Chương 5: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ XANH METHYLEN CỦA CHẤM NANO CARBON
5.4. Đánh giá khả năng hấp phụ xanh methylen của vật liệu
Sự ô nhiễm môi trường chủ yếu là do chất thải và các chất ô nhiễm độc hại nếu không được xử lý phù hợp sẽ dẫn đến sự suy thoái đất và nước gây hại cho sức khỏe con người. Nhiều quy trình xử lý đã được áp dụng để loại bỏ thuốc nhuộm từ nước thải như: quang xúc tác, sự kết bông, oxi hóa - khử điện hóa và hấp phụ.
Kỹ thuật hấp phụ đã được công nhận là phương pháp hiệu quả để loại bỏ thuốc nhuộm từ nước thải. Ưu điểm của phương pháp hấp phụ so với các phương pháp khác là chi phí thấp, thiết kế đơn giản, linh hoạt, dễ vận hành và không nhạy với các chất ô nhiễm độc hại. Hấp phụ cũng không dẫn đến hình thành các chất có hại.
Phương pháp này đã được thử nghiệm bằng nhiều chất khác nhau như mùn cưa,
vỏ dừa, bã cà phê, bã chè, vỏ trấu, vỏ chuối, vỏ cam...Quá trình hấp phụ là quá trình tập trung chất lên bề mặt phân cách pha (khí-rắn, lỏng-rắn, lỏng-lỏng, khí-lỏng).
Trong đó chất hấp phụ là chất mà phần tử ở các lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Quá trình hấp phụ liên quan đến tính chất bề mặt của vật liệu. Chấm nano carbon được chế tạo từ nước chanh nguyên chất có kích thước từ vài đến hàng chục nm tồn tại dưới dạng dung dịch keo.
Chúng không thể quan sát được bởi kính hiển vi thường. Do hệ keo có diện tích bề mặt rất lớn nên các hiệu ứng bề mặt sẽ chiếm ƣu thế. Mặt khác theo phân tích ở chương 3 thì chấm nano carbon LCdots được chế tạo từ nước chanh có nhiều nhóm chức trên bề mặt đặc biệt là nhóm COO -. Trong khi đó MB là thuốc nhuộm bazơ chứa rất nhiều vòng thơm và ion dương S + nên rất thuận lợi cho quá trình hấp phụ trên bề mặt LCdots thông qua liên kết π – π và tương tác giữa các ion. Xuất phát từ những lý do trên chúng tôi đã đánh giá khả năng hấp phụ MB của chấm nano cac bon được chế tạo từ nước chanh và axít citric trong cùng một điều kiện về nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt. Hình 5.3a là phổ hấp thụ của MB sau khi đƣợc thêm bởi LCdots chế tạo từ nước chanh hoặc Cdots chiết xuất từ axít citric nguyên chất (CCdots) theo cùng tỷ lệ 1:1. Ở đây khối lƣợng axít citric đƣợc ƣớc tính bằng lƣợng có trong nước chanh. Như vậy chỉ có LCdots chiết xuất từ chanh có khả năng hấp phụ mạnh MB, còn sự hấp phụ do CCdots không đáng kể. Điều này chứng tỏ LCdots có nhiều nhóm chức khác nhau trên bề mặt hay nói cách khác bề mặt của LCdots đã được thụ động hóa nhờ các nhóm chức khác nhau chứa trong nước chanh.
Hình 5.3 Phổ hấp thụ của xanh methylene nguyên chất và sau khi được thêm bởi chấm nano carbon được chế tạo từ citric axit (MB + CCdots) và nước chanh (MB + LCdots).
Vì LCdots tồn tại dưới dạng dung dịch keo nên có thể xuất hiện câu hỏi liệu sự suy giảm trong phổ hấp phụ của MB sau khi đƣợc thêm LCdots có phải là do LCdots hấp phụ MB hay chỉ đơn thuần là sự pha loãng dung dịch thuốc nhuộm.
Để trả lời câu hỏi trên chúng tôi đã tiến hành đo phổ hấp phụ của ba mẫu: mẫu 1 là dung dịch MB ở nồng độ 5 ppm, mẫu 2 là MB 5ppm được pha loãng bởi nước cất và mẫu 3 là MB đƣợc thêm bởi LCdots theo cùng tỷ lệ 3:1. Hình 5.4a là phổ hấp phụ của ba mẫu nói trên. Khi được pha loãng bởi nước cất thì đỉnh hấp thụ của MB giảm đi nhưng rất ít so với trường hợp MB được thêm bởi LCdots. Hình 5.4b là hình ảnh các dung dịch MB, LCdots, nước cất và dung dịch MB sau khi được thêm bởi LCdots hoặc nước cất. Quan sát hình ảnh thấy rằng khi MB được pha loãng bởi nước cất thì dung dịch của nó luôn có màu xanh đặc trưng nhưng khi được thêm bởi LCdots màu sắc của dung dịch có sự thay đổi. Nhƣ vậy phổ hấp thụ và các hình ảnh trực quan đều cho thấy LCdots đã khử MB chứ không phải là sự pha loãng dung dịch.
Hình 5.4 (a) Phổ hấp thụ của xanh methylen, xanh methylen pha loãng và khi được thêm bởi LCdots với cùng tỷ lệ 3:1; (b) Ảnh chụp các dung dịch nói trên.
LCdots đã đƣợc chế tạo ở bốn nhiệt độ khác nhau nên câu hỏi đặt ra ở đây là liệu khả năng hấp phụ MB của chúng có giống nhau hay không? Ảnh hiển vi điện tử phân giải cao cho thấy khi tăng nhiệt độ thủy nhiệt thì kích thước của các hạt LCdots giảm. Mặt khác kết quả đo phổ hồng ngoại cho thấy ở nhiệt độ thủy nhiệt thấp (150, 200 oC) thì các nhóm chức trên bề mặt LCdots phong phú hơn so với ở nhiệt độ cao (240, 280 oC). Chúng tôi đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt và các nhóm chức gắn trên bề mặt LCdots lên khả năng hấp phụ MB.
Hình 5.4 là phổ hấp thụ của MB khi đƣợc thêm bởi lƣợng nhƣ nhau LCdots đƣợc
chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau (150, 200, 240, 280 oC, ký hiệu tương ứng là LCdots-150, LCdots-200, LCdots-240, LCdots-280).
Hình 5.5 Phổ hấp thụ của xanh methylene khi được thêm vào LCdots được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau.
Kết quả cho thấy LCdots đƣợc chế tạo ở 200 oC có khả năng hấp phụ MB mạnh nhất. LCdots-150 và LCdots-200 có các phổ hồng ngoại tương tự nhau tức là có các nhóm chức gắn trên bề mặt giống nhau. Tuy nhiên do LCdots có kích thước nhỏ hơn cho nên diện tích bề mặt lớn hơn do đó có khả năng hấp phụ MB tốt hơn.
Điều này xảy ra tương tự với LCdots-240 và LCdots-280. Mặc dù LCdots-240 có kích thước nhỏ hơn LCdots-200 nhưng các nhóm chức trên bề mặt LCdots-200 phong phú hơn do đó khả năng hấp phụ MB tốt hơn. Nhƣ vậy LCdots đƣợc chế tạo ở 200 oC có khả năng hấp phụ MB tốt nhất. Khả năng hấp phụ tốt MB của LCdots được cho là do tương tác ion mạnh giữa các nhóm COO- tích điện âm trên bề mặt và các nhóm chức năng tích điện dương của phân tử thuốc nhuộm [92]. Đây là cơ sở để chúng tôi chọn mẫu LCdots đƣợc chế tạo ở 200 oC trong 12 h trong các thí nghiệm tiếp theo nghiên cứu khả năng hấp phụ MB của LCdots.