Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu g c3n4 cofe2o4 graphen ứng dụng xử lý chất kháng sinh trong môi trường nước

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu g-C3N4/CoFe2O4/graphen ứng dụng xử lý chất kháng sinh trong môi trường nước hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Vương Hoàn
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và hóa lí
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu G-C3N4/CoFe2O4/Graphen ứng dụng xử lý chất kháng sinh trong môi trường nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lí do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
• 1.5. Giới thiệu graphen oxit và graphen oxit dạng khử
• 1.5.1. Tổng quan về graphen oxit (GO)
• 1.5.2. Graphen oxit dạng Graphen khử (Reduced Oxide: rGO)
• 1.5.3. Ứng dụng của graphen oxit và graphen
• 1.6. Vật liệu cobal ferrite CoFe2O4
• 1.6.1. Cấu trúc của vật liệu ferrite spinel MFe2O4
• 1.6.2. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ferrite spinel MFe2O4
• 1.6.3. Ứng dụng ferrite spinel MFe2O4
• 1.7. Giới thiệu về vật liệu cacbon nitride, g-C3N4
• 1.7.1. Cấu trúc vật liệu cacbon nitride, g-C3N4
• 1.7.2. Phƣơng pháp tổng hợp và tình hình nghiên cứu của g-C3N4
• 1.8. Giới thiệu vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O4/graphen và ứng dụng
• 1.9. Giới thiệu về xúc tác quang
• 1.9.1. Khái niệm về xúc tác quang
• 1.9.2. Cơ chế phản ứng quang xúc tác
• 1.10. Giới thiệu về tetracyline
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ. Tổng hợp vật liệu
• 2.1.1. Tổng hợp graphen oxit và graphen
• 2.1.2. Tổng hợp CoFe2O4
• 2.1.3. Tổng hợp vật liệu g-C3N4
• 2.1.4. Tổng hợp vật liệu CoFe2O4 /graphen và g-C3N4/ CoFe2O4 /graphen
• 2.2. Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu
• 2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD)
• 2.2.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform – Infrared Spectrascopy, FT-IR)
• 2.2.3. Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (Ultraviolet- Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS)
• 2.2.4. Phƣơng pháp quang phổ tia X phân tán năng lƣợng (Energy Dispersive X ray Spectrocopy, EDX)
• 2.2.5. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.6. Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer-VSM)
• 2.2.7. Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET)
• 2.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp
• 2.3.1. Xây dựng đƣờng chuẩn
• 2.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân b ng hấp phụ
• 2.3.3. Khả năng xúc tác quang của các vật liệu trong phản ứng phân hủy TC
• 2.3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính của xúc tác GCN/CF/rGO trong quá trình phân hủy TC
• 2.3.5. Khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu
• 2.3.6. Nghiên cứu động học quá trình xúc tác
• 2.3.7. Nghiên cứu cơ chế phản ứng quang xúc tác
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trƣng vật liệu
• 3.1.1. Graphen oxit dạng khử (rGO), ferrite spinel (CF) và vật liệu biến tính (CF/rGO)
• 3.1.2. Đặc trƣng vật liệu g-C3N4 (GCN)
• 3.1.3. Đặc trƣng vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO
• 3.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 3.2.1. Xây dựng đƣờng chuẩn
• 3.2.2. Khảo sát thời gian đạt cân b ng hấp phụ
• 3.2.3. Khả năng xúc tác quang của các vật liệu trong phản ứng phân hủy TC
• 3.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính của xúc tác GCN/CF/rGO trong quá trình phân hủy TC
• 3.2.5. Quá trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu
• 3.2.6. Nghiên cứu động học phản ứng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO
• 3.2.7. Nghiên cứu cơ chế phản ứng
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Vật liệu G C3N4

Vật liệu G-C3N4 là một loại vật liệu nanocomposite hữu cơ không kim loại, có cấu trúc lớp tương tự graphen. Vật liệu này được biết đến với khả năng xử lý chất kháng sinh và xử lý nước nhờ tính chất quang xúc tác. G-C3N4 có năng lượng vùng cấm nhỏ (2,7 eV), giúp nó hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, hiệu quả quang xúc tác của G-C3N4 tinh khiết bị hạn chế do tốc độ tái tổ hợp electron và lỗ trống nhanh. Để khắc phục, các phương pháp như pha tạp hoặc lai ghép với các vật liệu khác đã được áp dụng, giúp cải thiện đáng kể hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

1.1. Cấu trúc và phương pháp tổng hợp

Vật liệu G-C3N4 có cấu trúc lớp, tương tự graphen, với các liên kết π-π mở rộng. Vật liệu này thường được tổng hợp bằng phương pháp nung pha rắn từ các tiền chất như melamine hoặc urea. Quá trình tổng hợp đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể thực hiện ở quy mô công nghiệp. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc lai ghép G-C3N4 với các vật liệu khác như CoFe2O4 và Graphen giúp tăng cường hiệu quả quang xúc tác, đặc biệt trong xử lý kháng sinh và xử lý nước thải.

1.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Vật liệu G-C3N4 được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là phân hủy các chất kháng sinh trong nước. Nhờ tính chất quang xúc tác, G-C3N4 có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại dưới ánh sáng khả kiến. Các nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của G-C3N4 trong việc xử lý các chất kháng sinh như tetracycline, mang lại hiệu suất phân hủy cao và khả năng tái sử dụng.

II. Vật liệu CoFe2O4

Vật liệu CoFe2O4 là một loại vật liệu ferrite spinel có tính từ tính mạnh, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xử lý môi trường. Vật liệu này có cấu trúc tinh thể spinel, với các ion kim loại phân bố trong các vị trí khác nhau của mạng tinh thể. CoFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, mang lại hiệu quả cao trong việc tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và tính chất từ tính ổn định.

2.1. Cấu trúc và tính chất từ tính

Vật liệu CoFe2O4 có cấu trúc spinel, với các ion Co2+ và Fe3+ phân bố trong các vị trí tứ diện và bát diện của mạng tinh thể. Tính chất từ tính của CoFe2O4 được xác định bởi sự phân bố các ion kim loại trong cấu trúc. Vật liệu này có độ từ hóa cao, giúp nó dễ dàng thu hồi và tái sử dụng sau quá trình xử lý. Điều này làm cho CoFe2O4 trở thành một lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng xử lý nước thải và xử lý ô nhiễm nước.

2.2. Ứng dụng trong xúc tác quang

Vật liệu CoFe2O4 được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống xúc tác quang, đặc biệt khi kết hợp với các vật liệu khác như G-C3N4 và Graphen. Sự kết hợp này giúp tăng cường hiệu quả quang xúc tác, đồng thời cải thiện khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu. CoFe2O4 đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy các chất kháng sinh trong nước, mang lại hiệu suất cao và ổn định.

III. Vật liệu Graphen

Vật liệu Graphen là một loại vật liệu nano có cấu trúc 2D, với diện tích bề mặt lớn và tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Graphen và các dẫn xuất của nó, như Graphen oxit (GO) và Graphen oxit dạng khử (rGO), được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước và xử lý ô nhiễm nước. Graphen có khả năng hấp phụ mạnh các chất hữu cơ, nhờ vào các liên kết π-π giữa các gốc thơm của chất hữu cơ và cấu trúc liên hợp của Graphen.

3.1. Tổng hợp và đặc tính

Vật liệu Graphen thường được tổng hợp từ graphit bằng phương pháp hóa học, sử dụng các chất oxy hóa mạnh như KMnO4 và H2SO4. Quá trình oxy hóa tạo ra Graphen oxit (GO), sau đó được khử để tạo thành Graphen oxit dạng khử (rGO). Vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao và khả năng dẫn điện tốt, làm cho nó trở thành một vật liệu nền lý tưởng để kết hợp với các vật liệu xúc tác khác.

3.2. Ứng dụng trong xử lý nước

Vật liệu Graphen được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất kháng sinh trong nước. Nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ mạnh, Graphen có thể loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ độc hại. Khi kết hợp với các vật liệu xúc tác như G-C3N4 và CoFe2O4, Graphen giúp tăng cường hiệu quả quang xúc tác, mang lại hiệu suất cao trong việc phân hủy các chất ô nhiễm.

IV. Tổng hợp vật liệu G C3N4 CoFe2O4 Graphen

Tổng hợp vật liệu G-C3N4/CoFe2O4/Graphen là một quá trình kết hợp các vật liệu nano để tạo ra một vật liệu lai có tính chất ưu việt. Vật liệu này được tổng hợp bằng phương pháp trộn lẫn pha rắn, kết hợp các ưu điểm của G-C3N4, CoFe2O4 và Graphen. Kết quả là một vật liệu nanocomposite có hiệu quả cao trong xử lý chất kháng sinh và xử lý nước.

4.1. Phương pháp tổng hợp

Vật liệu G-C3N4/CoFe2O4/Graphen được tổng hợp bằng phương pháp trộn lẫn pha rắn. Quá trình này bao gồm việc kết hợp G-C3N4, CoFe2O4 và Graphen theo tỷ lệ nhất định, sau đó nung ở nhiệt độ cao để tạo ra vật liệu lai. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và mang lại hiệu quả cao trong việc tạo ra các vật liệu xúc tác có tính chất ưu việt.

4.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Vật liệu G-C3N4/CoFe2O4/Graphen được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là trong việc phân hủy các chất kháng sinh trong nước. Nhờ tính chất quang xúc tác và khả năng hấp phụ mạnh, vật liệu này mang lại hiệu suất cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm. Ngoài ra, khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu cũng được cải thiện nhờ tính từ tính của CoFe2O4.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng do sự tồn dư của các chất kháng sinh như tetracycline (TC), việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả để xử lý các chất ô nhiễm này trở thành một nhu cầu cấp thiết. Theo ước tính, nồng độ các chất kháng sinh trong nước thải có thể dao động từ vài mg/L đến hàng chục mg/L, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O4/graphen nhằm ứng dụng trong xử lý chất kháng sinh TC trong môi trường nước. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp vật liệu composite có khả năng xúc tác quang và hấp phụ hiệu quả, đồng thời có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các điều kiện thí nghiệm chuẩn hóa về nhiệt độ, nồng độ và thời gian chiếu sáng. Kết quả nghiên cứu không chỉ đóng góp vào lĩnh vực hóa học vật liệu mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong xử lý nước thải chứa chất kháng sinh, góp phần phát triển các công nghệ xử lý môi trường 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 xúc tác quang và cấu trúc vật liệu bán dẫn composite. Lý thuyết xúc tác quang mô tả quá trình kích hoạt chất xúc tác bán dẫn dưới ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg), tạo ra cặp electron-lỗ trống quang sinh tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử để phân hủy các chất ô nhiễm. Mô hình Langmuir-Hinshelwood được áp dụng để phân tích động học phản ứng quang xúc tác. Về cấu trúc vật liệu, nghiên cứu tập trung vào vật liệu tổ hợp gồm graphitic carbon nitride (g-C3N4) với năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, ferrite spinel CoFe2O4 có tính từ cao và graphen oxit dạng khử (rGO) với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt. Ba khái niệm chính được sử dụng là: (1) cơ chế quang xúc tác dị thể, (2) cấu trúc spinel của CoFe2O4, và (3) tính chất vật liệu 2D của graphen và g-C3N4.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm và dung dịch tetracycline chuẩn. Phương pháp tổng hợp vật liệu bao gồm: (1) tổng hợp graphen oxit (GO) bằng phương pháp Hummers cải tiến, sau đó khử hóa học thành rGO bằng hydrazin; (2) tổng hợp CoFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt ở 180°C trong 12 giờ; (3) tổng hợp g-C3N4 bằng phương pháp nung pha rắn urê ở 500°C trong 4 giờ; (4) tổng hợp vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O4/rGO bằng phương pháp trộn lẫn pha rắn và xử lý kiềm. Phân tích đặc trưng vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (UV-Vis DRS), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), kính hiển vi điện tử quét (SEM), từ kế mẫu rung (VSM) và phương pháp BET để xác định diện tích bề mặt. Hoạt tính xúc tác quang được khảo sát qua phản ứng phân hủy tetracycline dưới ánh sáng khả kiến, với các điều kiện chuẩn: nồng độ TC 10 mg/L, khối lượng xúc tác 0,05 g, thể tích dung dịch 100 mL, nhiệt độ 30°C, thời gian chiếu sáng 240 phút. Động học phản ứng được phân tích theo mô hình Langmuir-Hinshelwood. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu: Kết quả XRD cho thấy các mẫu rGO, CoFe2O4 (CF), g-C3N4 (GCN) và vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO có cấu trúc tinh thể rõ ràng, với kích thước tinh thể trung bình khoảng 15-20 nm. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức năng đặc trưng như hydroxyl, epoxy trên rGO và các nhóm amine trên g-C3N4. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu tổ hợp đạt khoảng 120 m²/g, cao hơn 30% so với vật liệu đơn thành phần.

2. Hiệu suất phân hủy TC: Vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO đạt hiệu suất phân hủy TC lên đến 85% sau 240 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với các vật liệu riêng lẻ như rGO (40%), CF (55%) và GCN (60%). Tăng khối lượng xúc tác từ 0,03 g lên 0,1 g làm tăng hiệu suất phân hủy từ 70% lên 90%. Khi tăng nồng độ TC từ 20 mg/L đến 100 mg/L, hiệu suất giảm từ 90% xuống còn 65%, cho thấy ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến hoạt tính xúc tác.

3. Khả năng thu hồi và tái sử dụng: Vật liệu tổ hợp có thể thu hồi dễ dàng bằng từ trường ngoài và tái sử dụng ít nhất 3 lần mà hiệu suất phân hủy TC chỉ giảm nhẹ khoảng 5%, chứng tỏ tính ổn định và bền vững của vật liệu.

4. Động học phản ứng: Phân tích động học theo mô hình Langmuir-Hinshelwood cho thấy hằng số tốc độ phản ứng k đạt khoảng 0,012 min⁻¹, cao hơn 2-3 lần so với các vật liệu đơn thành phần, minh chứng cho hiệu quả xúc tác quang được cải thiện rõ rệt nhờ sự kết hợp vật liệu.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác quang cao của vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO được giải thích bởi sự giảm đáng kể quá trình tái kết hợp electron-lỗ trống nhờ hiệu ứng "bẫy electron" của rGO và sự phân tán tốt của CoFe2O4 trên bề mặt g-C3N4. So với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy TC của vật liệu này vượt trội hơn khoảng 20-30%, đồng thời khả năng thu hồi từ tính giúp nâng cao tính ứng dụng thực tế. Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ TC theo thời gian cho thấy đường cong phân hủy gần với đường thẳng khi biểu diễn ln(C0/C) theo thời gian, phù hợp với động học bậc nhất. Bảng so sánh các thông số vật liệu và hiệu suất xúc tác minh họa rõ sự ưu việt của vật liệu tổ hợp. Kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của việc thiết kế vật liệu composite đa chức năng trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ pha vật liệu: Đề xuất điều chỉnh tỷ lệ g-C3N4, CoFe2O4 và rGO để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu, hướng tới nâng cao hiệu quả phân hủy trên 90% trong vòng 3 giờ. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu vật liệu trong 6 tháng tiếp theo.

2. Nâng cao khả năng tái sử dụng: Phát triển quy trình tái sinh vật liệu xúc tác nhằm duy trì hiệu suất trên 85% sau 5 lần sử dụng, giảm chi phí vận hành. Các phòng thí nghiệm công nghệ môi trường nên phối hợp triển khai trong 1 năm.

3. Mở rộng ứng dụng xử lý nước thải thực tế: Thử nghiệm vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chứa hỗn hợp chất ô nhiễm hữu cơ và kháng sinh, đánh giá hiệu quả và độ bền vật liệu. Các doanh nghiệp xử lý nước và viện nghiên cứu môi trường có thể thực hiện trong 18 tháng.

4. Nghiên cứu cơ chế phân hủy sâu: Áp dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại để xác định sản phẩm trung gian và cuối cùng của quá trình phân hủy TC, đảm bảo không phát sinh chất độc hại mới. Các nhóm nghiên cứu hóa học phân tích nên thực hiện song song với các đề xuất trên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu xúc tác quang: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/CoFe2O4/rGO, giúp phát triển các vật liệu xúc tác mới có hiệu suất cao.

2. Chuyên gia xử lý môi trường nước: Thông tin về hiệu quả phân hủy tetracycline và khả năng tái sử dụng vật liệu hỗ trợ thiết kế các hệ thống xử lý nước thải chứa kháng sinh.

3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Các giải pháp vật liệu từ luận văn có thể ứng dụng trong quy trình xử lý nước thải công nghiệp, giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Khoa học vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích và ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong môi trường nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu g-C3N4/CoFe2O4/rGO có ưu điểm gì so với vật liệu đơn thành phần?
   Vật liệu tổ hợp kết hợp ưu điểm của từng thành phần: g-C3N4 có vùng cấm phù hợp cho quang xúc tác, CoFe2O4 cung cấp tính từ giúp thu hồi dễ dàng, rGO tăng dẫn điện và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
   Phương pháp tổng hợp chủ yếu sử dụng các kỹ thuật phổ biến như phương pháp thủy nhiệt, nung pha rắn và trộn lẫn pha rắn, dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm với thiết bị tiêu chuẩn.

3. Khả năng tái sử dụng vật liệu sau bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu có thể tái sử dụng ít nhất 3 lần với hiệu suất phân hủy TC giảm không quá 5%, đảm bảo tính kinh tế và bền vững trong ứng dụng thực tế.

4. Ảnh hưởng của nồng độ TC đến hiệu suất phân hủy như thế nào?
   Khi tăng nồng độ TC từ 20 mg/L lên 100 mg/L, hiệu suất phân hủy giảm từ 90% xuống còn khoảng 65%, do sự cạnh tranh hấp phụ và giới hạn số lượng vị trí hoạt động trên bề mặt xúc tác.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải công nghiệp không?
   Vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh và các hợp chất hữu cơ khác nhờ hiệu suất cao và khả năng thu hồi từ tính, tuy nhiên cần thử nghiệm quy mô lớn để đánh giá hiệu quả thực tế.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O4/rGO với cấu trúc tinh thể rõ ràng, diện tích bề mặt lớn và tính từ cao.
• Vật liệu tổ hợp thể hiện hiệu suất phân hủy tetracycline lên đến 85% sau 240 phút chiếu sáng, vượt trội so với các vật liệu đơn thành phần.
• Khả năng thu hồi bằng từ trường và tái sử dụng ít nhất 3 lần với hiệu suất giữ ổn định, đảm bảo tính kinh tế và bền vững.
• Phân tích động học phù hợp với mô hình Langmuir-Hinshelwood, hằng số tốc độ phản ứng cao hơn nhiều so với vật liệu riêng lẻ.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa thành phần vật liệu, mở rộng ứng dụng xử lý nước thải thực tế và nghiên cứu sâu cơ chế phân hủy để nâng cao hiệu quả và độ an toàn.

Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các quy trình tái sinh vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lí do chọn đề tài. Mục tiêu của đề tài. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu:.

Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. Giới thiệu graphen oxit và graphen oxit dạng khử .Tổng quan về graphen oxit (GO). Graphen oxit dạng Graphen khử (Reduced Oxide: rGO). Ứng dụng của graphen oxit và graphen.

Vật liệu cobal ferrite CoFe2O4. Cấu trúc của vật liệu ferrite spinel MFe2O4. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ferrite spinel MFe2O4 .Ứng dụng ferrite spinel MFe2O4. Giới thiệu về vật liệu cacbon nitride, g-C3N4.

Cấu trúc vật liệu cacbon nitride, g-C3N4. Phƣơng pháp tổng hợp và tình hình nghiên cứu của g-C3N4. Giới thiệu vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O4/graphen và ứng dụng. Giới thiệu về xúc tác quang.

Khái niệm về xúc tác quang. Cơ chế phản ứng quang xúc tác. Giới thiệu về tetracyline. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

Hóa chất và dụng cụ. Tổng hợp vật liệu. Tổng hợp graphen oxit và graphen. Tổng hợp CoFe2O4.

Tổng hợp vật liệu g- C3N4. Tổng hợp vật liệu CoFe2O4 /graphen và g- C3N4/ CoFe2O4 /graphen. Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD).

Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform – Infrared Spectrascopy, FT-IR). Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (Ultraviolet- Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS). Phƣơng pháp quang phổ tia X phân tán năng lƣợng (Energy Dispersive X ray Spectrocopy, EDX). Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).

Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer-VSM). Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET). Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp. Xây dựng đƣờng chuẩn.

Khảo sát thời gian đạt cân b ng hấp phụ. Khả năng xúc tác quang của các vật liệu trong phản ứng phân hủy TC37 2. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính của xúc tác GCN/CF/rGO trong quá trình phân hủy TC. Khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu.

Nghiên cứu động học quá trình xúc tác. Nghiên cứu cơ chế phản ứng quang xúc tác. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đặc trƣng vật liệu.

Graphen oxit dạng khử (rGO), ferrite spinel (CF) và vật liệu biến tính (CF/rGO). Đặc trƣng vật liệu g-C3N4 (GCN). Đặc trƣng vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.

Xây dựng đƣờng chuẩn. Khảo sát thời gian đạt cân b ng hấp phụ. Khả năng xúc tác quang của các vật liệu trong phản ứng phân hủy TC58 3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính của xúc tác GCN/CF/rGO trong quá trình phân hủy TC.

Quá trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu. Nghiên cứu động học phản ứng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO. Nghiên cứu cơ chế phản ứng. 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

72 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 75 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) e DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Nồng độ (mg/L) L : lít mg : miligam nm : nanomet GO : Graphen oxit (Graphene oxide) rGO : Graphen oxit dạng khử (Reduced graphene oxide) CF : Coban ferrite (CoFe2O4) GCN : Graphitic carbon nitride (g – C3N4) AOPs : Quá trình oxi hóa nâng cao (Advance Oxidation Process) CB : Conduction band (Vùng dẫn) VB : Valance band (Vùng hóa trị) eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh) Eg : Band gap energy (Năng lƣợng vùng cấm) h⁺VB : Photogenerated hole (Lỗ trống quang sinh) IR : Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy) TC : Tetracyline SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) UV-Vis DRS : UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến) XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) EDX : Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (Energy Dispersive X- Ray Spectroscopy) e DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.Bán kính của một số ion kim loại. Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel .Thế oxi hóa của các chất oxy hóa điển hình.

Danh mục hóa chất sử dụng trong khóa luận .Thành phần phần trăm các nguyên tố có trong vật liệu tổ hợp .Thành phần phần trăm các nguyên tố trong các mẫu CF/rGO, GCN và 0,2GCN/CF/rGO .Giá trị năng lƣợng vùng cấm của các mẫu vật liệu rGO, CF, GCN, CF/rGO, GCN/CF/rGO.H ng số tốc độ phản ứng theo mô hình Langmuir-Hinshelwood. 5 Hiệu suất phân hủy TC khi không có chất dập tắt (WO) và.70 e DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ tạo graphen oxit từ graphit. Cấu trúc của GO theo L.

Mô phỏng hình ảnh graphen. Sơ đồ tổng hợp graphen từ graphit. Cấu trúc tinh thể của ferrite spinel. Mô hình các khối cơ bản của g-C3N4: triazine (trái),.

Sơ đồ minh họa quá trình tổng hợp g-C3N4 từ các tiền chất. Thế khử chuẩn của g - C3N4 tại pH = 7. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu g-C3N4/ AgBr/ rGO. Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể.

Sơ đồ biểu diễn cơ chế oxi hóa. Sơ đồ biểu diễn cơ chế khử. Cơ chế xúc tác quang của vật liệu biến tính A và B là chất bán dẫn. Công thức cấu tạo của Tetracyline (TC).

Sơ đồ nhiễu xạ Rơnghen. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể. Độ tù của peak phản xạ gây ra do kích thƣớc hạt. Hình ảnh minh họa xúc tác đƣợc thu hồi dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài sau khi đƣợc tách ra.

Giản đồ XRD của rGO (1), CF (2). Phổ FT-IR của rGO(1), CF(2) và CF/rGO (3). Phổ EDX của CF. Ảnh SEM và SEM-Mapping của CF.

Phổ EDX của CF/rGO. Ảnh SEM, SEM-Mapping của vật liệu CF/rGO. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ của rGO; CF và CF/rGO. Đƣờng cong từ hóa của CF (a); CF/rGO (b).

Giản đồ XRD của mẫu GCN. Phổ IR của mẫu vật liệu GCN. Ảnh SEM (a) và phổ EDX (b) của vật liệu GCN. Ảnh SEM của vật liệu composite GCN/CF-rGO tổng hợp ở các tỉ lệ GCN:CF-rGO là 0,2 (a); 0,5 (b) và 1 (c).

Phổ EDX của vật liệu composite GCN/CF-rGO tổng hợp ở các tỉ lệ GCN:CF-rGO là 0,2 (a); 0,5 (b) và 1 (c). Phổ IR của vật liệu composite GCN/CF-rGO tổng hợp. Giản đồ XRD của rGO (a); GCN (b), CF (c); CF/rGO (d) và. Phổ IR của rGO (a); GCN (b), CF (c); CF/rGO (d) và.

Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) của CF/rGO (a),. Phổ UV-Vis của TC. Đƣờng chuẩn của TC. Dung lƣợng hấp phụ TC theo thời gian của GCN, rGO, CF, CF/rGO.

Đồ thị sự phụ thuộc Ct/C0 của dung dịch TC theo thời gian phân hủy. Hiệu suất phân hủy TC trên các xúc tác sau 240 phút chiếu sáng. Phổ UV-Vis DRS trạng thái rắn của các mẫu vật liệu rGO, CF, GCN, CF/rGO, GCN/CF/rGO. Đồ thị sự phụ thuộc hàm Kubelka - Munk vào năng lƣợng photon nh m ƣớc tính năng lƣợng vùng cấm Eg của các mẫu rGO, CF, GCN, CF/rGO, GCN/CF/rGO.

Phổ UV-Vis của sản phẩm quá trình phân hủy TC ở các thời điểm của chất xúc tác GCN/CF/rGO. Sự giảm Ct/Co của TC theo thời gian khi thay đổi lƣợng chất xúc tác. Hiệu suất phân hủy TC trên các xúc tác sau 240 phút chiếu sáng. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Ct/C0 theo thời gian phân hủy TC.

Hiệu suất phân hủy TC trên xúc tác GCN/CF/rGO. Hiệu suất phân hủy TC của xúc tác GCN/CF/rGO. Phổ IR của xúc tác GCN/CF/rGO sau 2 lần tái sử dụng. Sự phụ thuộc ln(C0/C) vào thời gian chiếu sáng của xúc tác GCN/CF/ GO ở các nồng độ 20 mg/L (a); 50 mg/L (b);100mg/L (c); 120 mg/L (d) và 150 mg/L.

Ảnh hƣởng của chất dập tắt đến sự phân hủy TC. Lí do chọn đề tài Nghiên cứu các hệ vật liệu mới với nhiều tính năng, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của khoa học công nghệ rất có ý nghĩa và nhận đƣợc sự quan tâm của cộng đồng các nhà khoa học. Việc lựa chọn loại vật liệu cũng nhƣ phƣơng pháp tổng hợp vật liệu theo định hƣớng đơn giản, dễ thực hiện, an toàn và thân thiện với môi trƣờng mà mang lại hiệu quả xử lý cao và kinh tế luôn là vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu. Có thể nói thành tựu nổi bật nhất trong lĩnh vực khoa học vật liệu những năm đầu thế kỷ 21 là việc tách thành công graphen đơn lớp từ graphit cũng nhƣ việc chế tạo, cô lập, nhận dạng và xác định đặc tính của graphen đƣợc công bố bởi hai nhà khoa học vật lý gốc Nga, Andre K.

Geim và Konstantin S. Graphen và vật liệu trên cơ sở graphen cũng nhƣ vật liệu biến tính thuộc họ vật liệu cacbon với cấu trúc 2D có những tính chất đặc biệt nhƣ diện tích bề mặt rất lớn, rất bền ngay cả trong môi trƣờng axit lẫn bazơ; độ bền cơ học cao; dẫn nhiệt, dẫn điện tốt; nhiều nhóm chức, đa dạng về cách chế tạo và nguyên liệu. Vì có nhiều đặc tính khác thƣờng so với các vật liệu nano đƣợc biết hiện nay nên graphen và vật liệu trên cơ sở graphen đƣợc xem là một vật liệu nền lý tƣởng thuận lợi để gắn các phần tử xúc tác nano kim loại và oxit kim loại dƣới dạng phân tán cao tạo thành các nanocomposit kim loại/ oxit kim loại - graphen nhờ vào bề mặt chứa các nhóm chức hoạt động của GO b ng liên kết không đồng hóa trị ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nanocomposite của các ferrite có cấu trúc spinel dạng MFe2O4 với graphene để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ cũng nhƣ một số chất kháng sinh trong môi trƣờng nƣớc đạt đƣợc nhiều bƣớc tiến đáng kể.

Một trong những vấn đề đƣợc quan tâm nhất hiện nay là hiệu quả kinh tế, vật liệu nghiên cứu không những có hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm cao mà còn có khả năng thu hồi và tái sử dụng. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra r ng, vật liệu từ tính cung cấp một phƣơng pháp mới để tách và tái sử dụng nhờ tác dụng của từ trƣờng ngoài. e 2 Các vật liệu này đảm bảo một phần từ tính, với chức năng tách dƣới tác dụng của một từ trƣờng ngoài và thứ hai, là chất hoạt động với chức năng hấp phụ/ phân hủy quang xúc tác các chất hữu cơ gây ô nhiễm.