Tổng hợp vật liệu hấp phụ khung cơ - kim (MOFs) trên nền Polymer ứng dụng tách loại hợp chất màu trong nước thải : Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài

TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ KHUNG CƠ - KIM

(MOFs) TRÊN NỀN POLYMER ỨNG DỤNG TÁCH LOẠI

HỢP CHẤT MÀU TRONG NƯỚC THẢI

Mã số đề tài: 20/1.5CNH01

Chủ nhiệm đề tài: TS. Cao Xuân Thắng

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Hóa Học

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2021

1

LỜI CÁM ƠN

Để thực hiện được báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học này, tôi xin chân thành cảm ơn

Quỹ nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh, lãnh đạo

Khoa Công nghệ Hóa học, Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Hóa học, các thành viên

tham gia giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp

cùng làm nghiên cứu tại phòng nghiên cứu vật liệu nano D14 đã động viên giúp đỡ tôi về

mặt tinh thần để hoàn thành công trình nghiên cứu này.

2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT  MOFs: Metal-organic frameworks  PSMA: Poly(styrene-alt-maleic anhydride)  MO: Methyl orange  MB: Methylene blue  XRD: X-ray diffraction  FT-IR: Fourier transform infrared spectroscopy  SEM: Scanning electron microscope  XPS: X-ray photoelectron spectroscopy  TGA: Thermogravimetric analysis  CA: Contact angle  PWF: Pure water flux

3

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................................... 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................... 2

MỤC LỤC ..................................................................................................................................... 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................................... 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................................ 6

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG ................................................................................................. 7

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ............................. 14

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................................... 14

1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước bởi hợp chất màu ................................................ 14

1.2. Tổng quan về vật liệu khung cơ-kim (MOFs) ............................................................................ 14

1.3. Tổng quan về tình hình nước thải ngành dệt nhuộm ............................................................ 16

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................ 20

2.1. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ ................................................................................................................ 20

2.2. Quy trình tiến hành ............................................................................................................................. 21

2.3. Các phương pháp phân tích hóa lý ................................................................................................ 23

2.4. Khảo sát thông lượng nước qua màng ........................................................................................ 23

2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ tách loại hợp chất màu của màng MOFs/PSMA............... 24

2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng .................................... 24

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................ 26

3.1. Tổng hợp và xác định cấu trúc của màng MOFs/PSMA ........................................................ 26

3.2. Kết quả phân tích góc thấm ướt (CA) và thông lượng nước qua màng (PWF) ............ 31

3.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ hợp chất màu ................................................................. 32

3.4. Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng của màng MOFs/PSMA ........................................ 35

3.5. Kết quả khảo sát nhiễu xạ tia X của màng MOFs/PSMA sau khi tái sử dụng ................ 36

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 37

4.1. Kết luận .................................................................................................................................................... 37

4.2. Kiến nghị ................................................................................................................................................. 37

4

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 38

PHẦN III. PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM ........................................................................................... 43

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ............................................................... 20

Bảng 2.2. Dụng cụ thiết bị thực nghiệm ...................................................................................... 20

6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Vật liệu MOFs với các ứng dụng khác nhau ................................................................ 15

Hình 1.2. Tổng hợp màng MOFs/PSMA bằng liên kết hóa học của UiO-66-NH2 và PSMA ..... 19

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp PSMA .................................................................................. 22

Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tạo màng MOFs/polymer ................................................................... 23

Hình 2.3. Tách loại chất màu của màng MOFs/PSMA sử dụng đầu trợ lọc Swinnex ................ 24

Hình 3.1. Phổ FT-IR của UiO-66-NH2 (a), màng PSMA (b) và MOFs/PSMA với các hàm lượng

UiO-66-NH2: 5 (c), 9 (d), 15 (e), và 30 (f) % .............................................................................. 26

Hình 3.2. Kết quả TGA của màng PSMA (a) và MOFs/PSMA với các hàm lượng UiO-66-NH2:

5 (b), 9 (c), 15 (d), 30 (e), và 100 (f) % ....................................................................................... 27

Hình 3.3. Nhiễu xạ XRD của UiO-66-NH2 (a) mô phỏng, UiO-66-NH2 (b) được tổng hợp,

màng PSMA (c) và MOFs/PSMA với các hàm lượng UiO-66-NH2:5 (d), 9 (e), 15 (f) và 30 (g)

% .................................................................................................................................................. 28

Hình 3.4. Hình ảnh SEM của màng PSMA (a) và MOFs phân tán trên PSMA ở hàm lượng UiO￾66-NH2: 5 (b), 9 (c), 15 (d) và 30 (e, f) % ................................................................................... 29

Hình 3.5. Độ xốp màng của màng PMSA và MOFs/PSMA........................................................ 30

Hình 3.6. Phổ quét XPS của màng PSMA (a) và MOFs/PSMA (b) ............................................ 30

Hình 3.7. Phổ XPS độ phân giải cao của màng PSMA (a, b) và MOFs/PSMA (c, d) ................. 31

Hình 3.8. Góc thấm ướt CA và thông lượng nước PWF của màng PSMA và MOFs/PSMA ..... 32

Hình 3.9. Phổ UV-vis của dung dịch MB (a) và MO (b) sau lọc và khả năng tách loại (c) của

màng MOFs/PSMA...................................................................................................................... 33

Hình 3.10. Phổ UV-vis của chất màu sau lọc và hiệu quả hấp phụ MB (a) và MO (b) của màng

PSMA và MOFs/PSMA ............................................................................................................... 33

Hình 3.11. Phổ UV-vis của dung dịch MB (a) và hiệu quả tách loại của màng PSMA (b) và

MOFs/PSMA (c) ở các giá trị pH và nồng độ MB ban đầu khác nhau ....................................... 34

Hình 3.12. Phổ UV-vis của các dung dịch MO (a) và hiệu quả tách loại của màng PSMA........ 35

Hình 3.13. Phổ UV-vis của dung dịch MB (a) và MO (b) sau lọc và hiệu quả tách loại (c) sau

bốn lần sử dụng màng MOFs/PSMA ........................................................................................... 36

Hình 3.14. Nhiễu xạ XRD của màng MOFs/PSMA trước (a) và sau bốn chu kỳ hấp phụ- giải

hấp đối với chất màu MB (b) và MO (c) ..................................................................................... 36

7

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài

Tổng hợp vật liệu hấp phụ khung cơ- kim (MOFs) trên nền polymer ứng dụng tách loại

hợp chất màu trong nước thải

1.2. Mã số: 20/1.5CNH01

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực

hiện đề tài

1 Cao Xuân Thắng, Tiến sĩ Trường Đại học Công nghiệp TP. HCM Chủ trì

2 Võ Thế Kỳ, Tiến sĩ Trường Đại học Công nghiệp TP. HCM Thành viên

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Hóa học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2020 đến tháng 02 năm 2021.

1.5.2. Gia hạn (nếu có): Không

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 03 năm 2020 đến tháng 02 năm 2021.

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 50,000,000 đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường phát sinh từ chất thải và xử lý chất thải đã trở thành một trong những

vấn đề hàng đầu trong hệ sinh thái thủy sinh đô thị trên toàn thế giới. Những thành phần chất hữu

cơ nguy hiểm hiện có rất đa dạng bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, các chất thải từ ngành dệt

nhuộm, dược phẩm...Các chất hữu cơ độc hại gây ra các tác động xấu đến môi trường và sức

khỏe con người. Để loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ này, nhiều phương pháp như hấp phụ,

quang xúc tác phân hủy, phân hủy sinh học và màng lọc đã được đề xuất. Trong số đó, hấp phụ

bằng vật liệu xốp và vật liệu nano để loại bỏ các chất hữu cơ khỏi nước thải được xem là thành

công nhất bởi hiệu quả cao, dễ vận hành và thân thiện với môi trường. Gần đây, vật liệu khung cơ

kim (metal- organic frameworks, MOFs) được công nhận là vật liệu thay thế tiềm năng để khắc

phục những hạn chế của vật liệu xốp thông thường và vật liệu nano cho ứng dụng môi trường.

8

Đề tài này tổng hợp màng vật liệu hấp phụ khung cơ kim trên nền polymer (MOF/polymer)

có ưu điểm về độ bền hóa lý và hiệu quả hấp phụ cao cũng như khả năng tái sử dụng. UiO-66-NH2

và copolymer của styrene-maleic anhydride được tổng hợp và khảo sát tính chất hóa lý bằng các

phương pháp phân tích hiện đại như FT-IR, TGA, SEM, XRD, XPS. Khả năng hấp phụ các hợp

chất màu như methylene blue (MB), methyl orange (MO) trong nước sẽ được khảo sát nhằm

đánh giá khả năng tách loại của màng MOFs/polymer.

2. Mục tiêu

2.1. Mục tiêu tổng quát  Đưa ra giải pháp tách loại hợp chất màu gây ô nhiễm nước bằng phương pháp hấp phụ

bằng màng lọc dựa trên vật liệu MOFs/polymer.  Thông qua công bố quốc tế, đề tài sẽ góp phần vào sự phát triển của công nghệ tách

loại chất thải hữu cơ ô nhiễm bằng phương pháp màng hấp phụ.  Đề tài nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học của giảng viên và sinh viên ngành

Công nghệ Hóa học- Trường Đại Học Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

2.2. Mục tiêu cụ thể  Nghiên cứu tổng hợp vật liệu MOFs bằng các linker có chứa nhóm amine -NH2 sử dụng

cho quá trình nối mạng ở những bước tiếp theo:

 Tổng hợp copolymer của styrene và maleic anhydride sử dụng chất khơi mào gốc tự do