Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các chất thải công nghiệp, đặc biệt là ion kim loại nặng, đang là vấn đề cấp bách do đặc tính không phân hủy sinh học và khả năng tích lũy sinh học qua chuỗi thức ăn, gây nguy cơ nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh ngay cả ở nồng độ thấp. Trong số các kim loại nặng, cobalt ($Co^{2+}$) là nguyên tố phát sinh phổ biến từ các hoạt động công nghiệp như khai thác mỏ, luyện kim (chiếm khoảng 48% tổng lượng cobalt thải ra môi trường), sản xuất pin lithium-ion, sơn và mỹ phẩm. Khi xâm nhập vào nguồn nước, cobalt gây ức chế quá trình quang xúc tác của tảo, làm suy giảm sinh trưởng và khả năng sinh sản của sinh vật thủy sinh. Đối với con người, tiếp xúc tích lũy với cobalt có thể dẫn đến các bệnh lý về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phổi cobalt), tim mạch (suy tim, tăng huyết áp), tổn thương hệ thần kinh, rối loạn chức năng tuyến giáp và tiềm ẩn nguy cơ gây ung thư.

Trước thực trạng đó, các phương pháp xử lý kim loại nặng như trao đổi ion, kết tủa hóa học, lọc màng và hấp phụ đã được áp dụng. Trong đó, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao nhờ tính khả thi và hiệu quả. Tuy nhiên, các vật liệu hấp phụ truyền thống (như than hoạt tính, zeolite) tồn tại một số nhược điểm: thời gian tổng hợp kéo dài, tiêu tốn năng lượng nhiệt khi nung và cấu trúc kém đa dạng, khó điều chỉnh chức năng bề mặt. Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOF), đặc biệt là nhóm MOF dựa trên tâm Zirconium (Zr-MOF), sở hữu diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và độ bền vượt trội trong môi trường nước cũng như dung môi hữu cơ. Mặc dù vậy, nghiên cứu biến tính đưa các nhóm chức mang điện tích âm vào khung Zr-MOF nhằm tăng cường lực hút tĩnh điện với các cation kim loại nặng như $Co^{2+}$ vẫn còn hạn chế tại Việt Nam.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Thị Ngọc Thi tập trung giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

  1. Tổng hợp thành công cầu nối hữu cơ (linker) biến tính chứa nhóm sulfonic: 4-sulfonaphthalene-2,6-dicarboxylic acid ($H_3SNDC$) từ 2,6-naphthalenedicarboxylic acid ($H_2NDC$).
  2. Tổng hợp vật liệu Zr-MOF mang nhóm chức sulfonic ($DUT-52-SO_3H$) bằng phương pháp nhiệt dung môi và hoạt hóa làm sạch cấu trúc.
  3. Đặc trưng cấu trúc, hình thái và độ bền nhiệt của vật liệu thông qua các phương pháp hóa lý hiện đại (PXRD, FT-IR, TGA-DSC, SEM, EDX-mapping, BET).
  4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion $Co^{2+}$ trong nước bao gồm pH dung dịch, khối lượng chất hấp phụ, nồng độ ban đầu và thời gian tiếp xúc; từ đó xác định các tham số đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich, Temkin) và động học hấp phụ (biểu kiến bậc 1, biểu kiến bậc 2).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Linker hữu cơ $H_3SNDC$, vật liệu $DUT-52-SO_3H$ trên cơ sở cụm kim loại Zirconium, và dung dịch chứa ion kim loại $Co^{2+}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Hóa lý, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2024), tập trung vào khảo sát khả năng hấp phụ $Co^{2+}$ trong môi trường nước ở các dải nồng độ từ 2 mg/L đến 1000 mg/L và pH từ 1,0 đến 6,0.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOF) là mạng lưới tinh thể xốp lai vô cơ - hữu cơ được hình thành từ các tâm/cụm ion kim loại liên kết phối trí với các phối tử hữu cơ đa càng (linkers/SBU). Zr-MOF nổi bật nhờ mật độ điện tích cao của $Zr^{4+}$ và liên kết phân cực mạnh với nguyên tử oxy của gốc carboxylate, tạo độ bền nhiệt cao (chịu được nhiệt độ lên đến 500°C) và độ ổn định tốt trong nước. Bằng phương pháp biến tính đưa nhóm chức sulfonic ($-SO_3^-$ / $-SO_3H$) phân bố trong lỗ xốp của khung mạng cấu trúc tương tự DUT-52 (Dresden University of Technology), mật độ điện tích âm trên bề mặt vật liệu được tăng cường, tạo lực hút tĩnh điện và tương tác cho - nhận điện tử mạnh mẽ với cation $Co^{2+}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Tổng hợp Linker $H_3SNDC$: Thực hiện phản ứng sulfon hóa 2,6-naphthalenedicarboxylic acid ($H_2NDC$) với hỗn hợp $H_2SO_4$ 98% và oleum 25% (tỷ lệ thể tích 3:1) tại 130°C trong 24 giờ, đun hồi lưu; sau đó hòa tan trong nước cất, acid hóa và rửa sạch bằng dung dịch HCl 37%, sấy khô thu được chất rắn màu trắng.
  • Tổng hợp vật liệu $DUT-52-SO_3H$: Sử dụng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal). Phối trộn muối $ZrCl_4 \cdot 6H_2O$ (105,9 mg) và linker $H_3SNDC$ (134,5 mg) trong dung môi N,N-dimethylformamide (DMF, 10,50 mL) với sự có mặt của acid benzoic (554,5 mg) làm chất điều chỉnh cấu trúc và 0,0245 mL $H_2O$. Hỗn hợp được đánh siêu âm, gia nhiệt trong bình kín ở 120°C trong 24 giờ. Quá trình hoạt hóa bao gồm ly tâm, rửa bằng DMF trong 3 ngày, ngâm trao đổi trong dung dịch $H_2SO_4$ 0,3 M pha trong hỗn hợp $MeOH : H_2O$ (4:1) trong 3 ngày, tiếp tục trao đổi với methanol trong 2 ngày và sấy chân không ở 80°C.
  • Phương pháp đặc trưng hóa lý:
    • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) trên máy D8 Advance (Bruker), bức xạ Cu $K\alpha$ qua kính lọc Ni.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên máy FT/IR-6600 (Jasco).
    • Phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt quét vi sai (TGA-DSC) trên thiết bị Labsys Evo 1600 TGA-SETARAM trong môi trường không khí ($80% N_2, 20% O_2$).
    • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM S-4800, Hitachi) kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX H-7593, Horiba) và EDX-mapping.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phương pháp hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt $N_2$ ở 77 K (BET).
    • Xác định nồng độ $Co^{2+}$ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (AAS) trên máy iCE 300 Series (Thermo Scientific) tại bước sóng 240,7 nm.

Mô hình toán học và xử lý số liệu

  • Dung lượng hấp phụ cân bằng $q_e$ (mg/g) và hiệu suất hấp phụ $H$ (%) được tính theo công thức: $$q_e = \frac{(C_0 - C_e)V}{m}$$ $$H% = \frac{C_0 - C_e}{C_0} \times 100$$ (Trong đó: $C_0$ và $C_e$ là nồng độ đầu và nồng độ cân bằng của $Co^{2+}$ (mg/L); $V$ là thể tích dung dịch (mL); $m$ là khối lượng chất hấp phụ (mg)).
  • Đánh giá cân bằng hấp phụ qua ba mô hình đẳng nhiệt: Langmuir, Freundlich và Temkin.
  • Đánh giá cơ chế và tốc độ qua mô hình động học biểu kiến bậc 1 và biểu kiến bậc 2.
  • Tính toán độ lệch chuẩn (SD) và độ lệch chuẩn tương đối (%RSD) từ 3 lần đo lặp lại với hệ số Student $t = 4,303$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vật liệu MOF, quá trình phát triển từ các công trình tiên phong của Omar Yaghi (1998), David Reineke và Jeffrey Long. Tác giả phân tích cấu trúc không gian 1D, 2D, 3D của MOF và nguyên lý của phương pháp nhiệt dung môi trong lớp lót polytetrafluoroethylene (Teflon). Đồng thời, chương này đi sâu vào tính chất đặc thù của Zr-MOF với cụm $Zr_6(\mu_3-O)_4(\mu_3-OH)_4$, giải thích khả năng chịu nhiệt và độ bền hóa học cao trong nước. Tác giả cũng tổng hợp bức tranh toàn diện về ô nhiễm cobalt trong nước thải công nghiệp, các tác động độc hại đến hệ sinh thái và sức khỏe con người, đồng thời so sánh hiệu quả xử lý kim loại nặng của MOF biến tính nhóm chức so với các vật liệu hấp phụ truyền thống.

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất tinh khiết, thiết bị phân tích hiện đại và quy trình thực nghiệm gồm hai công đoạn tổng hợp chính:

  1. Phản ứng sulfon hóa tổng hợp linker $H_3SNDC$ từ $H_2NDC$ có hiệu suất cao, làm sạch tạp chất bằng dung dịch HCl 37%.
  2. Phản ứng nhiệt dung môi điều chế $DUT-52-SO_3H$ tại 120°C trong 24 giờ với acid benzoic làm chất điều hòa tinh thể, quy trình ngâm rửa hoạt hóa loại bỏ dung môi tồn dư trong lỗ xốp qua nhiều giai đoạn bằng DMF, $H_2SO_4$/methanol và sấy chân không ở 80°C.

Chương này cũng thiết lập các quy trình khảo sát hấp phụ $Co^{2+}$:

  • Khảo sát ảnh hưởng của pH (dải pH 1,0 – 6,0 với nồng độ $Co^{2+}$ 250 mg/L, 10 mg vật liệu, 24 giờ).
  • Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ (5 – 30 mg vật liệu trong 100 mL dung dịch $Co^{2+}$ 50 mg/L tại pH 6,0).
  • Khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ ($Co^{2+}$ 100 – 1000 mg/L, 15 mg vật liệu tại pH 6,0, 24 giờ).
  • Khảo sát động học hấp phụ (5 mg vật liệu trong 50 mL dung dịch $Co^{2+}$ 50 mg/L tại pH 5,5 ở các mốc thời gian 3, 15, 30, 60, 90 phút).

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích cấu trúc vật liệu và các dữ liệu thực nghiệm hấp phụ:

  • Đặc trưng cấu trúc $DUT-52-SO_3H$:
    • PXRD: Giản đồ nhiễu xạ tia X dạng bột xuất hiện các peak sắc nét, cường độ cao, hoàn toàn trùng khớp với giản đồ mô phỏng của cấu trúc DUT-52 chuẩn, khẳng định vật liệu tổng hợp có độ trật tự cao và đơn pha.
    • FT-IR: Tín hiệu đặc trưng tại $1193\text{ cm}^{-1}$ chứng minh sự hiện diện của nhóm chức sulfonic ($-SO_3$), cùng các peak tại $1424\text{ cm}^{-1}$ và $1570\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho dao động của liên kết C-O trong nhóm carboxylate.
    • EDX & EDX-mapping: Xác nhận sự phân bố đồng đều của các nguyên tố chính trong khung cấu trúc gồm Carbon, Oxygen, Sulfur và Zirconium (trong đó hàm lượng nguyên tố S đạt 4,94% trọng lượng, Zr đạt 34,32% trọng lượng).
    • TGA-DSC: Vật liệu có độ bền nhiệt ổn định đến 200°C. Giai đoạn từ nhiệt độ phòng đến 200°C ghi nhận mức giảm khối lượng 15,03% (peak thu nhiệt tại 108,4°C trên đường cong DSC), tương ứng với sự thoát các phân tử nước hấp phụ bề mặt và nước phối trí. Giai đoạn từ 200°C đến 620°C giảm 34,55% khối lượng kèm hai peak tỏa nhiệt tại 512,6°C và 580,0°C do sự phân hủy khung hữu cơ.
    • SEM & TEM: Ảnh hiển vi cho thấy các hạt vật liệu có dạng khối đa diện với kích thước trung bình trong khoảng 150 – 200 nm, có hiện tượng kết tụ hạt nhẹ.
  • Đặc tính hấp phụ ion $Co^{2+}$:
    • Ảnh hưởng của pH: Dung lượng hấp phụ tăng mạnh khi pH tăng từ 1,0 đến 6,0. Tại pH 1,0 – 3,0, nhóm sulfonic bị proton hóa làm bề mặt mang điện tích dương, gây đẩy tĩnh điện với ion $Co^{2+}$. Tại pH 4,0 – 6,0, nhóm sulfonic phân ly tạo các tâm mang điện tích âm, thúc đẩy hấp phụ tĩnh điện mạnh. Giá trị pH = 6,0 được xác định là tối ưu (ở pH > 6,5 xuất hiện kết tủa $Co(OH)_2$).
    • Ảnh hưởng của khối lượng: Hiệu suất hấp phụ tăng từ 50% lên 88% khi tăng lượng chất hấp phụ từ 5 mg lên 15 mg (do tăng số lượng tâm hoạt động) và đạt trạng thái bão hòa trong khoảng 15 – 30 mg. Khối lượng 15 mg được chọn cho các khảo sát tiếp theo.
    • Đẳng nhiệt hấp phụ: Quá trình hấp phụ tương thích tốt nhất với mô hình Langmuir ($R^2 = 0,998$) so với Freundlich ($R^2 = 0,890$) và Temkin, khẳng định quá trình hấp phụ xảy ra đơn lớp trên các tâm hoạt động đồng nhất. Dung lượng hấp phụ cực đại theo lý thuyết ($q_m$) đạt 1562,5 mg/g, phù hợp với số liệu thực nghiệm ($q_{m,exp} = 1519,5\text{ mg/g}$).
    • Động học hấp phụ: Tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh, đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 30 phút. Quá trình tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 ($R^2 = 0,996$) với dung lượng tính toán $q_{e,cal} = 497\text{ mg/g}$ (tương quan chặt chẽ với thực nghiệm $q_{e,exp} = 447,2\text{ mg/g}$), chứng minh cơ chế hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học thông qua trao đổi điện tử cho - nhận giữa nhóm $-SO_3^-$ và ion $Co^{2+}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

Các thông số hóa lý và dữ liệu thực nghiệm hấp phụ ion $Co^{2+}$ của vật liệu $DUT-52-SO_3H$ được tổng hợp chi tiết trong các bảng sau:

Bảng 1: Thành phần nguyên tố của vật liệu $DUT-52-SO_3H$ từ phổ EDX

Nguyên tố Tỷ lệ phần trăm khối lượng (% Weight) Tỷ lệ phần trăm nguyên tử (% Atomic)
Carbon (C) 37,54 28,40
Oxygen (O) 23,20 56,86
Sulfur (S) 4,94 3,02
Zirconium (Zr) 34,32 7,37

Bảng 2: Tham số các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ $Co^{2+}$ của $DUT-52-SO_3H$ tại pH = 6,0

Mô hình đẳng nhiệt Thông số mô hình Giá trị
Langmuir $q_m$ lý thuyết (mg/g) 1562,5
$q_{m,exp}$ thực nghiệm (mg/g) 1519,5
$K_L$ (L/mg) 0,0041
Hệ số xác định $R^2$ 0,998
Freundlich $K_F$ ($\text{mg}\cdot\text{g}^{-1}(\text{L}\cdot\text{g}^{-1})^{1/n}$) 72,56
$1/n$ 0,442
Hệ số xác định $R^2$ 0,890
Temkin $K_T$ (L/mg) 0,201
$b$ (kJ/mol) 20,10
Hệ số xác định $R^2$ 0,912

Bảng 3: Tham số động học biểu kiến hấp phụ $Co^{2+}$ của $DUT-52-SO_3H$ (pH = 5,5, $m = 5\text{ mg}$)

Mô hình động học Thông số Giá trị
Biểu kiến bậc 1 $q_{e,cal}$ (mg/g) 218,4
$k_1$ ($\text{phút}^{-1}$) 0,048
Hệ số xác định $R^2$ 0,845
Biểu kiến bậc 2 $q_{e,cal}$ (mg/g) 497,0
$q_{e,exp}$ thực nghiệm (mg/g) 447,2
$k_2 \times 10^{-4}$ ($\text{g}\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{phút}^{-1}$) 1,82
Hệ số xác định $R^2$ 0,996

Bảng 4: So sánh dung lượng hấp phụ $Co^{2+}$ cực đại ($q_m$) với một số vật liệu khác

Vật liệu hấp phụ Dung lượng hấp phụ cực đại $q_m$ (mg/g) Nguồn tài liệu
Than hoạt tính vỏ dừa (ACBC) 42,5 Tài liệu tham khảo [46]
Ống nano carbon đa tường (MWCNTs) 68,9 Tài liệu tham khảo [47]
UiO-66-Schiff base 215,0 Tài liệu tham khảo [48]
ZIF-94/PAN 312,4 Tài liệu tham khảo [49]
TMU-xx 185,6 Tài liệu tham khảo [50]
$DUT-52-SO_3H$ 1519,5 Khóa luận này

Đóng góp khoa học của đề tài

  1. Đã thiết lập thành công quy trình tổng hợp linker hữu cơ biến tính $H_3SNDC$ và vật liệu Zr-MOF gắn nhóm chức sulfonic ($DUT-52-SO_3H$) bằng phương pháp nhiệt dung môi đạt độ kết tinh và độ tinh khiết cao.
  2. Chứng minh hiệu quả vượt bậc của việc đưa nhóm chức $-SO_3^-$ vào khung Zr-MOF, giúp vật liệu đạt dung lượng hấp phụ $Co^{2+}$ cực đại lên đến 1519,5 mg/g, cao hơn đáng kể so với than hoạt tính, ống nano carbon và các dẫn xuất MOF khác được công bố trước đó.
  3. Xác định rõ cơ chế hấp phụ hóa học đơn lớp tuân theo mô hình Langmuir và động học biểu kiến bậc 2, với tốc độ đạt cân bằng nhanh chóng trong vòng 30 phút.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Kích thước hạt vật liệu phân bố chưa hoàn toàn đồng đều (nằm trong khoảng 150 – 200 nm) do hiện tượng kết tụ hạt xảy ra trong quá trình tổng hợp nhiệt dung môi.
  • Khóa luận mới chỉ tập trung khảo sát quá trình hấp phụ trên hệ dung dịch đơn kim loại $Co^{2+}$ nhân tạo trong phòng thí nghiệm, chưa tiến hành đánh giá chi tiết quá trình giải hấp, khả năng tái sinh và độ bền cấu trúc của vật liệu qua nhiều chu kỳ tái sử dụng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo (theo kiến nghị của tác giả)

  1. Tiếp tục khảo sát mở rộng các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ tại các giá trị pH khác nhau trong khoảng pH = 4,0 – 6,0.
  2. Khảo sát cấu trúc tinh thể của $DUT-52-SO_3H$ sau quá trình giải hấp $Co^{2+}$ thông qua phổ nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD).
  3. Đánh giá khả năng thu hồi, hiệu suất tái sử dụng và độ bền liên kết của vật liệu $DUT-52-SO_3H$ sau nhiều chu kỳ hấp phụ - giải hấp liên tiếp.
  4. Mở rộng thử nghiệm khả năng hấp phụ của $DUT-52-SO_3H$ đối với các ion kim loại nặng độc hại khác có trong nguồn nước như $Cu^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Ni^{2+}$.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Hóa học (Hóa vô cơ, Hóa lý, Hóa môi trường), Khoa học Vật liệu và Công nghệ Kỹ thuật Môi trường.
  • Nội dung giá trị thực tiễn:
    • Quy trình hóa học: Cung cấp phương pháp chi tiết điều chế linker thơm biến tính sulfonic ($H_3SNDC$) và quy trình nhiệt dung môi kiểm soát điều hòa tinh thể Zr-MOF bằng acid benzoic.
    • Phương pháp luận đặc trưng vật liệu: Cung cấp quy chuẩn phân tích tích hợp giữa PXRD, FT-IR, TGA-DSC, FESEM/EDX để chứng minh cấu trúc tinh thể và sự gắn kết của nhóm chức mang điện.
    • Kỹ thuật xử lý số liệu hấp phụ: Cung cấp khung phương pháp phân tích đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich, Temkin) và động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng.

Câu hỏi thường gặp

1. Linker $H_3SNDC$ được tổng hợp từ tiền chất nào và điều kiện phản ứng ra sao?

Linker $H_3SNDC$ (4-sulfonaphthalene-2,6-dicarboxylic acid) được tổng hợp từ 1,0 gram tiền chất 2,6-naphthalenedicarboxylic acid ($H_2NDC$) phản ứng với 5 mL hỗn hợp dung dịch $H_2SO_4$ 98% và oleum 25% theo tỷ lệ thể tích 3:1. Phản ứng được đun hồi lưu và khuấy từ ở nhiệt độ 130°C trong 24 giờ, sau đó kết tủa và rửa bằng dung dịch HCl 37% để thu được sản phẩm rắn màu trắng.

2. Tại sao giá trị pH = 6,0 được chọn làm điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ $Co^{2+}$?

Ở dải pH thấp (1,0 – 3,0), các nhóm sulfonic bị proton hóa làm bề mặt vật liệu tích điện dương, gây lực đẩy tĩnh điện với cation $Co^{2+}$, khiến dung lượng hấp phụ thấp. Trong khoảng pH 4,0 – 6,0, nhóm sulfonic phân ly proton tạo các tâm tích điện âm ($-SO_3^-$), tạo lực hút tĩnh điện mạnh với $Co^{2+}$ và làm tăng dung lượng hấp phụ tối đa tại pH = 6,0. Khi pH > 6,5, ion $Co^{2+}$ bắt đầu tạo kết tủa hydroxide $Co(OH)_2$, làm sai lệch cơ chế hấp phụ.

3. Độ bền nhiệt của vật liệu $DUT-52-SO_3H$ được ghi nhận như thế nào qua phân tích TGA-DSC?

Vật liệu có độ bền nhiệt lên đến 200°C trong môi trường không khí ($80% N_2, 20% O_2$). Giản đồ TGA ghi nhận mức giảm khối lượng 15,03% từ nhiệt độ phòng đến 200°C (peak thu nhiệt tại 108,4°C trên đường DSC) do mất nước hấp phụ và nước phối trí. Khung hữu cơ của vật liệu bắt đầu phân hủy trong khoảng từ 200°C đến 620°C với mức giảm khối lượng 34,55% (tương ứng hai peak tỏa nhiệt tại 512,6°C và 580,0°C trên đường DSC).

4. Quá trình hấp phụ $Co^{2+}$ trên $DUT-52-SO_3H$ tuân theo mô hình đẳng nhiệt và động học nào?

Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0,998$), chứng minh hiện tượng hấp phụ đơn lớp diễn ra trên các tâm hoạt động đồng nhất. Về mặt động học, quá trình tương thích tốt nhất với mô hình động học biểu kiến bậc 2 ($R^2 = 0,996$), chứng tỏ quá trình bị chi phối bởi cơ chế hấp phụ hóa học thông qua tương tác trao đổi điện tử cho - nhận giữa nhóm $-SO_3^-$ và cation $Co^{2+}$.

5. Dung lượng hấp phụ cực đại của $DUT-52-SO_3H$ đối với ion $Co^{2+}$ đạt bao nhiêu và thời gian đạt cân bằng là bao lâu?

Dung lượng hấp phụ cực đại thực nghiệm của vật liệu đạt $1519,5\text{ mg/g}$ (giá trị tính toán theo lý thuyết Langmuir là $1562,5\text{ mg/g}$). Tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh và đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 30 phút tiếp xúc.

Kết luận

Khóa luận đã tổng hợp thành công vật liệu khung hữu cơ - kim loại dựa trên zirconium mang nhóm chức sulfonic ($DUT-52-SO_3H$) thông qua phương pháp nhiệt dung môi với linker biến tính $H_3SNDC$. Vật liệu thu được có cấu trúc đơn pha, độ tinh khiết cao, bền nhiệt đến 200°C và thể hiện khả năng hấp phụ ion $Co^{2+}$ vượt trội với dung lượng cực đại thực nghiệm đạt 1519,5 mg/g tại pH tối ưu 6,0. Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và mô hình động học biểu kiến bậc 2 với thời gian đạt cân bằng nhanh trong 30 phút, khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của $DUT-52-SO_3H$ trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước.