Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ kim loại UIO66 và khả năng hấp phụ asen trong môi trường nước

• Tác giả: Nguyễn Đức Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Tuyến
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Khung Hữu Cơ Kim Loại UIO-66 Và Khả Năng Hấp Phụ Asen Trong Môi Trường Nước
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 3. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu khung hữu cơ kim loại UiO 66

Vật liệu khung hữu cơ kim loại UIO66 là một trong những vật liệu MOFs (Metal-Organic Frameworks) được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong lĩnh vực hấp phụ. Vật liệu khung hữu cơ kim loại này được tổng hợp từ các cụm bát diện Zr6O4(OH)4 liên kết với các phối tử axit terephthalate, cho phép tạo ra cấu trúc với diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Đặc biệt, UIO66 có khả năng hấp phụ asen hiệu quả, với dung lượng hấp phụ có thể đạt tới 303 mg/g cho As(V). Điều này khiến UIO66 trở thành một lựa chọn lý tưởng để xử lý ô nhiễm asen trong nước, một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường hiện nay. Như được nêu trong nghiên cứu, "Vật liệu UIO66 đã cho thấy khả năng hấp thụ asen cao nhất so với các chất hấp phụ thương mại và tổng hợp khác." Những đặc điểm này không chỉ giúp UIO66 nổi bật trong lĩnh vực xử lý môi trường mà còn mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng khác trong xúc tác và lưu trữ năng lượng.

II. Phương pháp tổng hợp và biến tính vật liệu UiO 66

Quá trình tổng hợp vật liệu UIO66 được thực hiện thông qua phương pháp nhiệt dung môi, trong đó các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng được tối ưu hóa để tạo ra cấu trúc vi mao quản với đường kính phù hợp. Việc sử dụng các chất điều biến như axit HCl, axit acetic và CTABr không chỉ giúp tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc mà còn làm tăng khả năng hấp phụ của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy, "Vật liệu UIO66 với các khuyết tật có thể hấp phụ asen hiệu quả hơn so với vật liệu không có khuyết tật." Đặc biệt, việc biến tính với Fe3+ đã tạo ra thêm các tâm hoạt động giúp nâng cao khả năng hấp phụ. Các kết quả từ phương pháp phân tích như XRD, FTIR và SEM đã xác nhận sự thành công trong việc tạo ra vật liệu UIO66 biến tính với cấu trúc ổn định và khả năng hấp phụ cao.

III. Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen của vật liệu UiO 66

Khả năng hấp phụ asen của vật liệu UIO66 được đánh giá thông qua các thí nghiệm thực nghiệm, trong đó các yếu tố như pH, nồng độ asen ban đầu và thời gian hấp phụ được kiểm soát. Các kết quả cho thấy, khả năng hấp phụ của UIO66 tăng lên đáng kể khi có sự hiện diện của các khuyết tật trong cấu trúc. Theo nghiên cứu, "Vật liệu Fe-UiO66-CTABr-0,05 đã cho thấy hiệu suất hấp phụ asen vượt trội, với dung lượng hấp phụ lên tới 275 mg/g cho As(V)." Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich cũng được áp dụng để mô tả quá trình hấp phụ, giúp hiểu rõ hơn về động học và cơ chế hấp phụ của asen trên vật liệu. Điều này không chỉ cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển vật liệu hấp phụ mà còn góp phần vào việc xử lý ô nhiễm asen trong nước hiệu quả hơn.

IV. Đánh giá khả năng tái sử dụng và ứng dụng thực tiễn

Khả năng tái sử dụng của vật liệu UIO66 sau khi hấp phụ asen là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính khả thi của nó trong ứng dụng thực tế. Nghiên cứu cho thấy, vật liệu Fe-UiO66-CTABr-0,05 có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu suất hấp phụ. Cụ thể, "Sau 4 chu kỳ tái sinh, hiệu suất hấp phụ vẫn duy trì ở mức cao, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu." Điều này không chỉ giúp giảm chi phí trong quá trình xử lý mà còn làm tăng giá trị thực tiễn của vật liệu trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm asen trong nước. Nhờ vào những đặc điểm ưu việt này, UIO66 và các biến thể của nó hứa hẹn sẽ trở thành giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ô nhiễm môi trường trong tương lai.