Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu rGO Để Hấp Phụ Xanh Metylen

• Tác giả: Mai Tiến Hùng
• Người hướng dẫn: GVHD: Đinh Văn Tạc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu rGO Để Hấp Phụ Xanh Metylen
• Loại tài liệu: Báo Cáo Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020-2021
• Địa điểm: Đà Nẵng

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
• 0.3. Phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Nội dung nghiên cứu
• 0.5. Ý nghĩa đề tài
• 0.6. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nước thải chứa màu nhuộm
• 1.2. Tổng quan về xanh metylen
• 1.2.1. Cấu tạo, tính chất cơ bản của xanh metylen
• 1.2.2. Ứng dụng của xanh metylen
• 1.2.3. Hiện trạng tác động của chất thải chứa xanh metylen đến môi trường hiện nay
• 1.2.4. Ảnh hưởng của xanh metylen đến môi trường và con người
• 1.3. Giới thiệu về graphit, graphit oxit/graphen oxit và graphen oxit dạng khử
• 1.3.1. Graphit
• 1.3.2. Graphit oxit và graphen oxit
• 1.3.3. Các phương pháp tổng hợp graphit oxit/graphen oxit
• 1.3.3.1. Phương pháp của Brodie
• 1.3.3.2. Phương pháp của Staudenmair
• 1.3.3.3. Phương pháp Hummers
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2.1. Tổng hợp graphit oxit (GrO) và graphen oxit (GO)
• 2.2.2. Tổng hợp graphen oxit dạng khử (rGO)
• 2.2.3. Xác định đặc trưng vật liệu
• 2.2.4. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu
• 2.2.5. Xây dựng đường chuẩn của xanh metylen
• 2.2.6. Thử khả năng hấp phụ xanh metylen của vật liệu tổng hợp được
• 2.2.7. Khảo sát quá trình hấp phụ xanh metylen của vật liệu rGO
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định đặc trưng vật liệu
• 3.2. Kết quả xác định điểm đẳng điện
• 3.3. Xây dựng đường chuẩn của xanh metylen
• 3.4. Thử khả năng hấp phụ xanh metylen của vật liệu
• 3.5. Khảo sát quá trình hấp phụ xanh metylen của vật liệu rGO
• 3.6. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu hấp phụ
• 3.8. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC KÝ HIỆU – CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

I. Tổng Quan Nghiên Cứu rGO Hấp Phụ Xanh Metylen Giới Thiệu

Nghiên cứu về vật liệu rGO (reduced graphene oxide) trong việc hấp phụ xanh metylen đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học. Đặc biệt, các nghiên cứu từ Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng đóng góp quan trọng vào lĩnh vực này. Xanh metylen, một chất nhuộm phổ biến, gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng. Việc tìm kiếm các giải pháp hấp phụ hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường là vô cùng cấp thiết. RGO, với cấu trúc nano đặc biệt và khả năng hấp phụ cao, nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng. Nghiên cứu này không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn mở ra hướng ứng dụng mới cho vật liệu nano trong xử lý môi trường. Nghiên cứu sử dụng phương pháp hóa học để tổng hợp rGO từ graphit, sau đó khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen trong các điều kiện khác nhau. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa quy trình hấp phụ và ứng dụng rGO trong thực tế. Vật liệu graphene oxit dạng khử (rGO) là loại vật liệu hấp phụ có nhiều ưu điểm lớn.

1.1. Tầm quan trọng của việc xử lý ô nhiễm xanh metylen

Xanh metylen là một chất nhuộm phổ biến được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm dệt may, giấy và in ấn. Tuy nhiên, việc xả thải nước thải chứa xanh metylen vào môi trường gây ra ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Xanh metylen có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và các sinh vật sống trong nước. Vì vậy, việc phát triển các phương pháp hiệu quả để loại bỏ xanh metylen khỏi nước thải là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Đà Nẵng đánh giá cao về tính cấp thiết của việc bảo vệ môi trường, đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp hóa ngày càng tăng.

1.2. Giới thiệu về vật liệu rGO và tiềm năng hấp phụ

rGO là một vật liệu nano có cấu trúc hai chiều được tạo ra từ graphene oxide (GO) thông qua quá trình khử. rGO có diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện tốt và chi phí sản xuất tương đối thấp, làm cho nó trở thành một vật liệu hấp phụ tiềm năng cho nhiều chất ô nhiễm, bao gồm cả xanh metylen. rGO hấp phụ xanh metylen thông qua tương tác tĩnh điện, tương tác π-π và tương tác Van der Waals. Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Đà Nẵng tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp rGO để tăng cường khả năng hấp phụ xanh metylen.

II. Thách Thức Xử Lý Xanh Metylen Vấn Đề Ô Nhiễm Nguồn Nước

Vấn đề ô nhiễm nguồn nước do xanh metylen và các chất nhuộm khác đặt ra nhiều thách thức lớn. Nước thải từ các ngành công nghiệp dệt nhuộm, in ấn thường chứa nồng độ cao các chất này. Xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm đòi hỏi công nghệ phức tạp và chi phí đầu tư lớn. Các phương pháp truyền thống như keo tụ, lọc sinh học đôi khi không hiệu quả hoặc tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Hơn nữa, ý thức bảo vệ môi trường của một số doanh nghiệp còn hạn chế, dẫn đến tình trạng xả thải trái phép gây ô nhiễm nghiêm trọng. Nghiên cứu từ Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng hướng đến giải quyết các vấn đề này bằng cách phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, chi phí thấp và dễ dàng ứng dụng trong thực tế. Điều này góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn tài nguyên nước quý giá. Các nhà máy dệt may tuy có hệ thống xử lý nước thải nhưng vẫn chưa xử lý được triệt để hàm lượng các chất hữu cơ màu cũng là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường nước.

2.1. Ảnh hưởng của xanh metylen đến môi trường và sức khỏe

Xanh metylen gây ô nhiễm nguồn nước do tính tan mạnh và khó phân hủy. Nó có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái dưới nước, làm giảm khả năng quang hợp của thực vật và gây hại cho các loài thủy sinh. Tiếp xúc với xanh metylen ở nồng độ cao có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể gây ra các vấn đề về thần kinh và ung thư. Nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Đà Nẵng nhấn mạnh sự cần thiết của việc loại bỏ xanh metylen khỏi nước thải để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

2.2. Các phương pháp xử lý xanh metylen hiện nay và hạn chế

Các phương pháp xử lý xanh metylen hiện nay bao gồm keo tụ, lọc, hấp phụ và oxy hóa nâng cao. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng. Keo tụ và lọc có thể không hiệu quả đối với nồng độ xanh metylen thấp. Hấp phụ sử dụng than hoạt tính có chi phí cao. Oxy hóa nâng cao có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Đà Nẵng tập trung vào việc phát triển vật liệu hấp phụ rGO, một giải pháp thay thế hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.

2.3. Thực trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm nguồn nước lớn nhất tại Việt Nam. Nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm thường chứa nồng độ cao các chất ô nhiễm, bao gồm cả xanh metylen. Việc xả thải nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn gây ô nhiễm nghiêm trọng các con sông, kênh rạch và ảnh hưởng đến đời sống của cộng đồng dân cư. Theo báo cáo từ Đại học Sư phạm Đà Nẵng, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan quản lý nhà nước, doanh nghiệp và cộng đồng để giải quyết vấn đề ô nhiễm này.

III. Phương Pháp Tổng Hợp rGO Cách Hấp Phụ Xanh Metylen Hiệu Quả

Nghiên cứu từ Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng tập trung vào quy trình tổng hợp rGO từ graphit oxit (GO) thông qua quá trình khử hóa học. Quá trình này bao gồm việc oxy hóa graphit thành GO bằng các tác nhân oxy hóa mạnh, sau đó khử GO để tạo thành rGO. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian, nồng độ tác nhân khử được tối ưu hóa để đạt được rGO với diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng hấp phụ xanh metylen tốt nhất. Đặc tính của vật liệu rGO được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, SEM, TEM, và XPS. Vật liệu graphenen oxit dạng khử (rGO) là loại vật liệu hấp phụ có nhiều ưu điểm lớn.

3.1. Quy trình tổng hợp rGO từ graphit oxit GO

Quá trình tổng hợp rGO thường bắt đầu bằng việc oxy hóa graphit để tạo thành graphit oxit (GO). Sau đó, GO được phân tán trong nước và khử bằng các tác nhân hóa học như axit ascorbic, hydroiodic hoặc hydrazine để tạo thành rGO. Việc lựa chọn tác nhân khử và điều kiện phản ứng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của rGO. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình này để tạo ra rGO với hiệu suất cao và chi phí thấp.

3.2. Tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt hiệu quả cao

Các yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa trong quá trình tổng hợp rGO bao gồm nồng độ của tác nhân khử, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng và pH của dung dịch. Việc điều chỉnh các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng, diện tích bề mặt và hàm lượng oxy của rGO. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm (DOE) để xác định các điều kiện phản ứng tối ưu cho việc tổng hợp rGO với khả năng hấp phụ xanh metylen cao nhất.

3.3. Các phương pháp phân tích đặc tính vật liệu rGO

Để xác định các đặc tính của vật liệu rGO, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ Raman và quang phổ hấp thụ tia X (XPS). XRD cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể của rGO. SEM và TEM cho phép quan sát hình thái và kích thước của vật liệu. Raman và XPS cung cấp thông tin về thành phần hóa học và các nhóm chức trên bề mặt rGO. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã sử dụng các phương pháp này để đánh giá chất lượng của rGO tổng hợp và so sánh nó với các vật liệu rGO khác.

IV. Khảo Sát Hấp Phụ Xanh Metylen Yếu Tố Ảnh Hưởng và Hiệu Suất

Nghiên cứu về khả năng hấp phụ xanh metylen của rGO được thực hiện bằng cách khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này. Các yếu tố như pH dung dịch, nhiệt độ, nồng độ xanh metylen, liều lượng rGO và thời gian tiếp xúc được kiểm soát và đánh giá tác động. Hiệu suất hấp phụ được xác định bằng phương pháp đo quang phổ UV-Vis để xác định nồng độ xanh metylen còn lại trong dung dịch sau khi hấp phụ. Kết quả cho thấy rGO có khả năng hấp phụ xanh metylen cao, đặc biệt trong điều kiện pH trung tính và nhiệt độ phòng. Các yếu tố này góp phần làm sạch nguồn nước, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm, giúp chống ô nhiễm môi trường.

4.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ

pH dung dịch có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ của rGO. Ở pH thấp, bề mặt rGO có xu hướng tích điện dương, làm giảm khả năng hấp phụ các chất mang điện tích dương như xanh metylen. Ngược lại, ở pH cao, bề mặt rGO tích điện âm, làm tăng khả năng hấp phụ. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã xác định pH tối ưu cho quá trình hấp phụ xanh metylen bằng rGO là khoảng 6-8.

4.2. Tác động của nhiệt độ và thời gian tiếp xúc

Nhiệt độ và thời gian tiếp xúc cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của rGO. Thông thường, khả năng hấp phụ tăng lên khi nhiệt độ tăng do tăng động năng của các phân tử xanh metylen và rGO. Tuy nhiên, ở nhiệt độ quá cao, khả năng hấp phụ có thể giảm do làm giảm độ bền của rGO. Thời gian tiếp xúc cần đủ để các phân tử xanh metylen khuếch tán đến bề mặt rGO và liên kết với các vị trí hấp phụ. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã nghiên cứu và xác định thời gian tiếp xúc tối ưu cho quá trình hấp phụ xanh metylen bằng rGO.

4.3. Đánh giá hiệu suất hấp phụ và động học hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ được đánh giá bằng cách xác định nồng độ xanh metylen còn lại trong dung dịch sau khi hấp phụ bằng quang phổ UV-Vis. Động học hấp phụ được nghiên cứu bằng cách theo dõi sự thay đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian. Các mô hình động học như bậc nhất, bậc hai và Langmuir được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã sử dụng các mô hình này để xác định cơ chế hấp phụ xanh metylen bằng rGO và dự đoán hiệu suất hấp phụ trong các điều kiện khác nhau.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn rGO Hấp Phụ Xanh Metylen Trong Xử Lý Nước

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vật liệu rGO trong xử lý nước thải chứa xanh metylen và các chất nhuộm khác. rGO có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp hoặc gia đình. Việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải sử dụng rGO góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất rGO và thiết kế các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, chi phí thấp và dễ dàng vận hành. Ngoài ra, xanh metylen cũng được cho là hiệu quả trong việc chữa bệnh máu nâu do Met-hemoglobin quá nhiều trong máu.

5.1. Đề xuất quy trình ứng dụng rGO trong hệ thống xử lý nước thải

Một quy trình ứng dụng rGO trong hệ thống xử lý nước thải có thể bao gồm các bước sau: (1) Nước thải được lọc sơ bộ để loại bỏ các chất rắn lơ lửng lớn. (2) Nước thải được trộn với rGO trong một bể phản ứng. (3) Hỗn hợp nước thải và rGO được khuấy trộn để tăng cường quá trình hấp phụ. (4) rGO được tách ra khỏi nước thải bằng phương pháp lọc hoặc lắng. (5) rGO đã hấp phụ xanh metylen được tái sinh hoặc xử lý để loại bỏ xanh metylen. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đang nghiên cứu và phát triển các quy trình ứng dụng rGO hiệu quả và bền vững.

5.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế và tính khả thi của ứng dụng

Để đánh giá hiệu quả kinh tế và tính khả thi của ứng dụng rGO trong xử lý nước thải, cần xem xét các yếu tố như chi phí sản xuất rGO, chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải, hiệu quả loại bỏ xanh metylen, tuổi thọ của rGO và khả năng tái sử dụng rGO. Nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Đà Nẵng đang tập trung vào việc giảm chi phí sản xuất rGO và phát triển các phương pháp tái sinh rGO hiệu quả để tăng tính kinh tế của ứng dụng.

5.3. Triển vọng phát triển và mở rộng ứng dụng rGO

Ứng dụng rGO trong xử lý nước thải có nhiều triển vọng phát triển và mở rộng. rGO có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm khác ngoài xanh metylen, chẳng hạn như thuốc trừ sâu, kim loại nặng và dược phẩm. rGO cũng có thể được kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra các vật liệu composite có khả năng hấp phụ cao hơn. Ngoài ra, rGO có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như cảm biến, pin và siêu tụ điện. Đại học Sư phạm Đà Nẵng đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới của rGO để góp phần giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng.

VI. Kết Luận Nghiên Cứu rGO Mở Ra Hướng Xử Lý Xanh Metylen

Nghiên cứu về vật liệu rGO hấp phụ xanh metylen từ Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã chứng minh tiềm năng lớn của vật liệu này trong xử lý ô nhiễm nguồn nước. Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng để phát triển các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường. Cần có sự đầu tư và hợp tác để thúc đẩy ứng dụng rGO trong thực tế, góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên nước và xây dựng một tương lai bền vững. Để tìm cách giải quyết vấn đề này thì chúng tôi đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu rGO để hấp phụ xanh metylen trong nước thải.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu rGO từ graphit và chứng minh khả năng hấp phụ xanh metylen hiệu quả của vật liệu này. Nghiên cứu cũng đã xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và đề xuất quy trình ứng dụng rGO trong hệ thống xử lý nước thải. Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu là cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc phát triển các vật liệu hấp phụ mới và ứng dụng chúng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và kiến nghị

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất rGO để giảm chi phí và tăng hiệu suất, phát triển các phương pháp tái sinh rGO hiệu quả, nghiên cứu khả năng hấp phụ của rGO đối với các chất ô nhiễm khác và đánh giá tính độc hại của rGO đối với môi trường và sức khỏe con người. Kiến nghị là cần có sự đầu tư và hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý nhà nước để thúc đẩy ứng dụng rGO trong thực tế.