Nghiên Cứu Vật Liệu Graphene và Ứng Dụng Trong Thấm Lọc Dầu

Cấu trúc của graphene là một mạng lưới lục giác hai chiều, trong đó mỗi nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử carbon khác. Liên kết này tạo ra một cấu trúc rất bền vững và linh hoạt. Các điện tử pi (π) không tham gia vào liên kết sigma tạo nên tính dẫn điện đặc biệt của graphene. Cấu trúc này cũng cho phép graphene có diện tích bề mặt rất lớn, làm cho nó trở thành một vật liệu hấp dẫn cho các ứng dụng như hấp phụ và lọc dầu.

Graphene có tính dẫn điện và nhiệt vượt trội so với nhiều vật liệu khác. Độ linh động của điện tử trong graphene rất cao, cho phép các điện tử di chuyển nhanh chóng qua vật liệu. Điều này làm cho graphene trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử tốc độ cao. Độ dẫn nhiệt của graphene cũng rất cao, cho phép nó tản nhiệt hiệu quả. Theo tài liệu, độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene đo ở nhiệt độ phòng vào khoảng 5000 W.m-1K-1, cao hơn các dạng thù hình khác của carbon như than chì và kim cương [6].

Graphene là một trong những vật liệu bền nhất được biết đến. Cấu trúc mạng lưới lục giác của nó mang lại độ bền kéo cao và khả năng chống lại sự biến dạng. Đồng thời, graphene cũng rất linh hoạt và có thể uốn cong mà không bị gãy. Điều này làm cho graphene trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong các thiết bị linh hoạt và có thể uốn cong.

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp GO, nhưng phương pháp Hummers là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp Hummers sử dụng các chất oxy hóa mạnh, chẳng hạn như kali permanganat (KMnO4) và axit sulfuric (H2SO4), để oxy hóa graphite. Các phương pháp khác bao gồm phương pháp Staudenmaier và phương pháp Brodie. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

GO có nhiều tính chất hóa học và vật lý đặc trưng. Các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO làm cho nó trở nên ưa nước và dễ phân tán trong nước. GO cũng có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Tuy nhiên, GO có tính dẫn điện kém hơn graphene do sự gián đoạn của mạng lưới carbon liên tục bởi các nhóm chức chứa oxy.

GO có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nó có thể được sử dụng làm màng lọc để tách dầu khỏi nước, làm cảm biến để phát hiện các chất hóa học, và làm vật liệu composite để tăng cường độ bền của các vật liệu khác. GO cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng y sinh, chẳng hạn như dẫn thuốc và chẩn đoán hình ảnh.

Cơ chế hấp phụ dầu của graphene và GO dựa trên tương tác kỵ nước giữa bề mặt graphene và các phân tử dầu. Bề mặt graphene có tính kỵ nước, có nghĩa là nó đẩy nước và thu hút dầu. Khi graphene tiếp xúc với hỗn hợp dầu và nước, dầu sẽ bị hấp phụ lên bề mặt graphene, trong khi nước bị đẩy ra.

Màng graphene và màng GO có thể được sử dụng để tách dầu khỏi nước với hiệu quả cao. Các màng này có các lỗ nhỏ cho phép nước đi qua, nhưng ngăn chặn dầu. Khi hỗn hợp dầu và nước được đưa qua màng, nước sẽ đi qua màng, trong khi dầu bị giữ lại.

Graphene và GO có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu composite có khả năng hấp phụ dầu cao. Các vật liệu composite này thường bao gồm graphene hoặc GO được phân tán trong một ma trận polymer. Graphene hoặc GO cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp phụ dầu, trong khi polymer cung cấp độ bền cơ học và khả năng xử lý.

Phương pháp Hummers cải tiến là một phương pháp phổ biến để chế tạo GO trong phòng thí nghiệm. Phương pháp này bao gồm việc oxy hóa graphite bằng các chất oxy hóa mạnh, sau đó bóc tách các lớp GO bằng siêu âm. Các điều kiện tổng hợp, chẳng hạn như nồng độ của các chất oxy hóa, thời gian phản ứng và nhiệt độ, có thể được tối ưu hóa để đạt được các tính chất mong muốn của GO.

Cấu trúc và tính chất của vật liệu GO chế tạo có thể được đánh giá bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) và phân tích kích thước hạt. Các kỹ thuật này cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, thành phần hóa học và kích thước hạt của GO.

Hiệu quả thấm lọc dầu của vật liệu GO có thể được đánh giá bằng cách thực hiện các thử nghiệm thấm lọc dầu trong phòng thí nghiệm. Các thử nghiệm này thường bao gồm việc cho hỗn hợp dầu và nước đi qua một cột chứa vật liệu GO, sau đó đo lượng dầu còn lại trong nước. Hiệu quả thấm lọc dầu được xác định bằng cách so sánh lượng dầu trong nước trước và sau khi thấm lọc.

Graphene và GO có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và tính chọn lọc đối với dầu. Chúng cũng có thể được tái sử dụng sau khi hấp phụ dầu, làm cho chúng trở thành một lựa chọn kinh tế và thân thiện với môi trường.

Chi phí sản xuất graphene và GO vẫn còn tương đối cao, điều này hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng quy mô lớn. Độ bền cơ học của graphene và GO cũng có thể bị suy giảm trong quá trình sử dụng, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.

Các hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc giảm chi phí sản xuất graphene và GO, cải thiện độ bền cơ học của chúng và phát triển các phương pháp chức năng hóa graphene để tăng cường khả năng hấp phụ dầu và tính chọn lọc.

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng graphene và GO có khả năng hấp phụ dầu hiệu quả, có thể được sử dụng để tạo ra các màng lọc hiệu quả và có thể được tái sử dụng sau khi hấp phụ dầu.

Graphene và GO có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý nước thải dầu, làm sạch dầu tràn và bảo vệ môi trường biển.

Cần tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển (R&D) để khai thác tối đa tiềm năng của graphene và GO trong lĩnh vực thấm lọc dầu và các lĩnh vực khác.