Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của vật liệu graphen tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng và khả năng hấp phụ asen của vật liệu dựa trên graphen oxit, mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm.

• Tác giả: Ngô Quang Binh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Ngọ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của vật liệu graphen
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• 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 vật liệu graphen

Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của vật liệu graphen đang trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực khoa học vật liệu và môi trường. Graphen, với cấu trúc 2D độc đáo và diện tích bề mặt lớn, đã cho thấy tiềm năng vượt trội trong việc loại bỏ asen khỏi nước. Việc tìm hiểu khả năng hấp phụ asen của graphen không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.1. Tính chất nổi bật của vật liệu graphen trong hấp phụ asen

Graphen có diện tích bề mặt lên đến 2630 m²/g, cho phép nó hấp phụ một lượng lớn asen. Tính chất hóa học của graphen cũng giúp tăng cường khả năng tương tác với các ion asen trong nước, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý.

1.2. Các phương pháp tổng hợp graphen và ứng dụng trong hấp phụ

Có nhiều phương pháp tổng hợp graphen như phương pháp hóa học, phương pháp tách lớp vi cơ học, và phương pháp epitaxy. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của graphen, từ đó tác động đến khả năng hấp phụ asen.

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

Ô nhiễm asen trong nước là một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt ở các vùng nông thôn tại Việt Nam. Theo thống kê, khoảng 21% dân số đang sử dụng nguồn nước nhiễm asen vượt mức cho phép. Việc xử lý asen trong nước là một thách thức lớn, đòi hỏi các giải pháp hiệu quả và bền vững.

2.1. Nguyên nhân và tác động của ô nhiễm asen

Ô nhiễm asen chủ yếu do hoạt động khai thác khoáng sản, sử dụng thuốc trừ sâu và các hoạt động công nghiệp. Asen có thể gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng, bao gồm ung thư và các bệnh về da.

2.2. Các phương pháp xử lý asen hiện tại và hạn chế

Các phương pháp xử lý asen hiện tại bao gồm lắng lọc, kết tủa, và hấp phụ. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng phương pháp hấp phụ đang được ưa chuộng hơn cả do tính hiệu quả và chi phí thấp.

III. Phương pháp hấp phụ asen bằng vật liệu graphen Giải pháp hiệu quả

Phương pháp hấp phụ asen bằng vật liệu graphen đã cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ asen khỏi nước. Nghiên cứu cho thấy khả năng hấp phụ của graphen có thể đạt đến 3,7 mg/g cho cả As(III) và As(V).

3.1. Cơ chế hấp phụ asen trên bề mặt graphen

Cơ chế hấp phụ asen trên bề mặt graphen chủ yếu thông qua các liên kết hóa học và tương tác vật lý. Các nhóm chức trên bề mặt graphen có thể tạo ra các liên kết với ion asen, từ đó tăng cường khả năng hấp phụ.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ

Nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ, và nồng độ asen trong dung dịch có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của graphen. Nghiên cứu cho thấy rằng pH tối ưu cho quá trình hấp phụ asen là khoảng 7-8.

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

Kết quả nghiên cứu cho thấy graphen và graphen oxit có khả năng hấp phụ asen vượt trội so với nhiều vật liệu khác. Các thí nghiệm cho thấy rằng graphen có thể loại bỏ đến 90% asen trong dung dịch.

4.1. So sánh khả năng hấp phụ giữa graphen và các vật liệu khác

So với các vật liệu hấp phụ khác như than hoạt tính hay oxit kim loại, graphen cho thấy hiệu quả hấp phụ cao hơn nhiều. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của graphen trong xử lý ô nhiễm asen.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của graphen trong xử lý nước

Graphen không chỉ có khả năng hấp phụ asen mà còn có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước quy mô lớn, giúp cải thiện chất lượng nước cho cộng đồng.

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

Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của vật liệu graphen mở ra nhiều triển vọng cho việc xử lý ô nhiễm nước. Với những ưu điểm vượt trội, graphen có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm asen trong nước.

5.1. Tương lai của vật liệu graphen trong xử lý nước

Với sự phát triển của công nghệ nano, graphen có thể được cải tiến hơn nữa để nâng cao khả năng hấp phụ và ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước hiện đại.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp graphen và khảo sát khả năng hấp phụ của các biến thể graphen khác nhau trong việc xử lý asen.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm asen trong nguồn nước ngầm là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, đặc biệt tại các vùng nông thôn Việt Nam. Theo thống kê của Bộ Y tế năm 2010, khoảng 21% dân số Việt Nam sử dụng nước ngầm có nồng độ asen vượt mức cho phép, gây ra nhiều bệnh lý nguy hiểm như ung thư, rối loạn tim mạch và các bệnh ngoài da. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả để loại bỏ asen khỏi nước là cấp thiết. Luận văn tập trung vào tổng hợp và đặc trưng vật liệu dựa trên cacbon như graphen oxit (GO) và graphen (G), cùng với vật liệu nano Fe3O4 nhằm nâng cao khả năng hấp phụ asen. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu từ graphit tự nhiên và khảo sát khả năng hấp phụ As(V) trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam, với mục tiêu phát triển vật liệu hấp phụ có hiệu suất cao, chi phí hợp lý và khả năng tái sử dụng. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là xử lý asen trong nước ngầm, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển công nghệ xử lý nước sạch tại các khu vực bị ô nhiễm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết vật liệu cacbon: Graphen là vật liệu 2 chiều có diện tích bề mặt riêng lớn (~2630 m²/g), độ bền cơ học cao và tính dẫn điện, dẫn nhiệt vượt trội. Graphen oxit là dạng biến tính của graphen chứa nhiều nhóm chức oxy hóa (-OH, -COOH, -O-) giúp tăng khả năng tương tác với các ion kim loại.
• Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich: Được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ asen trên bề mặt vật liệu. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ đơn lớp với vị trí hấp phụ đồng nhất, trong khi mô hình Freundlich áp dụng cho bề mặt không đồng nhất và hấp phụ đa lớp.
• Lý thuyết hấp phụ vật lý và hóa học: Phân biệt giữa hấp phụ vật lý dựa trên lực Van der Waals và hấp phụ hóa học dựa trên liên kết hóa trị hoặc tương tác ion, ảnh hưởng đến hiệu quả và khả năng tái sinh của vật liệu hấp phụ.
• Mô hình vật liệu nano composit Fe3O4-GO: Kết hợp tính từ tính của Fe3O4 với diện tích bề mặt lớn và nhóm chức của GO nhằm tăng khả năng hấp phụ và thu hồi vật liệu bằng từ trường.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Graphit tự nhiên tinh khiết 99,99% được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào. Các hóa chất như H2SO4, KMnO4, FeCl3.4H2O, hydrazin được sử dụng trong quá trình tổng hợp.
• Phương pháp tổng hợp:
  • Tổng hợp graphit oxit (GO) bằng phương pháp Hummers biến tính, cải tiến để tăng hiệu suất oxi hóa.
  • Tách lớp GO bằng phương pháp siêu âm cơ học và vi sóng nhằm tạo dung dịch huyền phù GO.
  • Tổng hợp graphen (G) từ GO bằng phương pháp khử hóa học (hydrazin) và khử nhiệt (600°C trong môi trường N2).
  • Tổng hợp nano composit Fe3O4-GO bằng phương pháp đồng kết tủa, tạo vật liệu có tính từ tính và khả năng hấp phụ cao.
• Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu:
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc pha.
  • Phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier (FTIR) xác định nhóm chức bề mặt.
  • Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM) khảo sát hình thái học.
  • Phổ quang điện tử tia X (XPS) phân tích cấu trúc liên kết.
  • Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ Nitơ (BET) đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản.
  • Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định nồng độ asen trước và sau hấp phụ.
• Phương pháp khảo sát hấp phụ As(V):
  • Thí nghiệm hấp phụ trong dung dịch chuẩn As(V) với nồng độ từ 10 đến 40 ppm.
  • Điều chỉnh pH, khối lượng vật liệu và thời gian hấp phụ để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và phân tích vật liệu kéo dài khoảng 6 tháng, thí nghiệm hấp phụ và phân tích kết quả thực hiện trong 3 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp đến đặc trưng vật liệu:

   • Graphen oxit tổng hợp bằng phương pháp vi sóng có thể tích tăng lên 7-8 lần so với graphit oxit ban đầu, cho thấy hiệu quả tách lớp cao.
   • Phổ XRD và FTIR xác nhận sự hiện diện các nhóm chức oxy hóa trên GO, trong khi graphen khử nhiệt và khử hóa học có cấu trúc gần với graphen nguyên thủy, giảm nhóm chức oxy.
   • Diện tích bề mặt BET của GO đạt khoảng 400-900 m²/g, trong khi graphen khử nhiệt có diện tích giảm nhẹ do sự tái cấu trúc.

2. Khả năng hấp phụ As(V) của các vật liệu:

   • Nano composit GO/Fe3O4 thể hiện dung lượng hấp phụ cao nhất, đạt khoảng 14,04 mg/g theo mô hình Langmuir, vượt trội so với GO đơn thuần và graphen.
   • Khả năng hấp phụ phụ thuộc rõ rệt vào pH, với hiệu suất tối ưu ở pH ~5,2 (pHpzc của GO), khi bề mặt vật liệu mang điện tích âm thuận lợi cho hấp phụ các ion As(V) dạng anion.
   • Thời gian hấp phụ cân bằng đạt trong vòng vài phút, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước liên tục.

3. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ:

   • Dữ liệu hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir và Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra trên bề mặt đồng nhất với hấp phụ đơn lớp và có sự không đồng nhất nhẹ.
   • Tham số RL (hằng số cân bằng) nằm trong khoảng 0 < RL < 1, chứng tỏ quá trình hấp phụ thuận lợi và có thể tái sinh vật liệu.

4. Khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu:

   • Vật liệu nano Fe3O4/GO có thể được thu hồi dễ dàng bằng nam châm nhờ tính từ tính của Fe3O4, giảm thiểu thất thoát vật liệu và chi phí vận hành.
   • Sau nhiều chu kỳ hấp phụ và tái sinh, hiệu suất hấp phụ vẫn duy trì trên 80%, chứng tỏ tính ổn định và bền vững của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc kết hợp GO với nano Fe3O4 tạo ra vật liệu composit có khả năng hấp phụ asen vượt trội nhờ diện tích bề mặt lớn, nhóm chức oxy hóa phong phú và tính từ tính giúp thu hồi dễ dàng. So với các vật liệu hấp phụ truyền thống như than hoạt tính hay oxit kim loại đơn thuần, vật liệu này có dung lượng hấp phụ cao hơn gấp 2-3 lần. Các kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả hấp phụ của nano Fe3O4 và GO/Fe3O4. Việc kiểm soát pH trong quá trình hấp phụ là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất, do ảnh hưởng đến điện tích bề mặt và dạng tồn tại của asen trong dung dịch. Dữ liệu đẳng nhiệt hấp phụ được trình bày qua biểu đồ Ce/Qe theo Ce và lnqe theo lnCe, giúp xác định các tham số mô hình Langmuir và Freundlich, từ đó đánh giá khả năng hấp phụ và thiết kế quy trình xử lý. Khả năng tái sử dụng vật liệu cho thấy tính kinh tế và thực tiễn cao, phù hợp với các hệ thống xử lý nước quy mô lớn. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của các ion cạnh tranh và chất hữu cơ trong nước thực tế để đánh giá toàn diện hiệu quả ứng dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu GO/Fe3O4 quy mô lớn

   • Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp (tỷ lệ Fe3+/Fe2+, pH, nhiệt độ) để nâng cao hiệu suất và chất lượng vật liệu.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

2. Ứng dụng vật liệu trong hệ thống xử lý nước ngầm tại các vùng ô nhiễm asen

   • Thiết kế hệ thống lọc sử dụng vật liệu GO/Fe3O4 với khả năng tái sinh và thu hồi bằng từ trường.
   • Mục tiêu giảm nồng độ asen xuống dưới 10 ppb theo tiêu chuẩn WHO.
   • Thời gian triển khai: 12-18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý môi trường, doanh nghiệp xử lý nước.

3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion cạnh tranh và chất hữu cơ trong nước thực tế

   • Thí nghiệm mô phỏng và khảo sát thực địa để đánh giá hiệu quả hấp phụ trong điều kiện phức tạp.
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Các trung tâm nghiên cứu môi trường.

4. Phát triển vật liệu composite đa chức năng

   • Kết hợp GO/Fe3O4 với các vật liệu khác như polymer hoặc oxit kim loại để tăng khả năng hấp phụ đa dạng chất ô nhiễm.
   • Thời gian: 12 tháng.
   • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu nano

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu cacbon trong xử lý môi trường.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới về vật liệu hấp phụ.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường

   • Lợi ích: Áp dụng vật liệu mới trong thiết kế hệ thống xử lý nước ô nhiễm asen.
   • Use case: Lựa chọn vật liệu hấp phụ hiệu quả, chi phí thấp cho dự án xử lý nước.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và công nghệ xử lý nước

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ tổng hợp vật liệu GO/Fe3O4 quy mô công nghiệp.
   • Use case: Phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ thương mại.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường

   • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn và chính sách xử lý ô nhiễm asen.
   • Use case: Đánh giá và lựa chọn công nghệ xử lý nước phù hợp cho cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Graphen oxit và graphen khác nhau như thế nào trong xử lý asen?
   Graphen oxit chứa nhiều nhóm chức oxy hóa giúp tăng khả năng tương tác với ion asen, trong khi graphen có cấu trúc gần như tinh khiết, dẫn điện tốt nhưng ít nhóm chức hơn. Do đó, GO thường có hiệu quả hấp phụ asen cao hơn nhờ các nhóm chức năng bề mặt.

2. Tại sao cần kết hợp Fe3O4 với graphen oxit?
   Fe3O4 cung cấp tính từ tính giúp thu hồi vật liệu dễ dàng bằng nam châm, đồng thời tăng khả năng hấp phụ asen nhờ các vị trí hoạt động trên bề mặt oxit sắt. Sự kết hợp này nâng cao hiệu quả và tính thực tiễn của vật liệu.

3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ asen như thế nào?
   pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và dạng tồn tại của asen trong dung dịch. Ở pH ~5,2 (pHpzc của GO), bề mặt vật liệu mang điện tích âm thuận lợi cho hấp phụ các ion asenat (As(V)) dạng anion, tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ.

4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu GO/Fe3O4 có thể tái sử dụng trên 10 chu kỳ với hiệu suất hấp phụ duy trì trên 80%, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

5. Phương pháp tổng hợp nào phù hợp cho sản xuất công nghiệp?
   Phương pháp tổng hợp hóa học qua trung gian graphit oxit (Hummers biến tính) kết hợp tách lớp bằng siêu âm hoặc vi sóng được đánh giá là khả thi nhất do chi phí thấp, quy trình đơn giản và khả năng sản xuất số lượng lớn.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu graphen oxit và graphen từ graphit tự nhiên bằng các phương pháp siêu âm, vi sóng, khử hóa học và khử nhiệt.
• Vật liệu nano composit GO/Fe3O4 thể hiện khả năng hấp phụ As(V) vượt trội với dung lượng hấp phụ khoảng 14 mg/g, phù hợp với tiêu chuẩn xử lý nước sạch.
• Quá trình hấp phụ phụ thuộc mạnh vào pH, với hiệu suất tối ưu tại pH ~5,2, và phù hợp với mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.
• Vật liệu có thể thu hồi dễ dàng bằng từ trường và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đáng kể hiệu quả hấp phụ.
• Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và ứng dụng thực tế trong xử lý nước ngầm ô nhiễm asen tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Triển khai nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các ion cạnh tranh trong nước thực tế và phát triển hệ thống xử lý mẫu thử tại các vùng ô nhiễm. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác để ứng dụng vật liệu trong thực tiễn.

---

Nếu bạn quan tâm đến công nghệ xử lý asen bằng vật liệu nano tiên tiến, hãy liên hệ để nhận tư vấn và hợp tác nghiên cứu phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thực tế.

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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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. Dưới kính hiển vi điện tử có thể thấy màng graphen được đánh dấu có độ dày chỉ bằng một nguyên tử 1.