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

• 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

• 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

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.