Luận án tiến sĩ: Vật liệu nanocomposite graphene aerogel trong hấp phụ chất màu hữu cơ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp nanocomposite từ graphene aerogel, ứng dụng hấp phụ quang phân hủy chất màu hữu cơ trong nước.

• Tác giả: Trương Thị Phượng Nguyệt Xuân Trinh
• Người hướng dẫn: TS. Mai Thanh Phong
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu vật liệu nanocomposite graphene aerogel cho hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu nanocomposite graphene aerogel

Nghiên cứu vật liệu nanocomposite graphene aerogel (GA) đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm nước. Vật liệu này không chỉ có cấu trúc nhẹ mà còn sở hữu khả năng hấp phụ vượt trội đối với các chất màu hữu cơ. Graphene aerogel được biết đến với tính chất vật lý và hóa học độc đáo, giúp cải thiện hiệu suất hấp phụ. Nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan về các ứng dụng của GA trong việc xử lý nước ô nhiễm.

1.1. Đặc điểm nổi bật của graphene aerogel trong hấp phụ

Graphene aerogel có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GA có thể hấp phụ hiệu quả các chất màu hữu cơ như methylene blue (MB) và methyl orange (MO).

1.2. Tình hình nghiên cứu hiện tại về graphene aerogel

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng graphene aerogel có thể được cải tiến bằng cách kết hợp với các vật liệu khác như titanium dioxide để nâng cao khả năng quang phân hủy chất màu hữu cơ trong nước.

II. Vấn đề ô nhiễm nước và thách thức trong xử lý chất màu hữu cơ

Ô nhiễm nước do chất màu hữu cơ đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Các chất màu này không chỉ gây hại cho môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm nước là một thách thức lớn. Nghiên cứu này sẽ phân tích các vấn đề liên quan đến ô nhiễm nước và các phương pháp xử lý hiện có.

2.1. Nguyên nhân và tác hại của ô nhiễm nước

Ô nhiễm nước chủ yếu do các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Các chất màu hữu cơ có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như ung thư và các bệnh về da.

2.2. Các phương pháp xử lý chất màu hữu cơ hiện tại

Các phương pháp xử lý chất màu hữu cơ bao gồm hấp phụ, quang phân hủy và oxy hóa hóa học. Tuy nhiên, nhiều phương pháp này vẫn gặp khó khăn trong việc đạt hiệu suất cao và chi phí thấp.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite graphene aerogel

Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite graphene aerogel bao gồm các bước chính như khử hóa học và thủy nhiệt. Các điều kiện tổng hợp như thể tích chất khử và nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến đặc trưng của vật liệu. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về quy trình tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu.

3.1. Quy trình tổng hợp graphene aerogel

Quy trình tổng hợp graphene aerogel thường sử dụng graphene oxide làm tiền chất và ethylenediamine làm chất khử. Các điều kiện như thể tích EDA và tỷ lệ dung môi cũng được tối ưu hóa để đạt được vật liệu có đặc tính tốt nhất.

3.2. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp đến đặc trưng vật liệu

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều kiện tổng hợp như nhiệt độ và thời gian khử có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất hấp phụ của graphene aerogel.

IV. Khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ của vật liệu nanocomposite

Khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ của vật liệu nanocomposite graphene aerogel đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các yếu tố như pH, nồng độ chất màu và thời gian hấp phụ đều có ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ. Nghiên cứu này sẽ trình bày các kết quả thử nghiệm và phân tích khả năng hấp phụ của vật liệu.

4.1. Đánh giá dung lượng hấp phụ của vật liệu

Dung lượng hấp phụ của graphene aerogel được xác định thông qua các thí nghiệm hấp phụ với các chất màu như MB và MO. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ cao, đặc biệt trong điều kiện tối ưu.

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Các yếu tố như thời gian, pH và nồng độ chất màu đều có tác động lớn đến khả năng hấp phụ của vật liệu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể nâng cao hiệu suất hấp phụ.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu nanocomposite graphene aerogel không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước ô nhiễm. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu này có thể được sử dụng hiệu quả trong các hệ thống xử lý nước. Nghiên cứu này sẽ trình bày các ứng dụng thực tiễn và kết quả đạt được.

5.1. Ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm

Graphene aerogel có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước để loại bỏ các chất màu hữu cơ. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý cao và khả năng tái sử dụng tốt.

5.2. Kết quả nghiên cứu và đánh giá hiệu suất

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu nanocomposite graphene aerogel có khả năng hấp phụ và quang phân hủy chất màu hữu cơ hiệu quả, mở ra hướng đi mới trong công nghệ xử lý nước.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu nanocomposite graphene aerogel đã chỉ ra tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm nước. Các kết quả đạt được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể ứng dụng thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ nano và xử lý môi trường.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng graphene aerogel có khả năng hấp phụ và quang phân hủy chất màu hữu cơ hiệu quả, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước.

6.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải tiến vật liệu và mở rộng ứng dụng của graphene aerogel trong các lĩnh vực khác như năng lượng và y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài Ô nhiễm môi trường nước là vấn đề đang được quan tâm trên toàn thế giới. Đặc biệt, ô nhiễm chất màu hữu cơ từ nước thải của các ngành công nghiệp dệt, nhuộm, nhựa, in, giấy, thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, v. ngày càng tăng.

Sau quá trình nhuộm, chất màu hữu cơ bị thất thoát khoảng 50% [1]. Nguồn nước ô nhiễm chất màu có thể gây độc cho các loài thủy sinh và ảnh hưởng sức khỏe con người nghiêm trọng như rối loạn chức năng thận, hệ thống sinh sản, gan, và não [2]. Vì vậy, xử lý chất màu hữu cơ trong nước là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, phương pháp hấp phụ và quang phân hủy được đánh giá là có hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ, thân thiện môi trường, có khả năng thu hồi, và tái sử dụng [3].

Bên cạnh đó, hiệu suất loại bỏ chất màu hữu cơ phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng. Do đó, nghiên cứu vật liệu quang phân hủy có vai trò quan trọng đối với phương pháp này. Methylen xanh (methylene blue – MB) và methyl cam (methyl orange – MO) là hai chất màu đại diện cho nhóm cation và anion được sử dụng để khảo sát dung lượng hấp phụ và hiệu suất quang phân hủy của vật liệu nghiên cứu tổng hợp. Trong lĩnh vực hấp phụ, graphene (Gr) là vật liệu phù hợp do cấu trúc tấm nano hai chiều (2D), hệ thống liên hợp π-p, và tính linh động điện tử cao [4].

Gr thường được sử dụng ở dạng graphene oxide (GO) hoặc graphene oxide dạng khử (rGO) có các nhóm chức chứa oxy, khả năng phân tán tốt trong nước, và tạo liên kết với các phân tử khác [5]. Ngoài ra, rGO có khả năng lắp ráp thành khối graphene aerogel (GA) thông qua tương tác π–π, tĩnh điện, liên kết hydro, và lực Van der Wall. Cấu trúc khối, xốp giúp tăng diện tích bề mặt riêng, tăng hiệu suất loại bỏ chất màu, đồng thời dễ thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên, khả năng loại bỏ các chất màu thông qua cơ chế hấp phụ là không triệt để.

Do đó, trong luận án này, phương pháp hấp phụ và quang phân hủy được kết hợp để hướng đến xử lý chất màu hữu cơ trong nước. Một số vật liệu thường được sử dụng để quang phân hủy chất màu hữu cơ như oxide kim loại (TiO2, ZnO, WO3, và Fe2O3) và các sunfua kim loại (CdS, ZnS, WS2, MoS2, v. Tuy nhiên, các sunfua kim loại và oxide sắt dễ bị ăn mòn trong quá trình tham gia phản ứng. Oxide kẽm trong môi trường nước có thể bị hòa tan tạo thành lớp Zn(OH)2 trên bề mặt hạt ZnO, làm vật liệu bị mất hoạt tính.

Trong khi đó, TiO2 có khả năng 2 ổn định hóa học cao, giá thành thấp, và thân thiện với môi trường nên được nghiên cứu rộng rãi [6]. Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn (3,0 – 3,2 eV) chỉ hấp thụ ánh sáng UV (chỉ chiếm 5% ánh sáng mặt trời) và tái tổ hợp nhanh các cặp electron – lỗ trống (e– – h+). Đồng thời, TiO2 dạng bột dễ bị kết tụ, hạn chế khả năng tiếp xúc giữa chất màu hữu cơ với tâm hoạt động. Do đó, hiệu suất quang phân hủy, khả năng thu hồi, và tái sử dụng của TiO2 thấp [6].

Việc phát triển vật liệu nanocomposite nhằm khắc phục các hạn chế của TiO2 là cần thiết để cải thiện hiệu suất quang phân hủy MB, MO, tăng khả năng thu hồi và tái sử dụng. Vật liệu nanocomposite TiO2 trên cơ sở GA (TiGA) được quan tâm nghiên cứu, các tấm rGO có cấu trúc khuyết tật và diện tích bề mặt riêng lớn giúp tăng vị trí tâm hoạt động và khả năng tương tác với chất màu hữu cơ. Qua đó, hiệu suất quang phân hủy chất màu hữu cơ tăng. Tuy nhiên, vật liệu TiGA chưa mở rộng được vùng ánh sáng sử dụng trong phương pháp quang phân hủy.

Để giải quyết vấn đề này, các hạt nano bạc (AgNPs) được sử dụng pha tạp trong cấu trúc TiGA nhằm mở rộng vùng thu nhận ánh sáng nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt [7,8]. Ngoài ra, AgNPs trên bề mặt TiO2 có thể tạo thành rào cản Schottky, hoạt động như chất lưu trữ điện tử, ức chế tái tổ hợp e– – h+ [9,10]. Vì vậy, vật liệu nanocomposite Ag–TiO2 trên cơ sở GA (ATGA) nhằm nâng cao hiệu suất quang phân hủy đối với chất màu hữu cơ và mở rộng khả năng thu nhận ánh sáng vùng khả kiến. Trên cơ sở đó, luận án được thực hiện với tiêu đề là “Tổng hợp vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene aerogel để hấp phụ, quang phân hủy chất màu hữu cơ trong nước” nhằm nâng cao hiệu quả quang phân hủy chất màu hữu cơ và mở rộng vùng ánh sáng sử dụng của vật liệu trên cơ sở GA.

Mục tiêu nghiên cứu 2. Mục tiêu tổng quát Tổng hợp thành công ba loại vật liệu (GA, TiGA, và ATGA) có dung lượng hấp phụ và hiệu suất quang phân hủy cao đối với chất màu hữu cơ (MB và MO). Mục tiêu cụ thể Ø Xác định điều kiện tổng hợp và đặc trưng của vật liệu GA. Đưa ra ảnh hưởng của các yếu tố đến dung lượng hấp phụ của vật liệu.

Kết luận về khả năng thu hồi, tái sử dụng, và đề xuất cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ của vật liệu. 3 Ø Xác định điều kiện tổng hợp và đặc trưng của vật liệu TiGA và ATGA. Đưa ra ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng quang phân hủy của hai loại vật liệu này. Ø Kết luận về khả năng thu hồi, tái sử dụng, và đề xuất cơ chế quang phân hủy của hai vật liệu này đối với chất màu hữu cơ.

Ø Tìm được vật liệu phù hợp cũng như điều kiện thích hợp để hấp phụ và quang phân hủy chất màu hữu cơ dưới ánh sáng khả kiến. Nội dung nghiên cứu Luận án bao gồm ba nội dung chính sau: Nội dung 1. Nghiên cứu về vật liệu GA 1. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp đến đặc trưng của vật liệu GA; 1.

Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố đến dung lượng hấp phụ của vật liệu GA phù hợp; 1. Khảo sát khả năng thu hồi tái sử dụng của vật liệu GA phù hợp; 1. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ MB, MO của vật liệu GA phù hợp. Nghiên cứu về vật liệu TiGA 2.

Khảo sát ảnh hưởng phương pháp và điều kiện tổng hợp đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu TiGA; 2. Phân tích đặc trưng của vật liệu TiGA phù hợp; 2. Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu TiGA phù hợp; 2. Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu TiGA phù hợp; 2.

Nghiên cứu cơ chế quang phân hủy MB, MO của vật liệu TiGA phù hợp. Nghiên cứu về vật liệu ATGA 3. Khảo sát ảnh hưởng điều kiện tổng hợp đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATGA; 3. Phân tích đặc trưng của vật liệu ATGA phù hợp; 3.

Khảo sát ảnh hưởng riêng lẻ và đồng thời các yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATGA phù hợp; 3. Khảo sát khả năng thu hồi tái sử dụng của vật liệu ATGA phù hợp; 3. Nghiên cứu cơ chế quang phân hủy MB, MO của vật liệu ATGA phù hợp; 4 3. Khảo sát khả năng phân hủy chất màu MB, MO dưới điều kiện ánh sáng khả kiến của vật liệu ATGA phù hợp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4. Đối tượng nghiên cứu + Vật liệu: GA, TiGA, và ATGA + Đối tượng xử lý: Chất màu hữu cơ MB, MO trong nước 4. Phạm vi nghiên cứu + Đối với vật liệu GA: Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ MB, MO; phân tích đặc trưng vật liệu phù hợp; khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng; và nghiên cứu cơ chế hấp phụ MB, MO của vật liệu; + Đối với vật liệu TiGA và ATGA: Tổng hợp và khảo sát khả năng quang phân hủy MB, MO; phân tích đặc trưng của vật liệu phù hợp; khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng; và nghiên cứu cơ chế quang phân hủy MB, MO của vật liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite là hướng nghiên cứu tiềm năng, kết hợp những ưu điểm giúp khắc phục hạn chế của từng vật liệu riêng lẻ.

Trong luận án này, kết quả nghiên cứu tổng hợp, ứng dụng hấp phụ, quang phân hủy chất màu hữu cơ MB, MO trong nước của vật liệu GA, TiGA, và ATGA được đưa ra với số liệu đầy đủ, khoa học, và có độ tin cậy. Khả năng hấp phụ chất màu MB và MO của GA cũng được khảo sát thông qua dung lượng hấp phụ. Bên cạnh đó, động học của quá trình hấp phụ và mô hình đẳng nhiệt hấp phụ cũng được đánh giá. Đối với vật liệu TiGA, ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp và điều kiện tổng hợp (thể tích EDA, TIP, nhiệt độ, và thời gian khử) đến hiệu suất quang phân hủy MB, MO cũng được khảo sát để đưa ra điều kiện phù hợp.

Đồng thời, ảnh hưởng các yếu tố quang phân hủy (lượng vật liệu, nồng độ chất màu, và pH) đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu TiGA phù hợp cũng được khảo sát bằng phương pháp luân phiên từng biến. Vật liệu ATGA phù hợp tìm được dựa trên ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp (thể tích EDA, tỷ lệ thể tích TIP:AgNO3, nhiệt độ, và thời gian khử) đến hiệu suất quang phân hủy MB, MO. Bên cạnh đó, ảnh hưởng các yếu tố (khoảng cách chiếu sáng, pH, thời gian hấp phụ, thời gian quang phân hủy, nồng độ chất màu, và lượng vật liệu) đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATGA phù hợp cũng được 5 khảo sát bằng phương pháp bề mặt đáp ứng, thiết kế thí nghiệm theo mô hình Plackett - Burman và Box - Behnken. Ngoài ra, nghiên cứu cơ chế hấp phụ, quang phân hủy, khả năng thu hồi, và tái sử dụng của vật liệu cũng được khảo sát với các số liệu cụ thể.

Các kết quả nghiên cứu của luận án là tiền đề cho hướng nghiên cứu tiếp theo về xử lý chất ô nhiễm trong môi trường nước bằng phương pháp hấp phụ kết hợp quang phân hủy. Đóng góp của luận án Trong luận án này, ba quy trình tổng hợp vật liệu GA, TiGA, và ATGA đã được tìm ra với đầy đủ các thông số chi tiết.