Nghiên Cứu Tổng Hợp Và Ứng Dụng Vật Liệu Khung Hữu Cơ Lưỡng Kim Loại M/Fe−MOFs Trong Hấp Phụ Chất Màu Hữu Cơ Độc Hại

• Tác giả: Trần Thị Kim Ngân
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Thị Kim Ngân
• Trường học: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu Khung Hữu Cơ Lưỡng Kim Loại Trong Hấp Phụ Chất Màu Độc Hại
• Loại tài liệu: báo cáo tổng hợp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Vật liệu khung hữu cơ kim loại (metal-organic frame works- MOFs)
• 1.1. Cấu trúc đặc trưng và tính chất của MOFs
• 1.2. Các phương pháp tổng hợp MOFs
• 1.3. Giới thiệu về vật liệu MOF hấp phụ
• 1.4. Tổng quan về vật liệu biến tính Fe-MOFs
• 1.5. Đặc điểm cấu trúc vật liệu biến tính M/Fe-MOFs
• 1.6. Ứng dụng của vật liệu biến tính M/Fe−MOF làm chất hấp phụ chất màu hữu cơ
• 1.7. Hiện trạng ô nhiễm chất màu hữu cơ
• 1.8. Phương pháp xử lý màu hữu cơ
• 1.9. Chất màu Methylene blue (MB)
• 1.10. Chất màu Rhodamine B (RhB)
• 1.11. Chất màu Methyl orange (MO)
• 1.12. Chất màu Congo red (CR)
• 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất thí nghiệm
• 2.4. Quy trình thực nghiệm
• 2.5. Tổng hợp vật liệu Fe-MOF
• 2.6. Tổng hợp vật liệu Co/Fe−MOF x% (x là 5, 10, 30 và 50)
• 2.7. Tổng hợp vật liệu M/Fe−MOF (M là Cu, Ni, và Mn)
• 2.8. Đánh giá khả năng hấp phụ chất màu
• 2.9. Các công thức tính
• 2.10. Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu
• 2.10.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD)
• 2.10.2. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (Ultra Violet-Visible, UV-Vis)
• 2.10.3. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM)
• 2.10.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET)
• 2.10.5. Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy, IR)
• 2.10.6. Phương pháp xác định hằng số động học, đẳng nhiệt hấp phụ và nhiệt động học
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các tính chất đặc trưng của vật liệu Fe-MOF và Co/Fe-MOF
• 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Giản đồ quang phổ FT-IR
• 3.4. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitrogen (BET)
• 3.5. Vật liệu biến tính lưỡng kim M/Fe −MOF (M là Mn, Cu và Ni)
• 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của M/Fe-MOF
• 3.7. Giản đồ quang phổ FT-IR
• 3.8. Ảnh SEM của M/Fe-MOF
• 3.9. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitrogen (BET) của M/Fe-MOF
• 3.10. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu biến tính Co/Fe−MOF
• 3.11. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ thuốc nhuộm của vật liệu M/Fe-MOF (M = Ni, Mn và Cu)
• 3.12. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ của 0,3 Co/Fe−MOF
• 3.12.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 3.12.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ thuốc nhuộm
• 3.12.3. Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ
• 3.12.4. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu thuốc nhuộm
• 3.13. Khả năng tái sử dụng của 0,3 Co/Fe-MOF
• 3.14. Các mô hình hấp phụ
• 3.14.1. Mô hình động học hấp phụ
• 3.14.2. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.15. Khả năng hấp phụ hỗn hợp thuốc nhuộm của Co/Fe-MOF
• 3.15.1. Hỗn hợp thuốc nhuộm cation (MB) và anion (MO)
• 3.15.2. Hỗn hợp thuốc nhuộm cation (RhB + MB)
• 3.15.3. Hỗn hợp thuốc nhuộm anion (MO + CR)
• 3.16. Cơ chế đề nghị của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm
• 3.17. So sánh kết quả đề tài với các nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm khác
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan vật liệu khung hữu cơ lưỡng kim xử lý ô nhiễm

Ô nhiễm chất màu độc hại từ ngành dệt nhuộm là vấn đề cấp bách. Mỗi năm, hàng ngàn tấn chất màu thải ra môi trường, đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các chất màu hữu cơ này thường khó phân hủy, tồn tại lâu dài trong môi trường nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sinh vật thủy sinh và nguồn nước sinh hoạt. Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF), đặc biệt là MOF lưỡng kim loại, như một giải pháp tiềm năng cho việc hấp phụ chất ô nhiễm. Vật liệu này có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng tùy biến cao, hứa hẹn hiệu quả vượt trội trong việc loại bỏ chất màu khỏi nước thải so với các vật liệu truyền thống như than hoạt tính. Đề tài "Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite trên cơ sở khung hữu cơ lưỡng kim loại FeIII MII‒BDC (M = MnII, CoII, NiII, and CuII) trong xử lý chất màu hữu cơ độc hại" sẽ đánh giá tiềm năng của MOF lưỡng kim trong việc giải quyết bài toán ô nhiễm chất màu.

1.1. Khung hữu cơ kim loại MOF Vật liệu tiềm năng

Khung hữu cơ kim loại (MOF) là vật liệu đầy hứa hẹn trong lĩnh vực xử lý nước thải, đặc biệt là khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Cấu trúc độ xốp MOF cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng thiết kế linh hoạt mở ra tiềm năng lớn trong việc loại bỏ các chất màu độc hại. Tính chất hấp phụ của MOF vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống. Nghiên cứu tập trung vào MOF lưỡng kim loại để tăng cường hiệu quả hấp phụ.

1.2. MOF lưỡng kim Giải pháp hấp phụ chất màu hiệu quả

MOF lưỡng kim loại kết hợp ưu điểm của hai kim loại, mang lại hiệu quả hấp phụ cao hơn so với MOF đơn kim. Sự kết hợp này có thể cải thiện tính chọn lọc hấp phụ, tăng độ ổn định của MOF, và tạo ra các tâm hoạt động mới cho quá trình hấp phụ. Việc nghiên cứu MOF lưỡng kim mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ tiên tiến.

II. Thách thức xử lý chất màu độc hại trong nước thải hiện nay

Ngành công nghiệp dệt nhuộm thải ra một lượng lớn nước thải chứa chất màu độc hại. Các phương pháp xử lý truyền thống như keo tụ, kết tủa, và oxy hóa hóa học thường không hiệu quả hoặc tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Hấp phụ chất ô nhiễm bằng than hoạt tính là một phương pháp phổ biến, nhưng chi phí cao và khả năng tái sử dụng hạn chế là những nhược điểm lớn. Do đó, cần có những giải pháp công nghệ xử lý ô nhiễm mới, hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường và có khả năng tái tạo vật liệu hấp phụ. Việc phát triển vật liệu mới như MOF lưỡng kim hứa hẹn giải quyết những thách thức này.

2.1. Ô nhiễm chất màu Tác động nghiêm trọng đến môi trường

Chất màu trong nước thải không chỉ gây mất mỹ quan mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái. Chúng có thể cản trở quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh, làm giảm nồng độ oxy hòa tan, và gây độc cho các sinh vật khác. Nhiều chất màu còn có khả năng gây ung thư và đột biến gen. Việc xử lý nước thải chứa chất màu là vô cùng quan trọng.

2.2. Hạn chế của phương pháp xử lý nước thải truyền thống

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn chất màu. Một số phương pháp còn tạo ra các sản phẩm phụ độc hại hơn. Chi phí vận hành và bảo trì của các hệ thống này cũng khá cao. Cần có các giải pháp công nghệ xử lý ô nhiễm tiên tiến hơn, hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường.

2.3. Nhu cầu cấp thiết về vật liệu hấp phụ mới hiệu quả

Để giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm chất màu, cần phát triển các vật liệu hấp phụ mới có khả năng hấp phụ chất ô nhiễm cao, tính chọn lọc hấp phụ tốt, độ ổn định của MOF cao, và có khả năng tái sử dụng. Vật liệu nano như MOF lưỡng kim hứa hẹn đáp ứng được những yêu cầu này.

III. Phương pháp tổng hợp MOF lưỡng kim hiệu quả vượt trội

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp tổng hợp MOF bằng phương pháp nhiệt dung môi, một kỹ thuật hiệu quả để tạo ra vật liệu có cấu trúc tinh thể cao và kích thước hạt nano. Quá trình tổng hợp MOF được tối ưu hóa để tạo ra MOF lưỡng kim loại Fe/M-MOF (M = Co, Ni, Cu) với diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ chất màu cao. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp MOF như tỷ lệ kim loại, nhiệt độ, thời gian phản ứng và dung môi được nghiên cứu kỹ lưỡng để đạt được hiệu quả tối ưu. Phương pháp này cho phép kiểm soát cấu trúc và đặc tính vật liệu MOF một cách chính xác.

3.1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu Fe M MOF

Quy trình tổng hợp MOF nhiệt dung môi được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh các thông số như tỷ lệ Fe/M, nhiệt độ, thời gian phản ứng, và loại dung môi. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số này giúp tạo ra vật liệu khung nano có cấu trúc mong muốn và tính chất hấp phụ tối ưu.

3.2. Kiểm soát cấu trúc và đặc tính vật liệu MOF lưỡng kim

Phương pháp nhiệt dung môi cho phép kiểm soát kích thước hạt, độ tinh thể, và thành phần hóa học của MOF lưỡng kim loại. Điều này giúp điều chỉnh đặc tính vật liệu MOF, như diện tích bề mặt, kích thước lỗ xốp, và số lượng tâm hoạt động. Nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra vật liệu hấp phụ có hiệu quả cao đối với chất màu độc hại.

IV. Đánh giá khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ của MOF mới

Khả năng hấp phụ chất màu ô nhiễm của vật liệu khung nano được đánh giá thông qua các thí nghiệm hấp phụ trong điều kiện khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ, bao gồm pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của chất màu, và liều lượng vật liệu hấp phụ, được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy MOF lưỡng kim loại Fe/M-MOF có khả năng hấp phụ vượt trội so với MOF đơn kim. Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu khung nano sau nhiều chu kỳ hấp phụ.

4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả hấp phụ

Các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ chất màu, và liều lượng vật liệu hấp phụ đến hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm. Kết quả cho thấy MOF lưỡng kim có khả năng hoạt động hiệu quả trong một phạm vi rộng các điều kiện.

4.2. So sánh hiệu quả hấp phụ của MOF đơn kim và lưỡng kim

Hiệu quả hấp phụ chất ô nhiễm của MOF lưỡng kim Fe/M-MOF được so sánh với MOF đơn kim Fe-MOF. Kết quả cho thấy sự kết hợp của hai kim loại trong cấu trúc khung hữu cơ giúp tăng cường khả năng hấp phụ chất ô nhiễm của vật liệu.

V. Phân tích cơ chế hấp phụ và khả năng tái sử dụng MOF hiệu quả

Nghiên cứu đi sâu vào phân tích cơ chế hấp phụ của vật liệu khung hữu cơ kim loại đối với các chất màu độc hại. Các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Khả năng tái sử dụng của vật liệu khung nano sau nhiều chu kỳ hấp phụ cũng được đánh giá. Kết quả cho thấy MOF lưỡng kim loại có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu quả hấp phụ, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.

5.1. Tìm hiểu cơ chế hấp phụ chất màu của vật liệu MOF

Các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ được sử dụng để mô tả chi tiết quá trình hấp phụ chất màu của MOF lưỡng kim. Phân tích này giúp hiểu rõ hơn về tương tác giữa chất màu và bề mặt vật liệu, từ đó tối ưu hóa hiệu quả hấp phụ.

5.2. Đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ MOF

Khả năng tái sử dụng của MOF lưỡng kim là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính khả thi của ứng dụng trong thực tế. Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi tính chất hấp phụ của MOF sau nhiều chu kỳ hấp phụ và giải hấp phụ.

VI. Kết luận và ứng dụng vật liệu MOF trong xử lý ô nhiễm

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp MOF lưỡng kim loại Fe/M-MOF với khả năng hấp phụ chất màu cao. Kết quả cho thấy vật liệu khung hữu cơ kim loại này có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải chứa chất màu độc hại từ ngành công nghiệp dệt nhuộm. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp MOF, cải thiện độ ổn định của MOF, và phát triển các phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn. Ứng dụng trong môi trường là một tiềm năng lớn của vật liệu này.

6.1. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính về vật liệu MOF

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của MOF lưỡng kim Fe/M-MOF trong việc loại bỏ chất màu độc hại khỏi nước thải. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các giải pháp công nghệ xử lý ô nhiễm hiệu quả và thân thiện với môi trường.

6.2. Triển vọng ứng dụng MOF trong xử lý ô nhiễm môi trường

Ứng dụng của MOF trong xử lý nước thải và các lĩnh vực khác như công nghệ xử lý ô nhiễm không khí, nghiên cứu khoa học vật liệu, và vật liệu mới là rất lớn. Cần có sự đầu tư và hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp, và chính phủ để đưa vật liệu này vào ứng dụng thực tế.