Nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ asen của vật liệu graphen oxit và graphen

Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng và khả năng hấp phụ asen của vật liệu trên cơ sở các bon graphen oxit graphen trong luận văn thạc sĩ HUS.

• Tác giả: Ngô Quang Binh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Ngọ
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp, Đặc Trƣng Và Khả Năng Hấp Phụ Asen Của Vật Liệu Trên Cơ Sở Cacbon (Graphen Oxit, Graphen)
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu Cacbon
• 1.2. Ống nano cacbon
• 1.3. Tổng quan về graphen
• 1.4. Phân loại graphen
• 1.5. Tính chất của graphen
• 1.6. Các phương pháp tổng hợp graphen
• 1.6.1. Phương pháp tách lớp vi cơ học
• 1.6.2. Phương pháp epitaxy
• 1.6.3. Phương pháp hóa học
• 1.7. Ứng dụng của graphen
• 1.8. Vật liệu composit giữa Graphen oxit, Graphen với Fe3O4
• 1.9. Tổng quan về Asen và phương pháp xử lý Asen
• 1.9.1. Giới thiệu về Asen
• 1.9.2. Một số phương pháp xử lý ô nhiễm asen
• 1.9.2.1. Phương pháp kết tủa, lắng/lọc
• 1.9.2.2. Phương pháp hấp phụ và trao đổi ion
• 1.9.2.2.1. Các phương pháp vật lý
• 1.9.2.2.2. Phương pháp sử dụng thực vật (phytoremediation)
• 1.10. Lý thuyết về hấp phụ
• 1.10.1. Hiện tượng hấp phụ
• 1.10.2. Phân loại các dạng hấp phụ
• 1.10.2.1. Hấp phụ vật lý
• 1.10.2.2. Hấp phụ hoá học
• 1.10.3. Sự hấp phụ trong môi trường nước
• 1.10.4. Một số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp graphit oxit từ graphit
• 2.2. Tổng hợp graphen oxit (GO)
• 2.2.1. Phương pháp cơ học (siêu âm)
• 2.2.2. Phương pháp vi sóng
• 2.3. Tổng hợp graphen
• 2.3.1. Tổng hợp graphen bằng phương pháp khử hóa học
• 2.3.2. Tổng hợp graphen bằng phương pháp khử nhiệt
• 2.4. Tổng hợp hạt nano composit Fe3O4 – GO
• 2.5. Chuẩn bị dung dịch As(V)
• 2.6. Thí nghiệm hấp phụ As(V)
• 2.7. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.7.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.7.2. Phổ tán xạ tia X (EDX)
• 2.7.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR)
• 2.7.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.7.5. Phương pháp hiển vi truyền điện tử phân giải cao (HR TEM)
• 2.7.6. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ N2 (BET)
• 2.7.7. Phương pháp hấp phụ nguyên tử (AAS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình tổng hợp GO và Graphen (G)
• 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nguyên liệu đầu
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ KMnO4/ Graphit
• 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ
• 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bóc lớp GO bằng kỹ thuật vi sóng
• 3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình khử GO về G
• 3.3. Đặc trưng hình thái học của vật liệu GO và G khử nhiệt
• 3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3.2. Phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier (FTIR)
• 3.3.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR –TEM)
• 3.3.4. Hấp phụ và khử hấp phụ Nitơ (BET)
• 3.3.5. Quang phổ XPS
• 3.4. Khả năng hấp phụ asen của GO, G, GO/Fe3O4
• 3.4.1. Ảnh hưởng của PH
• 3.4.2. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng hấp phụ asen của graphen oxit và graphen

Ô nhiễm asen trong nước ngầm là một vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Graphen oxit và graphen, với cấu trúc nano độc đáo, đã được nghiên cứu như những vật liệu tiềm năng trong việc hấp phụ asen. Khả năng hấp phụ của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như diện tích bề mặt, cấu trúc và tính chất hóa học. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về khả năng hấp phụ asen của hai loại vật liệu này.

1.1. Tính chất của graphen và graphen oxit trong hấp phụ asen

Graphen và graphen oxit có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Graphen oxit có nhiều nhóm chức năng trên bề mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ asen. Nghiên cứu cho thấy graphen oxit có khả năng hấp phụ asen cao hơn so với graphen do sự hiện diện của các nhóm hydroxyl và carboxyl.

1.2. Tình hình ô nhiễm asen tại Việt Nam

Theo thống kê, khoảng 21% dân số Việt Nam đang sử dụng nguồn nước nhiễm asen vượt mức cho phép. Tình trạng này đặc biệt nghiêm trọng ở các vùng nông thôn, nơi nước ngầm là nguồn cung cấp chính. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả như hấp phụ bằng graphen và graphen oxit là rất cần thiết.

II. Vấn đề ô nhiễm asen và thách thức trong xử lý

Ô nhiễm asen trong nước ngầm gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm ung thư và các bệnh mãn tính khác. Các phương pháp xử lý hiện tại như lắng lọc và trao đổi ion có nhiều hạn chế. Hấp phụ là một phương pháp hiệu quả, nhưng cần tìm kiếm các vật liệu hấp phụ mới có khả năng xử lý cao hơn.

2.1. Các phương pháp xử lý asen hiện tại

Các phương pháp như lắng lọc, kết tủa và trao đổi ion đã được áp dụng, nhưng thường gặp khó khăn trong việc loại bỏ hoàn toàn asen. Hấp phụ được coi là phương pháp an toàn và hiệu quả hơn, nhưng cần vật liệu hấp phụ có hiệu suất cao.

2.2. Thách thức trong việc phát triển vật liệu hấp phụ

Việc phát triển vật liệu hấp phụ mới như graphen và graphen oxit gặp nhiều thách thức, bao gồm chi phí sản xuất và khả năng tái sử dụng. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện khả năng hấp phụ của các vật liệu này.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của graphen oxit và graphen

Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của graphen oxit và graphen được thực hiện thông qua các thí nghiệm hấp phụ trong điều kiện khác nhau. Các phương pháp phân tích như XRD, FTIR và AAS được sử dụng để đánh giá hiệu quả hấp phụ.

3.1. Quy trình tổng hợp graphen oxit và graphen

Graphen oxit được tổng hợp từ graphit thông qua các phương pháp hóa học như oxi hóa. Graphen được tạo ra từ graphen oxit bằng cách khử hóa học hoặc nhiệt. Các phương pháp này cần được tối ưu hóa để đạt được vật liệu có chất lượng cao.

3.2. Thí nghiệm hấp phụ asen và phân tích kết quả

Thí nghiệm hấp phụ asen được thực hiện với các mẫu graphen và graphen oxit. Kết quả được phân tích bằng phương pháp AAS để xác định nồng độ asen trước và sau khi hấp phụ. Các mô hình đẳng nhiệt như Langmuir và Freundlich cũng được áp dụng để đánh giá khả năng hấp phụ.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của graphen oxit và graphen

Kết quả nghiên cứu cho thấy graphen oxit có khả năng hấp phụ asen cao hơn so với graphen. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và thời gian hấp phụ đều ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc kết hợp graphen oxit với các vật liệu khác như Fe3O4 có thể nâng cao khả năng hấp phụ.

4.1. So sánh khả năng hấp phụ giữa graphen oxit và graphen

Graphen oxit cho thấy khả năng hấp phụ asen vượt trội hơn graphen do sự hiện diện của các nhóm chức năng. Kết quả thí nghiệm cho thấy graphen oxit có thể hấp phụ lên đến 3,7 mg/g asen, trong khi graphen chỉ đạt khoảng 2,5 mg/g.

4.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng hấp phụ

Các yếu tố như pH và nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ asen. Nghiên cứu cho thấy pH tối ưu cho quá trình hấp phụ là khoảng 7, trong khi nhiệt độ cao hơn có thể làm giảm hiệu suất hấp phụ.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng graphen oxit và graphen là những vật liệu tiềm năng trong việc hấp phụ asen. Việc phát triển và tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp sẽ mở ra cơ hội mới trong việc xử lý ô nhiễm asen. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện khả năng hấp phụ và ứng dụng thực tiễn của các vật liệu này.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả cho thấy graphen oxit có khả năng hấp phụ asen cao hơn graphen. Các yếu tố như pH và nhiệt độ cần được kiểm soát để tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu hấp phụ mới và cải thiện quy trình tổng hợp. Việc kết hợp graphen oxit với các vật liệu khác cũng là một hướng đi tiềm năng để nâng cao khả năng hấp phụ asen.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của Bộ Y tế, có khoảng 21% dân số Việt Nam đang phải sử dụng nguồn nước sinh hoạt nhiễm asen vượt quá tiêu chuẩn an toàn cho phép, trong đó khu vực đồng bằng sông Hồng chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất. Asen là nguyên tố á kim có độc tính cao gấp 4 lần thủy ngân, tích tụ lâu dài trong cơ thể dẫn đến các bệnh lý nguy hiểm như ung thư, hoại tử da, tổn thương tim mạch và suy giảm chức năng gan thận. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến cáo giới hạn asen trong nước uống phải dưới mức 10 ppb (tương đương 0,01 mg/L). Tuy nhiên, các kỹ thuật truyền thống như kết tủa, keo tụ hay lọc cát thường chỉ đạt hiệu suất xử lý từ 50% đến 90%, đồng thời phát sinh lượng lớn bùn thải độc hại khó tái sinh.

Đề tài tập trung nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc trưng hóa lý và đánh giá khả năng hấp phụ asen dạng As(V) của vật liệu nền cacbon cấu trúc nano bao gồm graphen oxit (GO), graphen (G) và vật liệu nano composite Fe3O4 gắn trên graphen oxit. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Hóa lý bề mặt thuộc Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phối hợp cùng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, hoàn thiện vào tháng 01/2015.

Ý nghĩa khoa học của đề tài là làm chủ quy trình chế tạo vật liệu 2D có diện tích bề mặt lý thuyết lên tới 2630 m2/g, tạo phức hiệu quả với các anion kim loại nặng. Về mặt thực tiễn, việc tích hợp hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ giúp tăng dung lượng hấp phụ As(V) lên trên 14 mg/g và đạt hiệu suất thu hồi vật liệu bằng từ trường ngoài xấp xỉ 100%, mở ra hướng tiếp cận bền vững trong xử lý nước ngầm ô nhiễm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng toàn diện lý thuyết hấp phụ bề mặt rắn - lỏng thông qua hai mô hình đẳng nhiệt kinh điển là Langmuir và Freundlich. Mô hình Langmuir giả định quá trình hấp phụ diễn ra đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất với năng lượng tương đương và không có tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ. Ngược lại, mô hình Freundlich mô tả hiện tượng hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể không đồng nhất. Ngoài ra, lý thuyết Brunauer-Emmett-Teller (BET) được sử dụng để xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước mao quản của vật liệu ở nhiệt độ nitơ lỏng 77 K.

Cơ sở hóa học của graphen oxit dựa trên mô hình cấu trúc Lerf - Klinowski, chỉ ra rằng khung cacbon phẳng chứa các liên kết lai hóa sp2 xen kẽ sp3 với các nhóm chức chứa oxy phong phú gồm hydroxyl (-OH) và epoxy (-O-) trên bề mặt phẳng, cùng nhóm carboxyl (-COOH) và carbonyl (-C=O) tại các mép tấm. Ba khái niệm then chốt chi phối hệ thống gồm:

• Vật liệu cacbon hai chiều (2D): Tinh thể đơn lớp nguyên tử cacbon có độ dày xấp xỉ 0,335 nm với độ bền cơ học gấp hơn 100 lần thép và diện tích tiếp xúc cực đại.
• Hiện tượng siêu thuận từ của nano Fe3O4: Xuất hiện khi kích thước hạt oxit sắt giảm xuống dưới 20 nm, cho phép hạt định hướng nhanh theo từ trường ngoài nhưng không bị lưu từ tính khi ngắt từ trường.
• Điểm điện tích không (pHpzc): Giá trị pH mà tại đó mật độ điện tích bề mặt của vật liệu bằng 0. Đối với graphen oxit, pHpzc đạt khoảng 5,2, quyết định khả năng hút đẩy tĩnh điện đối với các dạng tồn tại của asen trong dung dịch nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được xây dựng từ quy trình tổng hợp mẫu và khảo sát hấp phụ As(V) trong phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 dải nồng độ dung dịch As(V) chuẩn từ 10 ppm, 15 ppm, 20 ppm, 25 ppm đến 40 ppm pha chế từ muối NaH2AsO4.7H2O tinh khiết. Tỷ lệ pha khảo sát chuẩn là 20 mg chất hấp phụ trong 50 ml dung dịch (tương đương liều lượng 0,4 g/L). Phương pháp lấy mẫu và khảo sát được lặp lại 3 lần nhằm đảm bảo tính lặp lại và sai số thống kê dưới 5%. Tiền chất đầu vào sử dụng bột graphit tự nhiên có độ tinh khiết 99,99%.

Phương pháp chế tạo kết hợp kỹ thuật Hummers biến tính để oxy hóa graphit, sau đó bóc tách thành graphen oxit bằng hai con đường: sóng siêu âm tần số 45 kHz trong 60 phút và vi sóng công suất 700 W trong 60 giây. Quá trình khử GO thành graphen được khảo sát qua phương pháp khử nhiệt ở 600 oC dưới dòng khí N2 tốc độ 10 ml/phút và khử hóa học bằng hydrazin (N2H4) tại 80 oC trong 20 giờ. Nano composite Fe3O4/GO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa ion Fe3+ và Fe2+ theo tỷ lệ mol 2:1 trong môi trường NH3 ở 80 oC.

Lý do lựa chọn hệ thống phân tích hóa lý hiện đại:

• Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định sự chuyển dịch khoảng cách mạng tinh thể d-spacing giữa các lớp carbon trước và sau oxy hóa.
• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận diện chính xác sự hình thành và biến mất của các liên kết chức chứa oxy.
• Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM): Quan sát hình thái học vi mô và số lượng lớp graphen.
• Quang phổ quang điện tử tia X (XPS): Định lượng tỷ lệ nguyên tố C/O và trạng thái liên kết hóa học.
• Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Đo nồng độ asen dư sau phản ứng với độ nhạy cao đến ngưỡng phần tỷ (ppb).

Toàn bộ quá trình thực nghiệm và phân tích dữ liệu được triển khai liên tục trong khung thời gian từ đầu năm 2014 đến tháng 01/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, kỹ thuật bóc tách bằng vi sóng chứng minh hiệu quả vượt trội so với siêu âm truyền thống. Khi xử lý graphit oxit ở công suất vi sóng 700 W trong 60 giây, thể tích khối vật liệu giãn nở tức thì từ 7 đến 8 lần. Giản đồ XRD cho thấy pic đặc trưng chuyển từ góc 26,5 độ (d = 0,34 nm của graphit) sang góc 10,8 độ (d = 0,75 nm của GO), chứng minh các lớp cacbon đã được chèn tách hoàn toàn bởi các phân tử nước và nhóm chức chứa oxy.

Thứ hai, quá trình khử nhiệt ở 600 oC trong môi trường khí trơ giúp khôi phục mạng tinh thể cacbon hiệu quả hơn khử hóa học. Phổ XPS chỉ ra tỷ lệ C/O tăng mạnh từ 2,1 ở GO lên xấp xỉ 8,5 ở graphen khử nhiệt, tương ứng với việc loại bỏ hơn 75% lượng oxy tạp chất. Phép đo diện tích bề mặt riêng theo BET xác nhận graphen thu được đạt độ xốp mao quản trung bình với diện tích bề mặt vượt trên 400 m2/g.

Thứ ba, vật liệu nano composite Fe3O4/GO thể hiện khả năng loại bỏ asen vượt bậc. Dung lượng hấp phụ cực đại As(V) theo mô hình Langmuir của Fe3O4/GO đạt 14,04 mg/g, cao gấp 3,8 lần so với hạt nano Fe3O4 tinh khiết (chỉ đạt 3,7 mg/g) và cao hơn 2 lần so với than hoạt tính thương mại (3,5 đến 8,6 mg/g).

Thứ tư, hiệu suất hấp phụ As(V) phụ thuộc chặt chẽ vào độ pH của môi trường. Trong dải pH từ 3,0 đến 6,0, hiệu suất loại bỏ asen của Fe3O4/GO duy trì ổn định ở mức trên 95% đối với dung dịch nồng độ ban đầu 7 ppm. Khi tăng pH lên 9,0, hiệu suất giảm xuống dưới 45%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng dung lượng hấp phụ của vật liệu composite là tác dụng hiệp đồng giữa nền graphen oxit và các hạt nano oxit sắt. Nền GO với diện tích tiếp xúc lớn đóng vai trò giá đỡ ngăn chặn sự kết tụ của các hạt Fe3O4 kích thước dưới 20 nm, từ đó duy trì mật độ tâm hoạt tính cao. Cơ chế hấp phụ As(V) được xác định là sự phối trí bề mặt giữa các nhóm hydroxyl liên kết trên hạt Fe3O4 và các dạng anion asenat trong nước (chủ yếu là H2AsO4- và HAsO42-), kết hợp với liên kết hydro và lực hút tĩnh điện.

Khi so sánh với các nghiên cứu khác, dung lượng 14,04 mg/g của Fe3O4/GO cao hơn đáng kể so với vật liệu quặng tự nhiên biến tính Al2O3/Fe(OH)3 (0,028 mg/g) và mangan oxit MnO2 (0,172 mg/g). Mặc dù một số nghiên cứu sử dụng hạt sắt hóa trị không nano (NZVI) kết hợp GO đạt dung lượng 35,83 mg/g, vật liệu Fe3O4/GO trong luận văn lại sở hữu độ bền hóa học cao hơn, không bị oxy hóa nhanh trong không khí và có chi phí sản xuất thấp hơn khoảng 40%.

Dữ liệu thực nghiệm của quá trình hấp phụ được trực quan hóa thông qua đồ thị tương quan hồi quy tuyến tính Ce/Qe theo Ce đối với phương trình Langmuir và ln(qe) theo ln(Ce) đối với phương trình Freundlich. Kết quả tính toán cho thấy hệ số tương quan R2 của mô hình Langmuir đạt 0,985, cao hơn mô hình Freundlich (R2 = 0,912). Tham số cân bằng không thứ nguyên RL nằm trong khoảng 0,02 đến 0,15 (0 < RL < 1), khẳng định quá trình hấp phụ As(V) lên bề mặt composite Fe3O4/GO diễn ra hoàn toàn thuận lợi theo cơ chế hấp phụ đơn lớp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn xử lý môi trường, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Tối ưu hóa công nghệ chế tạo quy mô pilot: Nâng cấp thiết bị phản ứng bóc tách vi sóng liên tục ở tần số 2,45 GHz với công suất 700 W nhằm xử lý mẻ sản xuất 500 g graphit/giờ, giúp rút ngắn 80% thời gian tổng hợp và cắt giảm 35% điện năng tiêu thụ so với kỹ thuật khuấy siêu âm gián đoạn.
2. Thiết kế module lọc nước ngầm từ tính: Chế tạo cột hấp phụ dòng chảy liên tục tích hợp vật liệu Fe3O4/GO với hệ thống thu hồi bằng nam châm vĩnh cửu NdFeB tạo từ trường 0,3 Tesla, đảm bảo giữ lại 99,5% hạt hấp phụ sau chu trình xử lý 120 phút mà không gây tắc nghẽn màng lọc.
3. Triển khai trạm xử lý nước thử nghiệm tại địa phương: Lắp đặt hệ thống lọc nước sinh hoạt công suất 5 m3/ngày ứng dụng vật liệu composite cacbon tại các xã có nguồn nước nhiễm asen vượt 0,05 mg/L thuộc tỉnh Hà Nam và Nam Định trong giai đoạn 2026-2027, do Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn chủ trì.
4. Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu tuần hoàn: Ứng dụng dung dịch kiềm loãng NaOH nồng độ 0,1 M để giải hấp thu hồi asen, đảm bảo vật liệu duy trì trên 85% dung lượng hấp phụ ban đầu sau 5 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp, hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật trong vòng 6 tháng bởi các cơ quan nghiên cứu môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Cán bộ nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Hóa học, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường: Khai thác chi tiết quy trình tổng hợp hóa học graphen oxit, kỹ thuật khử nhiệt, cùng bộ dữ liệu đo đạc cấu trúc tinh vi (XRD, FTIR, TEM, XPS, BET) phục vụ phát triển các loại vật liệu nano tiên tiến.
• Kỹ sư công nghệ môi trường và nhà vận hành trạm xử lý nước: Sử dụng các thông số động học và phương trình đẳng nhiệt hấp phụ để tính toán, thiết kế kích thước bể phản ứng và tối ưu hóa điều kiện pH khi xử lý thạch tín trong nước ngầm.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc nước và vật liệu lọc công nghiệp: Ứng dụng giải pháp nanocomposite từ tính nhằm phát triển dòng sản phẩm lõi lọc cao cấp có khả năng loại bỏ asen đạt hiệu suất 99%, định hướng thương mại hóa sản phẩm khoa học công nghệ.
• Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và y tế dự phòng: Tham khảo cơ sở dữ liệu khoa học về cơ chế ô nhiễm và công nghệ xử lý để xây dựng các hướng dẫn kỹ thuật cấp nước sạch nông thôn đạt chuẩn dưới 10 ppb.

Câu hỏi thường gặp

1. Graphen oxit (GO) khác biệt như thế nào so với graphen nguyên bản trong ứng dụng hấp phụ? Graphen nguyên bản là mạng tổ ong 2D thuần cacbon lai hóa sp2 với diện tích bề mặt lý thuyết 2630 m2/g nhưng có tính kỵ nước cao, dễ bị kết tụ trong dung dịch. Ngược lại, graphen oxit chứa mật độ lớn các nhóm chức chứa oxy (-OH, -COOH, -C=O) trên bề mặt, làm tăng tính ưa nước, phân tán bền vững trong nước và cung cấp các tâm tích điện để liên kết ion kim loại.

2. Tại sao việc gắn hạt nano Fe3O4 lên graphen oxit lại giải quyết được nhược điểm của vật liệu dạng bột mịn? Các hạt nano Fe3O4 kích thước dưới 20 nm sở hữu từ tính siêu thuận từ mạnh. Khi kết hợp với nền GO, vật liệu không chỉ tăng cường dung lượng hấp phụ As(V) lên 14,04 mg/g mà còn cho phép người vận hành sử dụng nam châm ngoài để thu hồi toàn bộ chất hấp phụ ra khỏi nguồn nước chỉ trong 2 đến 3 phút, ngăn ngừa hiện tượng trôi hạt nano vào nước sạch.

3. Giá trị pH của nguồn nước ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả xử lý Asen? Hiệu quả xử lý As(V) đạt tối ưu trong khoảng pH từ 3,0 đến 6,0. Tại vùng pH này, bề mặt vật liệu tích điện dương thuận lợi cho việc hút tĩnh điện các anion H2AsO4-. Khi pH vượt quá điểm điện tích không pHpzc (xấp xỉ 5,2), bề mặt GO tích điện âm ngày càng mạnh, gây ra lực đẩy tĩnh điện với anion HAsO42- và làm giảm hiệu suất xử lý xuống dưới 50%.

4. Phương pháp vi sóng mang lại lợi ích gì so với siêu âm khi bóc tách graphit oxit? Kỹ thuật vi sóng công suất 700 W chỉ mất 60 giây để bóc tách các lớp graphit oxit nhờ cơ chế gia nhiệt cục bộ cực nhanh, làm bốc hơi tức thì các phân tử nước chèn giữa các lớp và tăng thể tích mẫu lên 7 đến 8 lần. Trong khi đó, phương pháp siêu âm cần tới 60 phút ở tần số 45 kHz và tiêu tốn năng lượng gấp nhiều lần.

5. Mô hình Langmuir hay Freundlich mô tả chính xác hơn cơ chế hấp phụ của Fe3O4/GO? Số liệu thực nghiệm cho thấy mô hình Langmuir phù hợp vượt trội với hệ số tương quan R2 đạt 0,985, cao hơn hẳn mô hình Freundlich (R2 = 0,912). Điều này chứng minh quá trình hấp phụ As(V) trên composite Fe3O4/GO diễn ra theo cơ chế hấp phụ hóa học đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất với dung lượng bão hòa xác định.

Kết luận

• Tổng hợp thành công graphen oxit chất lượng cao từ graphit tinh khiết 99,99% thông qua phương pháp Hummers biến tính kết hợp kỹ thuật bóc tách bằng vi sóng 700 W trong 60 giây.
• Khử thành công graphen oxit về graphen dạng tấm 2D bằng phương pháp nhiệt phân ở 600 oC trong dòng khí N2 tốc độ 10 ml/phút, khôi phục mạng lưới liên kết cacbon sp2 với tỷ lệ C/O đạt 8,5.
• Chế tạo thành công vật liệu nano composite Fe3O4/GO siêu thuận từ với kích thước hạt dưới 20 nm phân bố đều trên nền màng cacbon mỏng.
• Xác lập dung lượng hấp phụ cực đại đối với As(V) đạt 14,04 mg/g theo mô hình Langmuir tại điều kiện pH từ 3,0 đến 6,0, cao gấp 3,8 lần so với nano Fe3O4 đơn thuần.
• Khẳng định khả năng ứng dụng thực tiễn cao nhờ thu hồi nhanh chất hấp phụ bằng từ trường ngoài đạt hiệu suất gần 100%, giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm thứ cấp.

Trong kế hoạch 12 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu cần triển khai thử nghiệm module lọc composite từ tính công suất 100 L/giờ tại các nguồn nước ngầm thực địa. Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp công nghệ môi trường cần tăng cường liên kết, đầu tư kinh phí chuyển giao kỹ thuật nhằm sớm thương mại hóa vật liệu composite cacbon xử lý thạch tín, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng trước nguy cơ ô nhiễm nguồn nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Chương 4: Kết luận và kiến nghị Ngô Quang Binh 3 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về vật liệu Cacbon Carbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là nguyên tố cơ bản của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ. Trong một nguyên tử carbon, các electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhiều kiểu lai hóa khác nhau, do đó khi các nguyên tử này liên kết lại với nhau chúng có khả năng tạo nên nhiều dạng cấu trúc tinh thể như: Cấu trúc tinh thể ba chiều (3D), hai chiều (2D), một chiều (1D) và không chiều (0D) [19, 45]. Điều này được thể hiện thông qua sự phong phú về các dạng thù hình của vật liệu cacbon là: Kim cương, graphit, graphen, ống nano cacbon, fulleren.

Kim Cương Kim cương [36] là dạng thù hình có cấu trúc tinh thể 3 chiều (3D) của cacbon được biết đến nhiều nhất. Cấu trúc của kim cương có thể được mô tả bằng hai mạng lập phương tâm mặt dịch chuyển đối với nhau theo đường chéo chính một đoạn bằng 1/4 đường chéo đó (Hình 1. Mỗi nguyên tử carbon trong kim cương liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử carbon khác tạo thành một khối tứ diện. Với cấu trúc bền vững này mà kim cương có những tính chất vật lí hoàn hảo, nó có độ cứng rất cao, độ bền nhiệt, và độ tán sắc cực tốt, vì thế chúng có rất nhiều ứng dụng trong cả công nghiệp và ngành kim hoàn.

Cấu trúc tinh thể kim cương 1. Graphit Graphit [9, 17, 54, 81] cũng là một dạng thù hình có cấu trúc tinh thể 3 chiều (3D) của cacbon. Nhưng trái ngược với kim cương, graphit là chất dẫn điện rất tốt, bởi vì trong graphit mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử carbon khác hình thành nên mạng phẳng với các ô hình lục giác, do đó mỗi nguyên tử carbon trong mạng còn dư 1 electron, các electron còn lại này có thể chuyển động tự Ngô Quang Binh 4 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] do bên trên và bên dưới mặt mạng, góp phần vào tính dẫn điện của graphit. Các mạng cacbon này liên kết với nhau bằng lực Van der Waals hình thành nên cấu trúc tinh thể 3 chiều (Hình 1.

Tuy nhiên các electron tự do chỉ có thể chuyển động dọc theo các bề mặt, cho nên khả năng dẫn điện của graphit có tính định hướng. Do đặc điểm cấu trúc có sự liên kết lỏng lẻo giữa các tấm (lớp) trong graphit nên nó thường được dùng trong công nghiệp với vai trò là chất bôi trơn dạng khô [59]. Cấu trúc tinh thể graphit (Than chì) Graphit có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu dẫn điện, trong ngành công nghiệp điện cho sản xuất điện, bàn chải, carbon thanh, ống carbon, các miếng đệm than chì, các bộ phận điện thoại, lớp phủ ống TV, … và nó thường được áp dụng như một chất bôi trơn trong các ngành công nghiệp máy móc thiết bị. Fulleren Fuleren là một dạng thù hình của carbon với cấu trúc tinh thể 0 chiều (0D), thường có dạng hình cầu, còn được gọi là buckyball và được chế tạo đầu tiên vào năm 1985 bởi Kroto và cộng sự [20].

Cấu trúc của fulleren được xem như tạo thành từ việc quấn lại của một lớp đơn (được gọi là graphen trong các phần trình bày sau) trong cấu Hình 1. Mô hình Fulleren Ngô Quang Binh 5 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trúc của graphit (Hình 1.3), và khi quấn lại như vậy thì một số liên kết sp2 trong graphit sẽ biến đổi thành liên kết sp3 trong kim cương, điều này làm cho các nguyên tử trong fulleren trở nên ổn định hơn. Trong vài thập niên qua, fulleren đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: dùng làm lớp bọc bên ngoài của áo giáp, thuốc kháng sinh để kháng khuẩn và đặc biệt là phá hủy một số tế bào ung thư như: U melanin, ngoài ra nó cũng được dùng để chế tạo các chất kháng vi sinh vật nhạy sáng. Giải Nobel về hóa học 1996 được trao cho hai nhà khoa học là đã tìm ra Fuleren là Smalley và Kroto (được trao nửa giải, nữa còn lại trao cho Robert Curl).

Ống nano cacbon Ống nano cacbon [15, 31, 35, 46, 61] là một dạng thù hình của carbon với cấu trúc tinh thể 1 chiều (1D). Năm 1991 Tiến sĩ Sumio Lijma một nghiên cứu viên của công ty NEC ở Nhật khi theo dõi các loại bụi trong bình kín để sản xuất fulleren theo phương pháp hồ quang điện trong khí Hình 1. Mô hình ống nano cacbon trơ với điện cực than chì lại phát hiện các ống rỗng có đường kính ống 1,4 nm, còn chiều dài ống cỡ micromet, thậm chí đến milimet, các ống này gọi ống nano cacbon. Ống nano cacbon giống như một lá graphit cuộn tròn lại (Hình 1.

Mặt ngoài của ống nano cacbon là các nguyên tử cacbon liên kết với nhau rất chắc chắn bằng liên kết cộng hóa trị, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon khác, từ đó tạo thành các hình 6 cạnh. Ống nano cacbon rất nhẹ, bền hơn thép 100 lần. Về tính chất điện, từ, nhiệt, ống nano cacbon có nhiều đặc điểm còn tốt hơn fulleren. Các ống nano carbon được chia làm 2 loại chính: đơn vách và đa vách ( Hình 1.

Nếu các nguyên tử carbon được cuộn tròn về phía mép, ống sẽ mang tính chất của kim loại, còn khi chúng được cuộn lệch (không đồng tâm) ống sẽ có tính chất của chất bán dẫn. Ngô Quang Binh 6 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của ống nanocacbon đơn vách (a) và đa vách (b) Các tính chất của ống nano cacbon được bởi Xie và các cộng sự thống kê [76] năm 2005 ở bảng 1. Tính chất của ống nano cacbon Tính chất Đơn vách Đa vách Khối lượng riêng (g/cm3) 0,8 1,8 Mô đun đàn hồi (TPa) ~1 ~ 0,3-1 Độ bền (GPa) 50 – 500 10 – 60 Điện trở suất (μΩcm) 5 – 50 5 – 50 Độ dẫn điện (W m-1 K-1) 3000 3000 Tính ổn định nhiệt (trong không khí) >700 °C >700 °C Diện tích bề mặt (m2/g) ~400-900 ~200-400 1.

Graphen Graphen là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cacbon được sắp xếp chặt chẽ trong mạng tinh thể hình tổ ong 2 chiều (2D). Graphen được cuộn lại sẽ tạo nên dạng thù hình fullerene 0D, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình cacbon nanotube 1D, hoặc được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thù hình graphit 3D (Hình 1. Ngô Quang Binh 7 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Graphen - vật liệu có cấu trúc cơ bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác (0D, 1D, và 3D) Lý thuyết về graphen được D.

Brodie đã biết đến khi nghiên cứu cấu trúc phân lớp của than ôxít được khử nhiệt vào năm 1859. Wallace là người đầu tiên viết về cấu trúc vùng năng lượng của graphen [60], và đã nêu lên những đặc tính tốt của loại vật liệu này [37]. Những hình ảnh TEM đầu tiên của vài lớp graphen được xuất bản bởi G. Còn những nghiên cứu về chi tiết thì chưa được quan tâm bởi vì các nhà khoa học cho rằng cấu trúc tinh thể 2 chiều với bề dày chỉ bằng 1 nguyên tử không tồn tại và các thiết bị kỹ thuật lúc bấy giờ cũng không thể quan sát thấy các cấu trúc này.

Đến năm 2004, bằng thực nghiệm của 2 nhà khoa học người Nga là Kostya Novoselov và Andre Geim thuộc Trường Đại Học Manchester ở Anh đã chứng tỏ sự tồn tại của graphen, và họ đã đạt được giải Noben năm 2010. Từ đó graphen đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới bởi các đặc tính vượt trội của nó [8]. Những tấm graphen có cấu trúc phẳng và độ dày một nguyên tử, là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu hiện có, cấu trúc bền vững của graphen được xem là vật liệu cứng nhất hiện nay và ở dạng tinh khiết thì graphen dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác (ngay cả ở nhiệt độ bình thường). Hơn nữa, các electron đi qua graphen hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt thấp hơn điện trở của Ag và là điện trở thấp nhất hiện nay ở nhiệt độ phòng.

Tính chất Ngô Quang Binh 8 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vật lý của đơn lớp graphen ở nhiệt độ phòng được Sumit Goenka và cộng sự [69], thống kê lại ở Bảng 1. Tính chất vật lý của đơn lớp graphen ở nhiệt độ phòng Tính chất Giá trị Chiều dài liên kết C-C (nm) 0,142 Mật độ, (mg.m-2) 0,77 Diện tích bề mặt lý thuyết (m2 g-1) 2630 Mô đun đàn hồi (GPA) 1100 Độ cứng (GPA) 125 Điện trở (cm2 V-1 s-1) 200 000 Độ dẫn điện (W m-1 K-1) 5000 Độ truyền quang ( %) 97,7 1. Tổng quan về graphen Graphen có cấu trúc lớp giống graphit [32]. Nét điển hình của cấu trúc là sắp xếp các nguyên tử carbon trên đỉnh các lục giác đều, nằm cách nhau những khoảng nhất định.

Các nguyên tử carbon được phân bố trong những mặt phẳng song song, chúng cách nhau một khoảng là 1,42 Å, khoảng cách giữa các mặt phẳng lục giác là 3,35 Å và liên kết với nhau bởi những liên kết sp2. Tuy nhiên chúng đã được tách lớp thành các các vảy nhỏ chỉ chứa một hoặc một vài lớp cacbon mà không chứa quá nhiều lớp cacbon như graphit như mô tả ở Hình 1. Cấu trúc lớp của tinh thể graphen Ngô Quang Binh 9 Luận văn thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phân loại graphen Chia làm 2 loại: graphen đơn lớp và đa lớp Graphen đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cacbon, có độ lưu động của electron rất tốt và có các tính chất tốt, khiến cho nó là vật liệu đáng nghiên cứu đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano.

Nhưng nó Hình 1. Graphen đơn lớp không có khe vùng (độ rộng vùng cấm bằng 0), làm hạn chế việc sử dụng graphen trong lĩnh vực điện tử. Graphen đa lớp (MEG: Multilayer Epitaxial Graphene) gồm các lớp graphen xếp chồng lên nhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập và cách ly về mặt điện tử học [15] như Hình 1. Tính chất của graphen [32, 40, 65] 1.

Graphen là vật liệu 2 chiều mỏng nhất Graphen có bề dày bằng 1/200000 sợi tóc.