Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại (tt)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Xác nhận của tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

Thái Nguyên, 5/2018

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

I Thành viên thực hiện đề tài

- TS Trương Thị Thảo - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- TS Bùi Minh Quý- Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- TS Nguyễn Đình Vinh - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- ThS Nguyễn Thị Ngọc Linh - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

II Đơn vị phối hợp thực hiện

- Phòng Hóa lý bề mặt - Viện Hóa học – Viện KH&CN Việt Nam

ii

MỤC LỤC

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI

HỢP CHÍNH i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về vật liệu cacbon mao quản trung bình 2

1.1.1 Giới thiệu chung về vật liệu cacbon mao quản trung bình 2

1.1.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình 2

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu cacbon mao quản trung bình 3

1.2 Hấp phụ 3

1.3 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 5

1.4 Tổng quan về MB 5

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 6

2.1 Tổng hợp vật liệu 6

2.1.1 Tổng hợp cacbon mao quản trung bình và cacbon mao quản trung bình chứa kim loại 6

2.1.2 Đánh giá khả năng hấp phụ xanh metylen 6

2.2 Tính toán quá trình hấp phụ 6

2.2.1 Hiệu suất quá trình hấp phụ và dung lượng hấp phụ 6

2.2.2 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 7

2.2.3 Động học quá trình hấp phụ 8

2.3 Nghiên cứu đặc trưng vật liệu 8

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9

3.1 Cacbon mao quản trung bình tổng hợp bằng phương pháp mềm 9

3.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp CMQTB bằng phương pháp mềm dựa trên khả năng hấp phụ MB 9

3.1.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylen của vật liệu CMQTB tổng hợp bằng phương pháp mềm 9

3.2 CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỨNG 11

3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ xanh metylen của CMQTB bằng phương pháp cứng 11 3.2.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh metylen của vật liệu CMQTB tổng hợp bằng phương pháp cứng 11

3.3 CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH BIẾN TÍNH 12

3.3.1 Đặc trưng mẫu OMC và Fe-OMC 12

3.3.2 Khả năng loại bỏ MB của Fe-OMC 14

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Một số mẫu CMQTB đã tổng hợp được 6

Bảng 3.1 Các thông số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của vật liệu MC100 (MC2) 10

Bảng 3.2: Hằng số tốc độ và dung lượng hấp phụ MB trên MC100 (MC2) tính theo phương trình động học biểu kiến bậc một 10

Bảng 3.3: Hằng số tốc độ và dung lượng hấp phụ MB trên MC100 (MC2) tính theo phương trình động học biểu kiến bậc hai 10

Bảng 3.4 Các thông số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của vật liệu OMC 11

Bảng 3.5: Hằng số tốc độ và dung lượng hấp phụ MB trên MC100 (MC2) tính theo phương trình động học bậc một 12

Bảng 3.6: Hằng số tốc độ và dung lượng hấp phụ MB trên OMC tính theo phương trình động học biểu kiến bậc hai 12

Bảng 3.7 Các thông số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của vật liệu Fe-OMC 14

Bảng 3.8 Một số tham số của phương trình động học biểu kiến bậc một của Fe-OMC 14

Bảng 3.9 Một số tham số của phương trình động học biểu kiến bậc hai của Fe-OMC 14

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Đồ thị sự phụ thuộc của 1/qe vào 1/Ce 7

Hình 2.2 Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Freundlich 7

Hình 3.1 Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ theo thời gian của MC80, MC100, MC120 9

Hình 3.2 Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ theo thời gian của MC1, MC2 và MC3 9

Hình 3.3 Mối quan hệ phụ thuộc giữa dung lượng hấp phụ cực đại và nồng độ xanh metylen của vật liệu MC100 (MC2) 9

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ MB của vật liệu CMQTB trong khoảng 23oC - 43oC (nồng độ đầu MB là 100ppm, lượng chất hấp phụ là 0,5g/L, thời gian khuấy là 6 giờ) 11

Hình 3.5 Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác đến khả năng hấp phụ MB của CMQTB ở 25oC (nồng độ đầu MB là 100ppm, thời gian khuấy là 6 giờ) 11

Hình 3.6.Giản đồ XRD của của Fe-OMC và OMC 13

Hình 3.7 Ảnh TEM của Fe-OMC (A) và OMC (B) 13

Hình 3.8 Ảnh SEM của Fe-OMC và OMC 13

Hình 3.9 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ ni tơ của của Fe-OMC và OMC 13

Hình 3.10 Đường phân bố kích thước mao quản của Fe-OMC và OMC 14

(Phương pháp hiển vi điện tử quét)

(Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua)

(Phổ tử ngoại - khả kiến)

xi ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử lý môi

trường nước chứa chất hữu cơ độc hại

- Mã số: ĐH2016 - TN06 - 05

- Chủ nhiệm: ThS NCS Nguyễn Thị Hồng Hoa

- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: 01/2016 - 12/2017

2 Mục tiêu:

- Xây dựng quy trình tối ưu để tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình có hiệu quả hấp phụ MB hiệu quả cao nhất

- Khảo sát đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu cacbon mao quản trung bình, vật liệu

cacbon mao quản trung bình chứa sắt đối với MB trong môi trường nước

4 Kết quả nghiên cứu:

- Tổng hợp thành công cacbon mao quản trung bình bằng phương pháp cứng và vật liệu tổng hợp được có dung lượng hấp phụ cực đại MB là 384,62 mg/g

- Tổng hợp thành công cacbon mao quản trung bình bằng phương pháp mềm và vật liệu tổng hợp được có dung lượng hấp phụ cực đại MB là 500,00 mg/g

- Tổng hợp thành công cacbon mao quản trung bình biến tính sắt bằng phương pháp tẩm và

vật liệu tổng hợp được có dung lượng hấp phụ cực đại MB là 625,00 mg/g

5 Sản phẩm:

5.1 Sản phẩm khoa học:

Có 05 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học

1 Phuong T Dang, Hoa T H Nguyen, Canh D Dao, Giang H Le, Quang K Nguyen, Kien T Nguyen, Hoa T K Tran, Tuyen V Nguyen, anh Tuan A Vu (2016), “Ordered Mesoporous Carbons as Novel and Efficient Adsorbent for Dye Removal from Aqueous Solution”,

Advances in Materials Science and Engineering, vol 2016, pp 1-9

2 Nguyễn Thị Hồng Hoa, Trần Thị Kim Hoa, Đặng Tuyết Phương (2016), “Ảnh hưởng của pH

đến cấu trúc và tính chất hấp phụ MB của vật liệu cacbon mao quản trung bình”, Tạp chí

Xúc tác và Hấp phụ, T5(4), tr 120-123

3 Nguyễn Thị Hồng Hoa, Trịnh Thị Thu Hường, Đào Đức Cảnh, Lê Hà Giang, Nguyễn Kế Quang,

Nguyễn Trung Kiên, Trần Thị Kim Hoa, Vũ Anh Tuấn, Đặng Tuyết Phương (2016), “Tổng

hợp, đặc trưng và khả năng phân hủy MB của vật liệu các bon mao quản trung bình chứa

Fe”, Tạp chí Hóa học, 54(6e2), tr 94 - 98

4 Nguyễn Thị Hồng Hoa, Trần Thị Kim Hoa, Đặng Tuyết Phương (2017), “Synthesis of mesoporous carbon material by hard template method: Application to removal of dye from

aqueous solution”, Tạp chí Khoa Học và Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, 172(12/1), tr

59 - 64

5 Nguyễn Thị Hồng Hoa, Trần Thị Kim Hoa, Đặng Tuyết Phương (2017), “Ảnh hưởng của nhiệt

độ đến cấu trúc và tính chất hấp phụ MB của vật liệu cacbon mao quản trung bình được tổng

hợp bằng phương pháp mềm”, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, T6(4), tr 134-137

5.2 Sản phẩm đào tạo:

Có 02 đề tài sinh viên NCKH đã nghiệm thu:

1 Nguyễn Thị Hải Yến (2016), Nghiên cứu tổng hợp cacbon mao quản trung bình bằng phương

pháp mềm, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái

Nguyên

2 Đỗ Đình Dũng (2016), Nghiên cứu tổng hợp cacbon mao quản trung bình bằng phương pháp

cứng, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên

Có 02 KLTN Đại học đã nghiệm thu:

1 Vũ Phương Dung (2017), “Tổng hợp và nghiên cứu khả năng hấp phụ một số chất hữu cơ độc

hại của vật liệu cacbon mao quản trung bình”, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Khoa

học – Đại học Thái Nguyên

xiii

2 Nguyễn Phương Thảo (2017), “Tổng hợp và nghiên cứu khả năng xúc tác phân hủy chất hữu cơ

độc hại của vật liệu cacbon mao quản trung bình biến tính”, Khóa luận tốt nghiệp, Trường

Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên

Đề tài là một phần của Luận án tiến sĩ của chủ nhiệm đề tài:

Tên luận án: Nghiên cứu tổng hơp, đặc trưng và ứng dụng của vật liệu cacbon mao quản trung bình

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

- Khả năng áp dụng: Đánh giá khả năng hấp phụ chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước

- Phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu: cung cấp tài liệu tham khảo cho học viên, sinh viên

Coordinator: MA.PhD Student Nguyen Thi Hong Hoa

Implementing institution: TNU - University of Sciences

3 Creativeness and innovativeness:

- Researching new materials capable of adsorption of organic substances with large molecular mass, toxic in water environment

- Using modern research methods to characterize synthesized materials: XRD, SEM, TEM, BET

- Using modern methods to determine the concentration of organic matter before and after adsorption: UV-Vis

5 Products:

5.1 Scientific publications:

There are 05 published papers:

1 Phuong T Dang, Hoa T H Nguyen, Canh D Dao, Giang H Le, Quang K Nguyen, Kien T Nguyen, Hoa T K Tran, Tuyen V Nguyen, anh Tuan A Vu (2016), “Ordered Mesoporous Carbons as Novel and Efficient Adsorbent for Dye Removal from Aqueous Solution”,

Advances in Materials Science and Engineering, vol 2016, pp 1-9

2 Nguyen Thi Hong Hoa, Tran Thi Kim Hoa, Dang Tuyet Phuong (2016), “Effects of pH on

structure and methylen blue adsorption property of the mesoporous carbon materials ”,

Journal of catalysis and adsordtion, T5(4), pp 120-123

3 Nguyen Thi Hong Hoa, Trinh Thi Thu Huong, Dao Duc Canh, Le Ha Giang, Nguyen Quang

Ke, Nguyen Trung Kien, Tran Thi Kim Hoa, Vu Anh Tuan, Dang Tuyet Phuong (2016),

“Synthesis, characterization and methylene blue degradation of Fe containing ordered

mesoporous carbons.”, Vietnam Journal of chemistry, 54(6e2), pp 94 - 98

4 Nguyen Thi Hong Hoa, Tran Thi Kim Hoa, Dang Tuyet Phuong (2017), “Synthesis of mesoporous carbon material by hard template method: Application to removal of dye from

aqueous solution”, Journal of Science & Technology – Thainguyen university, 172(12/1), pp

59 – 64

5 Nguyen Thi Hong Hoa, Tran Thi Kim Hoa, Dang Tuyet Phuong (2017), “Effects of temperature

on structure and methylene blue adsorption property of the mesoporous carbon materials

synthesized by soft template method”, Journal of catalysis and adsordtion, T6(4), pp

134-137

5.2 Training results:

02 scientific research student:

1 Nguyen Thi Hai Yen (2016), Studying on synthesis mesoporous carbon by soft template method,

Students study topics scientific, College of Sciences - Thai Nguyen University

2 Do Dinh Dung (2016), Studying on synthesis mesoporous carbon by hard template method,

Students study topics scientific, College of Sciences - Thai Nguyen University

02 under graduation thesis:

1 Vu Phuong Dung (2017), Synthesizing and studying the adsorption of some toxic organic

substances of mesoporous carbon material, Under graduation thesis College of Sciences - Thai

Nguyen University

2 Nguyen Phuong Thao (2017), Synthesizing and studying the ability of catalytic degradation of

toxic organic substances of modified mesoporous carbon material, Under graduation thesis

College of Sciences - Thai Nguyen University

The project is a part of the coordinator’s PhD thesis:

vii

Title of the thesis: Studying on the synthesis, characteristic and application of mesoporous carbon materials

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach results:

- Ability to apply: Evaluation of the ability to adsorb toxic organic substances in water environment

- Transferring methods research results: providing reference for practitioners and students

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng được xã hội quan tâm, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm nguồn nước bởi các chất thải hữu cơ Phương pháp hấp phụ tỏ ra có nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi hơn cả bởi các ưu điểm như xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị và đặc biệt là có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ

Vật liệu cacbon mao quản trung bình (CMQTB) có tính chất hóa lý ưu viê ̣t vượt trội như đô ̣

thủy nhiê ̣t cao, chi ̣u môi trường axit - bazo, đă ̣c biê ̣t là hấp phụ được các phân tử kích thước lớn, cồng

tích bề mặt, kích thước và phân bố mao quản, độ xốp, bản chất nhóm chức bề mặt,…), vật liệu cacbon mao quản trung bình sẽ được ứng dụng như là một chất xúc tác – hấp phụ trong các ngành

cứu tổng hợp, biến tính vật liệu cacbon trung bình thu hút sự quan tâm, nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong nước và quốc tế

Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình dùng để xử

lý môi trường nước chứa chất hữu cơ độc hại” được lựa chọn thực hiện

Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu để đưa ra quy trình tối ưu tổng hợp vật liệu CMQTB dùng để hấp phụ các chất hữu cơ độc hại nhằm góp phần nhỏ bé trong công cuộc nghiên cứu xử lý môi trường nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ độc hại Chúng tôi chọn đại diện cho chất hữu cơ độc

nghệ nhuộm để nghiên cứu

2 Mục tiêu của đề tài

- Xây dựng quy trình tối ưu để tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình có hiệu quả hấp phụ MB hiệu quả cao nhất

- Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu cacbon mao quản trung bình, vật liệu cacbon mao quản trung bình chứa sắt đối với chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước

3 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình theo phương pháp mềm;

- Tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình theo phương pháp cứng;

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MB của vật liệu cacbon mao quản trung bình theo phương pháp cứng;

- Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu tổng hợp được đối với MB trong nước

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu cacbon mao quản trung bình

1.1.1 Giới thiệu chung về vật liệu cacbon mao quản trung bình

Vật liệu CMQTB ra đời trên cơ sở kết hợp giữa vật liệu mao quản trung bình và vật liệu bản chất cacbon Ryoo và các đồng nghiệp (1999) đã chế tạo ra vật liệu cacbon mao quản trung bình đầu tiên, CMK-1, bằng cách sử dụng các aluminosilicate có trật tự MCM-48 làm khuôn mẫu Kể

từ đó, các phương pháp tổng hợp khác của CMQTB đã nảy ra Trong nhiều năm qua, đã có những

nỗ lực đáng kể để tổng hợp CMQTB bởi các loại silic mao quản trung bình khác nhau Thành công

đã đạt được bằng cách sử dụng MCM-48, SBA-15, SBA-1, … như là các khuôn mẫu cứng Tuy nhiên, quá trình tổng hợp này được gọi là tốn thời gian và không phù hợp với quy mô sản xuất lớn Hơn nữa, điều chỉnh độ dày thành ống và đường kính mao quanr bị giới hạn bởi lựa chọn mẫu silica cứng Những trở ngại này kích thích mạnh mẽ nghiên cứu hướng tới một phương pháp tổng hợp trực tiếp bằng cách sử dụng một chất tạo cấu trúc mềm tương tự như sự tổng hợp silica mao quản trung bình

Vật liệu cacbon mao quản trung bình được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất, hấp phụ, tách chất, điện cực cho pin, tế bào nhiên liệu, chất hấp phụ, chất mang cho các quá trình xúc tác…

1.1.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình

1.1.2.1 Phương pháp khuôn mẫu cứng

- Chất xúc tác của quá trình cacbon hóa là H2SO4 và dung môi là H2O

Tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trung bình trật tự theo khuôn mẫu cứng có những ưu điểm như tiền chất cacbon dễ xâm nhập vào trong mao quản trung bình của silic; tạo ta một bản sao ngược với khuôn mẫu nên theo nguyên tắc có thể kiểm soát được kích thước mao quản

Tuy nhiên, vật liệu MC tổng hợp theo phương pháp khuôn mẫu cứng cũng tồn tại nhiều nhược điểm Đó là một quá trình đa bước khi phải tổng hợp chất tạo cấu trúc có mao quản trung bình như SBA – 15, MCF, MCM – 41… rất phức tạp nên phương pháp này sẽ mất nhiều thời gian tổng hợp hơn Việc phải loại bỏ chọn lọc khuôn mẫu silic sẽ làm tăng giá thành tổng hợp

MC lên Ngoài ra, độ dày của thành và và đường kính mao quản của MC được tổng hợp theo phương pháp khuôn mẫu cứng bị bó hẹp bởi kích thước và hình dạng của khuôn mẫu

1.1.2.2 Phương pháp khuôn mẫu mềm

Thành phần tổng hợp nên vật liệu cacbon mao quản trung bình theo phương pháp khuôn mẫu mềm:

+ Tiền chất cacbon: hợp chất phenolic (phenol, resorcinol, phloroglucinol) và formaldehit, hexamethylenetetraamin, 1,5-dihydroxy naphthalene, triethylorthoacetat…

+ Dung môi: ethanol, butanol, ethanol- nước, tetrahydrofuran (THF)…

+ Xúc tác: HCl, NaOH