Tổng hợp vật liệu nanocomposite GrOMIL 101(cr) và khảo sát khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRÀ PHƯƠNG TRINH

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE

GrO@MIL-101(Cr) VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG

HẤP PHỤ CHẤT MÀU HỮU CƠ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã chuyên ngành: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

i

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Thế Kỳ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 10 tháng 09 năm 2021

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Tuấn - Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS. Trần Nguyễn Minh Ân - Phản biện 1

3. PGS.TS. Ngô Văn Tứ - Phản biện 2

4. TS. Đoàn Văn Đạt - Ủy viên

5. TS. Cao Xuân Thắng - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ii

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ________________

_________________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trà Phương Trinh MSHV: 19630421

Ngày, tháng, năm sinh: 13/12/1997 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã chuyên ngành: 8520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) và khảo sát khả năng hấp phụ chất

màu hữu cơ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

− Thu thập tài liệu và tổng quan về lĩnh vực đề tài nghiên cứu;

− Tổng hợp graphite oxide;

− Tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr);

− Phân tích cấu trúc vật liệu bằng phương pháp phân tích hiện đại: FT-IR, SEM, TEM,

TGA, XRD và hấp phụ-giải hấp N2;

− Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ màu của vật liệu;

− Nghiên cứu mô hình động học và mô hình đẳng nhiệt hấp phụ;

− Tính toán các thông số nhiệt động;

− Nghiên cứu cơ chế hấp phụ màu của vật liệu;

− Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 181/QĐ-ĐHCN về việc giao đề tài và

cử người hướng dẫn LVThS của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghiệp TPHCM ngày

04/02/2021.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/08/2021

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Võ Thế Kỳ

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng…. năm 20….

NGƯỜI HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

i

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, để có thể hoàn thành tốt luận văn này, em xin gửi lời cám ơn chân thành

đến với Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung và khoa

Công nghệ Hóa học nói riêng đã luôn tạo điều kiện cũng như cơ sở vật chất, thiết bị

hiện đại để em có thể hoàn thành đề tài.

Cám ơn quý thầy cô khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp

TP.HCM đã luôn quan tâm giúp đỡ, tâm huyết, truyền đạt những kiến thức quý báu

trong thời gian em học tập vừa qua. Điều đó đã giúp em có thể tích lũy thêm nhiều

kiến thức để có cái nhìn sâu sắc và hoàn thiện hơn trong hành trang sắp tới.

Hơn hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS. Võ Thế Kỳ đã

luôn quan tâm, giúp đỡ cũng như truyền đạt cho em những kinh nghiệm về cách

định hướng tư duy và làm việc khoa học. Đó thực sự là kiến thức trân quý làm nền

tản cho em có thể hoàn thiện hơn và thực hiện luận văn này.

Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn đồng hành, ủng hộ,

giúp đỡ tôi em vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

tại trường.

Xin chân thành cám ơn!

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ô nhiễm môi trường đang trở thành một trong những vấn đề được quan tâm nhất

hiện nay. Trong đó, vấn đề ô nhiễm các nguồn nước do các chất thải công nghiệp

như kim loại nặng, phẩm nhuộm, kháng sinh, v.v., đã ảnh hưởng độc hại đến sức

khỏe con người và môi trường sống. Nhiều giải pháp đã được nghiên cứu phát triển

để loại bỏ các chất gây ô nhiễm ra khỏi nước thải. Trong đó, phương pháp hấp phụ

nhận được nhiều sự chú ý nhất do các ưu điểm nổi trội, bao gồm chi phí thấp, vận

hành đơn giản, và hiệu quả xử lý cao. Nhiều vật liệu được nghiên cứu ứng dụng cho

quá trình hấp phụ như than hoạt tính, bã sinh khối, oxide kim loại, v.v. Gần đây, vật

liệu khung hữu cơ-kim loại (MOFs) được xem là vật liệu có tiềm năng rất lớn trong

xử lý ô nhiễm nguồn nước do các tính chất ưu việt như độ xốp cao, thể tích lỗ xốp

lớn, kích thước lỗ xốp điều chỉnh được, có độ bền nhiệt và hóa học cao. Graphite

oxide (GrO), cũng được ứng dụng nhiều trong xử lý môi trường do có độ bền cao và

giàu các nhóm chức. Vật liệu nanocomposite GrO@MOF tích hợp các ưu điểm của

vật liệu MOF và GrO như cải thiện độ xốp, tăng độ bền, và dễ thu hồi sau sử dụng.

Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) với thành phần

thay đổi được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi. Cấu trúc và tính chất vật

liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) (GrO@MCr) được phân tích bằng các

phương pháp tích HR-SEM, HR-TEM, FT-IR, TGA, XRD, và hấp phụ -giải hấp N2.

Các vật liệu tổng hợp được ứng dụng hấp phụ loại bỏ chất màu hữu cơ methyl da

cam (MO) và reactive blue 198 (RB198) trong nước. Kết quả phân tích cho thấy,

việc kết hợp MIL-101(Cr) vào cấu trúc GrO dẫn đến cải thiện độ xốp của vật liệu

composite. Theo đó, diện tích bề mặt của vật liệu composite tăng lên từ ~2980

~3540 m2g

-1

tương ứng với sự tăng hàm lượng GrO trong composite từ 0~6% trọng

lượng. Dung tích hấp phụ cao nhất ~ 235 mg/g cho MO và ~175 mg/g cho RB198

(ở 27 ⁰C và pH=5,5) đạt được trên vật liệu GrO@MCr composite chứa 6 wt% GrO.

Các giá trị này cao hơn lần lượt 2,3 và 1,97 lần so với vật liệu MIL-101(Cr) ban

đầu. Các nghiên cứu về động học, nhiệt động và cơ chế hấp phụ cũng được tiến

iii

hành một cách hệ thống. Thí nghiệm tái sử dụng cho thấy rằng hiệu suất hấp phụ

MO và RB198 lên GrO@MCr đạt được ~ 89 % và ~ 86 % sau năm chu kỳ hấp phụ￾giải hấp phụ liên tiếp. Ngoài ra, vật liệu composite GrO@MCr thể hiện độ bền cao

sau các quá trình hấp phụ và giải hấp. Những kết quả đạt được cho thấy vật liệu

nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) có tiềm năng ứng dụng lớn trong xử lý ô nhiễm

nguồn nước.

iv

ABSTRACT

Graphite oxide (GrO), as a superb platform with highly dense arrays of atoms and

abundant functionalities, can increase dispersive forces within metal–organic

frameworks (MOFs), which provides a feasible strategy to control physicochemical

properties of MOFs. In this study, a series of hybrid GrO/MIL-101(Cr)

(GrO@MCr) nanocomposites were readily prepared via hydrothermal synthesis.

The prepared composites were applied to remove methyl orange (MO) and reactive

blue 198 (RB198) as organic pollutants from an aqueous solution. The surface area

of GrO@MCr composite increased from ~2980 to 3540 m2g

-1 with increasing GrO

loading amount from 0 to 6.0 wt.%. The highest adsorption capacities of MO (235

mg g-1

) and RB198 (175 mg g-1

) were obtained at 25⁰C and pH = 5.5 using 6 wt.%

GrO loaded GrO@MCr composite; these values were ~2.3 and ~1.97 times higher

than that of pristine MIL-101(Cr). The reusability and stability analyses showed that

the sorption capacities of MO and RB198 onto the fabricated GrO@MCr decreased

to 89% and 86%, respectively, after five adsorption–desorption cycles. Moreover,

the adsorption kinetics and adsorption isotherms were studied in detail to investigate

the adsorption mechanism.

v

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một

nguồn nào hay bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã

được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.

Tôi sẽ hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này.

Học viên

Trà Phương Trinh