Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Sự phát triển của các ngành công nghiệp trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư làm gia tăng áp lực bảo vệ môi trường, đặc biệt là sự suy giảm chất lượng nguồn nước do các chất thải hữu cơ tổng hợp và kim loại nặng. Trong số các chất ô nhiễm vô cơ, ion Chromium hóa trị 6 (Cr(VI)) phát tán chủ yếu từ các hoạt động khai khoáng, luyện kim và mạ điện. Cr(VI) tồn tại trong môi trường nước dưới các dạng anion linh động và dễ tan như $\text{CrO}_4^{2-}$, $\text{HCrO}_4^-$ và $\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}$. Đây là tác nhân có độc tính cao, có khả năng gây tổn thương gan, phổi, thận và được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cùng Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp vào nhóm chất gây ung thư. Năm 2008, WHO đã khuyến nghị nồng độ tối đa cho phép của Cr(VI) trong nước uống là $0{,}05\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$, trong khi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) quy định giới hạn tổng chromium trong nước uống là $100\ \mu\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ ($0{,}1\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$). Trái ngược với Cr(VI), ion Cr(III) có độc tính thấp hơn đáng kể, là vi chất dinh dưỡng cần thiết và dễ dàng bị loại bỏ dưới dạng kết tủa $\text{Cr(OH)}_3$ trong khoảng pH từ 6 đến 12.
Trong các giải pháp xử lý ion Cr(VI) như kết tủa hóa học, trao đổi ion, điện phân và xử lý sinh học, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao nhờ quy trình vận hành đơn giản, chi phí hợp lý và không phát sinh các sản phẩm phụ độc hại. Các vật liệu khung kim loại - hữu cơ (Metal-Organic Frameworks - MOFs), đặc biệt là nhóm vật liệu MOF mang tâm kim loại Zirconium (Zr-MOFs), sở hữu độ xốp cao, kích thước lỗ xốp đồng nhất cùng độ bền nhiệt, bền cơ học và bền nước vượt trội. Tuy nhiên, các công bố về tổng hợp vật liệu MOF định hướng xử lý kim loại nặng trong môi trường nước tại Việt Nam còn hạn chế. Do đó, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu UiO-67 nhằm đánh giá khả năng xử lý Cr(VI) trong môi trường nước.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác lập bao gồm:
- Tổng hợp thành công vật liệu khung kim loại - hữu cơ UiO-67 có độ xốp cao bằng phương pháp nhiệt dung môi có sử dụng chất điều biến axit.
- Đặc trưng cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt, liên kết hóa học, độ bền nhiệt và hình thái học bề mặt của vật liệu UiO-67 thông qua các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại.
- Khảo sát thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Cr(VI) bao gồm giá trị pH dung dịch, khối lượng chất hấp phụ, nồng độ ban đầu và thời gian tiếp xúc.
- Mô hình hóa quá trình hấp phụ bằng các phương trình đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich, Temkin) và phương trình động học (biểu kiến bậc 1, biểu kiến bậc 2); khảo sát khả năng tái sinh và tái sử dụng vật liệu qua nhiều chu kỳ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu khung kim loại - hữu cơ UiO-67 tổng hợp từ tiền chất zirconium và phối tử hữu cơ biphenyl; dung dịch chứa ion Cr(VI) ở các dải nồng độ và pH khác nhau trong phòng thí nghiệm.
- Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện thực nghiệm tại Bộ môn Hóa lý, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh; khóa luận hoàn thành và bảo vệ vào tháng 05 năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên hóa học vật liệu khung kim loại - hữu cơ (MOFs) và nguyên lý Acid - Base cứng - mềm của Pearson (HSAB). Vật liệu UiO-67 (UiO: University of Oslo) có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt ($\text{fcc}$), được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBUs) vô cơ dạng bát diện $\text{Zr}_6\text{O}_4(\text{OH})_4$ liên kết với 12 phối tử hữu cơ axit 4,4'-biphenyldicarboxylic ($\text{H}_2\text{BPDC}$). Cation $\text{Zr}^{4+}$ có bán kính ion nhỏ, mật độ điện tích lớn và tính axit Lewis cứng, tạo liên kết phối trí cộng hóa trị bền vững với nguyên tử oxy của nhóm carboxylate (base Lewis cứng). Cấu trúc này tạo nên độ bền thủy phân và độ bền nhiệt cao cho UiO-67. Cơ chế hấp phụ Cr(VI) trong môi trường axit chủ yếu dựa trên tương tác tĩnh điện giữa các nhóm hydroxyl ($-\text{OH}$) trên cluster zirconium bị proton hóa thành $-\text{OH}_2^+$ mang điện tích dương với các anion cromat/hydrochromat mang điện tích âm trong dung dịch.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm quy trình tổng hợp hóa học, phân tích trắc quang và đặc trưng hóa lý:
- Phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi (Solvothermal): Hỗn hợp gồm $30\text{ mg } \text{H}_2\text{BPDC}$ và $22{,}3\text{ mg } \text{ZrCl}_4$ được hòa tan trong $5\text{ mL } \text{N,N-dimethylformamide}$ (DMF), đánh siêu âm và thêm $0{,}15\text{ mL } \text{HCl } 37%$ làm chất điều biến tinh thể. Phản ứng nhiệt dung môi diễn ra ở $150\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Sản phẩm được ly tâm, trao đổi dung môi với methanol ($\text{MeOH}$) nhiều lần ($15-20\text{ mL}$) và hoạt hóa sấy khô theo hai giai đoạn: $80\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và $120\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ tiếp theo.
- Phương pháp xác định nồng độ Cr(VI): Sử dụng phương pháp trắc quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis ở bước sóng cực đại $\lambda = 543\text{ nm}$, dựa trên phản ứng tạo phức màu đặc trưng giữa Cr(VI) và thuốc thử 1,5-diphenylcarbazide (1,5-DPC) trong môi trường axit $\text{H}_2\text{SO}_4\ 0{,}5\text{ M}$.
- Các kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại:
- Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Khảo sát độ tinh thể và độ đơn pha dựa trên hệ thức Bragg: $2d\sin\theta = n\lambda$.
- Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định các dao động liên kết đặc trưng trong khung cấu trúc.
- Phân tích nhiệt khối lượng (TGA): Đo lường sự suy giảm khối lượng theo nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến $800\ ^\circ\text{C}$ để đánh giá độ bền nhiệt.
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đánh giá hình thái bề mặt và kích thước hạt vật liệu.
- Đo đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt $\text{N}_2$ ở $77\text{ K}$ (BET): Xác định diện tích bề mặt riêng và đặc tính lỗ xốp.
- Phương pháp xử lý dữ liệu hấp phụ: Sử dụng các mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich, Temkin và các mô hình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 để xử lý số liệu thực nghiệm.
- Nguồn dữ liệu: Toàn bộ dữ liệu phân tích phổ, giản đồ và nồng độ hấp phụ được thu thập trực tiếp từ các phép đo thực nghiệm tại hệ thống thiết bị của nhà trường và các phòng thí nghiệm chuyên ngành.
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm Cr(VI) trong nước thải công nghiệp và độc tính nghiêm trọng của hợp chất này đối với sức khỏe con người. Giới thiệu tổng quan về tiềm năng của nhóm vật liệu Zr-MOFs có độ bền cao trong môi trường nước, từ đó xác lập mục tiêu tổng hợp UiO-67 có độ xốp cao để ứng dụng loại bỏ Cr(VI).
Chương 1. Tổng quan
Chương 1 cung cấp tổng quan tài liệu về vật liệu khung kim loại - hữu cơ (MOFs), bao gồm lịch sử phát triển từ vật liệu rây phân tử aluminophosphate (năm 1982), cấu trúc đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBUs) và phân loại các họ MOFs tiêu biểu như ZIF, MIL, Zr-MOFs. Tác giả phân tích ba phương pháp tổng hợp MOFs chính: nhiệt dung môi, siêu âm và điện hóa; tổng kết các ứng dụng trong hấp phụ khí ($\text{H}_2, \text{CO}_2, \text{O}_2$), xúc tác quang học và phân phối thuốc. Trọng tâm của chương tập trung vào vật liệu Zr-MOFs (UiO-66 và UiO-67), giải thích độ bền vượt trội theo thuyết HSAB giữa ion $\text{Zr}^{4+}$ và nhóm carboxylate. So với UiO-66, UiO-67 có diện tích bề mặt riêng lý thuyết cao hơn ($\sim 2700\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$) và kích thước lỗ xốp lớn hơn ($1{,}17 - 1{,}61\text{ nm}$). Phần cuối chương phân tích thực trạng ô nhiễm Chromium, giới hạn quy chuẩn của WHO ($0{,}05\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$) và EPA ($100\ \mu\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$), các dạng tồn tại của Cr(VI) và nguyên lý hấp phụ xử lý Cr(VI).
Chương 2. Hóa chất, dụng cụ và phương pháp nghiên cứu
Nội dung chương mô tả chi tiết danh mục hóa chất ($\text{ZrCl}_4, \text{H}_2\text{BPDC}, \text{DMF}, \text{HCl}, \text{MeOH}, 1{,}5\text{-DPC}, \text{H}_2\text{SO}_4, \text{NaOH}$) và thiết bị nghiên cứu. Trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp UiO-67 bằng phương pháp nhiệt dung môi ở $150\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và quy trình hoạt hóa ở $80\ ^\circ\text{C}$ và $120\ ^\circ\text{C}$. Xây dựng đường chuẩn trắc quang xác định nồng độ Cr(VI) ở bước sóng $543\text{ nm}$. Thiết lập các thí nghiệm khảo sát hấp phụ:
- Khảo sát ảnh hưởng của pH (từ 1,0 đến 5,0) với $10\text{ mg}$ vật liệu trong $40\text{ mL}$ dung dịch Cr(VI) $400\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$.
- Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ ($5 - 30\text{ mg}$) trong $40\text{ mL}$ dung dịch Cr(VI) $400\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$ ở $\text{pH} = 2{,}0$.
- Khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ với $15\text{ mg}$ vật liệu trong dung dịch Cr(VI) nồng độ $50 - 1000\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$ ở $\text{pH} = 2{,}0$.
- Khảo sát động học hấp phụ với $5\text{ mg}$ vật liệu trong $40\text{ mL}$ dung dịch Cr(VI) $10\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$ ở các mốc thời gian từ 5 đến 240 phút.
- Khảo sát tái sử dụng vật liệu qua quá trình rửa giải với nước cất và methanol. Đồng thời, chương này trình bày nguyên lý toán học của các phương pháp phân tích hóa lý (PXRD, FT-IR, TGA, SEM, TEM, BET) và các phương trình đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich, Temkin), động học (bậc 1, bậc 2).
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:
- Đặc trưng vật liệu UiO-67: Giản đồ PXRD của mẫu sau hoạt hóa có các pic nhiễu xạ trùng khớp hoàn toàn với cấu trúc mô phỏng, chứng minh vật liệu có độ tinh khiết pha cao. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp $\text{N}_2$ tại $77\text{ K}$ cho kết quả diện tích bề mặt riêng BET đạt $2067\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$. Phổ FT-IR xuất hiện các tín hiệu tại $1652\text{ cm}^{-1}$ và $1604\text{ cm}^{-1}$ (dao động $\text{C=O}$ bất đối xứng), $1410\text{ cm}^{-1}$ (dao động $\text{C-O}$ đối xứng), $1548\text{ cm}^{-1}$ (dao động $\text{C=C}$) và $653\text{ cm}^{-1}$ (liên kết $\text{Zr-O}$). Giản đồ TGA chứng minh vật liệu bền nhiệt đến khoảng $450\ ^\circ\text{C}$, với các giai đoạn mất khối lượng: $10{,}64%$ (từ nhiệt độ phòng đến $130\ ^\circ\text{C}$ do mất nước bề mặt), $12{,}89%$ (mất nước phối trí trên cụm kim loại) và $37{,}05%$ (từ $450 - 800\ ^\circ\text{C}$ do phân hủy khung hữu cơ). Ảnh SEM và TEM chỉ ra hạt tinh thể có dạng khối đa diện đồng đều với kích thước trung bình khoảng $50 - 100\text{ nm}$.
- Tính chất hấp phụ Cr(VI): Giá trị pH tối ưu được xác định là $\text{pH} = 2{,}0$. Khối lượng vật liệu tối ưu là $15\text{ mg}$ trong $40\text{ mL}$ dung dịch $400\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$ (dung lượng đạt bão hòa khoảng $153\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$).
- Xử lý mô hình đẳng nhiệt và động học: Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0{,}997$) với dung lượng cực đại tính toán $q_{max} = 222{,}22\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$ (dung lượng thực nghiệm đạt $191{,}54\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$), hệ số tách $0 < R_L < 1$. Dữ liệu động học phù hợp với mô hình biểu kiến bậc hai ($R^2 = 0{,}995$), dung lượng hấp phụ cân bằng lý thuyết là $51{,}28\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$ (thực nghiệm là $46{,}62\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$ ở nồng độ $10\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$), quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 150 - 180 phút.
- Khả năng tái sử dụng: Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu UiO-67 duy trì ở mức khoảng $90%$ sau 5 chu kỳ hấp phụ - giải hấp.
Kết luận và kiến nghị
Tóm tắt các kết quả đạt được về quy trình tổng hợp, các thông số hóa lý, điều kiện tối ưu và các mô hình nhiệt động - động học của quá trình hấp phụ. Đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã công bố các số liệu định lượng cụ thể thu được từ quá trình thực nghiệm:
| Đại lượng / Thông số đặc trưng |
Giá trị thực nghiệm trong khóa luận |
| Diện tích bề mặt riêng BET |
$2067\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$ |
| Độ bền nhiệt tối đa (TGA) |
Khoảng $450\ ^\circ\text{C}$ |
| Kích thước hạt trung bình (SEM/TEM) |
$50 - 100\text{ nm}$ (dạng khối đa diện) |
| Giá trị pH tối ưu cho hấp phụ Cr(VI) |
$\text{pH} = 2{,}0$ |
| Khối lượng chất hấp phụ tối ưu |
$15\text{ mg}$ (trong $40\text{ mL}$ dung dịch $400\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$) |
| Dung lượng hấp phụ cực đại thực nghiệm ($q_{max}$) |
$191{,}54\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$ |
| Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir |
$222{,}22\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$ ($R^2 = 0{,}997$) |
| Hệ số tương quan mô hình Freundlich / Temkin |
$R^2 = 0{,}948$ / $R^2 = 0{,}958$ |
| Mô hình động học phù hợp nhất |
Biểu kiến bậc hai ($R^2 = 0{,}995$) |
| Thời gian đạt cân bằng hấp phụ |
$150 - 180\text{ phút}$ |
| Hiệu suất duy trì sau 5 chu kỳ tái sử dụng |
Khoảng $90%$ |
Để làm rõ hiệu quả xử lý của vật liệu, tác giả đã tiến hành so sánh dung lượng hấp phụ Cr(VI) cực đại của UiO-67 với các vật liệu MOFs khác đã được công bố trong tài liệu tham khảo:
| Vật liệu hấp phụ |
Dung lượng hấp phụ cực đại ($\text{mg}\cdot\text{g}^{-1}$) |
Nguồn trích dẫn |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@MIL-100(Fe)}$ |
$18{,}2$ |
[62] |
| $\text{EDTA-chitosan/Cu-BTC}$ |
$151{,}5$ |
[63] |
| UiO-67 |
$191{,}54$ |
Nghiên cứu này |
Đóng góp của khóa luận:
- Tổng hợp thành công vật liệu UiO-67 có độ tinh khiết cao, cấu trúc đồng nhất và diện tích bề mặt lớn ($2067\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$) tại điều kiện phòng thí nghiệm trong nước.
- Chứng minh cơ chế hấp phụ Cr(VI) là hấp phụ hóa học đơn lớp, chi phối bởi tương tác tĩnh điện giữa các nhóm hydroxyl proton hóa trên cluster Zr và các anion Cr(VI), mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu khung kim loại - hữu cơ trong xử lý ô nhiễm nguồn nước.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận đã thẳng thắn ghi nhận một số hạn chế và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Đánh giá khả năng tái sử dụng mới chỉ dừng lại ở 5 chu kỳ thực nghiệm do giới hạn về thời gian nghiên cứu; cần tiếp tục khảo sát số chu kỳ tái sinh lớn hơn để khẳng định độ bền cấu trúc lâu dài của vật liệu.
- Nghiên cứu chưa áp dụng các phương pháp mô phỏng tính toán hóa học lượng tử/lý thuyết để làm sáng tỏ cơ chế liên kết chi tiết ở mức độ phân tử giữa Cr(VI) và các tâm hoạt tính trên vật liệu.
- Thí nghiệm mới thực hiện trên hệ dung dịch đơn thành phần trong phòng thí nghiệm; hướng nghiên cứu tiếp theo cần thử nghiệm khả năng hấp phụ trên các phẩm nhuộm hữu cơ hoặc các ion kim loại nặng khác trong nguồn nước thải thực tế đa thành phần.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo dành cho:
- Sinh viên, học viên cao học và nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Sư phạm Hóa học, Hóa học (Hóa lý, Hóa vô cơ, Hóa phân tích), Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Kỹ thuật Môi trường.
- Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao:
- Quy trình thực nghiệm chi tiết về tổng hợp nhiệt dung môi vật liệu Zr-MOF có sử dụng axit hydrochloric làm chất điều biến cấu trúc và quy trình hoạt hóa làm sạch dung môi.
- Phương pháp xây dựng đường chuẩn và phân tích định lượng ion kim loại Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang UV-Vis với thuốc thử 1,5-DPC.
- Phương pháp luận xử lý và đánh giá dữ liệu hóa lý bề mặt, bao gồm việc giải thích giản đồ PXRD, đường cong TGA, ảnh SEM/TEM và tính toán các thông số mô hình nhiệt động học (Langmuir, Freundlich, Temkin) cùng động học hấp phụ biểu kiến.
Câu hỏi thường gặp
1. Vật liệu UiO-67 trong khóa luận được tổng hợp từ những tiền chất nào và trong điều kiện phản ứng ra sao?
Vật liệu được tổng hợp từ tiền chất muối kim loại $\text{ZrCl}_4$ ($22{,}3\text{ mg}$) và phối tử hữu cơ $\text{H}_2\text{BPDC}$ ($30\text{ mg}$) hòa tan trong $5\text{ mL}$ dung môi DMF, có bổ sung $0{,}15\text{ mL } \text{HCl } 37%$ làm chất điều biến. Phản ứng nhiệt dung môi được thực hiện ở nhiệt độ $150\ ^\circ\text{C}$ trong thời gian 24 giờ, sau đó được trao đổi dung môi với methanol và hoạt hóa sấy khô ở $80\ ^\circ\text{C}$ (24 giờ) và $120\ ^\circ\text{C}$ (24 giờ).
2. Tại sao giá trị $\text{pH} = 2{,}0$ lại là điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Cr(VI) của vật liệu UiO-67?
Trong môi trường axit mạnh ($\text{pH} = 2{,}0$), các nhóm hydroxyl ($-\text{OH}$) liên kết với cụm kim loại $\text{Zr}_6$ bị proton hóa mạnh mẽ tạo thành các tâm mang điện tích dương ($-\text{OH}_2^+$). Đồng thời, Cr(VI) tồn tại chủ yếu dưới dạng các anion mang điện tích âm ($\text{HCrO}_4^-$ và $\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}$), tạo ra lực hút tĩnh điện mạnh mẽ giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, làm tăng hiệu suất và dung lượng hấp phụ.
3. Quá trình hấp phụ Cr(VI) của UiO-67 tuân theo mô hình đẳng nhiệt và mô hình động học nào?
Dữ liệu thực nghiệm tương thích tốt nhất với mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0{,}997$, dung lượng cực đại lý thuyết đạt $222{,}22\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$, dung lượng thực nghiệm đạt $191{,}54\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$), chứng minh quá trình hấp phụ diễn ra đơn lớp trên các tâm hấp phụ đồng nhất. Về mặt động học, quá trình tuân theo mô hình biểu kiến bậc hai ($R^2 = 0{,}995$), khẳng định cơ chế chi phối là hấp phụ hóa học thông qua tương tác trao đổi điện tử/tĩnh điện.
4. Độ bền nhiệt và diện tích bề mặt riêng đo được của vật liệu UiO-67 đạt giá trị bao nhiêu?
Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) cho thấy khung cấu trúc của UiO-67 bền nhiệt lên đến khoảng $450\ ^\circ\text{C}$. Phép đo đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp $\text{N}_2$ tại $77\text{ K}$ (BET) xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu đạt $2067\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$.
5. Khả năng tái sinh và tái sử dụng của vật liệu UiO-67 sau quá trình hấp phụ được thực hiện như thế nào?
Vật liệu sau khi hấp phụ được thu hồi bằng phương pháp ly tâm, ngâm và rửa trao đổi nhiều lần bằng nước cất và methanol để giải hấp Cr(VI), sau đó hoạt hóa sấy khô. Sau 5 chu kỳ hấp phụ và tái sinh liên tiếp, hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu UiO-67 vẫn duy trì ở mức khoảng $90%$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Huỳnh Mỹ Nhi đã tổng hợp thành công vật liệu khung kim loại - hữu cơ UiO-67 có diện tích bề mặt riêng lớn ($2067\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$) và độ bền nhiệt cao đến $450\ ^\circ\text{C}$ bằng phương pháp nhiệt dung môi có kiểm soát. Quá trình hấp phụ ion Cr(VI) trong nước đạt hiệu quả tối ưu tại $\text{pH} = 2{,}0$, tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ thực nghiệm đạt $191{,}54\text{ mg}\cdot\text{g}^{-1}$ và tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu UiO-67 trong xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng nhờ dung lượng hấp phụ vượt trội và khả năng duy trì hiệu suất ổn định sau 5 chu kỳ tái sử dụng.
