3.3.1 Khảo sát biến tính vật liệu nano α-Al2O3 bằng PSS
Thực hiện khảo sát ảnh hưởng của pH từ 2-10 lên quá trình biến tính vật liệu bằng PSS cho kết quả như trong hình 3.10. Từ kết quả hình 3.10 cho thấy khi pH tăng thì dung lượng hấp phụ giảm. Dung lượng hấp phụ đạt cực đại đạt được ở pH thấp tuy nhiên ở pH bằng 3 thì vật liệu nano α-Al2O3 không bền có thể bị hòa tan một phần. Lượng nano α-Al2O3 bị hòa tan trong quá trình biến tính được xác định bằng phương pháp ICP-MS (kết quả không thể hiện trong luận văn). Với pH nhỏ hơn hoặc bằng 3 thì lượng vật liệu nano α-Al2O3 bị hòa tan nhiều. Lượng nano alpha nhôm oxit bị hòa tan tại pH lớn hơn 4 ít và gần như không bị hòa tan [56]. Chính vì thế pH tối ưu cho quá trình hấp phụ PSS lên vật liệu nano alpha nhôm oxit được chọn ở pH =4.
Hình 3.10: Ảnh hưởng của pH lên quá trình hấp phụ PSS lên vật liệu nano alpha nhôm oxit
0 2 4 6 8 10
2 4 6 8 10
Dung lượng hấp phụ ( mg/g)
pH
53
Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ polyme ban đầu và nồng độ muối đến quá trình biến tính bề mặt vật liệu nano alpha nhôm oxit với hai nồng độ muối NaCl (10mM và 100mM). Hình 3.11 chỉ ra rằng sự hấp phụ của PSS lên nano α-Al2O3
tăng khi lượng muối tăng từ 10 mM đến 100 mM ở pH 4, điều đó có nghĩa là cả tương tác tĩnh điện và không tĩnh điện đều có ảnh hưởng tới sự hấp phụ của PSS lên nano α-Al2O3. Ở nồng độ muối cao, tương tác kỵ nước và tương tác bên cũng được cho là do hấp phụ do tương tác mạnh hơn giữa các nhóm kỵ nước trong cấu trúc polyme [57]. Với điều kiện pH 4, nồng độ NaCl 100mM, và nồng độ PSS ban đầu là 100ppm thực hiện hấp phụ PSS lên vật liệu nano alpha nhôm oxit thu được vật liệu nano alpha nhôm oxit biến tính bằng PSS (PMNA).
Hình 3.11: Ảnh hưởng của nồng độ PSS ban đầu đến quá trình hấp phụ PSS lên vật liệu nano α-Al2O3.
Vật liệu PMNA được xác định nhóm chức bề mặt bằng phương pháp FT-IR (Hình 3.12). So sánh với phổ FTIR của vật liệu nano α-Al2O3 ở trên cho thấy sau khi hấp phụ PSS xuất hiện các pic phổ không đối xứng và đối xứng của PSS ở 1185 và 1039 cm-1 [45] không xuất hiện ở phổ dao động FT-IR của nano α-Al2O3 trong khi dải đối xứng nhỏ 1039 cm-1 chuyển dịch tới sóng dài hơn 1130 cm-1 trên bề mặt nano α- Al2O3 sau khi hấp phụ PSS. Ngoài ra, sự kéo dài của các liên kết C – S trong phân tử PSS ở 676,0 cm-1 và đỉnh hấp thụ của nhóm OH ở khoảng 3550 cm− 1 [27], đã thay đổi thành các đỉnh khác nhau ở số sóng 3400–3600 cm− 1 trong phổ FT-IR của PMNA. Điều này cho thấy rằng liên kết hydro, tương tác bên và lực hút tĩnh điện có thể thúc đẩy quá trình hấp phụ PSS lên nano α-Al2O3 tạo thành vật liệu PMNA.
54
Hình 3.12: Phổ FT-IR của PMNA
3.3.2 Khảo sát biến tính vật liệu nano alpha nhôm oxit bằng PAMPs
Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ PAMPS lên vật liệu nao α-Al2O3 cho kết quả trong hình 3.13. Khi tăng pH thì dung lượng PAMPS hấp phụ lên vật liệu giảm đồng thời ở pH thấp thì dung lượng hấp phụ của PAMPS lên vật liệu cũng thấp (pH =3 dung lượng hấp phụ ~ 6mg/g). Kết quả thực hiệm cũng cho thấy ở pH nhỏ hơn 3 thì vật liệu bị thay đổi kích thước hạt dẫn đến khả năng hấp phụ PAMPS giảm. Ở pH bằng 4 dung lượng hấp phụ PAMPS đạt cực đại ~8 mg/g sau đó giảm dần khi tăng pH do giảm tương tác tĩnh điện của PAMPS với vật liệu [24,50].
Hình 3.13: Ảnh hưởng của pH lên quá trình hấp phụ PAMPs lên vật liệu nano α-Al2O3
0 2 4 6 8 10
2 4 6 8 10
Dung lượng hấp phụ (mg/g)
pH
55
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu PAMPS đến quá trình hấp phụ PAMPS lên vật liệu nano α-Al2O3 với hai nồng độ muối NaCl khác nhau là 10mM và 100mM thu kết quả như trong hình 3.14. Kết quả khảo sát cho thấy khi tăng nồng độ đầu của PAMPS thì dung lượng hấp phụ của PAMPS tăng nhưng khi hấp phụ đạt trạng thái cân bằng bão hòa 1000 ppm thì khi tăng hàm lượng PAMPS không làm tăng dung lượng hấp phụ PAMPS lên vật liệu. Kết quả dung lượng hấp phụ PAMPS trên nano α-Al2O3 tại hai nồng độ muối nền 100mM và 10mM cho thấy ở nồng độ muối cao hơn thì dung lượng hấp phụ của PAMPS lên vật liệu lớn hơn [24].
Hình 3.14: Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến quá trình hấp phụ PAMPS lên vật liệu nano α-Al2O3
Sau khi hấp phụ PAMPS trên vật liệu nano α-Al2O3, xác định sự thay đổi nhóm chức hoạt động bề mặt mặt bằng phổ FT-IR cho kết quả như trong hình 3.15.
Sự thay đổi các nhóm chức trên bề mặt vật liệu được thể hiện trong phổ FT-IR là bằng chứng quan trọng chứng minh sự hấp phụ của PAMPS vào vật liệu nano α- Al2O3. Đỉnh dao động ở 3095cm-1-, đặc trưng cho dao động C-H của gốc ankyl
0 2 4 6 8 10 12
0 300 600 900 1200
ΓPAMPS(m g/g )
C PAMPs (mg/l)
10mM NaCl100 mM NaCl
56
trong PAMPS. Ngoài ra, pic giao động ở vị trí 1705 và 1548cm-1 đặc trưng cho các dao động C=O và N-H của PAMPS [24,59].
Hình 3.15: Phổ FT-IR của vật liệu nano α-Al2O3 (đường màu cam) và vật liệu sau khi biến tính với PAMPS (đường màu xanh )
3.3.3 Đánh giá về quá trình biến tính vật liệu nano alpha nhôm oxit bằng polyme mang điện
Đề tài trong luận văn nghiên cứu với hai polyme mang điện âm mạnh là polyme thương mại PSS và polyme tổng hợp PAMPS. Cả 2 loại polyme này đều có điều kiện hấp phụ tại pH = 4 và ở nồng độ muối cao NaCl 100mM. Kết quả nghiên cứu cho thấy lực tương tác chính trong quá trình hấp phụ polyme là tương tác tĩnh điện mặc dù trong quá trình hấp phụ có cả hai loại tương tác là tương tác tĩnh điện và tương tác không tĩnh điện như tương tác kị nước, tương tác bên, tương tác hydro.
Với vật liệu PSS nồng độ tối ưu để hấp phụ lên vật liệu nano α-Al2O3 là 100ppm và đạt được dung lượng hấp phụ ~20mg/g trong khi polyme PAMPS cần sử dụng ở nồng độ 1000ppm và dung lượng hấp phụ ~10mg/g [24]. Do PSS là polyme có cấu trúc gọn, nhỏ và mang điện tích âm hơn (gốc sunfonate gắn trực tiếp với vòng benzen và mạch cabon) nên khả năng hấp phụ với vật liệu nano α-Al2O3 tốt hơn nên có dung lượng hấp phụ cao hơn và ít bị ảnh hưởng của pH hơn polyme PAMPS.
57
Ngoài ra, PSS là sản phẩm đã được thương mại hóa có tính chất ổn định hơn so với PAMPS là sản phẩm được điều chế trong phòng thí nghiệm. Trong cấu trúc của PAMPS cũng cho thấy PAMPS có vùng mang điện tích âm lớn nên mật độ điện tích thấp hơn dẫn đến khả năng hấp phụ lên vật liệu thấp hơn dẫn đến dung lượng hấp phụ thấp hơn và khả năng tiếp xúc của phân tử PAMPS với vật liệu thấp hơn.