Tổng hợpvật liệu composite mof - go từ tính ứng dụng trong xử lý chất màu :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Hóa phân tích

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HỒ LONG THIỆN

TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE MOF-GO

TỪ TÍNH ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT

MÀU

Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH

Mã chuyên ngành: 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

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

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thị Long

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 22 tháng 11 năm . . . . .

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

1. PGS.TS Nguyễn Văn Cường .......................... - Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Tuấn ........................... - Phản biện 1

3. TS Trần Quang Hiếu ....................................... - Phản biện 2

4. TS Cao Xuân Thắng ........................................ - Ủy viên

5. TS Lê Đình Vũ ................................................ - Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CN HÓA HỌC

PGS.TS Nguyễn Văn Cường PGS.TS Nguyễn Văn Cường

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HỒ LONG THIỆN. MSHV: 17112031

Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1991 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã chuyên ngành: 8440118

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Tổng hợp vật liệu Composite MOF-5 – GO từ tính ứng dụng trong xử lý chất màu

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng hợp vật liệu composite MOF-5 - GO từ tính và thế đồng hình Fe-MOF-5 - GO

từ tính bằng phương pháp nhiệt dung môi;

- Phân tích đặc trưng của vật liệu composite MOF-5 - GO từ tính và Fe-MOF-5 - GO

từ tính bằng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, FT-IR, TGA, SEM, EDX.

Khảo sát và đánh giá khả năng hấp phụ chất màu của các vật liệu composite;

- Khảo sát và đánh giá khả năng xúc quang hóa Fenton của các vật liệu composite;

- Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ chất màu của vật liệu;

- Đánh giá khả năng tái sử dụng của các vật liệu.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/06/2019

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/04/2021

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đỗ Thị Long

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

Người hướng dẫn

TS. Đỗ Thị Long

Chủ nhiệm bộ môn đào tạo

Trưởng khoa Công nghệ Hóa học

PGS.TS Nguyễn Văn Cường

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này, với rất nhiều các khó khăn trong quá trình định

hướng nghiên cứu, khảo sát thực nghiệm, kiểm tra và đánh giá các chỉ số liên quan

đến mục tiêu của đề tài, để đi đến cuối cùng là thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đặt

ra và hoàn thành công trình nghiên cứu này.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa công nghệ Hóa học – Trường Đại

học công nghiệp TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất về trang bị kiến thức và

cơ sở vật chất phục vụ trong quá trình nghiên cứu khoa học.

Xin cảm ơn Tiến sĩ Đỗ Thị Long đã tận tình hướng dẫn, định hướng, hỗ trợ và đồng

hành về chuyên môn trong quá trình thực hiện nghiên cứu.

Đồng thời, xin cảm ơn đến tập thể sinh viên lớp Hóa phân tích – Khóa 12 đã hỗ trợ

trong quá trình thực hiện các thí nghiệm phân tích tại Phòng thí nghiệm.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện về mặt vật chất và tinh thần, ủng

hộ tôi trong quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2021

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đã tổng hợp vật liệu composite MOF-5 - GO từ tính và thế đồng hình Fe-MOF-5 –

GO từ tính bằng phương pháp nhiệt dung môi từ acid terephtalic tái sinh từ chai nhựa

thải PET. Các vật liệu đã được phân tích đặc trưng bằng các phương pháp XRD, FT￾IR, EDX, TGA, SEM và khảo sát khả năng xử lý chất màu xanh methylene (MB)

trong điều kiện hấp phụ và xúc tác quang của vật liệu. Đã làm rõ cơ chế hấp phụ MB

trên vật liệu MOF-5 - GO từ tính với tương tác xếp chồng π - π và liên kết hydro là

chủ đạo trong khoảng pH khảo sát (pH = 2 – 6). Với các điều kiện đã được tối ưu,

dung lượng hấp phụ cực đại đạt 400 mg/g và mô hình đẳng nhiệt Freundlich thích

hợp để mô tả kết quả thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu động học hấp phụ được mô

tả bằng mô hình động học bậc 1, động học bậc 2, mô hình Elovich, mô hình Bangham

và đã xác định được mô hình động học bậc 2 là phù hợp nhất. Song song với khả

năng hấp phụ, đã chứng minh vật liệu thế đồng hình Fe-MOF-5 – GO còn có khả

năng xúc tác quang hóa Fenton trong điều kiện chiếu sáng và có mặt H2O2 chủ yếu

nhờ các tâm Fe trong khung cấu trúc. Vật liệu thể hiện hoạt tính xúc tác mạnh trong

khoảng pH rộng 2-8 và có thể xử lý gần như hoàn toàn chất màu trong các dung dịch

có nồng độ đến 500 mg/L. Các vật liệu tổng hợp thể hiện từ tính tốt, dễ dàng thu hồi

bằng nam châm và có thể tái sử dụng nhiều lần. MOF-5 - GO từ tính đạt hiệu quả xử

lý 75 % đối với dung dịch MB 100 mg/L sau 3 lần sử dụng. Fe-MOF-5 – GO từ tính

trong điều kiện xúc tác quang Fenton cũng đạt hiệu quả trên 65% đối với dung dịch

MB 300 mg/L sau 4 lần sử dụng.

Từ khóa. acid terephtalic tái sinh, MOF-5, graphit oxit, xanh methylen, hấp phụ,

fenton

iii

ABSTRACT

Composite magnetic MOF-5 - GO was synthesized and replaced homogeneous

magnetic Fe-MOF-5 – GO materials by hydrothermal method from recycled

terephthalic acid from PET bottles. Matetials has been characterized by XRD, FT-IR,

EDX, TGA, SEM and observed the adsorbance ability to methylene blue (MB) with

light and dark conditions to evaluting the adsorption and photo catalysis ability. The

MB adsorption mechanism has been clarified, that π - π stacking interaction and

hydrogen bonding were dominant in the investigated pH range (pH = 2 – 6). In

optimized conditions, the maximum adsorption capacity is 400 mg/g and the

Freunlich isotherm principle was suitable to describe the result of experiment.

Adsorption kinetic results were studied based on well-known kinetic models: pseudo

first-order, pseudo second - order, Elovich, Bangham models in which confirmed the

pseudo sencond – order is the best model. Parallel with adsorption ability,

demonstrated the replacement homogenious Fe-MOF-5 – GO material has the photo

catalysis ability in lighting conditions when present H2O2, base on the iron core

attached on frame structure. Materials with strong catalysis ability activation in wide

pH range 2 – 8 và almost treating the dye compounds in solution with concentration

up to 500 mg/L. Synthesized materials has good magnetic attribution, composite

magnetic MOF-5 – GO materials reached the treatment effective about 75% to

concentration of MB 100 mg/L after 3 used times. Also, composite magnetic Fe￾MOF-5- GO in photo catalysis condition reached the effective treatment above 65%

to concentration of MB around 300 mg/L after 4 used times.

Keywords. recycled terephthalic acid, MOF-5, graphit oxit, methylene blue,

adsorption, fenton.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Hồ Long Thiện là học viên cao học chuyên ngành Hóa phân tích, lớp

CHHPT7B của trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

Tôi cam đoan rằng:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là công trình của riêng tôi

và giảng viên hướng dẫn TS. Đỗ Thị Long, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại

học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

Những kết quả nghiên cứu của các tác giả khác và các số liệu được sử dụng trong

luận văn đều có trích dẫn đầy đủ.

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Học viên

Hồ Long Thiện

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................... i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................................ ii

ABSTRACT .......................................................................................................................... iii

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. iv

MỤC LỤC ............................................................................................................................. v

DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... xi

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1

1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1

2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ................................................................ 3

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ....................................................................................... 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT .............................................................. 4

1.1 Tổng quan về MB ...................................................................................................... 4

1.1.1 Tính chất vật lý và hoá học ........................................................................................ 4

1.1.2 Tính chất vật lý và hoá học ........................................................................................ 5

1.1.3 Ứng dụng của MB ...................................................................................................... 6

1.1.4 Ảnh hưởng của MB .................................................................................................... 6

1.1.5 Phương pháp phân tích MB ....................................................................................... 7

1.2 Tổng quan về vật liệu MOFs.................................................................................... 10

1.2.1 Sự hình thành, tính chất đặc trưng và ứng dụng của vật liệu MOFs ........................ 10

1.2.2 Cấu trúc vật liệu MOF ............................................................................................. 15

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu MOF ................................................................ 15

1.2.4 Một số ứng dụng của MOFs trong hoá học phân tích .............................................. 16

1.3 Phương pháp xử lý chất màu.................................................................................... 19

1.3.1 Phương pháp hóa lý [10] ......................................................................................... 19

1.3.2 Phương pháp xúc tác quang hóa Fenton .................................................................. 22

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................................. 26

1.4.1 Nghiên cứu ở nước ngoài ......................................................................................... 26

1.4.2 Nghiên cứu ở nước ta ............................................................................................... 29

vi

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 32

2.1 Thiết bị, dụng cụ, hoá chất ....................................................................................... 32

2.1.1 Thiết bị ..................................................................................................................... 32

2.1.2 Dụng cụ .................................................................................................................... 32

2.1.3 Hoá chất ................................................................................................................... 32

2.2 Tổng hợp vật liệu ..................................................................................................... 33

2.2.1 Graphit oxit (GO) ..................................................................................................... 33

2.2.2 Nano Fe3O4 .............................................................................................................. 33

2.2.3 Tái sinh acid terephtalic từ chai nhựa PET .............................................................. 34

2.2.4 Tổng hợp vật liệu MOF-5 ........................................................................................ 34

2.2.5 Tổng hợp vật liệu composite MOF-5 – GO từ tính ................................................. 34

2.2.6 Tổng hợp vật liệu composite Fe - MOF-5 - GO từ tính ........................................... 35

2.3 Đánh giá đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại .. 36

2.3.1 Đánh giá cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X .................................. 36

2.3.2 Đánh giá các nhóm chức dao động đặc trưng bằng phổ hồng ngoại ....................... 36

2.3.3 Đánh giá hình thái bề mặt bẳng phương pháp hiển vi điện tử quét ......................... 36

2.3.4 Đánh giá phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ........................................................ 36

2.3.5 Phân tích nhiệt .......................................................................................................... 36

2.3.6 Xác định điểm điện tích không pHpzc ....................................................................... 36

2.4 Đánh giá khả năng hấp phụ chất màu của vật liệu ................................................... 37

2.4.1 Phân tích MB bằng phương pháp UV-VIS .............................................................. 37

2.4.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ............................................ 37

2.4.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ ....................................................................................... 39

2.4.4 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu hấp phụ ................................................ 39

2.5 Khảo sát khả năng xử lý chất màu MB của vật liệu Fe-MOF-5 – GO từ tính trong

điều kiện có chiếu sáng ............................................................................................ 40

2.5.1 Khảo sát tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xúc tác quang hóa Feton của vật

liệu Fe-MOF-5 – GO từ tính .................................................................................... 40

2.5.2 Đánh giá cơ chế xử lý MB của vật liệu Fe-MOF-5 – GO từ tính ............................ 42

2.5.3 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác quang ....................................... 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 44

3.1 Kết quả tổng hợp và phân tích đặc trưng vật liệu .................................................... 44

3.1.1 Graphit oxit (GO) ..................................................................................................... 44

3.1.2 Nano Fe3O4 .............................................................................................................. 45

3.1.3 H2BDC tái sinh từ nhựa PET ................................................................................... 46

vii

3.1.4 Phân tích cấu trúc Composite MOF-5 – GO từ tính ................................................ 48

3.1.5 Phân tích cấu trúc Composite Fe-MOF-5 - GO từ tính ............................................ 55

3.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu của vật liệu Composite .................................... 60

3.2.1 Kết quả khảo sát khả năng xử lý MB trong điều kiện không chiếu sáng ................. 60

3.2.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ ....................................................................................... 66

3.2.3 Động học hấp phụ .................................................................................................... 70

3.2.4 Cơ chế hấp phụ......................................................................................................... 72

3.2.5 Tái sử dụng vật liệu composite trong điều kiện hấp phụ ......................................... 73

3.3 Nghiên cứu khả năng xúc tác quang hóa Fenton của vật liệu Composite Fe-MOF-5 –

GO từ tính ................................................................................................................ 74

3.3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xúc tác ................................. 74

3.3.2 Đánh giá cơ chế xử lý chất màu của vật liệu Fe-MOF-5 – GO từ tính .................... 79

3.3.3 Tái sử dụng vật liệu trong điều kiện xúc tác quang Fenton ..................................... 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 85

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của MB ..................................................................................... 5

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể cơ bản của MOF-5 .................................................................... 15

Hình 3.1 Graphit oxit ........................................................................................................... 44

Hình 3.2 Phổ XRD của GO ................................................................................................. 44

Hình 3.3 Hình ảnh SEM của GO ......................................................................................... 44

Hình 3.4 Phổ FT-IR của GO ................................................................................................ 44

Hình 3.5 Nano Fe3O4 ........................................................................................................... 46

Hình 3.6 Phổ XRD của Fe3O4 .............................................................................................. 46

Hình 3.7 Hình ảnh SEM của Nano Fe3O4 ............................................................................ 46

Hình 3.8 Phổ FT-IR của Nano Fe3O4 .................................................................................. 46

Hình 3.9 Phổ XRD của H2BDC ........................................................................................... 47

Hình 3.10 Phổ FT-IR của H2BDC tái sinh ........................................................................... 47

Hình 3.11 Phổ chuẩn FT-IR của H2BDC 98% - Nhà sản xuất: Sigma Aldrich ................... 48

Hình 3.12 Phổ XRD của composite MOF-5 – GO từ tính .................................................. 49

Hình 3.13 Phổ hồng ngoại của composite MOF-5 – GO từ tính ......................................... 50

Hình 3.14 Kết quả phân tích SEM và hình ảnh vật liệu bị hút bởi nam châm .................... 51

Hình 3.15 Phổ đồ EDX của composite MOF-5 – GO từ tính .............................................. 53

Hình 3.16 Giản đồ TGA của composite MOF5 – GO từ tính ............................................. 53

Hình 3.17 Đồ thị điểm đẳng điện của vật liệu composite MOF-5-GO từ tính .................... 54

Hình 3.18 Phổ XRD các vật liệu Composite ....................................................................... 55

Hình 3.19 Phổ FT-IR của các vật liệu Composite ............................................................... 56

Hình 3.20 Phổ đồ EDX của composite Fe-MOF-5 – GO từ tính ........................................ 57

Hình 3.21 Hình ảnh phân tích SEM của composite Fe-MOF-5 – GO từ tính (A, B) và

MOF-5 – GO từ tính (C, D) ................................................................................ 58

Hình 3.22 Đồ thị TGA của composite Fe-MOF-5 – GO từ tính ......................................... 59

Hình 3.23 Biểu đồ dung lượng hấp phụ MB theo thời gian đối với vật liệu: (a) composite

MOF-5 – GO từ tính và (b) MOF-5 .................................................................... 60

Hình 3.24 Đồ thị hiệu suất hấp phụ MB theo thời gian đối với composite MOF-5 – GO từ

tính ....................................................................................................................... 60

Hình 3.25 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ .............. 62

Hình 3.26 Đồ thị mối tương quan giữa dung lượng hấp phụ q (mg/g) và hiệu suất hấp phụ

R (%) với lượng vật liệu hấp phụ ........................................................................ 63

Hình 3.27 Khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................................ 63

Hình 3.28 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc dộ khuấy đến khả năng hấp phụ ............... 64

Hình 3.29 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ ....................... 65

Hình 3.30 Đồ thị độ hấp phụ q (mg/g) của các vật liệu ....................................................... 66

Hình 3.31 Đồ thị hiệu suất hấp phụ R (%) của các vật liệu ................................................. 67

Hình 3.32 Đường đẳng nhiệt hấp phụ MB trên composite .................................................. 68