Luận án tiến sĩ: Tổng hợp vật liệu UIO-66 biến tính và khả năng hấp phụ asen trong môi trường nước

Luận án tiến sĩ môi trường nghiên cứu nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu cơ kim loại uio 66 biến tính và khả năng hấp phụ asen trong, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2023

148
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3. THỰC NGHIỆM

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu

Luận án tập trung vào nghiên cứu tổng hợp vật liệu UiO-66 biến tính và ứng dụng trong việc hấp phụ asen (As) trong môi trường nước. Asen là một chất độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Các phương pháp xử lý asen truyền thống như keo tụ, trao đổi ion, và màng lọc có nhiều hạn chế về hiệu quả và chi phí. Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs), đặc biệt là UiO-66, được xem là một giải pháp tiềm năng nhờ diện tích bề mặt lớn, độ ổn định cao, và khả năng tùy chỉnh cấu trúc. Luận án này nhằm tổng hợp và biến tính UiO-66 để tăng cường khả năng hấp phụ asen, đồng thời nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.

1.1. Vấn đề ô nhiễm asen trong nước

Asen là một nguyên tố độc hại, thường tồn tại trong nước dưới dạng As(III) và As(V). Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), nồng độ asen trong nước uống không được vượt quá 10 μg/L. Tuy nhiên, nhiều khu vực trên thế giới, đặc biệt là châu Á, có nồng độ asen vượt ngưỡng này. Việc tiếp xúc lâu dài với asen có thể gây ra các bệnh ung thư nội tạng như gan, phổi, và thận. Do đó, việc phát triển các phương pháp xử lý asen hiệu quả và tiết kiệm chi phí là vô cùng cấp thiết.

1.2. Ứng dụng của vật liệu MOFs trong xử lý asen

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) là một lớp vật liệu mới với cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, và khả năng tùy chỉnh cao. UiO-66, một loại MOFs chứa zirconium, được nghiên cứu rộng rãi nhờ độ ổn định cao và khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm. Các nghiên cứu gần đây cho thấy UiO-66 có thể hấp phụ asen với dung lượng cao, đặc biệt khi được biến tính để tạo thêm các khuyết tật và tâm hoạt động. Luận án này tập trung vào việc tổng hợp UiO-66 với các chất điều biến như axit acetic, HCl, và CTABr để tăng cường khả năng hấp phụ asen.

II. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu

Luận án sử dụng phương pháp nhiệt dung môi để tổng hợp UiO-66 và các biến thể của nó. Các chất điều biến như axit acetic, HCl, và CTABr được sử dụng để tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc vật liệu, nhằm tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Vật liệu sau tổng hợp được đặc trưng bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR), hiển vi điện tử quét (SEM), và phân tích nhiệt (TGA). Kết quả cho thấy các biến thể của UiO-66 có cấu trúc ổn định và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho việc hấp phụ asen.

2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu UiO 66

Vật liệu UiO-66 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, sử dụng zirconium chloride và axit terephthalic làm tiền chất. Các chất điều biến như axit acetic, HCl, và CTABr được thêm vào để tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc. Quá trình tổng hợp được thực hiện ở nhiệt độ cao (150-200°C) trong thời gian dài (24-96 giờ). Kết quả thu được là các mẫu UiO-66 với kích thước hạt nhỏ và cấu trúc xốp.

2.2. Đặc trưng vật liệu

Các mẫu UiO-66 được đặc trưng bằng XRD để xác định cấu trúc tinh thể, FTIR để phân tích các nhóm chức, và SEM để quan sát hình thái bề mặt. Kết quả cho thấy các mẫu UiO-66 có cấu trúc ổn định và diện tích bề mặt lớn, đặc biệt là các mẫu được biến tính với CTABr. Phân tích nhiệt (TGA) cũng cho thấy vật liệu có độ ổn định nhiệt cao, phù hợp cho các ứng dụng thực tế.

III. Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen

Luận án tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của các mẫu UiO-66 biến tính. Kết quả cho thấy các mẫu UiO-66 biến tính với CTABr và Fe3+ có khả năng hấp phụ asen cao nhất, đạt tới 303 mg/g. Các yếu tố như pH, nồng độ asen ban đầu, và thời gian hấp phụ được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình. Động học hấp phụ được mô tả bằng các mô hình Langmuir và Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo cơ chế hóa học. Vật liệu cũng được đánh giá khả năng tái sử dụng, cho thấy hiệu quả hấp phụ ổn định sau nhiều chu kỳ.

3.1. Ảnh hưởng của pH và nồng độ asen

Kết quả nghiên cứu cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ asen của UiO-66. Ở pH trung tính (6-8), hiệu quả hấp phụ đạt cao nhất do sự tương tác tĩnh điện giữa vật liệu và ion asen. Nồng độ asen ban đầu cũng ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ, với nồng độ càng cao thì dung lượng hấp phụ càng tăng, nhưng đến một ngưỡng nhất định thì hiệu quả hấp phụ sẽ giảm.

3.2. Động học và cơ chế hấp phụ

Động học hấp phụ asen được mô tả bằng các mô hình Langmuir và Freundlich. Kết quả cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo cơ chế hóa học, với sự tương tác mạnh giữa vật liệu và ion asen. Cơ chế hấp phụ được đề xuất là sự kết hợp giữa tương tác tĩnh điện và liên kết hóa học giữa các tâm hoạt động trên bề mặt vật liệu với ion asen.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Luận án đã thành công trong việc tổng hợp và biến tính UiO-66 để tăng cường khả năng hấp phụ asen. Các mẫu UiO-66 biến tính với CTABr và Fe3+ cho thấy hiệu quả hấp phụ cao, đạt tới 303 mg/g, vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hiệu quả hấp phụ. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của UiO-66 trong việc xử lý nước ô nhiễm asen, đặc biệt là ở các khu vực có nồng độ asen cao.

4.1. Đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc phát triển các vật liệu mới có khả năng hấp phụ asen hiệu quả, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quá trình hấp phụ. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tế để xử lý nước ô nhiễm asen, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp UiO-66 để giảm chi phí và thời gian sản xuất. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng UiO-66 trong các lĩnh vực khác như xúc tác, lưu trữ năng lượng, và dẫn truyền thuốc cũng là một hướng đi tiềm năng.

13/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nguồn nước sạch trên thế giới ngày càng suy giảm rõ rệt do các hoạt động công nghiệp hóa của con người [1]. Hiên nay, các tác nhân như asen (As), thuốc nhuộm, thuốc kháng sinh, amoni, kim loại nặng,. gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng [2], [3]. Trong đó, As được xem là một trong những chất gây ô nhiễm nguồn nước nhất do nó có độc tính rất cao, gây ảnh hưởng đến động vật và sức khỏe con người ngay cả ở nồng độ rất thấp [4].

Những người tiếp xúc lâu dài với nguồn nước ô nhiễm asen các bệnh ung thư nội tạng bao gồm gan, phổi và thận [5]. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã đưa ra mức khuyến cáo đối với asen trong nước uống là 10 μg/L. Theo ước tính, khoảng 94 triệu đến 220 triệu người có nguy cơ uống nước có nồng độ asen >10 μg/L (với 94% trong số họ cư trú ở châu Á) [6]. Do đó, các phương pháp xử lý As được các nhà nghiên cứu quan tâm và phát triển để tiết kiệm chi phí.

Hiện nay, các phương pháp để loại bỏ As ra khỏi nguồn nước như keo tụ hóa học, thẩm thấu ngược, trao đổi ion, màng lọc và phương pháp hấp phụ [7]. Trong các phương pháp trên, phương pháp hấp phụ mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí [8]. Một số các vật liệu được ứng dụng để hấp phụ As bao gồm như than hoạt tính (AC), khoáng sét, FexOy, nhựa trao đổi ion [9]. Tuy nhiên, dung lượng hấp phụ, tính chọn lọc, tốc độ hấp phụ của các loại vật liệu này thấp, do đó kém hiệu quả kinh tế và triển khai ứng dụng thực tế.

Gần đây, vật liệu khung cơ kim (MOFs) được sử dụng để hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước được nghiên cứu phổ biến do có diện tích bề mặt cao, độ ổn định cơ học và kích thước mao quản có thể thay đổi thích hợp [10]. Vật liệu MOFs được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hấp phụ, xúc tác, điện hóa, lưu trữ năng lượng, quang xúc tác, pin điện [11], [12], [13]. Thật vậy, nhờ tính ổn định về mặt hóa học mà MOFs được ứng dụng để loại bỏ các nguyên tố độc hại ra khỏi nước. Vật liệu khung cơ kim chứa hai kim loại Co và Fe (Co-Fe- MOF-74) có thể hấp phụ As(III) và As(V) lần lượt là 266,52 và 292,29 mg/g [14].

Vật liệu δ-MnO2@Fe/Co-MOF-74, Fe/Mg-MIL-88B hấp phụ As(III) 2 với dung lượng cực đại đạt 300,5 và 303,6 mg/g, tương ứng [15], [16]. Vật liệu UiO-66 với các khuyết tật, thiếu liên kết được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi có thể hấp phụ tới 303 mg/g As(V) trong nước. Như vậy, trong các vật liệu MOFs đã đề cập, vật liệu UiO-66 cho thấy khả năng hấp thụ asen cao nhất so với các chất hấp phụ thương mại và tổng hợp khác [9]. Vật liệu UiO-66 được hình thành bởi 12 phối tử cầu nối axit terephthalate liên kết với các cụm bát diện Zr6O4(OH)4 được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực hấp phụ, pin điện, xúc tác, dẫn truyền thuốc, điện hóa, … nhờ các tính chất như diện tích bề mặt cao, bền nhiệt, ổn định, độc tính thấp, thân thiện với môi trường [17].

Tuy nhiên, vật liệu UiO-66 có cấu trúc vi mao quản với đường kính mao quản nhỏ (1-2 nm), do đó hạn chế sự tiếp xúc giữa các chất phản ứng. Gần đây, vật liệu UiO-66 có đường kính mao quản trung bình và nhiều các khuyết tật cho phép các phân tử có kích thước lớn, cồng kềnh dễ dàng tiếp xúc và khuếch tán các tâm hoạt động của vật liệu, do đó làm tăng hiệu quả hấp phụ và xúc tác [18]. Matthew và cộng sự [19] đã sử dụng axit fomic để làm chất điều biến thúc đẩy hình thành các khuyết tật và cấu trúc mao quản trung bình. Xiaodong và cộng sự [20] đã tổng hợp vật liệu UiO-66 cấu trúc mao quản trung bình với sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt CTABr để định hướng các vị trí khuyết tật.

Vật liệu UiO-66-CTABr có cấu trúc mao quản trung bình và nhiều khuyết tật hấp phụ tới 275 mg/g toluene, cao hơn nhiều so với mẫu UiO-66 (151 mg/g) và hiệu quả hấp phụ toluene sau 3 chu kỳ cao thay đổi không đáng kể. Wenlong và cộng sự [21] sử dụng hiệu ứng nhiệt của quá trình xử lý plasma để tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc của UiO-66. Năng suất sản phẩm đã tăng khoảng 43% khi UiO-66 có khuyết tật so với UiO-66 không có khuyết tật và ổn định cao sau 4 chu kỳ phản ứng. Những kết quả này cho thấy vật liệu UiO-66 (Zr) nhiều khuyết tật có thể là hệ vật liệu đầy hứa hẹn cho quá trình hấp phụ chất ô nhiễm trong môi trường nước và không khí.

Tuy nhiên, vật liệu UiO-66 (Zr) có các khuyết tật thường được tổng hợp ở nhiệt độ phản ứng cao (150-200 oC), áp suất cao, 3 thời gian tạo mầm, kết tinh dài (24-96h), tiêu thụ nhiều năng lượng và kích thước hạt lớn (1-10 µm). Do đó, để hội nhập với xu thế phát triển mới trên thế giới về MOFs, chúng tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu cơ kim loại UiO-66 biến tính và khả năng hấp phụ asen trong môi trường nước”. Trong luận án này, tôi tổng hợp vật liệu UiO-66 chứa Zr bằng phương pháp nhiệt dung môi và sử dụng chất điều biến khác nhau (axit HCl, axit acetic và CTABr) để tạo ra vật liệu UiO-66 nhiều khuyết tật. Sau đó, vật liệu UiO-66 được biến tính với Fe3+ để tạo ra thêm các tâm hoạt động và các khuyết tật.

Vật liệu UiO-66 được ứng dụng trong nghiên cứu loại bỏ As(V) ra khỏi môi trường nước. Các yếu tố ảnh hưởng của pH, nồng độ As(V) ban đầu, động học hấp phụ và cơ chế hấp phụ As(V) đã được nghiên cứu. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu, tổng hợp vật liệu UiO-66, UiO-66 nhiều khuyết tật và ứng dung để loại bỏ As(V) trong nước. Đánh giá dung lượng hấp phụ As(V) và nghiên cứu động học, cơ chế hấp phụ As(V).

Nội dung của luận án Nghiên cứu tổng hợp vật liệu UiO-66 nhiều khuyết tật sử dụng các chất điều biến khác nhau (axit HCl, axit acetic, CTABr). Nghiên cứu đặc trưng các tính chất hóa lý, hình thái học và cấu trúc của các mẫu vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp XRD, FT-IR, SEM, TEM, EDX, BET, XPS, TG-DTA. Đánh giá dung lượng hấp phụ, tỉ lệ loại bỏ As(V) và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ As(V) như pH và nồng độ As(V). Nghiên cứu động học và đề xuất cơ chế hấp phụ As(V) của vật liệu UiO-66.

Ô nhiễm asen trong nước và các phương pháp xử lý 1. Tình trạng ô nhiễm asen trong nước Do cấu tạo tự nhiên của địa chất, asen (As) có trong một số khoáng vật như gallery, orpiment, arsenopyrite, sunfit, …. Do đó, khi nước chảy qua tiếp xúc với các quặng chứa As, As sẽ bị hòa tan và di chuyển vào nguồn nước làm cho nguồn nước bị nhiễm As. Hơn nữa, các chất thải trong công nghiệp chứa các hóa chất có thể làm tăng độ tan của As trong các loại quặng.

Ngoài ra, một lượng lớn nguồn nước chứa As được phát thải ra từ các hoạt động trong các lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp. Các chất thải trong công nghiệp chứa các hóa chất có thể làm tăng độ tan của As trong các loại quặng. Từ những năm đầu thế kỷ XX đến nay, nguồn nước bị nhiễm As trở thành vấn nạn của các quốc gia trên toàn thế giới, khi các thảm họa nhiễm độc As được phát hiện ở Ấn Độ, Nhật Bản, Hungari, Canada, Hà Lan, Achentina, Mehico, Đài Loan, Chi Lê, Trung Quốc và Bangladesh (Mỹ) [8]. Ở Việt Nam, nhiều nơi thuộc châu thổ sông Hồng đã phát hiện nguồn nước bị ô nhiễm As với nồng độ cao (cao hơn giới hạn an toàn cho sức khỏe con người) [22].

Tetsuro Agusa và cộng sự [22] báo cáo tìm thấy hàm lượng As trong nước khoáng lên đến 0,1 đến 330 µg/l, và có tới 40% mẫu nước vượt quá tiêu chuẩn cho phép về nước uống của WHO là 10 µg/l ở khu vực Thanh Trì và Gia Lâm-Hà Nội. Nguyễn Vân Anh và cộng sự [23] báo cáo nguồn nước ba làng Hoà Hậu, Bồ Đề, Vĩnh Trù, tỉnh Hà Nam h à m l ư ợ n g A s trong nước trung bình là 325, 211 và 348 µg/l vượt quá tiêu chuẩn cho phép (10 µg/l). Phạm Hùng Việt và cộng sự [24] báo cáo nguồn nước ngầm tầng chứa nước Pleistocen gần Hà Nội, Việt Nam có thể bị nhiễm As do hoạt động khai thác nước ngầm. Cụ thể, As có thể xâm nhập ngang hơn 120 mét từ tầng chứa nước Holocene vào tầng chứa nước Pleistocen chưa bị ô nhiễm.

Nhóm tác giả đã phát hiện ra rằng asen hấp phụ trên cát chứa nước và sự hấp phụ chậm lại 16-20 lần về 5 mức độ ô nhiễm so với chuyển động ngang của nước ngầm được tái tạo trong cùng thời gian. Các dạng tồn tại của asen và ảnh hưởng của asen đến sức khỏe con người Trong tự nhiên, As tồn tại dưới dạng vô cơ chiếm tỷ lệ cao, As hầu hết tồn tại ở các dạng sunfua, oxit hoặc muối của canxi, đồng, natri, sắt, ., là những chất độc hại và là mối quan tâm lớn về môi trường và sức khỏe của tất cả các quốc gia. As có bốn mức oxi hóa khác nhau như mức oxi hoá -3, 0, +3 và +5. As tồn tại trong môi trường nước gồm các dạng như là asin (AsH3), axit dimethylasenic, axit methylasenic, asenat (AsO43-), asenit (AsO33-), axit asenic (HAsO42-, H2AsO4- và H3AsO4) và axit asenơ (HAsO32-, H2AsO3-, H3AsO3) [8].

Trong đó, H 3 AsO 3 , HAsO4- và HAsO42- chủ yếu tồn tại trong môi trường oxi hóa khử yếu, môi trường trung tính và môi trường kiềm, tương ứng. Asenit độc, linh động, tan tốt trong nước, và rất khó xử lý hơn so với asenat. Biểu đồ thể hiện các dạng tồn tại của As phụ thuộc vào pH ở 25 °C và 101,3 kPa [25] 6 Các dạng tồn tại của As phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa và pH của môi trường. Các hợp chất asen vô cơ độc hơn asen hữu cơ và As(III) độc hơn As(V).

Đặc biệt, các dạng oxyanion của kim loại, các hợp chất As(III) và As(V) gây ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như môi trường [26]. Các giá trị của pH làm ảnh hưởng đến dạng tồn tại của asen (Hình 1. Mặt khác, As(V) vẫn ở dạng oxyanion âm trong điều kiện sinh lý (pH ~ 7,4). Tính linh động và độc tính của As(III) cao hơn As(V) vì ion trung tính làm giảm hiệu quả hấp phụ của nó trong bề mặt khoáng chất [27].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu UIO-66 biến tính và ứng dụng hấp phụ asen trong nước là một tài liệu chuyên sâu tập trung vào việc phát triển vật liệu UIO-66 biến tính để xử lý asen trong nước. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp phương pháp tổng hợp hiệu quả mà còn đánh giá khả năng hấp phụ asen của vật liệu, mang lại giải pháp tiềm năng cho vấn đề ô nhiễm nguồn nước. Đây là nguồn tài liệu hữu ích cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư môi trường và những ai quan tâm đến công nghệ xử lý nước thải.

Để mở rộng kiến thức về các phương pháp xử lý nước, bạn có thể tham khảo thêm Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học tổng hợp hydroxyapatit từ vỏ sò dùng làm chất hấp phụ asen, nghiên cứu này cũng tập trung vào việc loại bỏ asen bằng vật liệu hấp phụ. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu chế tạo vật liệu quang xúc tác xử lý nước ngầm nhiễm amoni trên địa bàn tỉnh Hà Nam cung cấp góc nhìn mới về ứng dụng vật liệu trong xử lý nước ngầm. Cuối cùng, Luận án tiến sĩ hoá học vật liệu trên cơ sở ZIF-67 tổng hợp và ứng dụng sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về các vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) và tiềm năng của chúng trong lĩnh vực hóa học môi trường.

Mỗi liên kết trên là cơ hội để bạn khám phá thêm các phương pháp và công nghệ tiên tiến trong xử lý nước, từ đó mở rộng hiểu biết và ứng dụng vào thực tiễn.