ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG DIỄM TRINH TỔNG HỢP XÚC TÁC NANO SẮT TỪ MANG TRÊN CELLULOSE AEROGEL TỪ PHỤ PHẨM CÂY BẮP ỨNG DỤNG XỬ LÝ p-NITROPHENOL Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024 ii Công trình được hoàn thành tại: Phòng Quá trình Thiết bị và Xúc tác, Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. Nguyễn Trí Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Nguyễn Thị Phương Phong Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Trần Ngọc Quyển Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 02 tháng 01 năm 2024 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: 1. Chủ tịch: PGS. TS Lê Minh Viễn 2. Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Thị Phương Phong 3. Phản biện 2: PGS. TS Trần Ngọc Quyển 4. Ủy viên: PGS. TS Nguyễn Trường Sơn 5. Ủy viên, thư ký: PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi nhận luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ---------------------------------- ---------------------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hoàng Diễm Trinh MSHV: 2170174 Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1998 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 8520301 I. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp xúc tác nano sắt từ mang trên cellulose aerogel từ phụ phẩm cây bắp ứng dụng xử lý p-nitrophenol. (Synthesis of ferromagnetic nanocatalysts decorated on cellulose aerogels from corn by products applied in p-nitrophenol treatment. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tổng hợp cellulose aerogel (CA) theo quy trình phù hợp đã được xác định. - Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác Fe3O4@CA bằng phương pháp đồng kết tủa trên chất mang CA. - Khảo sát sự ảnh hưởng của liên kết ngang khác nhau, phương pháp sấy khác nhau đến tính chất và hoạt tính xúc tác Fe3O4@CA trong quá trình Fenton phân hủy PNP. Từ đó, xác định chất liên kết ngang và phương pháp sấy phù hợp cho quá trình xử lý. - Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng pha hoạt động Fe3O4 đến tính chất và hoạt tính hệ xúc tác Fe3O4@CA và liều lượng H2O2 đến hiệu quả quá trình Fenton phân hủy PNP. Từ đó, xác định hàm lượng Fe3O4 đính trên CA và nồng độ H2O2 phù hợp cho quá trình xử lý. - Đánh giả khả năng tái sử dụng của hệ xúc túc Fe3O4@CA. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2023 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Cán bộ hướng dẫn 1: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ Cán bộ hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Trí Tp, HCM, ngày 02 tháng 01 năm 2024 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) iv LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ và TS. Nguyễn Trí vì sự hướng dẫn tận tình và có giá trị trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tiếp theo, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Hồ Gia Thiên Thanh đã tận tình hướng dẫn, cùng những lời động viên và những kinh nghiệm quý báu dành cho tôi. Những lời khuyên quý báu ấy giúp tôi có thêm kiến thức để hiểu hơn về đề tài của mình. Tiếp đến, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Viện Công nghệ Hóa học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về nơi làm thí nghiệm, thiết bị và hóa chất phục vụ cho quá trình nghiên cứu luận văn này. Ngoài ra, tôi chân thành cảm ơn anh chị và bạn bè trong phòng Quá trình Thiết bị và Xúc tác đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu. Luận văn này sẽ không thể đạt được nếu không có tất cả mọi người. Trân trọng! v TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, xúc tác nano Fe3O4 đính trên chất mang cellulose aerogel (Fe3O4@CA) từ 02 nguồn nguyên liệu vỏ bắp và lục bình đã được tổng hợp thành công. Các nguyên liệu được tiền xử lý loại bỏ lignin và hemicellulose, sau đó kymene được sử dụng làm chất tạo liên kết ngang và sấy thăng hoa để tạo thành cellulose aerogel (CA). Các hạt nano Fe3O4 được tạo ra trên bề mặt CA bằng phương pháp đồng kết tủa muối Fe2+ và Fe3+. Các đặc tính của xúc tác được phân tích thành phần pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD – X-Ray Diffraction), thành phần và sự phân bố nguyên tố bằng phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS – Energy- dispersive X-ray spectroscopy), hình thái bề mặt bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscope) và kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giài cao (HRTEM), các nhóm chức trên bề mặt bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại chuyển đổi (FTIR) và diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp, đường kính lỗ xốp bằng phương pháp hấp phụ N2 (BET - Brunauner Emmett Teller). Các mẫu xúc tác với hàm lượng nano Fe3O4 khác nhau được đính trên cellulose aerogel để khảo sát khả năng xử lý p-nitrophenol trong nước thải theo cơ chế Fenton dị thể. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất xử lý p-nitrophenol cũng được khảo sát như: chất liên kết ngang, phương pháp sấy, hàm lượng Fe3O4 và nồng độ H2O2 sử dụng. Trong điều kiện pH = 3, H2O2 có nồng độ 5,0 g/L, xúc tác với hàm lượng nano Fe3O4 0,69 g/g CA có hiệu suất xử lý p-nitrophenol 2000 ppm đạt hơn 90% trong 60 phút. Ngoài ra, xúc tác còn có thể dễ dàng được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần bằng phương pháp lọc và sấy. Nghiên cứu cho thấy xúc tác vẫn giữ hoạt tính với hiệu suất xử lý p-nitrophenol đạt hơn 80% trong 5 lần tái sử dụng (sau 5 mẻ xử lý liên tiếp). Có thể thấy, Fe3O4@CA là vật liệu tiềm năng và mang tính ứng dụng cao (hiệu quả xử lý cao, hoạt tính ổn định và dễ thu hồi tái sử dụng) cho quá trình xử lý p-nitrophenol nói riêng và các chất hữu cơ khó phân hủy gây ô nhiễm nguồn nước nói chung. Kết quả đề tài sẽ tạo “tác động kép” trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường, dùng nguồn phụ phẩm thải bỏ gây ô nhiễm để tổng hợp vật liệu có giá trị ứng dụng trong xử lý ô nhiễm khác. vi ABSTRACT In this work, Fe3O4 nanoparticles attached to cellulose aerogels (Fe3O4@CA) from two raw materials including corn husk and water hyacinth were successfully synthesized. Raw materials were pretreated to remove lignin and hemicellulose, then KM is used as a cross-linking agent and freeze-dried to form cellulose aerogel. Fe3O4 nanoparticles were produced on the aerogel surface by co-precipitation of Fe2+ and Fe3+ salts. The properties of the catalyst were analyzed for phase composition by X-ray diffraction (XRD), and element composition and distribution by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS – Energy dispersive X-ray spectroscopy), surface morphology by scanning electron microscope (SEM – Scanning Electron Microscope) and high- resolution transmission electron microscopy (HRTEM), functional groups on the surface by transfer infrared spectroscopy (FTIR) and specific surface area, pore volume, pore diameter porous by N2 adsorption method (BET - Brunauner Emmett Teller). Catalyst samples with different Fe3O4 nano content were mounted on cellulose aerogel to investigate the ability to treat p-nitrophenol in wastewater by the heterogeneous Fenton mechanism. Other factors affecting the speed and efficiency of p- nitrophenol treatment were also investigated such as: crosslinker, drying method, Fe3O4 content and H2O2 concentration used. Under conditions of pH = 3, H2O2 concentration of 5,0 g/L, catalyst with Fe3O4 nano content of 0,69 g/g CA has a p-nitrophenol treatment efficiency of 2000 ppm reaching more than 90% in 60 minutes. In addition, the catalyst can be easily recovered and reused many times by filtration and drying. Research shows that the catalyst still retains its activity with p-nitrophenol treatment efficiency reaching more than 80% in five reuse (after 5 consecutive treatment batches). It can be seen that Fe3O4 @CA is a potential and highly applicable material (high treatment efficiency, stable activity and easy to recover and reuse) for the treatment of p-nitrophenol in particular and other persistent organic substances pollute water sources in general. The results of this work will create a "dual impact" in minimizing environmental pollution, using polluting waste by-products to synthesize valuable materials for application in treating other pollution. vii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu đề tài này là của riêng tôi, không trùng lặp với bất kỳ công trình và nghiên cứu khoa học nào khác đã được công bố. Tất cả các tài liệu trích dẫn đều được ghi nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Các số liệu thí nghiệm trong luận văn là trung thực và đã nhận được sự đồng ý từ GVHD là PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ và TS. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2023 Học viên thực hiện Nguyễn Hoàng Diễm Trinh viii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .iv TÓM TẮT LUẬN VĂN .vi LỜI CAM ĐOAN .vii DANH MỤC HÌNH ẢNH . xiii DANH MỤC BẢNG . xvii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT . xviii MỞ ĐẦU . LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI . MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU . Mục tiêu nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu . Giới thiệu về p-nitrophenol . Một số phương pháp xử lý p-nitrophenol trong nước . PHẢN ỨNG FENTON . Giới thiệu chung về phản ứng Fenton . Cơ chế của phản ứng Fenton . Các yếu tố ảnh hường đến phản ứng Fenton . Tình hình nghiên cứu về phản ứng Fenton . NANO OXIDE SẮT TỪ VÀ NANO OXIDE SẮT TỪ MANG TRÊN CELLULOSE AEROGEL . Cấu trúc Fe3O4 . Các phương pháp tổng hợp . Nano Fe3O4 mang trên cellulose aerogel . VẬT LIỆU AEROGEL . Giới thiệu về vật liệu aerogel . Đặc tính và tiềm năng ứng dụng của các loại vật liệu aerogel. Tính chất của cellulose aerogel . Phương pháp tổng hợp cellulose aerogel . Ứng dụng của cellulose aerogel . TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU . Các nguồn nguyên, vật liệu trong các nghiên cứu trước đây . Tiền xử lý nguyên liệu thô . Tình hình cây lục bình ở Việt Nam và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất cellulose aerogel . Tình hình phụ phẩm từ cây bắp ở Việt Nam và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất cellulose aerogel . ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI . 36 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT .
