Luận văn thạc sĩ hóa vô cơ nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu carbon nano từ vỏ cam bởi gc3n4 ứng dụng phân hủy chất hữu cơ trong môi trường nước

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu carbon nano từ vỏ cam, ứng dụng phân hủy chất hữu cơ trong môi trường nước.

• Tác giả: Kim Thị Thu Hoà
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Lan
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Carbon Nano Từ Vỏ Cam Ứng Dụng Trong Phân Hủy Chất Hữu Cơ
• Loại tài liệu: Đề Án Thạc Sĩ
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC
• 2.1.1. Khái niệm quá trình quang xúc tác
• 2.1.2. Cơ chế quá trình quang xúc tác
• 2.2. VẬT LIỆU CARBON
• 2.2.1. Đặc điểm vật liệu carbon
• 2.2.2. Giới thiệu vật liệu carbon nano
• 2.3. GIỚI THIỆU PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP (VỎ CAM)
• 2.3.1. Thành phần hóa học của vỏ cam
• 2.3.2. Ứng dụng và triển vọng carbon từ sinh khối trong xúc tác quang để xử lí chất màu hữu cơ và các ion kim loại nặng
• 2.4. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU g-C3N4
• 2.4.1. Cấu trúc tinh thể
• 2.4.2. Phương pháp tổng hợp
• 2.4.3. Vật liệu g-C3N4 biến tính
• 2.5. GIỚI THIỆU VỀ RHODAMIN B (RhB)
• 2.6. THIẾT BỊ, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ
• 2.7. TỔNG HỢP VẬT LIỆU
• 2.7.1. Tổng hợp vật liệu carbon từ vỏ cam (OC)
• 2.7.2. Tổng hợp vật liệu g-C3N4
• 2.7.3. Tổng hợp vật liệu composite OC/CN
• 2.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.8.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)
• 2.8.2. Phổ hồng ngoại (IR)
• 2.8.3. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS)
• 2.8.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitrogen (BET)
• 2.8.5. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis
• 2.8.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.8.7. Phương pháp phổ quang phát quang (PL)
• 2.8.8. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.9. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG
• 2.9.1. Phân tích định lượng RhB
• 2.9.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.9.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 2.9.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 2.9.5. Khảo sát cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 3.2. TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
• 3.3. CÁC YẾU TỐ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU OC/CN-150
• 3.3.1. Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch H2O2
• 3.3.3. Ảnh hưởng nồng độ đầu của dung dịch RhB
• 3.3.4. Ảnh hưởng của pH
• 3.3.5. Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 3.3.6. Ảnh hưởng của chất dập tắt
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu carbon nano từ vỏ cam

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu carbon nano từ vỏ cam đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Vật liệu carbon nano có nhiều ứng dụng tiềm năng trong việc xử lý chất hữu cơ, đặc biệt là trong môi trường nước. Vỏ cam, một loại phế phẩm nông nghiệp, chứa nhiều thành phần hữu ích có thể được chuyển hóa thành vật liệu carbon có giá trị. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra các vật liệu có khả năng phân hủy chất hữu cơ hiệu quả.

1.1. Tại sao chọn vỏ cam làm nguyên liệu carbon

Vỏ cam chứa nhiều polysaccharide và hợp chất hữu cơ, là nguồn nguyên liệu phong phú cho việc tổng hợp carbon nano. Các thành phần như cellulose và pectin trong vỏ cam có thể được chuyển hóa thành carbon thông qua các phương pháp nhiệt. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra vật liệu có giá trị cho ngành công nghiệp.

1.2. Lợi ích của vật liệu carbon nano trong xử lý chất hữu cơ

Vật liệu carbon nano có khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các gốc tự do, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại. Chúng có diện tích bề mặt lớn, cho phép tăng cường hiệu suất xúc tác quang. Việc ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải có thể mang lại giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

II. Thách thức trong việc sử dụng carbon nano từ vỏ cam

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc sử dụng carbon nano từ vỏ cam cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, quá trình tổng hợp vật liệu carbon từ vỏ cam cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Thứ hai, việc đảm bảo tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu sau khi sử dụng cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Khó khăn trong quá trình tổng hợp vật liệu

Quá trình tổng hợp carbon nano từ vỏ cam có thể gặp khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và tính chất của vật liệu cuối cùng. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình này.

2.2. Tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu

Sau khi sử dụng, vật liệu carbon nano cần được tái sử dụng để giảm thiểu chi phí và ô nhiễm. Tuy nhiên, khả năng tái sử dụng của chúng phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của vật liệu. Việc nghiên cứu các phương pháp phục hồi và tái chế là rất cần thiết.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu carbon nano từ vỏ cam

Phương pháp tổng hợp vật liệu carbon nano từ vỏ cam thường bao gồm các bước như thu gom, xử lý và nung vỏ cam. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng nhiệt độ và thời gian nung phù hợp có thể tạo ra vật liệu carbon với tính chất quang học và điện tốt. Việc áp dụng các phương pháp hiện đại trong quá trình tổng hợp sẽ giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng của vật liệu.

3.1. Quy trình thu gom và xử lý vỏ cam

Quy trình thu gom vỏ cam cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng nguyên liệu. Sau khi thu gom, vỏ cam cần được rửa sạch và xử lý để loại bỏ tạp chất. Việc này giúp tăng cường hiệu suất trong quá trình tổng hợp carbon.

3.2. Nung vỏ cam để tạo ra carbon nano

Quá trình nung vỏ cam thường diễn ra ở nhiệt độ cao, giúp chuyển hóa các thành phần hữu cơ thành carbon. Thời gian và nhiệt độ nung cần được điều chỉnh để đạt được cấu trúc mong muốn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ khoảng 600-800 độ C là tối ưu cho quá trình này.

IV. Ứng dụng của vật liệu carbon nano trong phân hủy chất hữu cơ

Vật liệu carbon nano từ vỏ cam có khả năng ứng dụng rộng rãi trong việc phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước. Chúng có thể được sử dụng như một chất xúc tác quang trong các phản ứng phân hủy dưới ánh sáng mặt trời. Việc này không chỉ giúp làm sạch nguồn nước mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.1. Hiệu quả phân hủy chất hữu cơ bằng carbon nano

Nghiên cứu cho thấy vật liệu carbon nano có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ như Rhodamin B (RhB) hiệu quả. Các gốc tự do được tạo ra trong quá trình xúc tác giúp tăng cường khả năng phân hủy, mang lại hiệu quả cao trong xử lý nước thải.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải

Vật liệu carbon nano từ vỏ cam có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải. Việc sử dụng chúng trong các bể phản ứng quang xúc tác có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước. Đây là một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

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

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu carbon nano từ vỏ cam mở ra nhiều triển vọng trong việc xử lý chất hữu cơ trong môi trường nước. Việc phát triển và tối ưu hóa quy trình tổng hợp sẽ giúp nâng cao hiệu quả và ứng dụng của vật liệu này. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu carbon nano từ vỏ cam có khả năng phân hủy chất hữu cơ hiệu quả. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng sẽ giúp nâng cao hiệu suất và tính khả thi của vật liệu này trong thực tiễn.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện tính chất của vật liệu carbon nano. Việc kết hợp với các công nghệ hiện đại sẽ giúp mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như thuốc nhuộm đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, hàng ngày có một lượng lớn chất thải hữu cơ từ hoạt động sinh hoạt và sản xuất công nghiệp chưa được xử lý triệt để, đặc biệt là các hợp chất như benzene, dioxin, thuốc nhuộm, gây ô nhiễm lâu dài trong môi trường nước. Trong bối cảnh đó, phương pháp quang xúc tác dị thể sử dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ được xem là giải pháp xanh, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu carbon nano từ vỏ cam – một phụ phẩm nông nghiệp có sẵn với sản lượng khoảng 1,55 triệu tấn cam/năm tại Việt Nam – kết hợp với vật liệu bán dẫn g-C3N4 nhằm tạo ra composite OC/CN có khả năng xúc tác quang phân hủy hợp chất hữu cơ Rhodamin B (RhB) trong môi trường nước dưới ánh sáng khả kiến. Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao hiệu suất quang xúc tác, khắc phục nhược điểm của g-C3N4 như diện tích bề mặt nhỏ, khả năng hấp thụ ánh sáng thấp và tái hợp electron-lỗ trống nhanh. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng nguyên liệu vỏ cam tại Bình Định và tiền chất urea để tổng hợp vật liệu composite.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu composite carbon/g-C3N4 với hoạt tính quang xúc tác cao, đồng thời mang lại giá trị thực tiễn trong xử lý ô nhiễm nước, 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 các lý thuyết và mô hình sau:

• Quá trình quang xúc tác dị thể: Khi vật liệu bán dẫn như g-C3N4 hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg ≈ 2,7 eV), electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn tạo ra cặp electron quang sinh (e⁻_CB) và lỗ trống quang sinh (h⁺_VB). Các cặp này tham gia phản ứng oxi hóa-khử phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO₂ và H₂O thông qua các gốc tự do như HO•, O₂•⁻, H₂O₂.

• Vật liệu carbon nano: Carbon nano tổng hợp từ vỏ cam có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc nano đặc trưng, giúp tăng khả năng hấp phụ và dẫn điện, hỗ trợ phân tách electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

• Composite OC/CN: Sự kết hợp giữa carbon nano từ vỏ cam (OC) và g-C3N4 (CN) tạo ra vật liệu composite với cấu trúc 2D-2D, tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tái hợp electron-lỗ trống, nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng (band gap), electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, gốc tự do oxi hóa, vật liệu composite, và quá trình phân hủy quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu vỏ cam thu thập tại Bình Định, tiền chất urea mua từ các nhà cung cấp hóa chất uy tín. Dữ liệu thí nghiệm thu thập trong phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn và các phòng thí nghiệm liên kết.

• Phương pháp tổng hợp vật liệu:

  • Vỏ cam được sấy khô, nghiền nhỏ và nung trong khí Argon ở 800 °C trong 5 giờ để tạo carbon (OC).
  • g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung urea ở 550 °C trong khí Argon 1 giờ.
  • Composite OC/CN được tổng hợp bằng cách trộn tỉ lệ OC:urea (1:100, 1:150, 1:200), khuấy, sấy và nung ở 550 °C trong khí Argon 1 giờ.

• Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu:

  • XRD xác định cấu trúc tinh thể.
  • IR xác định nhóm chức.
  • UV-Vis DRS đo phổ hấp thụ và xác định năng lượng vùng cấm.
  • BET đo diện tích bề mặt và phân bố mao quản.
  • SEM, TEM quan sát hình thái và kích thước hạt.
  • PL đánh giá hiệu quả phân tách electron-lỗ trống.

• Khảo sát hoạt tính quang xúc tác:

  • Phân hủy RhB trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến.
  • Thử nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố: khối lượng xúc tác, nồng độ RhB ban đầu, nồng độ H₂O₂, pH dung dịch.
  • Đánh giá khả năng tái sử dụng xúc tác qua 4 chu kỳ.
  • Phân tích cơ chế phản ứng bằng chất dập tắt gốc tự do.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu trong 6 tháng đầu, khảo sát hoạt tính quang xúc tác và phân tích dữ liệu trong 6 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu:

   • Diện tích bề mặt riêng của composite OC/CN-150 đạt khoảng 120 m²/g, cao hơn đáng kể so với g-C3N4 đơn thuần (~30 m²/g).
   • Năng lượng vùng cấm Eg của composite giảm xuống còn khoảng 2,5 eV so với 2,7 eV của g-C3N4, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.

2. Hiệu suất phân hủy RhB:

   • Composite OC/CN-150 phân hủy RhB đạt hiệu suất 92% sau 120 phút chiếu sáng, cao hơn so với g-C3N4 (65%) và carbon đơn lẻ (40%).
   • Tăng khối lượng xúc tác từ 0,05 g đến 0,15 g làm tăng hiệu suất phân hủy từ 70% lên 92%, tuy nhiên vượt quá 0,15 g không cải thiện đáng kể do hiện tượng che khuất ánh sáng.

3. Ảnh hưởng các yếu tố:

   • Nồng độ RhB ban đầu tăng từ 5 mg/L đến 20 mg/L làm giảm hiệu suất phân hủy từ 92% xuống còn 65%, do bão hòa bề mặt xúc tác.
   • Nồng độ H₂O₂ tối ưu là 10 mM, tăng thêm không cải thiện hiệu quả do tác dụng ức chế gốc tự do.
   • pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt, pH = 6 cho hiệu suất cao nhất, phù hợp với điểm đẳng điện của vật liệu.

4. Khả năng tái sử dụng:

   • Sau 4 chu kỳ sử dụng, hiệu suất phân hủy RhB của composite OC/CN-150 giảm nhẹ còn 85%, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác cao của composite OC/CN-150 được giải thích bởi sự kết hợp giữa carbon nano từ vỏ cam và g-C3N4 tạo ra cấu trúc 2D-2D, tăng diện tích bề mặt và cải thiện sự phân tách electron-lỗ trống, giảm tái hợp. Sự giảm năng lượng vùng cấm mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến, tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng mặt trời.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng g-C3N4 đơn thuần hoặc các vật liệu carbon khác, composite này thể hiện hiệu suất phân hủy RhB vượt trội, đồng thời sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, thân thiện môi trường. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nồng độ RhB theo thời gian chiếu sáng minh họa rõ ràng tốc độ phân hủy nhanh hơn của composite so với vật liệu đơn lẻ.

Ảnh hưởng của các yếu tố như khối lượng xúc tác, nồng độ RhB, H₂O₂ và pH phù hợp với cơ chế quang xúc tác, trong đó cân bằng giữa lượng xúc tác và ánh sáng chiếu tới là yếu tố quyết định. Khả năng tái sử dụng cao cho thấy vật liệu composite có tính ổn định hóa học và cơ học tốt, phù hợp ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình tổng hợp composite OC/CN: Áp dụng tỷ lệ OC:urea 1:150 và nhiệt độ nung 550 °C trong khí Argon để đảm bảo diện tích bề mặt và hiệu suất quang xúc tác cao nhất. Thời gian thực hiện khoảng 1 giờ cho giai đoạn nung.

2. Ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng composite OC/CN-150 trong hệ thống xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm RhB và các hợp chất hữu cơ tương tự, với liều lượng xúc tác 0,15 g/L, pH điều chỉnh khoảng 6, bổ sung H₂O₂ 10 mM để tăng hiệu quả phân hủy trong vòng 2 giờ chiếu sáng.

3. Phát triển quy mô pilot: Triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô tại các nhà máy chế biến thực phẩm hoặc dệt nhuộm trong vòng 12-18 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu composite.

4. Nâng cao tính năng vật liệu: Nghiên cứu pha tạp thêm các nguyên tố kim loại hoặc phi kim để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái hợp electron-lỗ trống, hướng tới vật liệu composite thế hệ mới có hiệu suất cao hơn.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng composite OC/CN cho các đơn vị xử lý môi trường, doanh nghiệp và viện nghiên cứu trong vòng 6 tháng tới nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và biến tính vật liệu carbon nano và g-C3N4, phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu hiện đại, cũng như ứng dụng quang xúc tác xử lý ô nhiễm nước.

2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu composite OC/CN trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải chứa thuốc nhuộm và hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và công nghệ xanh: Nghiên cứu tiềm năng phát triển sản phẩm vật liệu composite từ nguyên liệu sinh khối rẻ tiền, thân thiện môi trường, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý môi trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ quang xúc tác xanh, thúc đẩy tái chế phụ phẩm nông nghiệp và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu composite OC/CN được tổng hợp như thế nào?
   Composite được tổng hợp bằng phương pháp nung hỗn hợp carbon từ vỏ cam và urea trong khí Argon ở 550 °C trong 1 giờ, với tỷ lệ OC:urea tối ưu là 1:150, tạo ra vật liệu có cấu trúc 2D-2D và diện tích bề mặt lớn.

2. Hiệu quả phân hủy RhB của composite so với g-C3N4 đơn lẻ ra sao?
   Composite OC/CN-150 đạt hiệu suất phân hủy RhB lên đến 92% sau 120 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với g-C3N4 đơn lẻ chỉ khoảng 65%, nhờ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái hợp electron-lỗ trống.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của composite?
   Khối lượng xúc tác, nồng độ RhB ban đầu, nồng độ H₂O₂ và pH dung dịch đều ảnh hưởng rõ rệt. Ví dụ, pH = 6 là điều kiện tối ưu, nồng độ H₂O₂ 10 mM giúp tăng hiệu quả phân hủy, trong khi nồng độ RhB quá cao làm giảm hiệu suất do bão hòa bề mặt xúc tác.

4. Composite có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy composite OC/CN-150 giữ được khoảng 85% hiệu suất phân hủy RhB sau 4 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt trong thực tế.

5. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu composite này là gì?
   Composite có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa thuốc nhuộm và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, tận dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy ô nhiễm, giảm chi phí và thân thiện môi trường.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu composite carbon nano từ vỏ cam và g-C3N4 với diện tích bề mặt lớn và năng lượng vùng cấm phù hợp (~2,5 eV) cho quang xúc tác khả kiến.
• Composite OC/CN-150 thể hiện hiệu suất phân hủy RhB cao (92% sau 120 phút), vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
• Các yếu tố như khối lượng xúc tác, nồng độ RhB, H₂O₂ và pH ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả quang xúc tác, với điều kiện tối ưu đã được xác định.
• Vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt, giữ hiệu suất trên 85% sau 4 chu kỳ, phù hợp ứng dụng thực tế.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô pilot và phát triển vật liệu composite thế hệ mới nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng composite OC/CN trong xử lý nước thải, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu để nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.

Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT. GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC.

Khái niệm quá trình quang xúc tác. Cơ chế quá trình quang xúc tác. Các vật liệu quang xúc tác đã đƣợc nghiên cứu và tiềm năng ứng dụng. VẬT LIỆU CARBON.

Đặc điểm vật liệu carbon. Giới thiệu vật liệu carbon nano. GIỚI THIỆU PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP (VỎ CAM). Thành phần hóa học của vỏ cam.

Ứng dụng và triển vọng carbon từ sinh khối trong xúc tác quang để xử lí chất màu hữu cơ và các ion kim loại nặng. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU g-C3N4. Cấu trúc tinh thể. Phƣơng pháp tổng hợp.

Vật liệu g-C3N4 biến tính. GIỚI THIỆU VỀ RHODAMIN B (RhB). THIẾT BỊ, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ. TỔNG HỢP VẬT LIỆU.

Tổng hợp vật liệu carbon từ vỏ cam (OC). Tổng hợp vật liệu g-C3N4. Tổng hợp vật liệu composite OC/CN. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU.

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction). Phổ hồng ngoại (IR). Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV- Vis DRS). Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitrogen (BET).

Phƣơng pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phƣơng pháp phổ quang phát quang (PL). Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG. Phân tích định lƣợng RhB. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Khảo sát cơ chế phản ứng xúc tác quang. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU.

TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU. CÁC YẾU TỐ THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU OC/CN-150. Ảnh hƣởng của khối lƣợng xúc tác. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch H2O2.

Ảnh hƣởng nồng độ đầu của dung dịch RhB. Ảnh hƣởng của pH. Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu. Ảnh hƣởng của chất dập tắt.

61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 64 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu và Chú thích tiếng Anh Chú thích tiếng Việt từ viết tắt Đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp BET Brunauer-Emmett-Teller phụ N2 ở 77K CB Conduction band Vùng dẫn CNTs Carbon nanotubes Ống nano carbon ĐKTN - Điều kiện thí nghiệm GNRs Graphene nanoribbons Graphite đơn nguyên tử IR Infrared Hồng ngoại IR Infrared Hồng ngoại MO Methyl orange Methyl da cam OC Oranges carbon Carbon từ vỏ cam PL Photoluminescence Phổ quang phát quang RhB Rhodamin B Thuốc nhuộm SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét Transmission Electron TEM Hiển vi điện tử truyền qua Microscopy TLTK - Tài liệu tham khảo UV-Vis Ultraviolet – Visible Diffuse Phổ phản xạ khuếch tán tử DRS Reflectance Spectroscopy ngoại – khả kiến VB Valence band Vùng hóa trị XRD X – ray Diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Tính chất của SWCNTs và MWCNTs.

Danh mục hóa chất. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ RhB (mg/L). Giá trị Eg của các mẫu vật liệu CN và OC/CN-a (a = 100, 150 và 200). Dữ liệu của các mẫu từ mô hình động học Langmuir-Hinshelwood.52 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.

Cấu trúc các vùng năng lƣợng. Electron và lỗ trống quang sinh khi chất bán dẫn bị kích thích. Cơ chế quang xúc tác của chất bán dẫn. Quá trình quang xúc tác oxi hóa hợp chất hữu cơ.

Sơ đồ cấu trúc 3D của fullerene. Sơ đồ cấu trúc 3D của carbon nanotubes. Sơ đồ cấu trúc 3D của graphene. Sản lƣợng một số cây lâu năm năm 2021.

Thành phần các hợp chất hữu cơ chính của vỏ cam. Thành phần % các chất trong vỏ cam thải. Cấu trúc lớp hai chiều xếp chồng lên nhau của g-C3N4. Kiểu xếp chồng ABA của g-C3N4.

Sơ đồ tổng hợp g-C3N4 từ cyanamide. (a) Công thức cấu tạo và (b) Cấu trúc không gian ba chiều của phân tử RhB. Quy trình tổng hợp carbon từ vỏ cam. Quy trình tổng hợp vật liệu g-C3N4.

Quy trình tổng hợp vật liệu composite OC/CN. Sơ đồ khối hệ đo phổ quang phát quang FL 3-22. Mối tƣơng quan giữa cƣờng độ hấp thụ ánh sáng. Giản đồ XRD của các vật liệu OC, CN và composite OC/CN-a (a = 100, 150, 200).

Phổ IR của mẫu OC (a) và các mẫu OC, CN và composite OC/CN- a (b). Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ (a) và đƣờng phân bố mao quản (b) của các vật liệu OC, CN và OC/CN-150. Phổ UV-Vis DRS (a) và năng lƣợng vùng cấm đƣợc xác định bằng hàm Kubelka-Munk (b) của các mẫu OC, CN và OC/CN-a (a = 100, 150, 200). Phổ PL của các mẫu vật liệu CN, OC/CN-100, OC/CN-150, OC/CN-200.

Đồ thị biểu diễn sự thay đổi dung lƣợng hấp phụ của các mẫu vật liệu CN và composites OC/CN-a. Sự thay đổi tỉ lệ C/Co theo thời gian chiếu xạ. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood của các mẫu vật liệu. Ảnh hƣởng của lƣợng xúc tác phân hủy RhB của mẫu OC/CN- 150.

Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến hoạt tính xúc tác của OC/CN- 150. Ảnh hƣởng nồng độ đầu của dung dịch RhB đến quá trình xúc tác quang đối với vật liệu OC/CN-150. (a) Hiệu suất quang phân hủy RhB tại các pH khác nhau; (b) Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vật liệu OC/CN-150. Các dạng tồn tại của phân tử RhB trong nƣớc.

(a) Hiệu suất phân hủy RhB và (b) Giản đồ XRD của OC/CN-150 sau 4 lần tái sử dụng. Ảnh hƣởng của chất dập tắt đến hoạt tính xúc tác của mẫu OC/CN-150. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, sự phát triển nhanh hơn của các hoạt động công nghiệp cùng với tiến bộ trong khoa học và công nghệ đã cải thiện mức sống, dẫn đến tăng trƣởng kinh tế bền vững và khả năng cạnh tranh toàn cầu. Tuy nhiên, những hệ quả mà nó để lại cũng là vấn đề nan giải, đòi hỏi chúng ta phải giải quyết nhƣ: sự ô nhiễm nghiêm trọng không khí, đất và đặc biệt là nguồn nƣớc 1.

Hằng ngày, một lƣợng lớn các chất thải từ nhu cầu sinh hoạt của con ngƣời và hoạt động sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp chƣa qua xử lý đƣợc thải trực tiếp ra ngoài môi trƣờng, đặc biệt là những chất hữu cơ khó phân hủy và tồn lƣu trong môi trƣờng với thời gian dài nhƣ benzene, halogenide, dioxin, chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc kích thích sinh trƣởng, thuốc nhuộm,… Trong đó, thuốc nhuộm là một trong những loại chất gây ô nhiễm điển hình 2. Qua quá trình tích lũy lâu dài, các hợp chất này gây ra những ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con ngƣời cũng nhƣ các loài sinh vật trong nƣớc. Do vậy, việc nghiên cứu tìm kiếm giải pháp xử lý triệt để các chất độc hại, nhất là các chất hữu cơ trong môi trƣờng nƣớc là rất cần thiết và là mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia. Để xử lý các hợp chất này đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng nhƣ: phƣơng pháp hấp phụ, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp oxi hóa khử,… Tuy nhiên, chúng còn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ là hiệu suất thấp, kinh phí cao.

Hiện nay, một trong những phƣơng pháp để xử lý các chất hữu cơ đã và đang đem lại hiệu quả cao là phƣơng pháp quang xúc tác. Phƣơng pháp này sử dụng các chất xúc tác có khả năng phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại dƣới tác dụng của ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lƣợng có sẵn trong tự nhiên. Trong đó, lĩnh vực xúc tác quang dị thể nổi bật là lĩnh vực mà công nghệ đã có bƣớc phát triển quan trọng nhất trong bốn thập kỷ qua, do tính linh hoạt, chi phí thấp và thân thiện với môi trƣờng 3. 2 Trong những năm gần đây, vật liệu bán dẫn không kim loại, dạng polymer của carbon nitride có cấu trúc lớp nhƣ graphite (g-C3N4) rất đƣợc quan tâm.

Vật liệu này có ƣu điểm là năng lƣợng vùng cấm khoảng 2,7eV, khả năng sản xuất trên quy mô lớn, giá thành hợp lý, điều chế dễ dàng, độ ổn định hóa học cao, thân thiện với môi trƣờng nên đƣợc sử dụng phổ biến và rộng rãi 4. Tuy nhiên, g-C3N4 có nhƣợc điểm là diện tích bề mặt riêng nhỏ, khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời còn thấp, dễ tái hợp electron và lỗ trống quang sinh dẫn đến hiệu suất xúc tác quang thấp 5. Vì vậy, để tăng cƣờng hiệu quả xúc tác quang của loại vật liệu này các nhà khoa học đã biến tính g-C3N4 với nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ pha tạp kim loại (nhƣ Au, Ag,.), pha tạp phi kim (nhƣ O, S, P,…) hay là phƣơng pháp ghép để tạo vật liệu composite (nhƣ WO3, TiO2, ZnO,…). Bên cạnh đó, nhiều vật liệu carbon đƣợc sử dụng để xử lý nƣớc thải nhƣ: graphene, carbon hoạt tính, carbon nano,.

Trong đó, carbon nano (ví dụ, fullerene, ống nano carbon, graphene, sợi nano carbon,…) có các tính chất hình thái, cơ học, điện và quang học đáng chú ý, đƣợc quan tâm đáng kể về mặt khoa học và công nghệ trong quá trình quang xúc tác 6. Carbon nano có thể đƣợc tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu, trong đó từ sinh khối phụ phẩm là hƣớng đi đƣợc các nhà nghiên cứu môi trƣờng quan tâm. Đây là một loại phụ phẩm nông nghiệp đƣợc thải ra môi trƣờng hàng ngày với số lƣợng lớn từ các nhà máy chế biến công nghiệp. Sau một thời gian, nếu không đƣợc xử lý thì chúng sẽ bị phân hủy, bốc mùi hôi khó chịu, nếu ngấm vào nguồn nƣớc tự nhiên sẽ gây ô nhiễm môi trƣờng, ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe của con ngƣời.

Vỏ cam là một trong những chất thải sinh khối nông nghiệp có tiềm năng lớn đƣợc sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính hay carbon nano. Vỏ cam phần lớn bao gồm cellulose, pectin (galacturonic acid), sắc tố hemicellulose, lignin, diệp lục và các hợp chất khác có khối lƣợng phân tử thấp, kể cả limonene. Các thành phần chiếm 3 ƣu thế trong số các phần này tƣơng ứng là pectin, cellulose, hemicellulose, lipid, một số hợp chất nitơ và hàm lƣợng tro gần nhƣ 3%.