Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển kinh tế, đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng đã làm gia tăng tình trạng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước mặt và nước ngầm do tiếp nhận một lượng lớn nước thải công nghiệp chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt chuẩn. Trong các nguồn thải từ các cơ sở sản xuất và khu công nghiệp, sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ và ion kim loại nặng như $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Co}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$ gây suy giảm nghiêm trọng các đặc tính hóa lý của nước và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người.

Trong nhóm các kim loại nặng, ion Cobalt(II) ($\text{Co}^{2+}$) là chất có độc tính cao khi tích tụ ở nồng độ vượt ngưỡng cho phép trong cơ thể sinh vật. Mặc dù cobalt là thành phần trung tâm của vitamin $\text{B}_{12}$ (cobalamin), việc phơi nhiễm liều lượng lớn dẫn đến các triệu chứng đau ngực, khó thở, mệt mỏi, suy giảm chức năng gan, thận, rối loạn hệ tuần hoàn, tổn thương tuyến giáp, suy nhược thần kinh trung ương, suy giảm thính giác, thị giác và làm tăng nguy cơ nhồi máu cơ tim cũng như thúc đẩy căn bệnh máu đặc.

Để loại bỏ cobalt khỏi môi trường nước, nhiều phương pháp đã được áp dụng như kết tủa hóa học, trao đổi ion, lọc màng và hấp phụ. Trong đó, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao nhờ quy trình vận hành đơn giản, chi phí hợp lý, độ chọn lọc tốt và khả năng tái sinh vật liệu. Những năm gần đây, vật liệu khung hữu cơ - kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs), đặc biệt là các cấu trúc MOFs mang tâm kim loại sắt (Fe-MOFs), nổi lên như một hướng nghiên cứu tiềm năng nhờ diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao, cấu trúc hình thái rõ ràng và độ bền nhiệt tốt. Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng Fe-MOFs biến tính để xử lý ion $\text{Co}^{2+}$ tại Việt Nam còn tương đối hạn chế.

Từ thực tiễn đó, đề tài "Tổng hợp vật liệu MOFs mang tâm kim loại Fe và ứng dụng chúng trong hấp phụ ion $\text{Co}^{2+}$ trong nước" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng hợp chất kết nối hữu cơ (linker) 6-sulfonaphthalene-1,4-dicarboxylic acid ($\text{H}_3\text{SNAA}$) từ tiền chất 1,4-naphthalenedicarboxylic acid.
  2. Tổng hợp vật liệu khung hữu cơ - kim loại sắt gắn nhóm chức sulfonic ($\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$) bằng phương pháp nhiệt dung môi.
  3. Đặc trưng cấu trúc, hình thái và tính chất hóa lý của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại: PXRD, FT-IR, TGA-DSC, SEM, TEM, EDX mapping và BET.
  4. Đánh giá thực nghiệm khả năng hấp phụ ion $\text{Co}^{2+}$ trong môi trường nước thông qua khảo sát ảnh hưởng của pH, lượng chất hấp phụ, động học hấp phụ, các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ và khả năng thu hồi, tái sử dụng vật liệu.
  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ và quá trình hấp phụ ion $\text{Co}^{2+}$ trong dung dịch nước.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thực hành Hóa Lý, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOFs) là nhóm vật liệu tinh thể xốp ba chiều được cấu thành từ các ion/cụm kim loại (metal clusters/Secondary Building Units - SBUs) liên kết phối trí với các cầu nối hữu cơ đa càng (organic linkers). Cấu trúc của $\text{MIL-101(Fe)}$ mang tâm sắt $\text{Fe}^{3+}$ phối trí với các gốc carboxylate tạo ra mạng lưới rỗng có diện tích bề mặt riêng lớn. Bằng chiến lược biến tính đưa nhóm chức mang điện tích âm sulfonic ($-\text{SO}_3\text{H}$) vào phối tử hữu cơ, cấu trúc vật liệu được gia tăng mật độ tâm tích điện âm sau khi phân ly ($-\text{SO}_3^-$), từ đó thúc đẩy lực hút tĩnh điện mạnh mẽ với các cation kim loại $\text{Co}^{2+}$ trong dung dịch.

Quá trình hấp phụ pha lỏng được đánh giá thông qua các phương trình lý thuyết:

  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ:
    • Mô hình Langmuir (giả thiết hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất): $q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e}$
    • Mô hình Freundlich (giả thiết hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất): $q_e = K_F C_e^{1/n}$
    • Mô hình Temkin (xem xét ảnh hưởng của tương tác hấp phụ làm giảm tuyến tính nhiệt hấp phụ theo độ bao phủ).
  • Mô hình động học hấp phụ:
    • Mô hình động học biểu kiến bậc 1 (Pseudo-first-order): $\ln(q_e - q_t) = \ln q_e - k_1 t$
    • Mô hình động học biểu kiến bậc 2 (Pseudo-second-order): $\frac{t}{q_t} = \frac{1}{k_2 q_e^2} + \frac{t}{q_e}$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết bị phân tích

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp tổng hợp hóa học và các kỹ thuật đo đạc hóa lý hiện đại:

  • Phương pháp tổng hợp: Kỹ thuật nhiệt dung môi (solvothermal) sử dụng bình phản ứng teflon đặt trong autoclave thép không gỉ.
  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Đo trên thiết bị Bruker D8 Advance, nguồn bức xạ $\text{Cu } K\alpha$ ($\lambda = 1{,}5418\text{ \AA}$), góc quét $2\theta = 5^\circ - 50^\circ$.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Đo trên máy Jasco FT/IR-6600 để xác định các nhóm chức dao động đặc trưng.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng và quét vi sai (TGA-DSC): Thực hiện trên thiết bị Labsys Evo 1600 TGA-SETARAM trong môi trường không khí (80% $\text{N}_2$, 20% $\text{O}_2$) từ nhiệt độ phòng đến 800°C.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Thực hiện trên hệ thiết bị Hitachi S-4800 kết nối đầu dò Horiba H-7593.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái học hạt ở các độ phóng đại khác nhau.
  • Phương pháp hấp phụ/giải hấp $\text{N}_2$ (BET): Xác định diện tích bề mặt riêng và độ xốp của mẫu.
  • Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Định lượng nồng độ $\text{Co}^{2+}$ trước và sau hấp phụ trên máy Thermo Scientific iCE 300 Series ở bước sóng $240{,}7\text{ nm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vật liệu khung hữu cơ - kim loại, lược sử phát triển từ các công bố ban đầu năm 1960 của Tomic đến cột mốc tổng hợp $\text{MOF-5}$ của nhóm Yaghi năm 1999 (diện tích bề mặt đạt $6500\text{ m}^2/\text{g}$). Tác giả phân loại và đánh giá ưu, nhược điểm của 6 phương pháp tổng hợp MOFs chính gồm: nhiệt dung môi, vi sóng, siêu âm, điện hóa, cơ học và bay hơi chậm.

Bên cạnh đó, chương tổng quan trình bày các lĩnh vực ứng dụng của MOFs (lưu trữ khí $\text{H}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$ với các vật liệu tiêu biểu như $\text{MOF-177}$, $\text{UMCM-2}$; phân phối dược chất $\text{Ibuprofen}$, $\text{Voriconazole}$, $\text{Fluorouracil}$; cảm biến sinh học). Về nhóm vật liệu Fe-MOFs, tác giả tập trung phân tích các hệ vật liệu như $\text{MIL-53(Fe)}$, $\text{MIL-88B}$, $\text{MIL-101(Fe)}$ và các định hướng biến tính (tạo khung lưỡng kim $\text{Fe-Mg}$, $\text{Fe-Ni}$ hoặc ghép nhóm chức $-\text{COOH}$, $-\text{SO}_3\text{H}$, $-\text{NH}_2$). Phần cuối chương làm rõ cơ chế gây độc của cobalt đối với sức khỏe con người và tổng kết các phương pháp xử lý $\text{Co}^{2+}$ trong nước thải.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất, trang thiết bị và quy trình thực nghiệm gồm hai công đoạn tổng hợp chính và các bước khảo sát hấp phụ:

                                                [Khảo sát hấp phụ Co²⁺]
  1. Tổng hợp linker $\text{H}_3\text{SNAA}$: Phản ứng sulfon hóa $1{,}0\text{ g}$ 1,4-naphthalenedicarboxylic acid bằng $5\text{ mL}$ hỗn hợp $\text{H}_2\text{SO}_4\text{ 98}% : \text{oleum 25}%$ (tỷ lệ thể tích $3:1$), đun hồi lưu ở 130°C trong 24 giờ. Sản phẩm được hòa tan trong $50\text{ mL}$ nước cất, kết tủa bằng $100\text{ mL } \text{HCl 37}%$, lọc rửa và sấy khô thu được chất rắn màu trắng (độ tinh khiết được kiểm tra bằng phổ $^1\text{H-NMR}$).
  2. Tổng hợp $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$: Hòa tan $0{,}2703\text{ g } \text{FeCl}_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ và $0{,}3670\text{ g } \text{H}_3\text{SNAA}$ vào $20\text{ mL DMF}$, đánh siêu âm và chuyển vào bình teflon trong autoclave, gia nhiệt ở 110°C trong 20 giờ. Kết tủa được ly tâm, rửa trao đổi dung môi nhiều lần với DMF và methanol, sau đó hoạt hóa ở 80°C để thu vật liệu màu đỏ sẫm.
  3. Quy trình khảo sát hấp phụ:
    • Khảo sát pH: $10{,}0\text{ mg}$ vật liệu trong $100\text{ mL}$ dung dịch $\text{Co}^{2+}\text{ 250 mg/L}$, dải pH từ $1{,}0$ đến $6{,}5$ (điều chỉnh bằng $\text{NaOH 0,1 M}$), khuấy 24 giờ.
    • Khảo sát khối lượng chất hấp phụ: Thay đổi từ $5{,}0$ đến $30{,}0\text{ mg}$ vật liệu trong $100\text{ mL}$ dung dịch $\text{Co}^{2+}\text{ 50 mg/L}$ ở pH $6{,}5$.
    • Khảo sát đẳng nhiệt: $15{,}0\text{ mg}$ vật liệu trong $100\text{ mL}$ dung dịch $\text{Co}^{2+}$ với nồng độ biến thiên $100 - 1000\text{ mg/L}$ ở pH $6{,}5$.
    • Khảo sát động học: $5{,}0\text{ mg}$ vật liệu trong $50\text{ mL}$ dung dịch $\text{Co}^{2+}\text{ 40 mg/L}$ ở pH $6{,}5$, lấy mẫu tại các mốc thời gian $1, 3, 5, 7, 10, 15, 30\text{ phút}$.
    • Khảo sát tái sử dụng: Giải hấp bằng dung dịch $\text{HNO}_3\text{ 1}%$, rửa nước cất, tráng acetone và hoạt hóa làm khô trước khi thực hiện chu kỳ hấp phụ tiếp theo.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung phân tích kết quả đặc trưng vật liệu và các quy luật hấp phụ $\text{Co}^{2+}$:

Kỹ thuật phân tích Kết quả và phát hiện chính Ý nghĩa khoa học
PXRD Mẫu sau hoạt hóa bị mất trật tự cấu trúc do nhóm $-\text{SO}_3\text{H}$ linh động khi dung môi thoát ra; khi ngâm lại vào nước, giản đồ xuất hiện lại đầy đủ các đỉnh đặc trưng tương đồng mẫu mô phỏng $\text{MIL-101}$. Khẳng định vật liệu có tính bền và ổn định cấu trúc rất cao trong môi trường nước.
FT-IR Xuất hiện đỉnh $1180\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{SO}_3^-$); đỉnh liên kết $\text{C-O}$ chuyển dịch về $1416\text{ cm}^{-1}$ và $1602\text{ cm}^{-1}$ (so với $1422\text{ cm}^{-1}$ và $1678\text{ cm}^{-1}$ của linker $\text{H}_3\text{SNAA}$). Chứng minh nhóm sulfonic đã gắn vào khung và carboxylate đã phối trí với $\text{Fe}^{3+}$.
TGA-DSC Mất $9{,}324%$ khối lượng nước hấp phụ ở $<160^\circ\text{C}$ (peak thu nhiệt $89{,}5^\circ\text{C}$); cấu trúc bắt đầu phân hủy thành oxide kim loại từ $200 - 800^\circ\text{C}$ (2 peak tỏa nhiệt tại $277{,}9^\circ\text{C}$ và $459{,}3^\circ\text{C}$). Xác nhận độ bền nhiệt cấu trúc duy trì ổn định đến 200°C.
BET Diện tích bề mặt riêng đạt $24\text{ m}^2/\text{g}$. Diện tích bề mặt giảm so với $\text{MIL-101(Fe)}$ gốc do sự mất trật tự của nhóm $-\text{SO}_3\text{H}$ ở trạng thái khô.
EDX mapping Tồn tại đồng đều các nguyên tố $\text{Fe, C, O, S}$; hàm lượng $\text{Fe}$ đạt $23{,}27%$ (độ lệch chuẩn tương đối $\text{RSD} = 3{,}12$). Xác nhận tâm sắt phân tán đồng đều trong toàn bộ cấu trúc vật liệu.
SEM & TEM Hạt dạng hình cầu, kích thước trung bình $120 - 150\text{ nm}$, có hiện tượng kết tụ hạt. Cung cấp thông tin hình thái học bề mặt đồng nhất của vật liệu nano.

Về khảo sát hấp phụ ion $\text{Co}^{2+}$:

  • Ảnh hưởng của pH: Dung lượng hấp phụ tăng mạnh từ pH $1{,}0$ đến $6{,}5$. Ở $\text{pH } 1 - 3$, nhóm sulfonic bị proton hóa làm bề mặt mang điện tích dương gây đẩy ion $\text{Co}^{2+}$. Tại khoảng $\text{pH } 5{,}5 - 6{,}5$, nhóm $-\text{SO}_3\text{H}$ phân ly thành $-\text{SO}_3^-$ tạo lực hút tĩnh điện mạnh với $\text{Co}^{2+}$. Giá trị $\text{pH } 6{,}5$ được chọn là tối ưu (tránh $\text{pH} \ge 7$ do $\text{Co}^{2+}$ kết tủa thành $\text{Co(OH)}_2$).
  • Lượng chất hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ tăng từ $39%$ lên $81%$ khi tăng khối lượng từ $5{,}0\text{ mg}$ lên $30{,}0\text{ mg}$ trong $100\text{ mL}$ dung dịch $\text{Co}^{2+}\text{ 50 mg/L}$, và đạt trạng thái bão hòa ổn định ở $15{,}0\text{ mg}$.
  • Mô hình đẳng nhiệt: Dữ liệu thực nghiệm tương thích tốt nhất với mô hình Langmuir ($R^2 = 0{,}994$), cho thấy quá trình hấp phụ đơn lớp trên các tâm đồng nhất. Dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết $q_m = 1022{,}56\text{ mg/g}$, tương đồng chặt chẽ với kết quả thực nghiệm đạt $1009{,}2\text{ mg/g}$.
  • Động học hấp phụ: Quá trình tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai, đạt trạng thái cân bằng sau $30\text{ phút}$. Dung lượng hấp phụ cân bằng lý thuyết $q_{e} = 434{,}80\text{ mg/g}$ sát với thực nghiệm $q_{e,\text{exp}} = 404{,}28\text{ mg/g}$, khẳng định bản chất hấp phụ hóa học chi phối bởi tương tác cho - nhận điện tử giữa $-\text{SO}_3^-$ và $\text{Co}^{2+}$.
  • Khả năng tái sử dụng: Sau 3 chu kỳ giải hấp và hấp phụ lại, hiệu suất xử lý $\text{Co}^{2+}$ của $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ vẫn duy trì trên $82%$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

  • Tổng hợp thành công vật liệu $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ với kích thước hạt cầu $120 - 150\text{ nm}$, hàm lượng $\text{Fe}$ chiếm $23{,}27%$ và độ bền nhiệt cấu trúc đạt 200°C.
  • Xác lập điều kiện hấp phụ tối ưu: $\text{pH } 6{,}5$, liều lượng chất hấp phụ $15{,}0\text{ mg}/100\text{ mL}$, thời gian đạt cân bằng nhanh trong $30\text{ phút}$.
  • Dung lượng hấp phụ cực đại đạt $1009{,}2\text{ mg/g}$ (theo thực nghiệm) và $1022{,}56\text{ mg/g}$ (theo mô hình Langmuir với $R^2 = 0{,}994$).
  • Hiệu suất hấp phụ duy trì trên $82%$ sau 3 chu kỳ thu hồi và tái sinh bằng $\text{HNO}_3\text{ 1}%$.

So sánh dung lượng hấp phụ cực đại $\text{Co}^{2+}$ với các vật liệu khác

Số liệu trích xuất từ bảng so sánh trong khóa luận cho thấy hiệu quả vượt trội của $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$:

Vật liệu hấp phụ Dung lượng hấp phụ cực đại $q_m$ (mg/g) Nguồn tài liệu
Vỏ cây khuynh diệp (Bark of Eucalyptus) $55{,}55$ Essaadaoui et al., 2018 [38]
$\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ $1009{,}20$ Công trình này (2024)

Đóng góp khoa học và ứng dụng thực tiễn

  • Về mặt học thuật: Chứng minh tính khả thi của phương pháp gắn nhóm chức sulfonic trực tiếp thông qua phối tử hữu cơ $\text{H}_3\text{SNAA}$ để chế tạo Fe-MOFs biến tính; làm rõ cơ chế khôi phục trật tự tinh thể của $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ khi tái solvat hóa trong nước và cơ chế tương tác tĩnh điện/hóa học với cation $\text{Co}^{2+}$.
  • Về mặt thực tiễn: Cung cấp một loại vật liệu hấp phụ có dung lượng rất cao, tốc độ xử lý nhanh và khả năng tái sinh tốt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng độc hại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung khóa luận, các giới hạn hiện tại và định hướng mở rộng gồm:

  • Khóa luận mới khảo sát độ bền tái sử dụng dừng lại ở 3 chu kỳ; cần tiếp tục đánh giá chi tiết độ bền cấu trúc của vật liệu sau nhiều chu kỳ hấp phụ hơn.
  • Nghiên cứu mới tập trung trên hệ đơn cấu tử $\text{Co}^{2+}$ trong nước cất nhân tạo; cần mở rộng thử nghiệm trên các mẫu nước thải thực tế có sự cạnh tranh của nhiều ion kim loại nặng khác nhau ($\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$).
  • Đề xuất hướng biến tính thêm các nhóm chức mang điện tích âm khác trên khung Fe-MOFs để so sánh và tối ưu hóa hiệu quả bắt giữ ion kim loại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng và chuyên ngành sau:

  • Sinh viên, học viên ngành Hóa học, Hóa lý, Khoa học vật liệu: Tham khảo quy trình tổng hợp hữu cơ dẫn xuất naphthalene dicarboxylic acid ($\text{H}_3\text{SNAA}$) và quy trình nhiệt dung môi chế tạo vật liệu nano xốp MOFs.
  • Nhà nghiên cứu ngành Kỹ thuật môi trường và Hóa môi trường: Sử dụng bộ số liệu thực nghiệm, phương pháp giải hấp tái sinh bằng acid loãng, và quy trình phân tích động học/đẳng nhiệt để thiết kế hệ thống xử lý kim loại nặng.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất: Phần biện luận chi tiết về sự chuyển đổi giản đồ PXRD giữa trạng thái hoạt hóa khô và trạng thái ngâm nước, cùng phương pháp tính toán dung lượng hấp phụ theo các mô hình Langmuir, Freundlich, Temkin và động học bậc 2 biểu kiến.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mẫu $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ sau khi hoạt hóa khô bị suy giảm tín hiệu PXRD nhưng khi ngâm lại vào nước cấu trúc tinh thể lại xuất hiện rõ nét?
Trong quá trình hoạt hóa nhiệt ($80^\circ\text{C}$), sự bay hơi và giải phóng các phân tử dung môi khỏi khung rỗng làm cấu trúc vật liệu bị mất trật tự cục bộ do độ linh động cao của các nhóm chức sulfonic ($-\text{SO}_3\text{H}$). Khi ngâm trở lại vào nước, các phân tử nước đóng vai trò tái solvat hóa, định hình lại liên kết và khôi phục trật tự cấu trúc tinh thể ban đầu với độ bền cao.

2. Nhóm chức sulfonic ($-\text{SO}_3\text{H}$) đóng vai trò gì trong việc gia tăng dung lượng hấp phụ $\text{Co}^{2+}$?
Nhóm sulfonic phân bố dày đặc trong các lỗ xốp của vật liệu. Khi ở điều kiện pH thích hợp ($\text{pH } 5{,}5 - 6{,}5$), nhóm này phân ly proton để tạo thành các tâm mang điện tích âm ($-\text{SO}_3^-$), tạo ra lực hút tĩnh điện mạnh mẽ và tương tác phối trí cho - nhận điện tử với cation dương $\text{Co}^{2+}$, giúp dung lượng hấp phụ tăng vọt lên $1009{,}2\text{ mg/g}$.

3. Vì sao giá trị $\text{pH } 6{,}5$ được xác định là điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý $\text{Co}^{2+}$?
Ở dải $\text{pH } 1 - 3$, bề mặt vật liệu bị proton hóa làm giảm tâm hấp phụ âm và gây lực đẩy tĩnh điện với $\text{Co}^{2+}$. Khi pH tăng đến $6{,}5$, mức độ phân ly $-\text{SO}_3^-$ đạt tối đa giúp tăng dung lượng hấp phụ. Nếu $\text{pH} \ge 7$, ion $\text{Co}^{2+}$ sẽ phản ứng với ion $\text{OH}^-$ để tạo kết tủa hydroxide $\text{Co(OH)}_2$, làm sai lệch bản chất hấp phụ của vật liệu.

4. Quá trình hấp phụ $\text{Co}^{2+}$ trên vật liệu tuân theo mô hình động học và đẳng nhiệt nào?
Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0{,}994$, dung lượng cực đại lý thuyết $1022{,}56\text{ mg/g}$) thể hiện cơ chế hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất. Về mặt động học, quá trình tuân theo phương trình biểu kiến bậc 2 với thời gian đạt cân bằng là $30\text{ phút}$, khẳng định bản chất hấp phụ hóa học.

5. Vật liệu $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ được tái sinh bằng hóa chất nào và hiệu quả sau tái sử dụng ra sao?
Vật liệu được giải hấp bằng cách ngâm và trao đổi nhiều lần trong dung dịch $\text{HNO}_3\text{ 1}%$, sau đó rửa lại bằng nước cất và dung môi acetone trước khi sấy khô hoạt hóa. Sau 3 chu kỳ tái sinh liên tiếp, hiệu suất hấp phụ $\text{Co}^{2+}$ vẫn duy trì ở mức trên $82%$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Tuấn Kiệt đã tổng hợp thành công vật liệu khung hữu cơ - kim loại biến tính $\text{MIL-101(Fe)-SO}_3\text{H}$ bằng phương pháp nhiệt dung môi với độ bền nhiệt đạt 200°C và tính ổn định cao trong môi trường nước. Vật liệu thể hiện khả năng xử lý vượt trội đối với ion $\text{Co}^{2+}$ với dung lượng hấp phụ thực nghiệm đạt $1009{,}2\text{ mg/g}$ tại $\text{pH } 6{,}5$, đạt cân bằng nhanh sau $30\text{ phút}$ theo mô hình động học bậc hai và đẳng nhiệt Langmuir. Nghiên cứu cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc ứng dụng Fe-MOFs chức hóa trong lĩnh vực xử lý nước nhiễm kim loại nặng.