Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp dệt nhuộm, đóng góp đáng kể vào tăng trưởng kinh tế nhưng đồng thời cũng phát sinh lượng lớn nước thải chứa chất màu hữu cơ khó phân hủy. Các chất màu này có độ bền cao trước ánh sáng, nhiệt độ và các tác nhân oxy hóa, gây suy thoái nghiêm trọng chất lượng nguồn nước và đe dọa hệ sinh thái.

Để loại bỏ phẩm màu hữu cơ trong nước thải, nhiều kỹ thuật đã được áp dụng như keo tụ điện hóa, xử lý sinh học yếm khí, quá trình oxy hóa nâng cao, lọc màng và hấp phụ. Trong đó, phương pháp hấp phụ kết hợp phân hủy xúc tác được đánh giá là hướng tiếp cận hiệu quả. Tuy nhiên, các vật liệu hấp phụ truyền thống (zeolite, silica gel, than chì) bộc lộ nhiều hạn chế về dung lượng hấp phụ, độ chọn lọc thấp, khó thu hồi và kém bền khi tái sử dụng.

Graphene (dạng 2D) sở hữu diện tích bề mặt lý thuyết lớn và độ bền cơ học cao, nhưng khi ứng dụng thực tế thường bị tái kết tụ do lực tương tác $\pi-\pi$, làm suy giảm đáng kể các tính chất ưu việt. Nhằm khắc phục nhược điểm này, việc chuyển đổi graphene từ cấu trúc 2D sang cấu trúc xốp 3D dạng graphene aerogel (GA) giúp duy trì diện tích bề mặt riêng cao, thể tích lỗ rỗng lớn và cải thiện khả năng khuếch tán chất ô nhiễm. Để tăng cường khả năng xử lý triệt để chất màu (thay vì chỉ lưu giữ bằng hấp phụ), việc tích hợp các hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ lên mạng khung GA tạo ra vật liệu composite $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ có khả năng kích hoạt phản ứng Fenton dị thể để phân hủy phẩm màu, đồng thời giúp thu hồi vật liệu nhanh chóng bằng từ trường ngoài. Hơn nữa, việc thay thế các chất khử hóa học độc hại (như hydrazine) bằng dịch chiết tự nhiên từ quả dứa (chứa nhiều vitamin C và polyphenol) mang lại giải pháp chế tạo vật liệu xanh, thân thiện với môi trường.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài:

  1. Tổng hợp graphene oxide (GO) từ than chì tự nhiên theo phương pháp Hummers cải tiến.
  2. Điều chế dịch chiết quả dứa, xác định hàm lượng vitamin C và tổng polyphenol để sử dụng làm tác nhân khử xanh.
  3. Chế tạo graphene hydrogel (GH) bằng phản ứng khử GO với dịch chiết dứa kết hợp chất trợ tạo gel polyvinylpyrrolidone (PVP), sau đó sấy thăng hoa thu nhận graphene aerogel (GA).
  4. Tổng hợp vật liệu composite từ tính $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ thông qua việc phân tán và cố định các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ trên nền GA.
  5. Đặc trưng cấu trúc, hình thái học, diện tích bề mặt và tính chất từ của các mẫu vật liệu bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (XRD, FTIR, XPS, Raman, SEM, TEM, BET, VSM).
  6. Khảo sát khả năng hấp phụ và xúc tác phân hủy chất màu hữu cơ Reactive Blue 222 (RB222) của vật liệu GA và $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$, đồng thời xác lập mô hình động học hấp phụ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu graphene oxide (GO), graphene aerogel (GA), hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$, vật liệu composite $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$, dịch chiết dứa tự nhiên và chất màu hữu cơ Reactive Blue 222 (RB222).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng hóa lý và thử nghiệm xử lý môi trường trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; đối tượng xử lý là dung dịch phẩm màu dệt nhuộm RB222 mô phỏng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình khoa học

  • Mô hình cấu trúc Lerf-Klinowski của Graphene Oxide (GO): Mô tả mạng carbon phẳng chứa các nguyên tử carbon lai hóa $\text{sp}^2$ xen kẽ với carbon lai hóa $\text{sp}^3$. Trên các mặt đáy phân bố ngẫu nhiên nhóm chức hydroxyl (-OH) và epoxy (-C-O-C-), trong khi mép tấm mang các nhóm carboxyl (-COOH) và carbonyl (-C=O), tạo tính ưu nước và khả năng phân tán cao.
  • Cơ chế tự lắp ráp tạo khung 3D Aerogel: Quá trình khử GO loại bỏ bớt nhóm chức chứa oxy, khôi phục một phần liên kết liên hợp $\text{sp}^2$, tạo điều kiện cho các tấm graphene tự lắp ráp thông qua tương tác xếp chồng $\pi-\pi$, liên kết hydro và lực Van der Waals dưới sự định hướng không gian của polymer PVP, tạo thành cấu trúc xốp 3D.
  • Cấu trúc tinh thể Spinel nghịch đảo của $\text{Fe}_3\text{O}_4$: Thuộc nhóm đối xứng không gian $Fd\bar{3}m$, mạng lập phương tâm mặt (FCC) với các ion $\text{Fe}^{3+}$ phân bố ở vị trí bát diện và tứ diện, ion $\text{Fe}^{2+}$ nằm tại vị trí bát diện, tạo nên tính chất siêu thuận từ khi kích thước hạt ở thang nano.
  • Cơ chế phản ứng Fenton xúc tác dị thể: Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tham gia chu trình oxy hóa khử với $\text{H}_2\text{O}_2$ sinh ra các gốc tự do hydroxyl ($\cdot\text{OH}$) có thế oxy hóa cực mạnh: $$\text{Fe}^{2+} + \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}^{3+} + \cdot\text{OH} + \text{OH}^-$$ $$\text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{HO}_2\cdot + \text{H}^+$$ Gốc $\cdot\text{OH}$ tấn công và phân cắt mạch liên hợp của phẩm màu RB222 thành các hợp chất hữu cơ đơn giản và khoáng hóa.
  • Mô hình động học hấp phụ: Mô hình động học giả bậc 1 (Lagergren) và mô hình động học giả bậc 2 (Ho & McKay) được sử dụng để đánh giá cơ chế hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tổng hợp:
    • Tổng hợp GO từ than chì bằng phương pháp Hummers cải tiến (sử dụng hệ $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{NaNO}_2$, $\text{KMnO}_4$, $\text{H}_2\text{O}_2$).
    • Khử xanh GO tạo graphene hydrogel (GH) bằng dịch chiết dứa trong bể điều nhiệt ethylene glycol ở 90°C trong 4 giờ, sau đó cấp đông và sấy thăng hoa tạo GA.
    • Tổng hợp hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và tích hợp tạo composite $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$.
  • Phương pháp phân tích thành phần dịch chiết quả dứa:
    • Định lượng vitamin C bằng phương pháp chuẩn độ ngược iodate-iodide với chỉ thị hồ tinh bột và dung dịch chuẩn $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$ 0.05 M.
    • Định lượng tổng polyphenol bằng phương pháp trắc quang Folin-Ciocalteu, đo độ hấp thụ quang tại bước sóng $\lambda = 650\text{ nm}$ bằng máy UV-Vis, tính toán kết quả theo đương lượng acid gallic (GAE).
  • Các phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái học hiện đại:
    • XRD (Nhiễu xạ tia X): Xác định cấu trúc pha tinh thể của GO, GA và $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
    • FTIR (Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier): Xác định các nhóm chức đặc trưng trước và sau quá trình khử.
    • XPS (Quang phổ quang điện tử tia X): Phân tích trạng thái liên kết hóa học của nguyên tố C và O.
    • Raman: Đánh giá tỷ số cường độ $I_D/I_G$, mức độ sai hỏng mạng lưới và tái tạo vùng lai hóa $\text{sp}^2$.
    • SEM & TEM: Khảo sát cấu trúc hình thái học bề mặt, mạng xốp 3D và sự phân bố hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
    • BET: Xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố đường kính lỗ xốp.
    • VSM (Từ kế mẫu rung): Đo độ từ hóa bão hòa ($M_s$) và xác nhận tính siêu thuận từ của composite.
    • UV-Vis: Đo độ hấp thụ quang của phẩm màu RB222 tại bước sóng cực đại $\lambda = 612\text{ nm}$ để xác định nồng độ chất màu theo thời gian.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa toàn diện các cơ sở lý thuyết liên quan đến vật liệu graphene, graphene oxide, graphene aerogel, hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và dịch chiết tự nhiên:

  • Graphene và dẫn xuất GO: Giới thiệu cấu trúc mạng lục giác 2D, sự hình thành liên kết $\sigma$ trong mặt phẳng và liên kết $\pi$ ngoài mặt phẳng. So sánh 3 phương pháp tổng hợp GO kinh điển: phương pháp Brodie (1859, dùng $\text{KClO}_3, \text{HNO}_3$), Staudenmaier (1898, dùng $\text{KClO}_3, \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4$) và Hummers-Offeman (1958, dùng $\text{KMnO}_4, \text{NaNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4$).
  • Vật liệu Graphene Aerogel (GA): Phân tích hình thái aerogel dạng cấu trúc xốp và cấu trúc lõi - vỏ trung tính; các tính chất cơ học, nhiệt, điện và hấp phụ. Khái quát các phương pháp chế tạo GA: khử thủy nhiệt, khử hóa học, phương pháp liên kết chéo (sol-gel, liên kết hydro), phương pháp theo khuôn mẫu và phương pháp khử bằng dịch chiết sinh học.
  • Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và dịch chiết dứa: Phân tích cấu trúc tinh thể spinel nghịch đảo, cơ chế xúc tác Fenton tạo gốc tự do $\cdot\text{OH}$ phân hủy chất màu; thành phần hóa học của dịch chiết quả dứa (chứa acid ascorbic, polyphenol, acid hữu cơ) đóng vai trò chất khử và chất ổn định sinh học.
  • Tổng quan nghiên cứu: Điểm cứu các công trình nghiên cứu về GA và vật liệu nano từ tính trong nước (Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên) và quốc tế trong ứng dụng xử lý thuốc nhuộm hữu cơ.
Phương pháp Nguồn carbon Chất oxy hóa Thời gian phản ứng Nhiệt độ (°C) Đặc điểm
Brodie (1859) Than chì $\text{KClO}_3$, $\text{HNO}_3$ 3 - 4 ngày 60 Phương pháp đầu tiên
Staudenmaier (1898) Than chì $\text{KClO}_3$, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ 96 giờ Nhiệt độ phòng Cải thiện hiệu quả oxy hóa
Hummers (1958) Than chì (~44 $\mu\text{m}$) $\text{KMnO}_4$, $\text{NaNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ < 2 giờ < 20 - 35 - 98 Không dùng $\text{KClO}_3$, thời gian ngắn

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết hóa chất, thiết bị và các quy trình công nghệ chế tạo:

  • Quy trình tổng hợp GO: Sử dụng 0.5 g than chì và 0.5 g muối diêm trong 25 mL $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc ở nhiệt độ dưới 10°C; bổ sung chậm 3 g $\text{KMnO}_4$ (khuấy 1 giờ); nâng nhiệt độ lên 35°C (1 giờ); thêm 40 mL $\text{H}_2\text{O}$ và gia nhiệt 90°C (1 giờ); pha loãng bằng 100 mL $\text{H}_2\text{O}$; kết thúc oxy hóa bằng 5 mL $\text{H}_2\text{O}_2$ 30% (dung dịch chuyển sang màu vàng nâu). Lọc, rửa acetone đến $\text{pH} \approx 7$, sấy ở 50-60°C rồi siêu âm công suất 700W trong 12 giờ để phân tán thành huyền phù GO.
  • Phân tích dịch chiết dứa: Dịch ép quả dứa tươi được ly tâm 5000 vòng/phút trong 20 phút. Xác định hàm lượng vitamin C qua 3 lần chuẩn độ ngược (tiêu hao trung bình dung dịch $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$ 0.05 M) cho hàm lượng trung bình đạt 44.xx mg/100 mL dịch chiết. Hàm lượng tổng polyphenol xác định theo Folin-Ciocalteu đạt 580.xx $\mu\text{g GAE/mL}$.
  • Quy trình chế tạo GA và $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$: Phối trộn huyền phù GO (16 mg/mL), bổ sung PVP 1 mg/mL gia nhiệt 90°C đến tan hoàn toàn; phối trộn 5 mL GO, 1 mL hệ dung môi $\text{H}_2\text{O}$:ethanol, 3 mL dịch chiết dứa; ủ nhiệt 90°C trong bể ethylene glycol suốt 4 giờ để tạo hydrogel GH. Cấp đông và sấy thăng hoa tạo khối xốp GA. Tích hợp hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ trong quá trình tạo composite để thu được $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$.
  • Thử nghiệm hấp phụ và phân hủy phẩm màu: Tiến hành khảo sát trên dung dịch phẩm màu Reactive Blue 222 (RB222) theo thời gian; nồng độ chất màu được xác định dựa trên đường chuẩn quang phổ UV-Vis tại bước sóng $\lambda = 612\text{ nm}$.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương này trình bày các kết quả thực nghiệm và phân tích chuyên sâu về cấu trúc, hình thái và tính năng xử lý môi trường:

  • Đặc trưng cấu trúc và hình thái:
    • Phổ XRD: Vật liệu GO xuất hiện đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng tại $2\theta \approx 10.94^\circ$, tương ứng với khoảng cách giữa các lớp tăng lên do gắn các nhóm chức oxy. Sau khi khử và tích hợp, phổ của $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của pha tinh thể $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
    • Phổ FTIR và XPS: Ghi nhận sự suy giảm mạnh cường độ của các đỉnh liên kết chứa oxy (C-O, C=O, O-H) ở mẫu GA so với GO, chứng minh hiệu quả khử của dịch chiết dứa. Phổ XPS của GA xác nhận sự gia tăng tỷ lệ C/O và sự phục hồi liên kết $\text{sp}^2$.
    • SEM và TEM: Ảnh SEM thể hiện GA có cấu trúc mạng không gian 3D xốp liên thông với các vách ngăn mỏng. Ảnh TEM cho thấy các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ dạng cầu phân bố đều đặn trên các tấm graphene, hạn chế hiện tượng kết tụ hạt.
    • Phổ Raman: Sự thay đổi tỷ số cường độ $I_D/I_G$ giữa GO và composite phản ánh sự tái sắp xếp cấu trúc mạng carbon.
    • Đẳng nhiệt BET: Đường kính lỗ rỗng trung bình của vật liệu GA đạt 5.526 nm; cấu trúc xốp trung bình (mesoporous) tạo thuận lợi cho sự khuếch tán phân tử chất màu vào tâm hoạt tính.
    • Từ tính VSM: Đường trễ từ cho thấy độ từ hóa bão hòa ($M_s$) của hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tinh khiết đạt $58.59\text{ emu/g}$, trong khi composite $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ đạt $18.02\text{ emu/g}$. Vật liệu không có lực kháng từ dư, thể hiện rõ tính chất siêu thuận từ, cho phép tách nhanh khỏi dung dịch bằng nam châm vĩnh cửu.
  • Khảo sát điều kiện chế tạo: Tối ưu hóa thành công tỷ lệ dung môi $\text{H}_2\text{O}$:ethanol và nồng độ polymer PVP nhằm tạo khối hydrogel có độ liên kết vững chắc, không bị vỡ vụn trong quá trình sấy thăng hoa.
  • Khả năng hấp phụ và phân hủy xúc tác RB222:
    • Khảo sát dung lượng hấp phụ theo thời gian cho thấy lượng màu RB222 bị hấp phụ phân hủy gia tăng liên tục sau 5 giờ phản ứng.
    • Xử lý dữ liệu động học hấp phụ: Hệ số tương quan $R^2$ của mô hình động học giả bậc 2 đạt 0.96, cao hơn nhiều so với mô hình động học giả bậc 1 ($R^2 = 0.79$). Kết quả này chứng minh quá trình tương tác giữa chất màu và vật liệu tuân theo cơ chế hấp phụ hóa học là chủ đạo, kết hợp sự phân hủy oxy hóa bởi các gốc tự do sinh ra từ phản ứng Fenton trên bề mặt $\text{Fe}_3\text{O}_4$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính của công trình

Thông số / Đại lượng Giá trị thực nghiệm Phương pháp phân tích
Góc nhiễu xạ đặc trưng GO $2\theta \approx 10.94^\circ$ XRD
Hàm lượng Vitamin C trong dứa $44.\text{xx mg} / 100\text{ mL}$ Chuẩn độ ngược Iodate - Iodide
Hàm lượng Polyphenol trong dứa $580.\text{xx }\mu\text{g GAE/mL}$ Folin-Ciocalteu ($\lambda = 650\text{ nm}$)
Đường kính lỗ rỗng trung bình (GA) $5.526\text{ nm}$ BET
Độ từ hóa bão hòa $\text{Fe}_3\text{O}_4$ $58.59\text{ emu/g}$ Từ kế mẫu rung (VSM)
Độ từ hóa bão hòa $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ $18.02\text{ emu/g}$ Từ kế mẫu rung (VSM)
Bước sóng hấp thụ cực đại RB222 $612\text{ nm}$ UV-Vis
Hệ số tương quan $R^2$ giả bậc 1 $0.79$ Mô hình động học Lagergren
Hệ số tương quan $R^2$ giả bậc 2 $0.96$ Mô hình động học Ho & McKay

Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Thiết lập thành công quy trình tổng hợp xanh chế tạo vật liệu 3D graphene aerogel sử dụng nguồn dịch chiết tự nhiên từ quả dứa giàu vitamin C và polyphenol, giảm thiểu việc phát thải hóa chất độc hại ra môi trường.
  • Giải quyết được bài toán tự kết tụ của các hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ bằng cách phân tán và cố định chúng lên khung mạng không gian 3D của graphene aerogel, giúp tăng cường hiệu quả tiếp xúc xúc tác.
  • Chế tạo thành công vật liệu đa chức năng $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ tích hợp đồng thời cơ chế hấp phụ diện tích bề mặt cao và xúc tác phân hủy Fenton oxy hóa triệt để chất màu hữu cơ RB222.
  • Vật liệu sở hữu tính siêu thuận từ ($M_s = 18.02\text{ emu/g}$), cho phép tách và thu hồi hoàn toàn khỏi môi trường nước sau xử lý bằng từ trường ngoài mà không cần qua các bước lọc ly tâm phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các khảo sát thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trên hệ dung dịch phẩm màu đơn thành phần nhân tạo Reactive Blue 222 (RB222) với các điều kiện môi trường chuẩn; chưa khảo sát trên các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế vốn có thành phần phức tạp (nhiều loại phẩm màu, độ mặn cao, chất hoạt động bề mặt và sự biến thiên pH rộng). Khóa luận chưa thực hiện đánh giá độ bền cơ lý và hoạt tính xúc tác qua nhiều chu kỳ tái sử dụng liên tiếp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng khảo sát hiệu quả xử lý của vật liệu trên các nguồn nước thải công nghiệp thực tế và các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy khác (kháng sinh, thuốc bảo vệ thực vật).
    • Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình chế tạo ở quy mô lớn hơn (pilot) và khảo sát độ bền tái sinh của vật liệu qua nhiều chu kỳ hấp phụ - Fenton liên tục.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu, Hóa vô cơ và Kỹ thuật Môi trường.
    • Các nhóm nghiên cứu định hướng tổng hợp xanh vật liệu nano carbon và ứng dụng xúc tác xử lý nước thải.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Quy trình chi tiết điều chế graphene oxide (GO) theo phương pháp Hummers cải tiến và quy trình khử bằng dịch chiết quả dứa kết hợp PVP.
    • Phương pháp chuẩn độ ngược định lượng vitamin C và kỹ thuật đo quang Folin-Ciocalteu xác định polyphenol trong dịch thực vật.
    • Bộ số liệu thực nghiệm và phương pháp luận phân tích cấu trúc vật liệu nano đa thành phần (XRD, FTIR, XPS, Raman, SEM, TEM, BET, VSM).
    • Phương pháp thiết lập đường chuẩn quang phổ UV-Vis và xử lý số liệu động học hấp phụ giả bậc 1, giả bậc 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác nhân nào trong dịch chiết dứa đóng vai trò khử Graphene Oxide (GO) thành Graphene Hydrogel (GH)?
Thành phần chính tham gia phản ứng khử trong dịch chiết quả dứa là vitamin C (hàm lượng xác định $44.\text{xx mg}/100\text{ mL}$) và các hợp chất polyphenol (hàm lượng $580.\text{xx }\mu\text{g GAE/mL}$). Các chất này có tính khử mạnh, giúp khử các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO và hỗ trợ quá trình tự lắp ráp tạo khung hydrogel.

2. Vai trò của PVP (Polyvinylpyrrolidone) trong quy trình chế tạo Graphene Aerogel là gì?
PVP được sử dụng với nồng độ 1 mg/mL làm chất trợ tạo gel và chất phân tán, giúp tăng độ bền cơ học cho khối hydrogel trong môi trường khử bằng dịch chiết tự nhiên, ngăn ngừa sự đứt gãy cấu trúc khung xốp trong quá trình sấy thăng hoa.

3. Vì sao việc kết hợp hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ vào mạng GA lại nâng cao hiệu quả xử lý chất màu?
Sự kết hợp này giải quyết khuyết điểm dễ kết tụ của các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, giúp hạt phân tán đều trên mạng 3D của GA. GA đóng vai trò chất hấp phụ lưu giữ phân tử chất màu, trong khi $\text{Fe}_3\text{O}_4$ đóng vai trò xúc tác phản ứng Fenton tạo gốc $\cdot\text{OH}$ để phân hủy triệt để chất màu RB222.

4. Độ từ tính của composite $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ đạt giá trị bao nhiêu và có ý nghĩa gì?
Độ từ hóa bão hòa ($M_s$) của $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ đạt $18.02\text{ emu/g}$ (trong khi hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ đơn lẻ là $58.59\text{ emu/g}$). Giá trị này cùng đặc tính siêu thuận từ cho phép người vận hành dễ dàng thu hồi vật liệu ra khỏi nước thải bằng nam châm mà không cần qua quá trình lọc hay ly tâm tốn năng lượng.

5. Động học quá trình hấp phụ phẩm màu RB222 của vật liệu tuân theo mô hình nào?
Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học giả bậc 2 với hệ số tin cậy $R^2 = 0.96$ (vượt trội so với giả bậc 1 có $R^2 = 0.79$), chứng minh quá trình tương tác giữa vật liệu và phẩm màu RB222 bị chi phối chủ yếu bởi cơ chế hấp phụ hóa học.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Lê Hoài Thanh đã tổng hợp thành công vật liệu composite siêu nhẹ, có từ tính $\text{GA@Fe}_3\text{O}_4$ thông qua quy trình hóa học xanh sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử. Các phân tích cấu trúc hiện đại xác nhận vật liệu có mạng xốp 3D liên thông, đường kính mao quản trung bình 5.526 nm, hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ phân tán đồng đều và sở hữu độ từ hóa bão hòa đạt $18.02\text{ emu/g}$. Quá trình xử lý phẩm màu Reactive Blue 222 (RB222) diễn ra theo cơ chế hấp phụ hóa học kết hợp phân hủy xúc tác Fenton hiệu quả, phù hợp với mô hình động học giả bậc 2 ($R^2 = 0.96$). Công trình cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt phương pháp luận và dữ liệu thực nghiệm trong lĩnh vực vật liệu nano carbon định hướng xử lý môi trường.