ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPNghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải và ứng dụng xử lý Xanhmetylen trong môi trường nướcXanhmetylen (Methylene Blue) là một phẩm nhuộm mang màu, khó phân hủy, có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người, động vật và gây ô nhiêm đến môi trường. Do đó việc xử lý hấp phụ xanhmetylen ra khỏi nước trước khi thải ra ngoài môi trường là rất cần thiết và thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để xử lý xanhmetylen trong nước thải ví dụ như: phương pháp keo tụ, trao đổi ion, điện phân, tách chiết, quang xúc tác, kết tủa hóa học và hấp phụ. Một trong những hướng đi ưu tiên gần đây rất được quan tâm cả trong và ngoài nước là xử lý hấp phụ thuốc nhuộm sử dụng các vật liệu dựa trên nền cacbon như cacbon nanotube (CNT), than hoạt tính,... đặc biệt là nano graphene.Bên cạnh đó, thế giới đang chứa lượng khổng lồ rác thải nhựa mỗi năm, con người đang lạm dụng quá mức vật dụng bằng nhựa khó phân hủy. Với mục đích có thể tái chế nhựa thải làm nguyên liệu cho ngành khoa học vật liệu năng lượng mới, phương pháp hấp phụ nước thải chứa xanhmetylen sử dụng vật liệu mới có nguồn gốc tái chế rác thải nhựa được quan tâm nghiên cứu bởi nguồn nguyên liệu sẵn có, khả năng tái sử dụng cao, quy trình xử lý đơn giản. Xuất phát từ những lý do trên, đồ án tốt nghiệp này thực hiện nghiên cứu với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải và ứng dụng xử lý Xanhmetylen trong môi trường nước”, dưới sự hướng dẫn của TS. Lã Đức Dương, Viện Hóa học Vật liệu và TS. Nguyễn Thị Hồng Phượng, Viện Kỹ thuật Hóa học. Nhiệm vụ của đồ án là:•Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene terephthalate bằng phương pháp nhiệt kết hợp với xúc tác bentonite và bentonite biến tính.•Ứng dụng Graphene chế tạo được xử lý chất màu Xanhmetylen trong môi trường nước.
TỔNG QUAN
Xanhmetylen (MB)
Xanhmetylen (MB), còn gọi là methylene blue, tetramethylthionine chlorhydrate, methythioninium chloride hay glutylene, là một hợp chất dị vòng với công thức phân tử C16H18N3SCl Đây là hợp chất chứa ba vòng thơm đa dạng, có các nhóm chức đặc trưng như –C=C, –C=N, –C=S để tạo màu và đặc tính hấp dẫn Ngoài ra, MB còn có nhóm trợ màu N(CH3)2 giúp nâng cao khả năng nhuộm màu và ứng dụng trong y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học.
Hình 1.0.1: Công thức cấu tạo của MB
Hình 1.0.2: MB dạng (a) tinh thể, (b) bột
Hình 1.0.3: Công thức cấu tạo cation MB +
Tinh thể MB có màu xanh lá cây thẫm với ánh đồng đỏ, đặc điểm giúp nhận biết dễ dàng MB khó tan trong nước lạnh và rượu etylic, nhưng lại tan dễ hơn khi được đun nóng, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ cao Ở nhiệt độ phòng, nó tồn tại dạng rắn có màu xanh đen, không mùi, khi hòa tan trong nước tạo thành dung dịch màu xanh lam rõ nét Với phân tử khối 319,85 g/mol, MB có nhiệt độ nóng chảy từ 100 đến 110°C, và cường độ màu của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ của chất trong dung dịch, hỗ trợ trong các quy trình phân tích và phòng thí nghiệm.
MB là một chất màu thuộc họ thiozin, có khả năng phân ly dưới dạng cation MB + là C16H18N3S +
Hình 1.4: MB sử dụng làm thuốc giúp điều trị methemoglobin huyết mắc phải
Hình 1.5: MB sử dụng làm thuốc nhuộm cho ngành dệt, nhuộm
Xanh metylen là chất phổ biến trong ngành nhuộm vải, gỗ, da, và sản xuất mực in Trong hóa học, MB được sử dụng như một chỉ số oxy hóa trong phân tích hóa học để xác định sự có mặt của oxi Trong sinh học, xanh metylen là thuốc nhuộm giúp xác định vi khuẩn và ước tính nhanh tỷ lệ tế bào khả thi trong mẫu nấm men Ứng dụng rộng rãi trong y tế, MB điều trị methemoglobinemia, rối loạn làm tăng mức độ methemoglobin trong máu Ngoài ra, trong nuôi trồng thủy sản, xanh metylen được dùng để điều trị nhiễm nấm và đảm bảo an toàn cho trứng cá trong quá trình nuôi.
1.1.3 Ảnh hưởng của MB tới môi trường sinh thái
Methylene Blue (MB) có khả năng hấp thụ mạnh bởi nhiều loại đất khác nhau và trong môi trường nước, nó bị hấp thụ vào các vật chất lơ lửng cũng như bùn đáy ao, không có khả năng bay hơi ra khỏi mặt nước Theo ước lượng của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), MB không tích lũy sinh học trong thủy sinh vật, cho thấy nó ít gây ảnh hưởng lâu dài qua chu trình sinh học Khi thải vào không khí, MB tồn tại dưới dạng hơi và bụi lơ lửng, trong đó dạng hơi dễ phân hủy qua phản ứng quang phân với các gốc oxy hóa [OH], với thời gian bán hủy khoảng 2 giờ.
Hình 1.6: Các cơ sở dệt, nhuộm đang biến những con sông thành bể nước thải khổng lồ tại Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội
Chất MB từ quá trình dệt nhuộm gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, động vật và ô nhiễm môi trường khu vực nhà máy sản xuất Việc loại bỏ chất MB khỏi nước thải trước khi xả ra môi trường là cần thiết để giảm tác động tiêu cực này Các phương pháp xử lý hấp phụ MB đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.
Trong những hướng đi ưu tiên gần đây, việc xử lý hấp phụ thuốc nhuộm bằng các vật liệu dựa trên nền cacbon như carbon nanotube (CNT), than hoạt tính và đặc biệt là graphen đã nhận được sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học trong và ngoài nước Công nghệ này mang lại giải pháp hiệu quả trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm từ nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường Các vật liệu dựa trên cacbon có khả năng hấp thụ mạnh mẽ các phân tử thuốc nhuộm, đồng thời dễ dàng tái sinh và sử dụng lại, giúp giảm thiểu chi phí và tăng tính bền vững cho quy trình xử lý Trong đó, graphen nổi bật nhờ các đặc tính vượt trội như diện tích bề mặt lớn, khả năng liên kết mạnh mẽ, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong xử lý nước thải và các lĩnh vực môi trường khác.
Tại đồ án này nghiên cứu xử lý chất màu MB trong môi trường nước bằng vật liệu graphene mang ỹ nghĩa khoa học và thực tiễn.
Nhựa Polyethylene Terephthalate (PET)
Nhựa PET (polyethylene terephthalate) là loại nhựa nhiệt dẻo thuộc nhóm polyester, phổ biến trong sản xuất chai nước, nước ngọt, bia, bao bì đóng gói, sợi may mặc, hộp thực phẩm và nhựa kỹ thuật kết hợp với sợi thủy tinh Tuy nhiên, PET chỉ dùng một lần và tái sử dụng có thể làm tăng nguy cơ giải phóng kim loại nặng và hóa chất độc hại, gây ảnh hưởng đến cân bằng hormone trong cơ thể người.
Hình 1.7: Cấu trúc phân tử của PET
Hình 1.8: Các loại chai nhựa PET
PET được phát hiện ra vào năm 1941 bởi Calico Printer’ Association ở thành phố Manchester Chai nhựa PET được đưa vào sản xuất vào năm 1973.
Tỷ trọng: PET vô định hình: 1,370 g/cm 3 ; PET tinh thể: 1,445 g/cm 3 Độ co giãn dài: 50 – 150 % Độ chịu va đập: 3.6 kJ/m 2
- Có khả năng chịu lực và chịu nhiệt cao Khi gia tăng nhiệt ở 200 o C hay làm lạnh ở -90 o C thì cấu trúc hóa học của PET vẫn được giữ nguyên.
- Có tính chống thấm khí (O2 và CO2) tốt hơn nhiều loại nhựa khác Ở nhiệt độ khoảng 100 o C thì nhựa PET vẫn được tính chất này.
- Bền cơ học cao, có khả năng chịu đựng lực xé và lực va chạm, chịu đựng sự mài mòn cao, có độ cứng vững cao.
- Bề mặt có rất nhiều lỗ rỗng, xốp, rất khó để có thể làm sạch.
- Mức độ tái chế của nhựa PET cũng rất thấp (chỉ khoảng 20%).
1.2.2 Ảnh hưởng của nhựa thải PET tới môi trường
Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách thức về môi trường như biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ô nhiễm do rác thải nhựa, túi nilon và các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng Các vấn đề này không những ảnh hưởng đến hệ sinh thái mà còn đe dọa sức khỏe cộng đồng và nền kinh tế quốc gia Việc nâng cao ý thức về bảo vệ môi trường và thực hiện các giải pháp bền vững đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tác động tiêu cực này.
Tổ chức FAO cho biết mỗi năm lượng rác thải nhựa tại Việt Nam tăng lên khoảng 16 – 18% so với năm trước.
Theo tổ chức FAO, năm 2016 toàn cầu đã sản xuất và tiêu thụ khoảng 480 tỷ chai nhựa, tương đương với việc mỗi phút có khoảng 1 triệu chai nhựa được bán ra, cho thấy quy mô sử dụng nhựa đóng góp lớn vào ô nhiễm môi trường toàn cầu.
Chai nhựa mất tới 450 – 1.000 năm để phân hủy hoàn toàn trong môi trường nước biển, gây ra tác động tiêu cực kéo dài đối với con người, môi trường và sinh vật Thời gian phân hủy quá lâu khiến rác thải nhựa tích tụ và ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái biển cũng như sức khỏe cộng đồng Vì vậy, hạn chế sử dụng chai nhựa và thúc đẩy các giải pháp bảo vệ môi trường là cần thiết để giảm thiểu tác hại này.
Việc sử dụng chai nhựa không đúng cách có thể mang đến nhiều ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người Cụ thể:
Gây độc hại cho cơ thể:
Sử dụng chai nhựa không đúng cách có thể khiến các chất phụ gia và tạo màu trong thành phần dễ bị phôi ra, gây nhiễm vào thực phẩm và ảnh hưởng đến sức khỏe con người Đặc biệt, khi lưu trữ trong tủ lạnh, các hợp chất từ PET có thể bị rò rỉ, gây nguy hiểm và gây độc hại cho người dùng Vì vậy, việc sử dụng đúng cách và lựa chọn chai nhựa an toàn là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe.
Chất Bisphenol A (BPA) có trong chai nhựa có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến thai nhi và trẻ nhỏ, theo nghiên cứu khoa học tại California, Mỹ Tiếp xúc lâu dài với BPA có thể dẫn đến đột biến nhiễm sắc thể, khuyết tật bẩm sinh và tổn thương não ở trẻ Do đó, việc hạn chế tiếp xúc với BPA là cần thiết để bảo vệ sức khỏe của trẻ nhỏ và thai nhi.
Sử dụng chai nhựa để đựng nước ấm hoặc nước nóng có thể làm tăng nguy cơ mắc ung thư Nhiệt độ cao gây phản ứng giữa các thành phần của vỏ chai và nước, đồng thời thúc đẩy sự giải phóng chất độc hại vào trong nước, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dùng Vì vậy, hạn chế sử dụng chai nhựa nóng là biện pháp quan trọng để giảm thiểu nguy cơ mắc các bệnh nghiêm trọng, bao gồm ung thư.
Chai nhựa khi bị chôn lấp gây ảnh hưởng tiêu cực đến đất, làm đất không giữ được nước, dinh dưỡng và cản trở quá trình khí oxy lưu thông, gây tác động xấu đến sự sinh trưởng của cây trồng Trong khi đó, việc đốt rác thải phát sinh các chất độc đi-ô-oxin và furan, gây ô nhiễm không khí, ngộ độc và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
Việc vứt bỏ chai nhựa bừa bãi dẫn đến tình trạng tắc nghẽn cống rãnh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến dòng chảy nước và làm tăng nguy cơ ngập lụt Chai nhựa mắc kẹt trong hệ thống thoát nước không chỉ làm giảm khả năng thoát nước hiệu quả mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật độc hại phát triển, gây ô nhiễm môi trường và mất vệ sinh cộng đồng Chính vì vậy, việc giữ gìn vệ sinh, hạn chế xả rác thải nhựa vào cống rãnh là biện pháp quan trọng để giảm thiểu nguy cơ ngập lụt và bảo vệ môi trường sống bền vững.
Tác hại với sinh vật:
- Sinh vật, đặc biệt là sinh vật biển cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi rác thải chai nhựa:
Trong bài viết, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam cảnh báo rằng khoảng 267 loài sinh vật biển như chim, rùa biển và hải âu đã nhầm nhựa thành thức ăn và tiêu thụ chúng, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như tổn thương thành ruột, tắc nghẽn tiêu hóa và giảm khả năng hấp thụ dinh dưỡng của sinh vật biển Đây là một hậu quả rõ rệt của ô nhiễm rác thải nhựa đại dương, gây nguy hiểm cho hệ sinh thái biển toàn cầu Việc tiếp tục xả rác thải nhựa xuống biển không chỉ ảnh hưởng đến các loài sinh vật đa dạng mà còn đe dọa đến cân bằng sinh thái và an toàn nguồn thực phẩm của con người.
Theo Cục Quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia Mỹ, hàng năm có khoảng 100.000 động vật có vú biển cùng hàng triệu loài cá, chim biển chết do mắc kẹt hoặc nuốt phải rác thải nhựa, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái biển.
Việc hàng loạt sinh vật biển chết hàng loạt sẽ dẫn đến nguy cơ tuyệt chủng của nhiều loài, gây tổn thất lớn đến đa dạng sinh học Suy giảm hoặc phá hủy các hệ sinh thái biển không chỉ làm mất cân bằng tự nhiên mà còn đe dọa sự tồn tại của nhiều loài sinh vật, ảnh hưởng tiêu cực đến sự bền vững của hệ sinh thái đại dương.
Rác thải chai nhựa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, môi trường và các sinh vật sống Chính vì vậy, việc giảm thiểu và loại bỏ chai nhựa không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn giữ gìn sức khỏe cộng đồng Chúng ta có thể chung tay chống rác thải chai nhựa bằng cách sử dụng sản phẩm thân thiện với môi trường, tái chế chai nhựa và hạn chế tiêu thụ đồ dùng nhựa một lần Hành động nhỏ nhưng ý nghĩa lớn sẽ góp phần tạo nên một môi trường sạch đẹp và bền vững hơn cho tương lai.
- Phân loại chai nhựa, đồ nhựa để có thể thu gom, tái chế nhanh chóng, đúng quy trình.
- Sử dụng bình đựng nước cá nhân bằng thủy tinh, sản phẩm sinh học phân hủy hoàn toàn… thay vì dùng chai nhựa dùng một lần
- Có thể tái chế chai nhựa đã qua sử dụng vào các mục đích khác: làm bè trôi sông, đồ chơi, bàn ghế, thùng đựng rác, đồ trang trí…
- Sử dụng sản phẩm thân thiện môi trường.
Nhựa thải PET ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống, chính con người đang gánh chịu những tác động đó từng ngày, từng giờ.
Nghiên cứu xử lý nhựa PET là vấn đề đáng quan tâm do nhựa PET chứa hàm lượng cacbon phù hợp để tận dụng làm nguyên liệu cung cấp cacbon trong các quá trình sản xuất công nghiệp và ngành khoa học vật liệu tiên tiến Đặc biệt, nhựa thải PET có thể được sử dụng làm nguyên liệu chính trong quá trình chế tạo vật liệu graphene, mở ra các ứng dụng mới trong công nghệ vật liệu cao cấp Việc tận dụng nhựa PET tái chế không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần phát triển các giải pháp bền vững trong ngành công nghiệp chế tạo vật liệu.
Graphene
Graphen là một lớp các nguyên tử cacbon được sắp xếp thành mạng lục giác hai chiều, tạo thành cấu trúc hình tổ ong độc đáo Đây là một vật liệu nổi bật trong lĩnh vực công nghệ cao nhờ tính chất đặc biệt của nó Thường thì, graphen được chia làm hai loại chính là graphen đơn lớp (single-layer graphene) và đa lớp (multi-layer graphene), phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong khoa học và công nghiệp.
Graphen đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cacbon có độ linh động electron cao và các tính chất vật lý tốt, làm cho nó trở thành vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử cỡ nano Tuy nhiên, do không có khe vùng (độ rộng vùng cấm bằng 0), graphen gặp hạn chế trong ứng dụng điện tử, đặc biệt là trong các thiết bị yêu cầu cách ly điện tử.
Graphen đa lớp gồm nhiều lớp graphen xếp chồng lên nhau, thường từ 2 đến 10 lớp, giúp tối ưu hóa hiệu suất vật lý và điện học Trong thực tế, hầu hết các ứng dụng sử dụng graphen đa lớp nhờ vào quá trình chế tạo đơn giản hơn và chi phí thấp hơn so với chế tạo graphen đơn lớp Vì vậy, graphen đa lớp là lựa chọn phổ biến trong các lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp, mang lại lợi thế về kinh tế và kỹ thuật.
Ngoài 2 loại trên, các loại khác như graphen oxit - GO (thường có cấu trúc đơn lớp chứa các nhóm chức oxy trên bề mặt và có độ dẫn điện kém), graphen oxit bị khử (reduced graphen oxit - rGO, GO được loại bỏ các nhóm chức oxy), graphen dạng dải băng - graphen ribbons, graphen dạng chấm lượng tử - graphen dots, được gọi chung là họ vật liệu graphen
Vật liệu graphene đã được sử dụng làm chất hấp phụ hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ ô nhiễm, bao gồm thuốc nhuộm, thuốc kháng sinh, thuốc trừ sâu, nước nhiễm dầu và nhiều hợp chất hữu cơ tự nhiên Sự ứng dụng của graphene trong lĩnh vực xử lý nước thải đã chứng minh khả năng hấp phụ vượt trội và tiềm năng lớn trong các hệ thống xử lý môi trường Với hiệu suất tương đối tốt, vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tải các chất ô nhiễm hữu cơ gây hại cho sức khỏe con người và môi trường.
Quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ và các chất hữu cơ phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc của chúng, bao gồm cấu tạo phân tử, momen lưỡng cực và sự xuất hiện của các nhóm chức trên bề mặt Sự hiện diện hoặc vắng mặt của các nhóm chức như –NH₂, –OH, –COOH trong chất hấp phụ ảnh hưởng đến cơ chế và hiệu quả hấp phụ Các cơ chế hấp phụ của vật liệu graphene chủ yếu gồm lực hút tĩnh điện, hiệu ứng kỵ nước, tương tác π-π, liên kết hidro và liên kết cộng hóa trị, góp phần tăng cường hiệu quả quá trình hấp phụ.
Hình 1.10: Cấu trúc hóa học của một vài loại graphen
(a) Graphen đơn lớp, (b) Graphen đa lớp, (c) Graphen oxit - nguyên tử oxy kí hiệu bởi màu đỏ, (d) Graphen oxit bị khử [21]
1.3.2 Các phương pháp tổng hợp Graphene
Trong cấu trúc của graphite, các lớp graphene được liên kết dengan lực Van der Waals, khiến việc tách các lớp trở nên khó khăn do khoảng cách giữa chúng rất nhỏ (0,34nm) Các phương pháp phổ biến nhất để khai thác graphene bao gồm phương pháp tách lớp vi cơ học của graphite, phương pháp hình thành graphene từ các nguyên tử, và phương pháp chế tạo graphene từ dung dịch.
Phương pháp tách lớp vi cơ giúp tạo ra các mẫu nhỏ graphene phục vụ nghiên cứu cơ bản bằng cách sử dụng lực cơ học từ bên ngoài để tách các lớp graphite ban đầu thành graphene Lực cần thiết để tách lớp graphite, dựa trên năng lượng tương tác Van der Waals khoảng 2eV/nm², chỉ khoảng 300nN/μm², một lực khá yếu có thể dễ dàng đạt được qua thao tác cọ xát mẫu graphite trên bề mặt đế SiO₂, mở ra khả năng chế tạo graphene đơn lớp với chi phí thấp và quy trình đơn giản.
Phương pháp sử dụng silicon hoặc băng keo dính để sản xuất graphene có ưu điểm lớn là dễ thực hiện và ít tốn kém Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sự tỉ mỉ cao và không phù hợp cho việc sản xuất graphene với số lượng lớn.
Hình 1.11: Một số phương pháp chế tạo graphene [25]
Hình 1.12: Phương pháp bóc tách vi cơ bằng băng keo
Các phương pháp hình thành graphene từ nguyên tử bao gồm phương pháp epitaxy, lắng đọng pha hơi vật lý (PVD), hóa học (CVD), cũng như các kỹ thuật bốc bay và phun xạ Những phương pháp này nổi bật với khả năng chế tạo màng graphene chất lượng cao có diện tích lớn và độ đồng đều vượt trội so với các phương pháp khác Tuy nhiên, chúng đòi hỏi thiết bị hiện đại, hoạt động ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ, dẫn đến chi phí sản xuất cao và chủ yếu phù hợp với các ứng dụng đặc thù, không thích hợp cho sản xuất quy mô lớn nhằm phục vụ các mục đích công nghiệp.
Hình 1.13: Cơ chế tạo màng graphene bằng phương pháp bốc bay nhiệt trên đế SiC
Phương pháp bóc tách pha lỏng sử dụng năng lượng cơ học và hóa học để tách các tấm graphite thành các tấm graphene đơn lẻ, giúp tạo ra graphene từ graphene oxit (GO) hoặc graphene khử oxit (rGO) một cách hiệu quả Đây là phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp và không yêu cầu thiết bị phức tạp, giúp dễ dàng sản xuất quy mô lớn Ngoài ra, phương pháp này còn có khả năng tạo ra các loại graphene đa lớp dạng tấm, dạng vảy với hiệu suất cao.
Hình 1.14: Mô hình khử graphene oxide tạo graphene
Phân tích các ưu điểm và hạn chế của các phương pháp chế tạo màng graphene hiện nay, như epitaxy, PVD, và CVD, cho thấy rằng mặc dù các kỹ thuật này có khả năng sản xuất lớp graphene chất lượng cao, nhưng chúng không phổ biến do hiệu suất thấp, nhiệt độ quá trình cao (>1000°C), yêu cầu môi trường khí hiếm, và cần thiết bị hiện đại với chi phí cao.
Trong nghiên cứu này, phương pháp nhiệt kết hợp xúc tác được sử dụng để tổng hợp vật liệu graphene từ quá trình carbon hóa nhựa có sự hỗ trợ của xúc tác, giúp tạo ra các tấm graphene với lượng lớn và chất lượng tương đối cao Phương pháp này còn có ưu điểm nổi bật là chi phí sản xuất thấp, giúp dễ dàng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện nay.
1.3.3 Một số nghiên cứu chế tạo graphene từ nguyên liệu nhựa thải
The article "Graphene nanosheets derived from plastic waste for the application of DSSCs and supercapacitors" published in Scientific Reports describes the successful synthesis of graphene materials from waste plastics, including polypropylene (PP), polyethylene (PE), and polyethylene terephthalate (PET) The process involves collecting and recycling plastic waste by cutting it into small pieces (10 mm × 5 mm), washing with NaOH and detergent to remove dirt and oil, then drying Next, bentonite nano clay is mixed at a ratio of 1000:3 in a blending chamber for 30 minutes The prepared samples are then subjected to a preliminary heat treatment under a nitrogen inert atmosphere at a controlled flow rate of 10 ml/min, ensuring optimal conditions for graphene nanosheet formation This eco-friendly method highlights the potential for converting plastic waste into high-value graphene nanomaterials for energy storage applications.
Quá trình nhiệt phân diễn ra ở nhiệt độ 450°C trong 50 phút, tạo ra bộ xương carbon dưới dạng cặn than đen Sau bước này, phần cặn than sẽ được xử lý để tổng hợp các tấm nano graphene, góp phần nâng cao giá trị ứng dụng của vật liệu Đây là bước quan trọng trong chu trình sản xuất graphene nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả của sản phẩm cuối cùng.
750 0 C Cặn sau đó được lọc rửa loại bỏ xúc tác còn dư [7].
THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu
Nguyên liệu chính để sản xuất là nhựa PET từ vỏ chai nước uống đóng chai Aquafina, đã qua xử lý để đảm bảo vệ sinh Quá trình chuẩn bị gồm cắt nhỏ vỏ chai thành kích thước từ 2-4mm, rửa sạch để loại bỏ dầu bẩn và tạp chất, sau đó sấy khô ở nhiệt độ 50°C đến khi độ ẩm đạt từ 2-4%.
Hình 2.0.4: Nhựa PET lấy từ vỏ chai nước uống đóng chai đã qua sử dụng
Hình 2.0.5: Nhựa PET đã được cắt nhỏ 2-4mm
2.1.2 Hóa chất sử dụng nghiên cứu
- Bentonite (Hàn Quốc, thành phần Na2O 2,5%, MgO 2,5%, Al2O3 15,6%, SiO2
- Bentonite biến tính (Viện Công nghệ Xạ hiếm, thành phần Na2O 2,14%, MgO 2,56%, Al2O3 21,3%, SiO2 67,6%, P2O5 0,07%, K2O 0,56%, CaO 1,41%, MnO 0,1%, TiO2 0,16%, Fe2O3 4,03%, C 0,33%, S 0,32%…)
- NaOH5% (pha từ NaOH rắn 99%, Trung Quốc)
- HCl5% (pha từ HCl35%, Trung Quốc)
2.1.3 Thiết bị, dụng cụ sử dụng nghiên cứu
- Lò nung ống (thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Hóa học – Vật liệu, Viện Khoa học – Công nghệ Quốc phòng)
- Tủ sấy, máy khuấy từ, cân điện tử.
- Bình định mức, cốc thủy tinh, pipet, lọ đựng mẫu
- Giấy lọc, giấy chỉ thị pH
Tất cả các dụng cụ thủy tinh đều phải được rửa sạch và tráng bằng nước cất, sấy khô trước khi sử dụng.
Quy trình thực hiện chế tạo graphen
Sơ đồ chế tạo graphen từ nhựa PET bằng phương pháp hóa học sử dụng xúc tác Bentonite và Bentonite biến tính được mô tả hình 2.3:
Cân 16g nhựa PET đã được cắt nhỏ từ 2-4mm, sau đó rửa sạch và sấy khô đạt độ ẩm từ 2-5% Tiếp theo, trộn đều nhựa PET với 4,8g xúc tác bentonite theo tỷ lệ 10:3 (nhựa trên xúc tác) Hỗn hợp sau khi trộn được nung trong lò nung ống ở nhiệt độ 700°C trong thời gian thích hợp để hoàn thành quá trình xử lý.
Trong quá trình thực hiện, mẫu được nung trong môi trường khí trơ trong vòng 15 phút, khí N2 được thổi qua với tốc độ 10 ml/phút để đảm bảo điều kiện phản ứng tối ưu Sau đó, thu được cặn rắn màu đen xám, phản ánh sự hình thành của hợp chất hoặc kết tủa từ phản ứng Cuối cùng, cặn rắn này được đem ngâm trong dung dịch axit để tiến hành các bước phân tích hoặc xác định thành phần hóa học, giúp bổ sung dữ liệu cho nghiên cứu.
Ngâm trong HCl5%, 3 giờ Đảo trộn
Sản phẩm graphene Lọc rửa, sấy khô, nghiền mịn
Hình 2.3: Sơ đồ các bước chế tạo graphene từ nhựa PET với xúc tác bentonite và bentonite biến tính
Môi trường trơ (N2,15ml/ phút)
HCl 5% trong 3 giờ; lọc rửa với nước cất đến khi pH = 7 bằng lọc hút chân không Sản phẩm thu được sấy khô ở 100 0 C, 2 giờ; cuối cùng là nghiền mịn.
Hình 2.4 minh họa lò nung mẫu để nghiên cứu ảnh hưởng của các loại xúc tác đến chất lượng sản phẩm graphene Nghiên cứu sử dụng hai loại xúc tác là bentonite biến tính (VL2) và bentonite thông thường (VL3) để tổng hợp graphene, nhằm lựa chọn loại xúc tác phù hợp cho quá trình tổng hợp Ngoài ra, mẫu nhựa PET nung không sử dụng xúc tác (VL1) cũng được thêm vào để so sánh sự khác biệt giữa các phương pháp tổng hợp Việc nghiên cứu này giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất graphene dựa trên các loại xúc tác khác nhau.
Hình 2.5: Hình ảnh 3 mẫu vật liệu sau quá trình tổng hợp: VL1 (a); VL2 (b); VL3 (c)
Các phương pháp phân tích đánh giá tính chất đặc trưng của vật liệu
Để đánh giá các tính chất đặc trưng của VL tổng hợp được, sử dụng các phương pháp sau:
2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) giúp xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu nhờ chùm điện tử quét lên mẫu và thu lại chùm tia phản xạ, từ đó tạo ra hình ảnh chi tiết về bề mặt Nguyên tắc hoạt động của SEM dựa trên việc tạo chùm điện tử từ cathode qua hai tụ quang, hội tụ lên mẫu nghiên cứu, kích thích phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp Các điện tử phản xạ này được gia tốc qua điện thế, biến đổi thành tín hiệu sáng, sau đó được khuếch đại và hiển thị trên màn hình Mỗi điểm trên mẫu tương ứng với một điểm trên màn hình, độ sáng phản ánh lượng điện tử thứ cấp phát ra, từ đó thể hiện đặc điểm bề mặt mẫu Ưu điểm nổi bật của SEM là khả năng tạo ảnh 3D rõ nét, không làm hỏng mẫu và không đòi hỏi quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp.
Trong nghiên cứu này, hình ảnh SEM được chụp bằng thiết bị hiển vi điện tử quét của hãng HORIBA Nhật Bản tại Viện Khoa học Vật liệu,Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, nhằm phân tích cấu trúc vi mô của mẫu vật một cách chính xác và chi tiết.
2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) là kỹ thuật phân tích đa dạng về kiểu và lượng pha trong mẫu, ô mạng cơ sở, cấu trúc tinh thể, cùng kích thước hạt Cơ sở của phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiễu xạ của tia X khi tương tác với mạng lưới tinh thể trong vật liệu Khi tia X tương tác với vật chất, nó tạo ra hiệu ứng tán xạ đàn hồi qua các điện tử của nguyên tử, dẫn đến hiện tượng nhiễu xạ tia X đặc trưng Phương pháp này giúp xác định cấu trúc tinh thể và thành phần pha trong các mẫu vật lý khác nhau.
Mối liên hệ giữa khoảng cách hai mặt nhiễu xạ (hkl), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (), cùng với bước sóng (λ), được mô tả chính xác qua hệ phương trình Vulf-Bragg Phương trình này là công cụ quan trọng trong phân tích cấu trúc tinh thể, giúp xác định các khoảng cách mặt phản xạ dựa trên các góc phản xạ và bước sóng của tia X Áp dụng hệ phương trình Vulf-Bragg trong nghiên cứu vật liệu giúp hiểu rõ đặc điểm tinh thể học và tối ưu quá trình phân tích cấu trúc vật chất.
2 d sinθθ=nθ λ (2.1) Trong đó: d: là khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể song song
Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ được ký hiệu là θ, và thường được mô tả bằng hệ phương trình liên quan đến bước sóng của tia X, ký hiệu là λ Bậc phản xạ n (n = 1, 2, 3, …) cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tích Kích thước hạt tinh thể có thể được tính bằng phương trình Scherrer: dnm = 0,9 × λ / [β1 × cosθ], trong đó λ được xác định bằng hệ phương trình liên quan đến độ dài bước sóng của bức xạ, β1 là độ bán rộng vạch nhiễu xạ, và θ là góc Bragg.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã khảo sát sự thay đổi về cấu trúc bằng phương pháp phân tích dữ liệu từ máy nhiễu xạ tia X của hãng Panalatycal tại phòng 110C9, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội Phân tích cấu trúc này giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm của mẫu vật, góp phần nâng cao hiệu quả nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực vật lý kỹ thuật Sử dụng thiết bị nhiễu xạ tia X chính hãng Panalatycal đảm bảo độ chính xác cao và tin cậy trong kết quả phân tích cấu trúc mẫu vật.
2.3.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis bằng máy phổ quang khả kiến (UV – Vis) Để xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào định luật Lambert - Beer Phương trình:
A: độ hấp thụ ánh sáng (tỉ lệ thuận với nồng độ C);
I, I0: cường độ bức xạ điện từ trước và sau khi qua chất phân tích;
Hệ số hấp thụ quang phân tử (ε) là một đặc điểm quan trọng xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của chất Nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng cũng như bước sóng của ánh sáng tới Hệ số này được thể hiện qua hàm số ε = f(λ) và mô tả bằng hệ phương trình, giúp phân tích chính xác quá trình hấp thụ quang Hiểu rõ hệ số hấp thụ quang phân tử là yếu tố cần thiết trong các nghiên cứu về quang học và phân tích chất lượng mẫu vật.
Trong đó: l: độ dày cuvet;
C: nồng độ chất phân tích
Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng:
Đo A tại một bước sóng λ sẽ tuân theo hệ phương trình cố định với cuvet có chiều dày xác định, nên đồ thị A = f(C) lý thuyết là một đường thẳng y = ax Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng như bước sóng ánh sáng, độ pha loãng dung dịch, nồng độ H+ và sự hiện diện của các ion lạ làm cho đồ thị này không phải lúc nào cũng là một đường thẳng Do đó, phương trình định luật Lambert - Beer phải được điều chỉnh phù hợp với thực tế để phản ánh các tác nhân gây nhiễu này.
Nồng độ chất phân tích (Cx) và các hằng số thực nghiệm như k và b (với 0 < b < 1, là hệ số liên quan đến nồng độ Cx) đóng vai trò quan trọng trong phân tích quang học Khi xác định một chất trong dung môi cố định với chiều dày của cuvet cố định, hệ số trung bình cực đại molar (ε) và chiều dày (l) được xem là hằng số Đặt K = k · ε · l, giúp đơn giản hóa các phép tính và phân tích, tối ưu hóa quá trình định lượng chất phân tích dựa trên độ hấp thụ quang học.
Phương trình này là cơ sở để định lượng các chất dựa trên phép đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, một phương pháp phân tích được sử dụng rộng rãi và hiệu quả Phép đo quang phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến UV-Vis giúp xác định chính xác hàm lượng các chất trong mẫu phân tích Phương pháp này dễ dàng áp dụng và phổ biến trong các nghiên cứu phân tích hóa học, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích chất lượng và kiểm soát mẫu.
Cơ sở của phương pháp: Dựa trên sự phụ thuộc tuyến tính của độ hấp thụ quang A vào nồng độ của cấu tử cần xác định trong mẫu A=k (C x ) b
+ Pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1)
+ Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch chuẩn
Để mô tả mối quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ của chất cần nghiên cứu C, chúng ta xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính A = f(C) Đường chuẩn này thể hiện mối liên hệ tỷ lệ giữa hai biến và có dạng là đường thẳng đi qua gốc tọa độ Sử dụng đường chuẩn giúp xác định nhanh chóng nồng độ của chất cần đo lường dựa trên giá trị độ hấp thụ quang đã đo được, đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong phân tích.
Để pha chế các dung dịch phân tích, cần xây dựng đường chuẩn và đo độ hấp thụ quang A dưới cùng điều kiện như sử dụng cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet và cùng bước sóng Dựa vào các giá trị độ hấp thụ quang A thu được, có thể xác định nồng độ Cx tương ứng thông qua đường chuẩn đã xây dựng Quá trình này giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong phân tích quang phổ.
Trong nghiên cứu này, khả năng hấp thụ quang của dung dịch được xác định bằng máy UV-Vis của hãng Agilent Mỹ, đo tại phòng phân tích Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học, nhằm cung cấp dữ liệu chính xác về tính chất quang học của mẫu.
2.3.4 Phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR
Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR) dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất để phân tích cấu trúc và thành phần hóa học FTIR ghi nhận các dao động đặc trưng của liên kết hóa học giữa các nguyên tử, cho phép định tính và định lượng các hợp chất ngay cả với mẫu có hàm lượng rất thấp và bề dày chỉ khoảng 50 nm Phương pháp này có độ nhạy cao, rất hữu ích trong phân tích cấu trúc mẫu vật Trong khi đó, quang phổ cận hồng ngoại là kỹ thuật đặc biệt trong việc xác định chất hữu cơ, thu thập thông tin từ các cộng hưởng của nhóm chức C–H, N–H, O–H và S–H, cung cấp dữ liệu hữu ích trong phân tích định tính chất hữu cơ.
Xác đinh hiệu suất hấp phụ Đo UV - Vis Lọc Khấy Cốc có mỏ 50ml
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ dung dịch MB của VL
2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian Để khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ
MB của VL1; VL2 và VL3 đã chế tạo được, thí nghiệm tiến hành như sau:
Hình 2.6: Sơ đồ các bước tiến hành
- Bước 1: Chuẩn bị các cốc có mỏ dung tích 50ml, lấy chính xác 10ml dung dịch MB 10ppm và 0,02g VL vào mỗi cốc.
- Bước 2: Tiến hành lắc dung dịch trên máy khuấy từ, nhiệt độ phòng
(25 0 C), tốc độ khuấy của con khuấy từ là 100 vòng/ phút.
Tại các mốc thời gian như 5 giây, 10 giây, 20 giây, 30 giây, 1 phút, 1,5 phút, 2 phút, 2,5 phút, 3 phút và 4 phút, tiến hành dừng khuấy, loại bỏ bã rắn khỏi dung dịch sau quá trình hấp phụ, sau đó đo độ hấp thụ UV-Vis sử dụng máy Agilent Mỹ tại phòng phân tích Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học để thu thập dữ liệu chính xác về hiệu quả hấp thụ của mẫu.
- Bước 5: Xác định nồng độ cân bằng (Ccb) dựa trên đường chuẩn của dung dịch MB được xây dựng ở mục 3.2.2.
10 ml dd MB 10ppm Điều chỉnh pH
Xác đinh hiệu suất hấp phụ Đo UV - Vis Lọc Khấy
Cốc có mỏ 50ml chứa 0,02g VL
2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH Để khảo sát sự ảnh hưởng của pH dung dịch MB đến khả năng hấp phụ của VL1; VL2 và VL 3 đã chế tạo được, ta tiến hành thí nghiệm như sau:
Hình 2.7: Sơ đồ các bước tiến hành
- Bước 1: Chuẩn bị các cốc có mỏ có dung tích 50ml, cân chính xác 0,02g
VL và lấy chính xác 10ml dung dịch MB 10ppm vào mỗi cốc.
- Bước 2: Dùng dung dịch NaOH 5% và HCl 5% để điều chỉnh pH của các dung dịch đến các giá trị tương ứng là: 1; 4; 7; 9; 14
- Bước 3: Tiến hành lắc dung dịch trên máy khuấy từ, ở nhiệt độ phòng
(25 0 C), tốc độ khuấy của con khấy từ là 100 vòng/ phút.
Sau khi dừng khuấy trong 30 phút, loại bỏ bã rắn từ dung dịch hấp phụ để chuẩn bị đo độ hấp thụ (ABS) Dung dịch thu được sau quá trình hấp phụ sau đó được sử dụng để đo độ hấp thụ bằng máy đo phù hợp Quá trình này giúp xác định hiệu quả hấp phụ của dung dịch và đảm bảo kết quả chính xác trong nghiên cứu hoặc phân tích.
UV – Vis, hãng Agilent Mỹ, đo tại phòng phân tích Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học.
- Bước 5: Xác định hiệu suất hấp phụ.
2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Để khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ dung dịch MB đến khả năng hấp phụ của VL2 và VL3 đã chế tạo được, ta tiến hành thí nghiệm như sau:
Xác định hiệu suất hấp phụ Đo UV - Vis Lọc Khấy 10 phút Cốc có mỏ 50ml
- Bước 1: Chuẩn bị các cốc có mỏ dung tích 50ml, cân chính xác 0.02g VL vào mỗi cốc.
- Bước 2: Thêm 10mL dung dịch MB có nồng độ khác nhau: 10ppm, 15ppm, 20ppm, 25ppm, 30ppm và có giá trị pH bằng 7
- Bước 3: Tiến hành lắc dung dịch trên máy khuấy từ, nhiệt độ phòng
(25 0 C), tốc độ khuấy của con khuấy từ là 100 vòng/ phút.
Sau 10 phút tiến hành quá trình khuấy từ, dừng lại và loại bỏ bã rắn khỏi dung dịch sau hấp phụ Tiếp theo, đo độ hấp thụ abs bằng máy đo UV-Vis của hãng Agilent Mỹ tại phòng phân tích Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học để đảm bảo chính xác và đáng tin cậy cho kết quả phân tích.
- Bước 5: Xác định nồng độ cân bằng (Ccb) dựa trên đường chuẩn của dụng dịch MB đã được xây dựng ở mục 3.2.2.
Hình 2.8: Sơ đồ các bước tiến hành
2.4.4 Xây dựng các đẳng nhiệt hấp phụ
Đường đẳng nhiệt hấp phụ (q = fT) mô tả mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ và nồng độ hoặc áp suất của chất hấp phụ tại một nhiệt độ cố định Đường này cho thấy dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ hoặc áp suất tại từng thời điểm, phản ánh quá trình hấp phụ diễn ra như thế nào khi nhiệt độ không đổi Đối với chất hấp phụ là chất rắn và chất hấp phụ là chất lỏng hoặc khí, các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ như Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả chính xác quá trình này Các phương trình này giúp xác định khả năng hấp phụ của vật liệu và phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp, môi trường và nghiên cứu khoa học.
Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir:
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir là mô hình mô tả cân bằng hấp phụ đầu tiên dựa trên lý thuyết, đề xuất các giả thuyết về mặt phẳng hấp phụ cứng, không gian trống đều, và không xảy ra quá trình hấp phụ nhiều lớp Phương trình này giúp hiểu rõ quá trình hấp phụ trong các hệ thống lý tưởng và được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu hấp phụ, xử lý nước và khí sạch Nhờ vào đặc điểm phản ánh chính xác sự cân bằng giữa hợp chất hấp phụ và chất rắn, phương trình Langmuir đóng vai trò quan trọng trong phân tích khả năng hấp phụ của các vật liệu và tối ưu hóa quy trình xử lý môi trường.
1 Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ tại những trung tâm xác định.
2 Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
3 Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cho sự hấp phụ chất tan trong dung dịch trên chất hấp phụ rắn có dạng sau:
Qmax: lượng chất bị hấp phụ cực đại đơn lớp trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g);
KL: hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg);
Ccb: nồng độ cân bằng của dung dịch (mg/L);
Q: dung lượng cân bằng hấp phụ của chất bị hấp phụ (mg/g).
Dạng phương trình có thể viết lại như sau:
Các tham số Qmax và KL được xác định chính xác thông qua phương pháp hồi quy tuyến tính dựa trên dữ liệu thực nghiệm Quá trình này sử dụng đồ thị tương quan giữa tỷ lệ Ccb/Q và Ccb để phân tích và tính toán các tham số này Phương pháp hồi quy tuyến tính giúp đảm bảo độ chính xác cao trong việc xác định các giá trị cần thiết cho các mô hình kỹ thuật Việc sử dụng dữ liệu thực nghiệm cùng với phân tích đồ thị là bước quan trọng trong quá trình tối ưu hóa các hệ thống thủy lực hoặc xử lý nước.
Dung lượng hấp phụ tại thời điểm t được xác định theo phương trình:
Qt: lượng chất đã bị hấp phụ ở thời điểm t (mg/g);
Co: nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu (mg/L);
Ct: nồng độ chất bị hấp phụ ở thời điểm t (mg/L);
V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L); m: khối lượng chất hấp phụ (g).
Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là mô hình thực nghiệm mô tả quá trình hấp phụ khí hoặc chất tan vào vật hấp phụ rắn trong phạm vi một lớp Phương trình này giúp hiểu rõ khả năng hấp phụ của vật liệu rắn, đặc biệt trong các quá trình xử lý môi trường và công nghiệp Đẳng nhiệt Freundlich là công cụ quan trọng để dự đoán hiệu quả hấp phụ trong các hệ thống thực tế.
Trong đó: x: khối lượng chất bị hấp phụ (mg); m: khối lượng chất hấp phụ (g);
Ccb: nồng độ cân bằng của dung dịch (mg/L);
Q: dung lượng cân bằng hấp phụ của chất bị hấp phụ (mg/g);
Trong quá trình nghiên cứu hấp phụ, hệ số Freundlich (KF) thể hiện khả năng hấp phụ của mẫu vật, với phương trình đẳng nhiệt Freundlich được mô tả bằng dạng logarithm để thuận tiện cho phép tính và phân tích Đường đẳng nhiệt Freundlich có thể được viết lại bằng công thức lnθQ = lnKF + (1/nθ) ln Ccb hoặc logQ = logKF + (1/nθ) logCcb, trong đó n là hệ số dị thể, phản ánh mức độ không đều của diện tích hấp phụ Các phương trình này giúp xác định khả năng hấp phụ qua các mối liên hệ tuyến tính, hỗ trợ tối ưu hóa quá trình xử lý nước hoặc đặc trưng của các vật liệu hấp phụ.
Giá trị của KF và n có thể được xác định thông qua phương pháp hồi quy tuyến tính dựa trên mối quan hệ giữa lnQ và lnCcb hoặc logQ và logCcb, từ các số liệu thực nghiệm Điều này cho phép tính toán chính xác các hệ số quan trọng trong mô hình, hỗ trợ phân tích và dự đoán hiệu quả trong các ứng dụng kỹ thuật Việc sử dụng giản đồ sự phụ thuộc giúp làm rõ mối liên hệ giữa các biến và nâng cao độ chính xác của kết quả phân tích.