Đồ án tốt nghiệp: Chế tạo graphene aerogel từ dịch chiết quả dứa và ứng dụng trong hấp phụ phân hủy chất màu hữu cơ

• Tác giả: Nguyễn Lê Hoài Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Lý Tấn Nhiệm
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Chế tạo graphene aerogel sử dụng tác nhân khử là dịch chiết quả dứa và ứng dụng trong hấp phụ phân hủy chất màu hữu cơ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU GRAPHENE (GE) - GRAPHENE OXIDE (GO)
• 1.1. Vật liệu graphene (GE)
• 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu graphene (GE)
• 1.1.2. Phương pháp chế tạo vật liệu graphene
• 1.2. Vật liệu graphene oxide (GO)
• 1.2.1. Giới thiệu vật liệu GO
• 1.2.2. Tính chất của Graphene Oxide
• 1.2.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu GO
• 1.2.4. Các ứng dụng của vật liệu GO
• 1.3. Vật liệu graphene aerogel (GA)
• 1.3.1. Cấu trúc của vật liệu GA
• 1.3.1.1. Cấu trúc xốp của GA
• 1.3.1.2. Cấu trúc lõi-vỏ trung tính của GA
• 1.3.2. Tính chất của vật liệu GA
• 1.3.2.1. Tính chất hấp phụ
• 1.3.2.2. Tính chất cơ học
• 1.3.2.3. Tính chất nhiệt
• 1.3.2.4. Tính chất điện
• 1.3.3. Ứng dụng của vật liệu GA
• 1.3.4. Các phương pháp tổng hợp vật liệu GA
• 1.3.4.1. Phương pháp khử thủy nhiệt
• 1.3.4.2. Phương pháp khử hóa học
• 1.3.4.3. Phương pháp liên kết chéo
• 1.3.4.4. Phương pháp khử theo hướng khuôn mẫu
• 1.3.4.5. Phương pháp khử bằng dịch chiết tự nhiên
• 1.4. Vật liệu nano Fe3O4
• 1.4.2. Tính xúc tác phân hủy chất màu hữu cơ của vật liệu nano Fe3O4
• 1.5. Dịch chiết quả dứa
• 1.6. Nghiên cứu trong và ngoài nước của vật liệu GA
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Quy trình nghiên cứu
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp graphene oxide (GO)
• 2.2.3. Quy trình tổng hợp dịch chiết dứa. Xác định hàm lượng vitamin C có trong dịch chiết quả dứa. Xác định hàm lượng tổng polyphenol có trong dịch chiết quả dứa
• 2.2.4. Quy trình chế tạo vật liệu GA
• 2.2.5. Quy trình chế tạo vật liệu GA@Fe3O4
• 2.2.6. Quy trình hấp phụ phân hủy chất màu hữu cơ
• 2.3. Các phương pháp phân tích hiện đại được sử dụng
• 2.3.1. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR)
• 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.3. Phương pháp quang điện tử tia X (XPS)
• 2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.3.5. Phương pháp quang phổ Raman
• 2.3.6. Phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET)
• 2.3.7. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.3.8. Phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis)
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Hình thái và cấu trúc
• 3.1.1. Kết quả FTIR
• 3.1.2. Kết quả XRD
• 3.1.3. Kết quả XPS
• 3.1.4. Kết quả TEM
• 3.1.5. Kết quả Raman
• 3.1.6. Kết quả SEM
• 3.1.7. Kết quả BET
• 3.1.8. Kết quả VSM
• 3.2. Kết quả khảo sát tỉ lệ nước: ethanol và nồng độ PVP trong quá trình chế tạo GA và GA@Fe3O4
• 3.2.1. Kết quả khảo sát tỉ lệ nước: ethanol
• 3.2.2. Kết quả khảo sát nồng độ PVP
• 3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ phân hủy chất màu hữu cơ của GA và GA@Fe3O4
• 3.2.3.1. Xây dựng đường chuẩn của chất màu hữu cơ Reactive Blue 222
• 3.2.3.2. Nguyên lí chế tạo GA@Fe3O4 và cơ chế hấp phụ phân hủy chất màu hữu cơ
• 3.2.3.3. Khảo sát quá trình hấp phụ chất màu hữu cơ RB222 của vật liệu GA
• 3.2.3.4. Khảo sát quá trình hấp phụ phân hủy chất màu hữu cơ RB222 của vật liệu GA@Fe3O4
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu graphene và graphene oxide

Graphene là vật liệu cấu trúc cơ bản của các dạng thù hình carbon như than chì, fullerene. Nó có cấu trúc 2D với các nguyên tử carbon liên kết theo mạng lục giác. Graphene oxide (GO) là dẫn xuất của graphene, chứa các nhóm chức oxy hóa, làm thay đổi tính chất từ kỵ nước sang ưu nước. GO được tổng hợp chủ yếu bằng phương pháp Hummers, sử dụng KMnO4 và H2SO4 đậm đặc. Cả hai vật liệu này đều có tiềm năng lớn trong các ứng dụng công nghệ và môi trường.

1.1. Cấu trúc và tính chất của graphene

Graphene có cấu trúc mạng lục giác 2D, với các nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị sp2. Độ dài liên kết C-C là 0.142 nm, tạo nên tính chất cơ học và điện tử đặc biệt. Graphene có độ dẫn điện cao, độ bền cơ học vượt trội và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong vật liệu nano và điện tử.

1.2. Phương pháp tổng hợp graphene

Có hai phương pháp chính để tổng hợp graphene: từ trên xuống (bóc tách cơ học, hóa học) và từ dưới lên (CVD, nhiệt phân). Phương pháp CVD cho phép tạo ra graphene chất lượng cao với diện tích lớn, trong khi bóc tách cơ học phù hợp cho sản xuất quy mô nhỏ.

II. Chế tạo graphene aerogel từ dịch chiết quả dứa

Graphene aerogel (GA) được chế tạo từ graphene oxide (GO) bằng cách sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử. Quá trình bao gồm tổng hợp GO theo phương pháp Hummers, sau đó khử GO thành graphene hydrogel (GH) và sấy thăng hoa để thu được GA. GA có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ và xúc tác.

2.1. Quy trình tổng hợp graphene aerogel

Quy trình bắt đầu với việc tổng hợp GO từ graphite bằng phương pháp Hummers. Sau đó, dịch chiết quả dứa được sử dụng để khử GO thành graphene hydrogel (GH). GH được cấp đông và sấy thăng hoa để tạo ra graphene aerogel (GA). GA có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ.

2.2. Tính chất của graphene aerogel

Graphene aerogel (GA) có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn (được xác định bằng phương pháp BET), và tính chất cơ học tốt. GA cũng có khả năng hấp phụ cao nhờ cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong xử lý môi trường.

III. Ứng dụng hấp phụ và phân hủy chất màu hữu cơ

Graphene aerogel (GA) được kết hợp với hạt nano Fe3O4 để tạo ra vật liệu tổng hợp GA@Fe3O4, có khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu hữu cơ. Vật liệu này thể hiện hiệu quả cao trong việc loại bỏ chất màu RB222 khỏi nước thải, nhờ vào tính chất siêu thuận từ của Fe3O4 và khả năng hấp phụ của GA.

3.1. Cơ chế hấp phụ và phân hủy chất màu

GA@Fe3O4 kết hợp khả năng hấp phụ của GA và tính chất xúc tác phân hủy của Fe3O4. Quá trình hấp phụ chất màu RB222 được thực hiện thông qua tương tác hóa học và vật lý, trong khi Fe3O4 xúc tác phân hủy chất màu thành các sản phẩm không độc hại.

3.2. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy GA@Fe3O4 có hiệu suất hấp phụ và phân hủy chất màu RB222 cao. Phương pháp UV-Vis được sử dụng để đo lượng chất màu bị hấp phụ, và kết quả cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học giả bậc 2, chứng tỏ tương tác hóa học là chủ yếu.

IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của graphene aerogel (GA) và GA@Fe3O4 trong việc hấp phụ và phân hủy chất màu hữu cơ. Vật liệu này không chỉ có hiệu suất cao mà còn thân thiện với môi trường, nhờ sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử. Đây là giải pháp tiềm năng cho xử lý nước thải công nghiệp.

4.1. Tính bền vững và thân thiện môi trường

Việc sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử giúp quá trình tổng hợp GA trở nên thân thiện với môi trường. Đồng thời, GA@Fe3O4 có khả năng tái sử dụng, giảm thiểu chất thải và chi phí xử lý.

4.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

GA@Fe3O4 có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là loại bỏ chất màu hữu cơ. Vật liệu này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy dệt nhuộm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.