Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu khung cơ kim (Metal-Organic Frameworks - MOFs) đã trở thành chủ đề nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học nhờ vào cấu trúc mao quản đồng đều, diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng tùy chỉnh cao. Đặc biệt, MOF-808, một loại Zr-MOF với cấu trúc khuyết tật, được đánh giá cao về độ bền và khả năng ứng dụng trong hấp phụ các chất màu hữu cơ trong môi trường nước. Nghiên cứu này tập trung tổng hợp MOF-808 có cấu trúc khuyết tật bằng phương pháp nhiệt dung môi, sử dụng phối tử hữu cơ 1,3,5-benzenetricarboxylic acid và 5-sulfoisophthalic acid với tỉ lệ mol 3:1, nhằm tăng cường các trung tâm hoạt tính và cải thiện khả năng hấp phụ các thuốc nhuộm anion và cation.

Mục tiêu chính của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc khuyết tật lên khả năng hấp phụ các chất màu hữu cơ như quinoline yellow, sunset yellow, rhodamine B và malachite green trong môi trường nước, đồng thời đề xuất các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt và động học phù hợp. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ đầu năm 2023 đến giữa năm 2023. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về vật liệu MOF-808 khuyết tật mà còn mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các chất màu hữu cơ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu khung cơ kim (MOFs) và các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt cùng động học hấp phụ. MOFs là vật liệu cấu trúc tinh thể bao gồm các cụm kim loại (SBUs) liên kết với các phối tử hữu cơ, tạo nên mạng lưới xốp với diện tích bề mặt lớn và khả năng tùy biến cao. MOF-808 là một Zr-MOF với cụm kim loại zirconium có 6 liên kết phối trí, tạo ra các trung tâm điện tích dương hoạt tính, đặc biệt khi có cấu trúc khuyết tật.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Khuyết tật trong MOFs: Các vị trí thiếu liên kết hoặc thiếu cụm trong cấu trúc, tạo ra các vị trí hoạt động mới và thay đổi tính chất hấp phụ.
  • Mô hình hấp phụ Langmuir: Mô tả hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất với các vị trí hấp phụ có ái lực như nhau.
  • Mô hình động học hấp phụ bậc hai biểu kiến: Phù hợp với quá trình hấp phụ có sự tương tác hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, kiểm soát tốc độ hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và khảo sát hấp phụ MOF-808-SO3H. Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, sử dụng hỗn hợp phối tử 1,3,5-benzenetricarboxylic acid và 5-sulfoisophthalic acid với tỉ lệ mol 3:1, nung ở 80 ºC trong 72 giờ. Cỡ mẫu vật liệu khoảng 20 mg được kích hoạt trước khi phân tích.

Phân tích cấu trúc và đặc tính vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật:

  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) để xác định cấu trúc tinh thể.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái và kích thước tinh thể.
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR) để xác định phần trăm khuyết tật.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá độ bền nhiệt.
  • Phổ FTIR để xác định các nhóm chức trong cấu trúc.

Khảo sát hấp phụ được thực hiện với các thuốc nhuộm hữu cơ anion (quinoline yellow, sunset yellow) và cation (rhodamine B, malachite green) trong dung dịch nước. Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian và nồng độ ban đầu được tiến hành với các nồng độ từ 100 đến 2000 ppm, thời gian từ 5 đến 300 phút. Nồng độ thuốc nhuộm sau hấp phụ được đo bằng UV-Vis. Các mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich cùng mô hình động học bậc nhất và bậc hai được áp dụng để phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu MOF-808-SO3H: Vật liệu MOF-808-SO3H được tổng hợp thành công, giữ nguyên cấu trúc tinh thể và hình thái tinh thể tương đương MOF-808 truyền thống, được xác nhận qua PXRD và SEM. Phổ 1H-NMR cho thấy phối tử 5-sulfoisophthalate chiếm khoảng 6% tổng số phối tử, xác nhận sự hiện diện của cấu trúc khuyết tật. Độ bền nhiệt của MOF-808-SO3H tương đương MOF-808 với khả năng chịu nhiệt lên đến khoảng 500 ºC theo TGA.

  2. Khả năng hấp phụ các thuốc nhuộm hữu cơ: MOF-808-SO3H thể hiện dung lượng hấp phụ cao với quinoline yellow đạt 722 mg/g, sunset yellow 670 mg/g, rhodamine B 184 mg/g và malachite green 259 mg/g. So với MOF-808 truyền thống, khả năng hấp phụ của MOF-808-SO3H tăng từ 30% đến 60% đối với các thuốc nhuộm anion và từ 5% đến 15% đối với các thuốc nhuộm cation.

  3. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ ban đầu: Quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau khoảng 120 phút. Dung lượng hấp phụ tăng theo nồng độ ban đầu, đạt tối đa ở khoảng 1500 ppm. Mô hình động học hấp phụ bậc hai biểu kiến phù hợp với dữ liệu thí nghiệm, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu do tương tác hóa học. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mô tả tốt quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt MOF-808-SO3H.

  4. Khả năng hấp phụ chọn lọc: MOF-808-SO3H thể hiện khả năng hấp phụ chọn lọc cao hơn MOF-808 truyền thống trong hỗn hợp thuốc nhuộm anion – cation (quinoline yellow – rhodamine B và sunset yellow – rhodamine B), cho thấy ưu thế trong xử lý nước thải phức tạp chứa nhiều loại chất màu.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện khả năng hấp phụ của MOF-808-SO3H được giải thích bởi sự xuất hiện của các khuyết tật trong cấu trúc, tạo ra các vị trí hoạt động không bão hòa (CUSs)