICDD (Trung tâm Q́c tế về Dữ liệu nhiễu xạ) cho phép xác định pha của hầu hết các mẫu tinh thể. Trong đề tài này, nhiễu xạ X-ray được sử dụng để xác định các cấu trúc tinh thể của than sau khi chế tạo. Phép đo được thực trên thiết bị Equinox 5000 – XRD Spectrometreler tại Viện khoa học vật liệu – Viện hàn lâm khoa học và cơng nghệ Việt Nam.
2.3.5. Phương pháp phân tích quang phổ RAMAN
Quang phổ Raman là một kỹ thuật phân tích hóa học khơng phá hủy, cung cấp thơng tin chi tiết về cấu trúc hóa học, pha và đa hình, độ tinh thể và tương tác phân tử. Nó dựa trên một q trình tán xạ khơng đàn hồi, trong khi quang phổ hồng ngoại dựa trên một quá trình hấp thụ. Máy quang phổ này phát hiện các dao động liên quan đến sự thay đổi độ phân cực, trong khi máy quang phổ hồng ngoại phát hiện các dao động liên quan đến sự thay đổi mơmen lưỡng cực. Phổ Raman có một sớ cực đại, cho biết cường độ và vị trí bước sóng của ánh sáng tán xạ Raman. Mỗi đỉnh tương ứng với một dao động liên kết phân tử cụ thể và các nhóm liên kết như chế độ thở vịng benzen, dao động chuỗi polyme, chế độ mạng tinh thể [39]. Trong luận văn này, quang phổ Raman được sử dụng để thu thập thơng tin về hình thái hóa học, cấu trúc
phân tử hữu cơ của các phân tử than sinh học. Phép đo được thực hiện trên thiết bị quang phổ Raman NRS-5100 của JASCO Coporation, Nhật Bản.
2.3.6. Kính hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (SEM/EDX) X (SEM/EDX)
Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ra ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Bên cạnh việc có thể quan sát những đặc trưng về hình thái bề mặt của mẫu vật, thiết bị kính hiển vi điện tử quét cịn được tích hợp phép phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X ( Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDXS). Tương tác giữa điện tử với bề mặt vật chất có thể sinh ra các phổ tia X có năng lượng hoặc bước sóng đặc trưng cho từng ngun tớ, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa học của vật liệu. Trong nghiên cứu này, SEM/EDX được thực hiện trên thiết bị Hitachi S-4800 tại Viện khoa học vật liệu – Viện hàn lâm khoa học và cơng nghệ Việt Nam.
2.3.7. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Brunauer-Emmett-Teller
Đường đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller (BET) là một phương pháp trích xuất diện tích bề mặt hiệu quả và năng lượng hấp phụ từ dữ liệu đường đẳng nhiệt. Phương pháp này dựa trên mơ hình hấp phụ nhiều lớp trong một số điều kiện: thứ nhất là sự hấp phụ xảy ra trên các vị trí hấp phụ và trên đầu các phân tử bị hấp phụ, thứ hai là sớ lượng vị trí hấp phụ khơng đổi trên mỗi lớp, điều kiện thứ ba là năng lượng đồng đều của các vị trí hấp phụ lớp đầu tiên, và điều kiện cuối cùng là các phân tử trong tất cả các lớp phía trên lớp thứ nhất hoạt động như thể ở trong một chất lỏng lớn. Phương pháp BET sử dụng sự hấp phụ của các khí trơ về mặt hóa học, chẳng hạn như nitơ, argon hoặc krypton, để đo tồn bộ diện tích bề mặt, đặc biệt là trên diện tích bề mặt chứa trong lỗ xốp meso và micro (Emmett và Brunauer, 1937; Brunauer và cộng sự, 1938; Brunauer và cộng sự, 1940; Gregg và Sing, 1982; IUPAC, 1985). Trong luận văn này, đẳng nhiệt hấp phụ N2 và CO2 của mẫu sau khi
xử lý tại 3000C trong môi trường chân không được đo bởi thiết bị Belsorp minill MicrotracBEL tại 770K và 2980K, áp suất 1 bar. Tính chất lỗ xớp của vật liệu cacbon được phân tích bởi phần mềm Belsorp (BEL master TM). Trong đó, các thơng sớ về diện tích bề mặt riêng, tổng thể tích lỗ xớp, sự phân bớ lỗ xớp cỡ micromet được tính tốn lần lượt bởi các dữ liệu từ đẳng nhiệt hấp phụ N2 bằng phương trình BET và đồ thị. Hơn thế nữa, thể tích lỗ xớp của mẫu cũng được đo từ đường đẳng nhiệt hấp phụ CO2theo phương pháp DA (Dubmin-Astakhov).
2.4. QUY TRÌNH HẤP PHỤ
Hai loại thuốc nhuộm được nghiên cứu là Methylene blue trihydrate (C16H18CIN3S.3H2O) đặc trưng cho th́c nhuộm cation có thể phân ly thành các ion tích điện dương trong dung dịch nước và Methyl Orange (C14H14N3NaO3S) là một loại thuốc nhuộm anion; Hai loại thuốc nhuộm đặc trưng cho từng loại nhóm chức riêng biệt.
Để đánh giá khả năng hấp phụ MB và MO của than sinh học ở nhiệt độ phịng, thí nghiệm được thực hiện như sau: Cho 1,25 gam than sinh học và 250 mL dung dịch th́c nhuộm có nồng độ là 10 mg/L với giá trị pH được đã được điều chỉnh đến giá trị pH nghiên cứu vào một chai duran 500 mL. Các chai này được đặt vào máy lắc ủ nhiệt IKA KS 4000i, lắc ở tớc độ 250 vịng/phút trong 24 giờ. Cứ sau 30, 60, 120, 180 và 1440 phút, hút 7 ml mẫu, ly tâm trong máy ly tâm Hermle Z 366K ở 4500 vòng/phút trong 20 phút và đo độ hấp thụ của dung dịch bằng máy quang phổ UV-1800 Shimazu.
Để đánh giá khả năng hấp phụ của than sinh học, các điều kiện thí nghiệm khác nhau được tiến hành như sau:
2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của các nồng độ thuốc nhuộm đến khả năng hấp phụ của than sinh học.
Thí nghiệm được tiến hành bằng cách sử dụng 1,25 g than sinh học trong 250 mL dung dịch xanh metylen ở các nồng độ khác nhau (3 mg/L, 10 mg/L và 30 mg/L) với giá trị pH được điều chỉnh đến 12 bằng NaOH.
2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ của than sinh học.
Khả năng hấp phụ của hai loại than sinh học nghiên cứu được thử