Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Carbon Aerogel Và Ứng Dụng Làm Điện Cực Hấp Phụ NaCl, Na2SO4 Trong Dung Dịch Nước

• Tác giả: Lê Khắc Duyên
• Người hướng dẫn: TS. Lê Anh Kiên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp carbon aerogel và ứng dụng làm điện cực hấp phụ NaCl, Na2SO4 trong dung dịch nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV
• 1. Vật liệu aerogels và carbon aerogel
• 1.1. Giới thiệu về aerogels
• 1.2. Phân loại aerogels
• 1.3. Phương pháp tổng hợp aerogels
• 1.4. Nghiên cứu về vật liệu carbon aerogel
• 1.5. Ứng dụng carbon aerogel trong xử lý nước nhiễm mặn
• 1.5.1. Tổng quan công nghệ xử lý nước nhiễm mặn thành nước ngọt
• 1.5.2. Công nghệ điện dung khử ion trong xử lý mặn bằng carbon aerogel
• 2. Phương pháp thực nghiệm
• 2.1. Hóa chất và trang thiết bị
• 2.2. Tổng hợp carbon aerogel
• 2.2.1. Tổng hợp RF aerogels
• 2.2.2. Nhiệt phân RF aerogel tạo carbon aerogel
• 2.2.3. Hoạt hóa carbon aerogels
• 2.3. Phân tích các tính chất carbon aerogels
• 2.3.1. Hình thái bề mặt vật liệu
• 2.3.2. Khối lượng riêng và độ xốp
• 2.3.3. Diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp
• 2.4. Chế tạo điện cực carbon aerogel cho hệ điện dung khử ion (CDI)
• 2.4.1. Chế tạo điện cực
• 2.4.2. Tính chất điện cực carbon
• 2.4.3. Đánh giá khả năng hấp phụ ion
• 3. Kết quả và bàn luận
• 3.1. Chế tạo RF aerogel
• 3.1.1. Khả năng gel hóa của dung dịch RF và sấy loại dung môi
• 3.1.2. Tính chất của RF aerogel
• 3.2. Chế tạo carbon aerogel
• 3.2.1. Nhiệt độ nhiệt phân - hoạt hóa
• 3.2.2. Thời gian nhiệt phân - hoạt hóa
• 3.2.3. Tính chất của carbon aerogel
• 3.2.3.1. Hình thái và cấu trúc carbon aerogel
• 3.2.3.2. Diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp
• 3.3. Chế tạo điện cực carbon
• 3.3.1. Tính chất điện cực carbon
• 3.3.2. Hấp phụ muối NaCl
• 3.3.3. Hấp phụ muối Na2SO4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng hợp carbon aerogel

Tổng hợp carbon aerogel là quá trình chuyển đổi từ aerogel hữu cơ sang carbon aerogel thông qua phương pháp nhiệt phân. Quy trình này bao gồm các bước chính: tạo sol, gel hóa, sấy khô và nhiệt phân. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp như tỷ lệ resorcinol/formaldehyde, nồng độ xúc tác và điều kiện nhiệt phân được khảo sát và tối ưu hóa. Kết quả cho thấy carbon aerogel có khối lượng riêng thấp (0.510 g/cm³), độ xốp cao (70%) và diện tích bề mặt riêng lớn (637-824 m²/g).

1.1. Quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp carbon aerogel bắt đầu từ việc tạo sol từ resorcinol và formaldehyde, sau đó gel hóa và sấy khô bằng phương pháp siêu tới hạn để giữ nguyên cấu trúc xốp. Cuối cùng, aerogel hữu cơ được nhiệt phân ở nhiệt độ cao để tạo thành carbon aerogel. Các thông số như tỷ lệ resorcinol/formaldehyde và nồng độ xúc tác được điều chỉnh để đạt được vật liệu có tính chất tối ưu.

1.2. Đặc tính vật liệu

Carbon aerogel tổng hợp được có cấu trúc xốp với kích thước lỗ trung bình 22 Å, độ dẫn điện 1.9 S/cm và độ bền nhiệt lên đến 550°C. Các phương pháp phân tích như SEM, XRD và hấp phụ nitrogen được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu. Những đặc tính này làm cho carbon aerogel trở thành vật liệu tiềm năng cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước.

II. Ứng dụng carbon aerogel trong xử lý nước

Ứng dụng carbon aerogel trong xử lý nước tập trung vào việc sử dụng vật liệu này làm điện cực hấp phụ trong công nghệ điện dung khử ion (CDI). Carbon aerogel được chế tạo thành điện cực với chất kết dính polyvinyl alcohol (PVA), có diện tích bề mặt riêng 399 m²/g và khối lượng riêng 0.246 g/cm³. Thử nghiệm cho thấy khả năng hấp phụ ion NaCl và Na₂SO₄ của điện cực đạt 21.14 mg/g.

2.1. Công nghệ điện dung khử ion CDI

Công nghệ CDI là phương pháp điện hóa sử dụng điện cực hấp phụ để loại bỏ muối trong nước nhiễm mặn. Carbon aerogel với diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện tốt là vật liệu lý tưởng cho ứng dụng này. Thử nghiệm với dung dịch NaCl và Na₂SO₄ cho thấy hiệu quả hấp phụ cao, đặc biệt ở nồng độ muối thấp và trung bình.

2.2. Hiệu quả xử lý muối

Kết quả thử nghiệm cho thấy carbon aerogel có khả năng hấp phụ ion NaCl và Na₂SO₄ hiệu quả, với dung lượng hấp phụ lên đến 21.14 mg/g điện cực. Điều này chứng tỏ tiềm năng lớn của carbon aerogel trong việc xử lý nước nhiễm mặn, đặc biệt là ở các khu vực thiếu nước ngọt.

III. Phân tích và đánh giá

Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của carbon aerogel trong việc tổng hợp và ứng dụng làm điện cực hấp phụ trong công nghệ CDI. Vật liệu này không chỉ có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn mà còn có độ dẫn điện và độ bền nhiệt cao, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong xử lý nước và các lĩnh vực khác.

3.1. Giá trị khoa học

Nghiên cứu đã cung cấp một quy trình tổng hợp carbon aerogel hiệu quả, đồng thời đánh giá toàn diện các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển vật liệu nano ứng dụng trong xử lý môi trường và năng lượng.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Carbon aerogel có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước nhiễm mặn, đặc biệt là ở các khu vực khan hiếm nước ngọt. Công nghệ CDI sử dụng carbon aerogel làm điện cực hấp phụ có thể giảm chi phí và năng lượng so với các phương pháp truyền thống như thẩm thấu ngược (RO) hoặc chưng cất.

Tổng quan nghiên cứu

Carbon aerogel là vật liệu xốp có nhiều tính chất đặc trưng như diện tích bề mặt riêng lớn, khối lượng riêng thấp và cấu trúc lỗ xốp đa dạng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hấp phụ, xúc tác và năng lượng. Trong bối cảnh nguồn nước ngọt ngày càng khan hiếm, việc xử lý nước nhiễm mặn trở thành vấn đề cấp thiết. Công nghệ điện dung khử ion (CDI) nổi bật với ưu điểm chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng ít và hiệu quả cao trong xử lý nước nhiễm mặn có nồng độ muối thấp đến trung bình. Luận văn tập trung xây dựng quy trình tổng hợp carbon aerogel từ resorcinol và formaldehyde, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp, đánh giá tính chất vật liệu và ứng dụng làm điện cực hấp phụ NaCl, Na2SO4 trong dung dịch nước bằng công nghệ CDI. Nghiên cứu thực hiện trong năm 2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM, với mục tiêu phát triển vật liệu điện cực có diện tích bề mặt riêng từ 637 đến 824 m²/g, độ xốp khoảng 70%, khối lượng riêng 0.510 g/cm³, độ dẫn điện 1.9 S/cm và độ bền nhiệt 550°C. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước nhiễm mặn, mở rộng ứng dụng carbon aerogel trong công nghệ môi trường và năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết sol-gel: Quá trình tổng hợp aerogel thông qua phản ứng ngưng tụ polymer của resorcinol và formaldehyde, chuyển từ dung dịch sol sang gel ướt, sau đó sấy khô thành aerogel giữ nguyên cấu trúc xốp.
• Mô hình cấu trúc lỗ xốp: Phân loại lỗ xốp thành micropore (<2 nm), mesopore (2–50 nm) và macropore (>50 nm), ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ của vật liệu.
• Lý thuyết điện hóa CDI: Sử dụng điện cực carbon xốp có diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao để hấp phụ ion trong dung dịch nước dưới tác dụng điện thế nhỏ, giúp loại bỏ muối hiệu quả.
• Khái niệm về hoạt hóa carbon aerogel: Quá trình xử lý carbon aerogel bằng khí CO2 nhằm tăng diện tích bề mặt riêng và cải thiện cấu trúc lỗ xốp, nâng cao khả năng dẫn điện và hấp phụ ion.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp carbon aerogel từ resorcinol-formaldehyde (RF) aerogel, khảo sát các điều kiện tổng hợp như tỷ lệ mol resorcinol/formaldehyde, nồng độ xúc tác natri carbonate (R/C), thành phần phần trăm RF trong dung dịch (%RF), nhiệt độ và thời gian nhiệt phân - hoạt hóa.
• Phương pháp phân tích:
  • Hình thái bề mặt và cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Tính chất vật lý: Đo khối lượng riêng, độ xốp, diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ nitrogen (BET, BJH).
  • Tính chất điện hóa: Đo độ dẫn điện bằng phương pháp 4 mũi dò, quét thế vòng tuần hoàn (CV).
  • Đánh giá khả năng hấp phụ ion: Thử nghiệm trong hệ CDI với dung dịch NaCl và Na2SO4 ở nồng độ 50–1000 mg/L, đo độ dẫn điện dung dịch trước và sau xử lý.
• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp RF aerogel và carbon aerogel trong năm 2016, khảo sát các điều kiện tổng hợp và hoạt hóa trong khoảng thời gian 1–3 giờ, đánh giá tính chất vật liệu và thử nghiệm CDI trong phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng gel hóa và ảnh hưởng của nồng độ xúc tác, thành phần RF: Dung dịch RF với tỷ lệ R/C từ 100 đến 1000 có khả năng gel hóa tốt, trong khi tỷ lệ R/C >1000 hầu như không tạo gel. Thành phần %RF cao (40%) tạo gel có cấu trúc ổn định, độ xốp khoảng 71%, khối lượng riêng 0.436 g/cm³, trong khi %RF thấp (10%) làm gel dễ bị phá vỡ, độ xốp giảm mạnh.

2. Tính chất carbon aerogel theo nhiệt độ nhiệt phân - hoạt hóa: Carbon aerogel tổng hợp ở nhiệt độ 800°C có diện tích bề mặt riêng cao nhất (khoảng 800 m²/g), độ dẫn điện đạt 1.9 S/cm, khối lượng riêng 0.510 g/cm³ và độ xốp 70%. Nhiệt độ thấp hơn 700°C làm giảm độ dẫn điện (không dẫn điện ở 600°C), nhiệt độ cao hơn 850°C làm giảm diện tích bề mặt và độ dẫn điện.

3. Ảnh hưởng thời gian nhiệt phân - hoạt hóa: Thời gian nhiệt phân 2 giờ và hoạt hóa 2 giờ cho kết quả carbon aerogel có độ dẫn điện tối ưu, diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp được cải thiện. Thời gian quá ngắn hoặc quá dài làm giảm hiệu quả loại bỏ nhóm chức và hình thành cấu trúc graphite.

4. Tính chất điện cực carbon aerogel và hiệu quả hấp phụ ion: Điện cực chế tạo từ carbon aerogel và polyvinyl alcohol có diện tích bề mặt riêng 399 m²/g, khối lượng riêng 0.246 g/cm³, kích thước lỗ xốp trung bình 24 Å, điện dung riêng đạt 2 F/g. Thử nghiệm CDI cho thấy khả năng hấp phụ ion NaCl và Na2SO4 lần lượt đạt 21.14 mg/g điện cực, hiệu quả hấp phụ cao so với nhiều vật liệu carbon khác.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy tỷ lệ mol resorcinol/xúc tác và thành phần %RF đóng vai trò quyết định trong việc hình thành cấu trúc gel ổn định, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật liệu carbon aerogel sau nhiệt phân. Nhiệt độ và thời gian nhiệt phân - hoạt hóa ảnh hưởng đến sự phát triển cấu trúc graphite, từ đó điều chỉnh độ dẫn điện và diện tích bề mặt riêng của carbon aerogel. So sánh với các nghiên cứu trước, diện tích bề mặt và độ dẫn điện của carbon aerogel trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ quy trình tổng hợp và hoạt hóa được tối ưu. Hiệu quả hấp phụ ion trong hệ CDI cao nhờ cấu trúc lỗ xốp đa dạng và diện tích bề mặt lớn, phù hợp với yêu cầu vật liệu điện cực CDI. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường hấp phụ nitrogen, biểu đồ thay đổi độ dẫn điện dung dịch theo thời gian và bảng so sánh tính chất vật liệu ở các điều kiện tổng hợp khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp carbon aerogel: Áp dụng tỷ lệ mol resorcinol/xúc tác trong khoảng 100–1000 và thành phần %RF khoảng 40% để đảm bảo gel hóa tốt và cấu trúc ổn định, nâng cao chất lượng vật liệu điện cực. Thời gian nhiệt phân và hoạt hóa nên duy trì 2 giờ ở nhiệt độ 800°C để đạt hiệu suất tối ưu.

2. Phát triển điện cực composite: Kết hợp carbon aerogel với các vật liệu khác như silica gel hoặc activated carbon để tăng độ bền cơ học, khả năng thấm ướt và hiệu quả hấp phụ ion, hướng đến ứng dụng trong hệ CDI quy mô lớn.

3. Nâng cao khả năng tái sinh điện cực: Nghiên cứu các phương pháp tái sinh điện cực carbon aerogel nhằm duy trì hiệu suất hấp phụ ion trên 90% sau nhiều chu kỳ sử dụng, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ thiết bị.

4. Mở rộng ứng dụng trong xử lý nước: Áp dụng điện cực carbon aerogel trong xử lý các loại nước nhiễm mặn có nồng độ muối thấp đến trung bình, đồng thời khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ để đa dạng hóa ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Tài liệu cung cấp quy trình tổng hợp và đánh giá vật liệu carbon aerogel chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới trong lĩnh vực xử lý môi trường và năng lượng.

2. Chuyên gia phát triển công nghệ xử lý nước: Thông tin về ứng dụng carbon aerogel làm điện cực CDI giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước nhiễm mặn, giảm chi phí và tiêu thụ năng lượng.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu carbon và thiết bị lọc nước: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm điện cực carbon aerogel chất lượng cao, mở rộng thị trường công nghệ xử lý nước sạch.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng và giới hạn của công nghệ CDI sử dụng carbon aerogel, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Carbon aerogel là gì và tại sao nó phù hợp làm điện cực CDI?
   Carbon aerogel là vật liệu carbon xốp có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng dẫn điện tốt. Những đặc tính này giúp nó hấp phụ ion hiệu quả trong công nghệ CDI, tăng khả năng khử muối trong nước nhiễm mặn.

2. Quy trình tổng hợp carbon aerogel trong nghiên cứu này như thế nào?
   Carbon aerogel được tổng hợp từ RF aerogel qua phản ứng sol-gel, sau đó sấy khô và nhiệt phân trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ 600–900°C, tiếp theo hoạt hóa bằng khí CO2 để tăng diện tích bề mặt và cải thiện cấu trúc lỗ xốp.

3. Điều kiện tổng hợp nào ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất carbon aerogel?
   Tỷ lệ mol resorcinol/xúc tác, thành phần %RF trong dung dịch, nhiệt độ và thời gian nhiệt phân - hoạt hóa là các yếu tố chính ảnh hưởng đến cấu trúc, diện tích bề mặt, độ dẫn điện và khả năng hấp phụ ion của carbon aerogel.

4. Hiệu quả hấp phụ ion của điện cực carbon aerogel trong CDI ra sao?
   Điện cực carbon aerogel đạt khả năng hấp phụ ion NaCl và Na2SO4 lần lượt khoảng 21.14 mg/g, với hiệu suất loại bỏ muối cao, phù hợp cho xử lý nước nhiễm mặn có nồng độ muối thấp đến trung bình.

5. Làm thế nào để nâng cao tuổi thọ và hiệu quả của điện cực carbon aerogel?
   Có thể phát triển điện cực composite, tối ưu quy trình tái sinh điện cực và kiểm soát điều kiện vận hành CDI để duy trì hiệu suất hấp phụ ion trên 90% sau nhiều chu kỳ sử dụng, giảm chi phí và tăng độ bền thiết bị.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp carbon aerogel từ RF aerogel với các điều kiện tối ưu về tỷ lệ mol, thành phần và nhiệt độ nhiệt phân - hoạt hóa.
• Carbon aerogel thu được có diện tích bề mặt riêng 637–824 m²/g, độ xốp 70%, khối lượng riêng 0.510 g/cm³, độ dẫn điện 1.9 S/cm và độ bền nhiệt 550°C, phù hợp làm vật liệu điện cực CDI.
• Điện cực carbon aerogel chế tạo có khả năng hấp phụ ion NaCl và Na2SO4 hiệu quả, đạt 21.14 mg/g, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước nhiễm mặn.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển điện cực composite và nâng cao hiệu quả tái sinh điện cực trong công nghệ CDI.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng carbon aerogel trong xử lý các loại nước ô nhiễm khác và phát triển quy mô pilot, thương mại hóa công nghệ.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tổng hợp và chế tạo điện cực carbon aerogel trong các dự án xử lý nước thực tế, đồng thời nghiên cứu cải tiến vật liệu và công nghệ CDI để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.