Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính chất lý hóa và ứng dụng của vật liệu carbon từ rơm

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu điều chế các tính chất lý hóa và định hướng ứng dụng của vật liệu carbon biến tính từ rơm, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Bích
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Thành
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Carbon Từ Rơm: Tính Chất Lý Hóa Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ hóa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON CÓ NGUỒN GỐC SINH KHỐI THỰC VẬT
• 2.1. Giới thiệu chung về vật liệu carbon từ sinh khối thực vật
• 2.2. Cấu trúc của các lignocellulosic có trong sinh khối thực vật
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu carbon từ rơm

Vật liệu carbon từ rơm là một trong những nguồn tài nguyên tái tạo có giá trị cao. Rơm, một sản phẩm phụ của ngành nông nghiệp, chứa một lượng lớn carbon và có thể được chuyển hóa thành các vật liệu carbon có tính chất lý hóa đặc biệt. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu carbon từ rơm không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Theo các nghiên cứu, rơm có thể được sử dụng để sản xuất biochar, một loại vật liệu carbon có khả năng hấp phụ tốt, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước và không khí. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu carbon từ rơm trong việc giải quyết các vấn đề môi trường hiện nay.

1.1. Tính chất lý hóa của vật liệu carbon từ rơm

Tính chất lý hóa của vật liệu carbon từ rơm rất đa dạng và phụ thuộc vào phương pháp chế biến. Các nghiên cứu cho thấy rằng, vật liệu carbon từ rơm có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và tính ổn định tốt. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và điều kiện chế biến ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Ví dụ, việc sử dụng nhiệt độ cao trong quá trình carbon hóa có thể tạo ra các vật liệu carbon với cấu trúc nano, giúp tăng cường khả năng hấp phụ của chúng. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho vật liệu carbon trong các lĩnh vực như xử lý nước thải, lưu trữ năng lượng và sản xuất vật liệu xây dựng bền vững.

II. Ứng dụng của vật liệu carbon từ rơm

Vật liệu carbon từ rơm có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường. Vật liệu carbon từ rơm có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ độc hại. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng biochar từ rơm có thể giảm thiểu ô nhiễm nước và cải thiện chất lượng đất. Ngoài ra, vật liệu carbon còn được ứng dụng trong sản xuất pin và siêu tụ điện, nhờ vào khả năng dẫn điện tốt và tính ổn định cao. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm nguyên liệu mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

2.1. Vật liệu carbon trong xử lý nước thải

Trong xử lý nước thải, vật liệu carbon từ rơm đã chứng minh được hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm. Các nghiên cứu cho thấy, biochar có khả năng hấp phụ mạnh mẽ các ion kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại. Việc sử dụng vật liệu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn giảm thiểu chi phí xử lý. Hơn nữa, biochar có thể được tái sử dụng nhiều lần, tạo ra một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm nước. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của vật liệu carbon từ rơm trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

III. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu carbon từ rơm đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc phát triển các sản phẩm thân thiện với môi trường. Các tính chất lý hóa của vật liệu này cho thấy tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ xử lý ô nhiễm đến lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng của vật liệu carbon từ rơm. Việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình chế biến sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tiễn.

3.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu về vật liệu carbon từ rơm cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế biến hiệu quả hơn, nhằm tối ưu hóa tính chất vật liệu. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các ứng dụng mới trong lĩnh vực năng lượng và môi trường cũng rất cần thiết. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao giá trị của rơm mà còn góp phần vào việc phát triển nền nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường. Sự kết hợp giữa khoa học và công nghệ sẽ là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu carbon từ rơm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O VIàN HÀN LÂM KHOA HâC VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HàC VIâN KHOA HàC VÀ CÔNG NGHâ ----------------------------------- NGUYàN NGàC BÍCH NGHIÊN C¯U ĐIÀU CH¾, CÁC TÍNH CHÂT LÝ HÓA VÀ ĐÞNH H¯àNG ¯NG DĀNG CĂA VÀT LIâU CARBON BI¾N TÍNH TĀ R¡M LUÀN ÁN TI¾N SĨ HOÁ HàC Hà Nßi – 2023 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O VIàN HÀN LÂM KHOA HâC VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HàC VIâN KHOA HàC VÀ CÔNG NGHâ ----------------------------------- NGUYàN NGàC BÍCH NGHIÊN C¯U ĐIÀU CH¾, CÁC TÍNH CHÂT LÝ HÓA VÀ ĐÞNH H¯àNG ¯NG DĀNG CĂA VÀT LIâU CARBON BI¾N TÍNH TĀ R¡M Chuyên ngành: Hóa vô c¢ Mã sß chuyên ngành: 9 44 01 13 LUÀN ÁN TI¾N SĨ HOÁ HàC NG¯äI H¯âNG DÀN KHOA HâC: 1. Nguyßn Đình Thành 2. Ph¿m Cao Thanh Tùng Hà Nßi – 2023 i LâI CÀM ¡N Låi đÁu tiên, tôi xin gÿi låi cÁm ¢n sâu sÅc đÃn ThÁy PGS. Nguyßn Đình Thành và ThÁy TS.

Ph¿m Cao Thanh Tùng đã nhiát tình h°ãng dÁn cho tôi trong sußt quá trình thăc hián luÃn án. Tôi xin trân trãng cÁm ¢n Lãnh đ¿o, Quý thÁy cô Vián Khoa hãc VÃt liáu Ąng dāng, Vián Hàn lâm Khoa hãc và Công nghá Viát Nam đã luôn giúp đỡ trong thåi gian hãc tÃp và nghiên cąu. Tôi xin chân thành cÁm ¢n Ban Giám đßc Hãc vián Khoa hãc và Công nghá, Lãnh đ¿o Khoa Hóa và Bá phÃn hß trÿ đào t¿o đã giúp đỡ trong sußt thåi gian thăc hián luÃn án. Tôi xin thể hián lòng biÃt ¢n chân thành đÃn các thÁy cô cùng các b¿n sinh viên t¿i Phòng thí nghiám Hóa lý Ąng dāng, Tr°ång Đ¿i hãc Khoa hãc Tă Nhiên, Đ¿i hãc Qußc gia Thành phß Há Chí Minh đã t¿o điều kián thuÃn lÿi, tÃn tình h°ãng dÁn trong sußt thåi gian thăc hián nghiên cąu t¿i Phòng thí nghiám.

Tôi xin chân thành cÁm ¢n Ban Giám hiáu Tr°ång Đ¿i hãc Đáng Tháp, Ban Giám đßc và các đáng nghiáp Trung tâm Thăc hành – Thí nghiám, Tr°ång Đ¿i hãc Đáng Tháp đã t¿o mãi điều kián tßt nh¿t cho tôi trong thåi gian hãc tÃp và làm viác vừa qua. Cußi cùng, tôi xin bày tỏ să cÁm ¢n sâu sÅc nh¿t đÃn nhāng ng°åi thân trong gia đình, b¿n bè đã luôn quan tâm và đáng viên tôi trong sußt thåi gian hãc tÃp và nghiên cąu.HCM, ngày tháng năm 2023 Tác giÁ luÃn án Nguyán Ngác Bích ii LâI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng nhāng kÃt quÁ đ°ÿc trình bày d°ãi đây là trung thăc và ch°a đ°ÿc công bß trong luÃn án khác. T¿t cÁ đáng tác giÁ căa các bài báo đã công bß đều đáng thuÃn cho phép tôi sÿ dāng để báo cáo luÃn án tiÃn sĩ. Tác giÁ luÃn án Nguyán Ngác Bích iii MĀC LĀC LäI CÀM ¡N.iii DANH MĀC CÁC KÍ HIàU, CÁC CHĀ VIÂT TÄT.vi DANH MĀC CÁC BÀNG.

viii DANH MĀC CÁC HÌNH VÀ, Đà THà.ix Mæ ĐÀU. Tãng quan về vÃt liáu carbon có nguán gßc sinh khßi thăc vÃt. Giãi thiáu chung về vÃt liáu carbon từ sinh khßi thăc vÃt. Các ph°¢ng pháp điều chà vÃt liáu carbon từ sinh khßi thăc vÃt.

Mát sß ąng dāng phã biÃn căa r¢m và tro tr¿u. Ąng dāng phã biÃn căa r¢m. Ąng dāng phã biÃn căa tro tr¿u. Giãi thiáu về thußc nhuám xanh methylene và arsenic.

Giãi thiáu về thußc nhuám xanh methylene. Giãi thiáu chung về arsenic. C¢ sç lý thuyÃt căa quá trình h¿p phā thußc nhuám MB và anion kim lo¿i As trên than sinh hãc. Tãng quan về nguán đián hoá hãc.

Giãi thiáu các nguán đián hoá hãc. Pin s¿c Li-ion. Phân lo¿i và xu h°ãng phát triển căa siêu tā đián. Tình hình nghiên cąu liên quan đÃn đề tài.

VÃt liáu than sinh hãc từ sinh khßi đ°ÿc biÃn tính bçi các mußi. VÃt liáu than sinh hãc từ tính từ sinh khßi ąng dāng làm ch¿t h¿p phā. Than ho¿t tính biÃn tính ąng dāng làm vÃt liáu đián căc. Silica trong nâng cao dung l°ÿng đián hóa.

KÃt luÃn rút ra từ tãng quan. Nguyên liáu và hoá ch¿t. Điều chà vÃt liáu h¿p phā. Điều chà than sinh hãc (BC).

Điều chà than sinh hãc từ tính (MC). Điều chà vÃt liáu đián căc. Điều chà than ho¿t tính biÃn tính N (ACN). Điều chà than ho¿t tính đáng biÃn tính N và Mn (ACNMn).

Điều chà vÃt liáu nano SiO2. KhÁo sát khÁ năng h¿p phā căa vÃt liáu BC. KhÁ năng h¿p phā dung dách MB căa các mÁu BC. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ của mẫu BCZn.

Đẳng nhiát h¿p phā căa mÁu BCZn. KhÁo sát khÁ năng h¿p phā căa vÃt liáu MC. KhÁ năng h¿p phā dung dách MB căa các mÁu MC. KhÁ năng h¿p phā MB, As(V) và As(III) căa mÁu MC-1.

Đánh giá khÁ năng tái sÿ dāng trên mÁu MC-1. Phân tích tính chất điện hoá của các vật liệu ACN, ACN/SiO2 và ACNMn. Quy trình lÅp tā đián. Ph°¢ng pháp quét thà vòng tuÁn hoàn.

Ph°¢ng pháp đo phóng s¿c dòng cß đánh. Ph°¢ng pháp tãng trç đián hoá. Phân tích tính ch¿t đặc tr°ng căa vÃt liáu. Phã tán sÅc năng l°ÿng tia X.

Phã háng ngo¿i biÃn đãi Furier. Hiển vi đián tÿ quét. Hiển vi đián tÿ truyền qua. Đẳng nhiát h¿p phā - khÿ h¿p phā N2.

Xác đánh điểm đián tích không pHPZC. KÂT QUÀ - THÀO LUÂN. Thành phÁn hoá hãc căa nguyên liáu r¢m và tro tr¿u. KÃt quÁ quá trình điều chà BC.

Ành h°çng căa tác nhân mußi biÃn tính đÃn tính ch¿t căa BC. Đánh giá khÁ năng h¿p phā MB trên mÁu BCZn. KÃt quÁ quá trình điều chà MC. Ành h°çng căa náng đá dung dách FeCl3 đÃn tính ch¿t căa MC.

Đánh giá khÁ năng h¿p phā MB, As(V) và As(III) trên mÁu MC-1. KÃt quÁ quá trình điều chà SiO2. KÃt quÁ quá trình điều chà ACN. Ành h°çng căa l°ÿng urea đÃn tính ch¿t căa các mÁu ACN.

KhÁo sát tính ch¿t đián hoá căa các mÁu ACN. KhÁo sát tính ch¿t đián hoá căa các mÁu ACN/SiO2. KÃt quÁ quá trình điều chà ACNMn. Ành h°çng căa tß lá KMnO4 đÃn tính ch¿t căa các mÁu ACNMn.

KhÁo sát tính ch¿t đián hoá căa các mÁu ACNMn. 100 KÂT LUÂN VÀ KIÂN NGHà. 104 NHĀNG ĐÓNG GÓP MâI CĂA LUÂN ÁN. 105 DANH MĀC CÔNG TRÌNH CĂA TÁC GIÀ.

106 TÀI LIàU THAM KHÀO. 107 PHĀ LĀC vi DANH MĀC CÁC KÍ HIâU, CÁC CHĀ VI¾T TÂT I. Danh māc các ký hiãu H Hiáu su¿t căa quá trình chuyển hóa r¢m thành than sinh hãc (%) mRS Khßi l°ÿng r¢m thô ban đÁu (g) mBC Khßi l°ÿng sÁn ph¿m than sinh hãc thu đ°ÿc (g) R Hiáu su¿t h¿p phā trên vÃt liáu t¿i thåi điểm t (%) C0 Náng đá căa ch¿t bá h¿p phā ban đÁu (mg/L) Ct Náng đá căa ch¿t bá h¿p phā t¿i thåi điểm t (mg/L) qt Dung l°ÿng h¿p phā trên vÃt liáu t¿i thåi điểm t (mg/g) qe Dung l°ÿng h¿p phā t¿i cân bằng (mg/g) qm Dung l°ÿng h¿p phā căc đ¿i (mg/g) V Thể tích dung dách (L) m L°ÿng ch¿t h¿p phā (g) k1 Hằng sß tßc đá biểu kiÃn bÃc nh¿t t¿i thåi điểm t (phút−1) k2 Hằng sß tßc đá biểu kiÃn bÃc hai t¿i thåi điểm t (g/(mg phút)) KL Hằng sß h¿p phā Langmuir (L/mg) KF Hằng sß h¿p phā Freundlich (mg/g (L/mg)1/n) ó2 Phân tích Chi-bình ph°¢ng phi tuyÃn tính qe,exp Dung l°ÿng h¿p phā thăc nghiám (mg/g) qe,cal Dung l°ÿng h¿p phā tính toán (mg/g) ∆G0 Năng l°ÿng tă do Gibbs (kJ/mol) ∆H0 BiÃn thiên entanpy tiêu chu¿n (kJ/mol) ∆S0 BiÃn thiên entropy (J/mol K) KD Hằng sß cân bằng nhiát đáng hãc (L/g) CCV Đián dung riêng tính theo CV (F/g) I C°ång đá dòng đián (A) m Tãng khßi l°ÿng vÃt liáu trên 2 đián căc (g)  Tßc đá quét thà (V/s) ∆V Hiáu đián thà (V) pHPZC Điểm đián tích không căa vÃt liáu SBET Dián tích bề mặt riêng (m2/g) vii VP Thể tích lß xßp (cm3/g) DP Kích th°ãc lß xßp (nm) II. Danh māc tā vi¿t tÃt Chā vi¿t tÃt Ti¿ng Anh Ti¿ng Viãt HTC Hydrothermal Carbonization Carbon hóa thăy nhiát BC Biochar Than sinh hãc MC Magnetic biochar Than sinh hãc từ tính AC Active carbon Than ho¿t tính RS Rice straw R¢m MB Methylene blue Xanh metylen UV-Vis Ultra Violet-Visible H¿p thā tÿ ngo¿i - khÁ kiÃn XRD X-Ray Diffraction Nhißu x¿ tia X EDX Energy-dispersive X-ray Tán sÅc năng l°ÿng tia X FTIR Fourier transform infrared Háng ngo¿i biÃn đãi Fourier SEM Scanning electron microscopy Hiển vi đián tÿ quét TEM Transmission electron microscopy Hiển vi đián tÿ truyền qua BET Brunauer-Emmett-Teller Phân tích dián tích bề mặt VSM Vibrating sample magnetometer Từ kà mÁu rung EDLC Electronic Double Layer Capacitor Tā đián lãp kép CV Cyclic Voltammetry Quét thà vòng tuÁn hoàn GCD Galvanostatic charge-discharge Đo phóng s¿c dòng cß đánh EIS Electrochemical Impedance Phã tãng trç đián hóa Spectroscopy viii DANH MĀC CÁC BÀNG BÁng 2.

Danh sách hóa ch¿t thí nghiám. Thành phÁn khßi l°ÿng các nguyên tß và sÿi x¢ trong r¢m. Thành phÁn khßi l°ÿng các ch¿t trong tro tr¿u. Hiáu su¿t chuyển hóa và hiáu su¿t h¿p phā căa RS và mÁu BC.

Phân tích thành phÁn nguyên tß và các thông sß bề mặt căa RS và BCZn. Các thông sß đáng hãc căa să h¿p phā MB trên BCZn ç 30 oC. Các thông sß đẳng nhiát căa să h¿p phā MB trên BCZn. Các thông sß bề mặt căa các mÁu MC-0 và MC-1.

Các thông sß đáng hãc căa să h¿p phā MB, As(V) và As(III) trên MC-1. Các thông sß đẳng nhiát căa să h¿p phā trên MC-1. BÁng so sánh đá từ hoá và dung l°ÿng h¿p phā căa MC-1. Các thông sß nhiát đáng căa să h¿p phā trên MC-1.0 ç các nhiát đá khác nhau.

Các thông sß bề mặt các mÁu ACN. Các thông sß bề mặt các mÁu than biÃn tính đáng thåi Mn và N. Phân tích thành phÁn nguyên tß căa các mÁu than biÃn tính đáng thåi Mn và N100 BÁng 3. So sánh đián l°ÿng riêng căa mÁu than điều chà vãi các than biÃn tính khác.

102 ix DANH MĀC CÁC HÌNH VẼ, Đà THÞ Hình 1. SÁn l°ÿng thßng kê toàn cÁu về sinh khßi lignocellulose. C¿u trúc căa các lignocellulosic căa sinh khßi. Biểu dißn liên kÃt căa hemicellulose vãi cellulose và lignin.

C¿u t¿o phân tÿ MB. Các d¿ng căa asen trong n°ãc. GiÁn đá Eh - pH căa các d¿ng tán t¿i căa asen trong n°ãc. BÁng đá ô nhißm asen t¿i miền bÅc.

BÁng đá ô nhißm asen t¿i l°u văc sông Cÿu Long. C¢ chà căa să h¿p phā MB trên than sinh hãc từ cây sÃy. C¢ chà thúc đ¿y să h¿p phā MB trên composit than sinh hãc/FexOy. C¢ chà căa să h¿p phā As trên composit than sinh hãc/FexOy.

GiÁn đá Ragone căa các nguán năng l°ÿng đián hoá. S¢ đá quá trình s¿c căa pin Li-ion .