Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo graphene oxide và ứng dụng trong thấm lọc dầu

• Tác giả: Nguyễn Thu Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Hà Xuân Vinh
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Graphene Oxide Và Ứng Dụng Trong Thấm Lọc Dầu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu vật liệu Graphene
• 1.2. Tính chất vật liệu Graphene
• 1.3. Ứng dụng của Graphene hiện nay
• 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Cách tiếp cận
• 2.3. Các phép đo phân tích vật liệu
• 2.4. Chuẩn bị hóa chất
• 2.5. Xây dựng quy trình
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo GO
• 3.2. Các kết quả phân tích cấu trúc vật liệu
• 3.2.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.2. Kết quả phân tích ảnh kính hiển vi quét (SEM)
• 3.2.3. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)
• 3.2.4. Kết quả đo phân tích kích thước hạt
• 3.3. Kết quả nghiên cứu ứng dụng thấm lọc dầu trên GO
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu vật liệu Graphene

Graphene là một vật liệu carbon hai chiều, được phát hiện vào năm 2004 bởi Andre Geim và Konstantin Novoselov. Với cấu trúc mạng lục giác, graphene sở hữu các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, độ bền cơ học vượt trội và tính trong suốt. Graphene được xem là vật liệu mỏng nhất thế giới, chỉ dày một nguyên tử, và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.

1.1 Tính chất vật liệu Graphene

Graphene có độ dẫn điện tương đương đồng, với điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng (~10^-6 Ω.cm). Độ linh động của hạt tải điện trong graphene đạt tới 200.000 cm²V⁻¹s⁻¹, cao hơn bất kỳ vật liệu bán dẫn nào khác. Ngoài ra, graphene có độ dẫn nhiệt lên đến 5.000 W.m⁻¹K⁻¹, cao hơn cả kim cương và than chì. Về cơ học, graphene có suất Young ~1.1 TPa và độ bền vật liệu ~125 GPa, khiến nó trở thành vật liệu cứng nhất hiện nay.

1.2 Ứng dụng của Graphene hiện nay

Graphene được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, năng lượng và môi trường. Trong điện tử, graphene được sử dụng làm điện cực trong suốt thay thế cho ITO, ứng dụng trong màn hình cảm ứng và pin mặt trời. Trong lĩnh vực năng lượng, graphene được nghiên cứu để chế tạo pin và siêu tụ điện với hiệu suất cao. Ngoài ra, graphene còn được sử dụng trong cảm biến khí nhờ diện tích bề mặt lớn và độ nhạy cao.

II. Vật liệu Graphene Oxide GO

Graphene Oxide (GO) là một dẫn xuất của graphene, được tạo ra bằng cách oxy hóa graphite và bóc tách các lớp. GO có cấu trúc tương tự graphene nhưng chứa các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (-OH), epoxide (-O-), và carboxyl (-COOH). Những nhóm chức này làm thay đổi tính chất của GO, khiến nó trở thành vật liệu linh hoạt trong các ứng dụng hóa học và môi trường.

2.1 Tính chất và ứng dụng của GO

GO có tính chất hấp phụ mạnh nhờ diện tích bề mặt lớn và sự hiện diện của các nhóm chức. Điều này làm cho GO trở thành vật liệu lý tưởng để hấp phụ các chất ô nhiễm như dầu và kim loại nặng. GO cũng được sử dụng trong chế tạo pin, linh kiện điện tử và dẫn thuốc trong y học. Ngoài ra, GO có khả năng thấm lọc dầu hiệu quả, giúp xử lý nước thải công nghiệp.

2.2 Phương pháp chế tạo GO

Phương pháp phổ biến nhất để chế tạo GO là phương pháp Hummers, sử dụng hỗn hợp axit sulfuric, kali permanganat và natri nitrat để oxy hóa graphite. Quá trình này tạo ra graphite oxide, sau đó được bóc tách bằng siêu âm hoặc các tác nhân cơ học để tạo thành GO. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả và cho sản lượng cao.

III. Ứng dụng GO trong thấm lọc dầu

GO được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực thấm lọc dầu nhờ khả năng hấp phụ dầu hiệu quả. Với diện tích bề mặt lớn và các nhóm chức phân cực, GO có thể hấp phụ dầu từ nước thải công nghiệp, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo GO và đánh giá hiệu quả thấm lọc dầu của vật liệu.

3.1 Tính chất hút dầu của GO

GO có khả năng hấp phụ dầu cao nhờ cấu trúc xốp và các nhóm chức phân cực. Các thí nghiệm cho thấy GO có thể hấp phụ dầu ăn và dầu công nghiệp với hiệu suất lên đến 90%. Điều này làm cho GO trở thành vật liệu tiềm năng trong xử lý nước thải nhiễm dầu.

3.2 Tính khả thi của GO trong ứng dụng hút dầu

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của GO trong ứng dụng thấm lọc dầu. Vật liệu GO có thể tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất hấp phụ. Điều này giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong quá trình xử lý nước thải.

IV. Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo GO bằng phương pháp Hummers và đánh giá cấu trúc, tính chất của vật liệu thông qua các phép đo XRD, SEM và FTIR. Kết quả cho thấy GO có cấu trúc phân tán đều và kích thước hạt nhỏ, phù hợp cho ứng dụng thấm lọc dầu.

4.1 Kết quả nghiên cứu chế tạo GO

Quy trình chế tạo GO bằng phương pháp Hummers đã được tối ưu hóa, cho sản lượng cao và chất lượng ổn định. Các phân tích XRD và SEM xác nhận cấu trúc phân tán đều của GO, với kích thước hạt từ 100-500 nm.

4.2 Kết quả ứng dụng thấm lọc dầu

Thí nghiệm thấm lọc dầu cho thấy GO có hiệu suất hấp phụ dầu cao, đạt 90% trong điều kiện thí nghiệm. Vật liệu GO cũng thể hiện khả năng tái sử dụng tốt, giúp giảm chi phí xử lý nước thải.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng do sự phát triển công nghiệp, việc xử lý nước thải chứa dầu trở thành một vấn đề cấp bách toàn cầu. Theo ước tính, lượng dầu thải ra môi trường nước chiếm tỷ lệ đáng kể trong các nguồn ô nhiễm, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene Oxide (GO) và ứng dụng của nó trong thấm lọc dầu, nhằm góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm dầu trong nước thải. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang trong giai đoạn từ năm 2018 đến 2019, với mục tiêu xây dựng quy trình công nghệ chế tạo GO bằng phương pháp Hummers cải tiến và đánh giá hiệu quả ứng dụng của vật liệu này trong thấm lọc dầu.

Việc nghiên cứu GO không chỉ nhằm khai thác các tính chất vật lý, hóa học đặc biệt của vật liệu này mà còn hướng tới phát triển giải pháp thân thiện môi trường, có khả năng hấp phụ dầu hiệu quả, tái sử dụng được và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về vật liệu graphene oxide, đồng thời mở rộng ứng dụng của nó trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải công nghiệp có chứa dầu. Các chỉ số hiệu quả như khả năng hấp phụ dầu, tốc độ thấm lọc và độ bền vật liệu được xem xét kỹ lưỡng nhằm đảm bảo tính khả thi và ứng dụng thực tiễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc và tính chất của graphene oxide, cùng với nguyên lý hấp phụ và thấm lọc dầu của vật liệu hấp phụ. Graphene oxide là vật liệu được tạo thành từ quá trình oxy hóa graphite, trong đó các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (-OH), epoxide (-O-), carboxyl (-COOH) và carbonyl (-C=O) được gắn lên bề mặt các lớp graphene, làm thay đổi tính chất hóa học và vật lý của vật liệu. Các nhóm chức này tạo điều kiện cho GO có khả năng tương tác mạnh với các phân tử dầu, đồng thời giúp vật liệu phân tán tốt trong dung môi nước.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào quá trình chế tạo GO bằng phương pháp Hummers cải tiến, nhằm tối ưu hóa hiệu suất oxy hóa và tách lớp graphene oxide đơn lớp. Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc lớp của graphite và GO, các nhóm chức oxy hóa trên bề mặt GO, nguyên lý hấp phụ dầu dựa trên tính kỵ nước và diện tích bề mặt lớn của vật liệu, cũng như các chỉ số đánh giá hiệu quả thấm lọc như khả năng hấp phụ, tốc độ hấp phụ và khả năng tái sử dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu GO được chế tạo tại phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng – Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang. Quy trình nghiên cứu gồm các bước: chuẩn bị hóa chất, chế tạo GO theo phương pháp Hummers cải tiến, xử lý và thu nhận sản phẩm GO dạng gel và bột. Cỡ mẫu vật liệu chế tạo là khoảng vài gram graphite ban đầu, với các phản ứng oxy hóa được kiểm soát nhiệt độ và thời gian nghiêm ngặt nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Phương pháp phân tích bao gồm: phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức oxy hóa trên bề mặt GO; nhiễu xạ tia X (XRD) để khảo sát cấu trúc tinh thể và sự giãn nở lớp của vật liệu; kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc lớp của GO; tán xạ ánh sáng động học (DLS) để đo kích thước hạt phân bố của mẫu bột GO. Thời gian nghiên cứu thực nghiệm kéo dài khoảng 6 tháng, từ khâu chuẩn bị đến phân tích và đánh giá ứng dụng thấm lọc dầu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công vật liệu GO bằng phương pháp Hummers cải tiến: Từ 3.56 g graphite ban đầu, quá trình oxy hóa và tách lớp đã tạo ra sản phẩm GO dạng gel và bột với kích thước hạt đồng đều khoảng 130 nm theo kết quả DLS. Quá trình kiểm soát nhiệt độ thấp (0-5°C) và thời gian phản ứng đã nâng cao hiệu suất oxy hóa, đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm.

2. Cấu trúc vật liệu thay đổi rõ rệt qua các giai đoạn: Phổ XRD cho thấy đỉnh đặc trưng (002) của graphite tại 2θ ~ 26° dịch chuyển về 12° trên mẫu GO, chứng tỏ sự giãn nở lớp và hình thành cấu trúc graphene oxide. Phân tích SEM minh họa quá trình giãn nở, oxy hóa và tách lớp từ graphite đến GO với bề mặt nhám và các lớp tách rời rõ ràng.

3. Xác định các nhóm chức oxy hóa trên bề mặt GO: Phổ FTIR ghi nhận sự xuất hiện các nhóm O-H (3278-3384 cm⁻¹), C=O (1710 cm⁻¹), C-O (1050 cm⁻¹) và C-OH (1220 cm⁻¹), với cường độ thay đổi phù hợp quá trình oxy hóa và tách lớp. Sự suy giảm cường độ một số nhóm chức trên mẫu GO so với graphite oxide cho thấy quá trình rung siêu âm tách lớp cũng làm đứt gãy một phần liên kết.

4. Ứng dụng thấm lọc dầu hiệu quả: Miếng bọt biển kích thước 40x20x10 mm được ngâm trong dung dịch GO và sấy khô tạo thành vật liệu thấm lọc dầu có tính kỵ nước, mềm dẻo và khả năng hấp phụ dầu cao. Thí nghiệm cho thấy vật liệu này có thể hút dầu ăn trộn lẫn trong nước nhanh chóng, giữ lại dầu trên bề mặt mà không thấm nước, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật về khả năng hấp phụ và tái sử dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp Hummers cải tiến là phù hợp để chế tạo GO với chất lượng cao, kích thước hạt đồng đều và cấu trúc lớp giãn nở rõ ràng. Việc kiểm soát nhiệt độ thấp trong quá trình oxy hóa giúp tăng hiệu quả phản ứng và giảm nguy cơ cháy nổ do Mn2O7. So với các nghiên cứu trước đây, sản phẩm GO thu được có đặc tính tương đương hoặc vượt trội về mặt cấu trúc và nhóm chức oxy hóa.

Phân tích FTIR và SEM cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự thay đổi cấu trúc và hóa học của vật liệu qua các giai đoạn chế tạo, phù hợp với lý thuyết về quá trình oxy hóa graphite thành graphene oxide. Kích thước hạt đồng đều khoảng 130 nm giúp vật liệu có diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng hấp phụ dầu.

Ứng dụng thấm lọc dầu trên vật liệu GO cho thấy tiềm năng thực tiễn lớn, đặc biệt trong xử lý nước thải công nghiệp chứa dầu. So với các vật liệu hấp phụ truyền thống như bã mía, mùn cưa hay vải lọc dầu, GO có ưu điểm về khả năng tái sử dụng, độ bền cơ học và hiệu quả hấp phụ nhanh. Dữ liệu thí nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ dầu của GO với các vật liệu khác, cũng như bảng phân tích cấu trúc và nhóm chức trên mẫu GO.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất GO quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp nhỏ: Áp dụng quy trình Hummers cải tiến với kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng và an toàn, hướng tới sản xuất số lượng lớn phục vụ ứng dụng thấm lọc dầu. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, do Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang chủ trì.

2. Phát triển vật liệu thấm lọc dầu dựa trên GO kết hợp với các vật liệu nền: Nghiên cứu cải tiến vật liệu composite GO-bọt biển hoặc GO-polyme nhằm tăng khả năng hấp phụ, độ bền và tính linh hoạt. Mục tiêu nâng cao hiệu suất thấm lọc dầu trên 20% so với vật liệu hiện tại trong vòng 2 năm.

3. Thử nghiệm ứng dụng thực tế tại các khu công nghiệp và nhà máy xử lý nước thải: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải có dầu bằng vật liệu GO trong điều kiện thực tế, thu thập dữ liệu về khả năng tái sử dụng và chi phí vận hành. Thời gian thử nghiệm khoảng 6-12 tháng, phối hợp với các đơn vị xử lý môi trường.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật chế tạo và ứng dụng GO cho cán bộ kỹ thuật, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý môi trường. Mục tiêu nâng cao năng lực nội địa và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về cấu trúc, tính chất và quy trình chế tạo graphene oxide, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu nano và ứng dụng trong công nghệ mới.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Thông tin về ứng dụng GO trong thấm lọc dầu giúp cải tiến các giải pháp xử lý nước thải công nghiệp, nâng cao hiệu quả và thân thiện môi trường.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị lọc: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và quy trình công nghệ để phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ dầu mới, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Tài liệu giúp hiểu rõ tiềm năng công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm dầu, hỗ trợ xây dựng chính sách khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

1. Graphene oxide là gì và khác gì so với graphene?
   Graphene oxide là vật liệu được tạo ra bằng cách oxy hóa graphite, có nhiều nhóm chức chứa oxy gắn trên bề mặt, làm thay đổi tính chất so với graphene nguyên bản. GO dễ phân tán trong nước và có khả năng tương tác với các phân tử khác, trong khi graphene nguyên chất có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh và tính dẫn điện cao hơn.

2. Tại sao chọn phương pháp Hummers để chế tạo GO?
   Phương pháp Hummers cải tiến cho phép chế tạo GO với hiệu suất cao, thời gian ngắn (khoảng 1 ngày), kiểm soát nhiệt độ thấp giúp an toàn và sản phẩm có chất lượng tốt, phù hợp cho sản xuất số lượng lớn phục vụ ứng dụng công nghiệp.

3. GO có thể tái sử dụng trong ứng dụng thấm lọc dầu không?
   Có, vật liệu GO có độ bền cơ học và tính kỵ nước tốt, cho phép tái sử dụng nhiều lần sau khi thu hồi dầu. Điều này giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững trong xử lý môi trường.

4. Khả năng hấp phụ dầu của GO so với các vật liệu truyền thống như thế nào?
   GO có diện tích bề mặt lớn (~2630 m²/g) và các nhóm chức oxy giúp tăng khả năng hấp phụ dầu nhanh và hiệu quả hơn nhiều so với các vật liệu hữu cơ tự nhiên hoặc vải lọc dầu truyền thống.

5. Ứng dụng của GO ngoài thấm lọc dầu là gì?
   Ngoài thấm lọc dầu, GO còn được nghiên cứu ứng dụng trong lọc nước, cảm biến sinh học, pin, linh kiện điện tử, và các thiết bị quang học nhờ tính chất điện, quang và hóa học đặc biệt của nó.

Kết luận

• Đã xây dựng và tối ưu quy trình chế tạo graphene oxide bằng phương pháp Hummers cải tiến, tạo ra sản phẩm GO chất lượng cao với kích thước hạt đồng đều khoảng 130 nm.
• Xác định rõ cấu trúc và các nhóm chức oxy hóa trên bề mặt GO qua các phương pháp phân tích FTIR, XRD và SEM, phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu quốc tế.
• Chứng minh hiệu quả ứng dụng của vật liệu GO trong thấm lọc dầu, với khả năng hấp phụ nhanh, giữ dầu tốt và tính kỵ nước cao, phù hợp cho xử lý nước thải công nghiệp.
• Đề xuất các giải pháp phát triển sản xuất, ứng dụng thực tế và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm thúc đẩy ứng dụng GO trong xử lý môi trường tại Việt Nam.
• Khuyến nghị các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô sản xuất, thử nghiệm thực địa và phát triển vật liệu composite để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ.

Hành động tiếp theo là triển khai các dự án ứng dụng thực tế và hợp tác nghiên cứu mở rộng nhằm đưa vật liệu graphene oxide vào sử dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường, góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững.