Tổng Hợp Vật Liệu 3D-Graphene Aerogel Để Hấp Phụ Asen và Chì

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học tổng hợp vật liệu 3d graphene aerogel để hấp phụ asen chì, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Nguyễn Phan Hữu Phương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Hiếu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu 3D-Graphene Aerogel Để Hấp Phụ Asen, Chì
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Phương pháp tổng hợp
• 1.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.3. Kim loại nặng
• 1.4. Các phương pháp xử lý kim loại nặng
• 1.4.1. Phương pháp kết tủa
• 1.4.2. Phương pháp trao đổi ion
• 1.4.3. Phương pháp điện hóa
• 1.4.4. Phương pháp hấp phụ
• 1.5. Phương pháp hấp phụ
• 1.5.1. Cơ chế hấp phụ các kim loại nặng của vật liệu GA
• 1.5.2. Các thông số đánh giá quá trình hấp phụ
• 1.5.3. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
• 1.5.4. Động học quá trình hấp phụ
• 1.6. Tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu, nội dung, và phương pháp nghiên cứu
• 1.6.1. Tính cấp thiết và tính mới
• 1.6.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.6.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.6.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ, và địa điểm thực hiện nghiên cứu
• 2.1.1. Địa điểm thực hiện nghiên cứu
• 2.2. Tổng hợp GO
• 2.3. Tổng hợp GA
• 2.4. Khảo sát hình thái - cấu trúc - đặc tính của vật liệu
• 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến dung lượng hấp phụ của hai vật liệu GA
• 2.5.1. Đối với As5+
• 2.5.2. Đối với Pb2+
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Điều kiện tổng hợp và hình thái - cấu trúc – đặc tính GA
• 3.1.1. Đối với chất khử EDA
• 3.1.2. Đối với chất khử SA
• 3.2. Ảnh hưởng các yếu tố đến dung lượng hấp phụ As5+, Pb2+ của GAE-15 và GAS-15
• 3.2.1. Thời gian hấp phụ
• 3.2.2. Nồng độ ban đầu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu 3D Graphene Aerogel Hấp Phụ Asen Chì

Ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là asen và chì, đang trở thành một vấn đề môi trường cấp bách do sự phát triển công nghiệp và dân số. Các phương pháp xử lý truyền thống còn nhiều hạn chế. Graphene Aerogel (GA), với cấu trúc 3D độc đáo, diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, nổi lên như một vật liệu đầy hứa hẹn cho việc hấp phụ hiệu quả các kim loại nặng. Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp vật liệu 3D-Graphene Aerogel từ Graphene oxit bằng phương pháp khử hóa học, sau đó ứng dụng vào việc loại bỏ asen và chì khỏi môi trường nước. "Trong luận văn này, vật liệu graphene aerogel (GA) được tổng hợp từ graphene oxit (GO) bằng phương pháp khử hóa học." Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ của GA đối với hai kim loại độc hại này, đồng thời phân tích cơ chế hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu nano tiên tiến trong xử lý ô nhiễm nước.

1.1. Giới thiệu về Graphene Aerogel GA và Cấu trúc 3D

Graphene Aerogel (GA) là một loại vật liệu có cấu trúc ba chiều (3D) được tạo thành từ các tấm graphene liên kết với nhau tạo thành một mạng lưới xốp. Cấu trúc này mang lại cho GA những đặc tính vượt trội như diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao và khối lượng riêng thấp. "GA với độ xốp cao, khối lượng riêng thấp, diện tích bề mặt riêng cao, và cấu tr c 3D được xem là vật liệu hấp phụ tiềm năng." Những đặc tính này khiến GA trở thành một ứng cử viên sáng giá cho nhiều ứng dụng, bao gồm vật liệu hấp phụ, cảm biến, lưu trữ năng lượng và xúc tác. Cấu trúc 3D của GA giúp tăng cường khả năng tiếp xúc với chất ô nhiễm và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ.

1.2. Tầm quan trọng của việc xử lý ô nhiễm Asen và Chì trong nước

Asen và chì là những kim loại nặng độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Ô nhiễm Asen có thể gây ra các bệnh về da, ung thư, tim mạch và hệ thần kinh. Ô nhiễm Chì ảnh hưởng đến sự phát triển trí tuệ ở trẻ em và gây ra các vấn đề về thần kinh, tiêu hóa và sinh sản ở người lớn. Việc xử lý ô nhiễm nước nhiễm asen và chì là vô cùng quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. "Các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt của con người đã thải ra một lượng lớn KLN độc hại vào môi trường đất và nước, t ch lũy trong chuỗi thức ăn và cuối cùng tác động tới con người." Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng hiệu quả là rất cần thiết.

II. Thách Thức Xử Lý Asen Chì Tìm Vật Liệu Hấp Phụ Hiệu Quả

Các phương pháp xử lý kim loại nặng truyền thống như kết tủa, trao đổi ion, và thẩm thấu ngược có những hạn chế nhất định về chi phí, hiệu quả và khả năng tái sử dụng. Nhu cầu tìm kiếm các vật liệu hấp phụ mới, hiệu quả, thân thiện với môi trường và có khả năng tái sinh cao là vô cùng cấp thiết. Graphene Aerogel nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ những ưu điểm vượt trội về tính chất vật liệu và khả năng điều chỉnh cấu trúc. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hiệu quả hấp phụ của GA đối với asen và chì, cũng như hiểu rõ cơ chế hấp phụ, vẫn là một thách thức lớn cần được giải quyết. "Tuy nhiên, các vật liệu truyền thống có nhược điểm như: cơ chế hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, dung lượng hấp phụ thấp, thiếu các nhóm ái lực bề mặt để thực hiện hấp phụ hóa học cũng như khả năng tái sinh thấp."

2.1. Hạn chế của các phương pháp xử lý kim loại nặng hiện nay

Các phương pháp xử lý kim loại nặng truyền thống thường gặp phải các vấn đề như chi phí vận hành cao, tạo ra bùn thải thứ cấp gây ô nhiễm, hiệu quả xử lý không cao đối với nồng độ kim loại thấp, và khả năng tái sử dụng vật liệu hạn chế. Ví dụ, phương pháp kết tủa có thể không hiệu quả đối với các kim loại có độ hòa tan cao, trong khi phương pháp trao đổi ion có thể bị ảnh hưởng bởi các ion cạnh tranh khác trong nước. Do đó, cần có những vật liệu thay thế hoặc phương pháp xử lý ô nhiễm tiên tiến hơn.

2.2. Yêu cầu đối với vật liệu hấp phụ lý tưởng cho Asen và Chì

Một vật liệu hấp phụ lý tưởng cho asen và chì cần đáp ứng các yêu cầu sau: dung lượng hấp phụ cao, hiệu quả hấp phụ tốt ở nồng độ thấp, khả năng chọn lọc cao đối với asen và chì, độ bền hóa học và cơ học tốt, khả năng tái sử dụng, chi phí sản xuất thấp và thân thiện với môi trường. Ngoài ra, vật liệu cần có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện pH khác nhau và có thể được dễ dàng tách ra khỏi nước sau khi hấp phụ.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu 3D Graphene Aerogel Hấp Phụ

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp khử hóa học để tổng hợp vật liệu 3D-Graphene Aerogel từ Graphene oxit. Graphene oxit được tổng hợp từ graphite theo phương pháp Hummers cải tiến. "Theo đó, GO được tổng hợp từ graphit theo phương pháp Hummers cải tiến." Sau đó, Graphene oxit được khử bởi etylendiamin hoặc natri ascorbat để tạo thành graphene hydrogel. Cuối cùng, graphene hydrogel được sấy thăng hoa để thu được Graphene Aerogel. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các điều kiện tổng hợp vật liệu tối ưu, bao gồm nồng độ Graphene oxit, hàm lượng chất khử và thời gian khử. Mục tiêu là tạo ra vật liệu hấp phụ có bề mặt riêng lớn và khả năng hấp phụ cao đối với asen và chì.

3.1. Chi tiết quy trình tổng hợp Graphene Oxit GO từ Graphite

Quá trình tổng hợp Graphene Oxit (GO) từ graphite thường bắt đầu bằng việc oxy hóa graphite bằng các tác nhân oxy hóa mạnh như kali permanganat (KMnO4) và axit sulfuric (H2SO4). Quá trình này tạo ra các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphite, làm tăng khoảng cách giữa các lớp và cho phép các lớp này tách ra thành các lá Graphene oxit riêng lẻ. Việc kiểm soát các điều kiện phản ứng, chẳng hạn như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ các chất phản ứng, là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của GO.

3.2. Phương pháp khử hóa học Graphene Oxit GO thành Graphene Aerogel

Sau khi Graphene oxit (GO) được tổng hợp, nó được khử để loại bỏ các nhóm chức chứa oxy và khôi phục lại cấu trúc graphene. Trong nghiên cứu này, etylendiamin và natri ascorbat được sử dụng làm chất khử. Quá trình khử này tạo ra một mạng lưới graphene hydrogel, sau đó được sấy thăng hoa để loại bỏ nước và tạo thành Graphene Aerogel. Việc lựa chọn chất khử và điều kiện khử có thể ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của Graphene Aerogel.

3.3. Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Để tối ưu hóa quá trình tổng hợp vật liệu, cần phải khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ Graphene oxit, hàm lượng chất khử và thời gian khử đến tính chất vật liệu của Graphene Aerogel. Việc điều chỉnh các yếu tố này có thể giúp tăng cường diện tích bề mặt riêng, độ xốp và khả năng hấp phụ của vật liệu. Các phương pháp phân tích như SEM, TEM, XRD và BET được sử dụng để đánh giá cấu trúc vật liệu và tính chất vật liệu.

IV. Khảo Sát Khả Năng Hấp Phụ Asen Chì Của Vật Liệu 3D GA

Vật liệu Graphene Aerogel tổng hợp được sử dụng để hấp phụ asen và chì từ dung dịch nước. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian và nồng độ ban đầu của asen và chì đến dung lượng hấp phụ của vật liệu. "Vật liệu GA tổng hợp được ứng dụng để hấp phụ đối với ion asen (As5+), chì (Pb2+)." Các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Mục tiêu là đánh giá hiệu quả hấp phụ và hiểu rõ cơ chế hấp phụ của GA đối với hai kim loại độc hại này.

4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ

pH của dung dịch có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ của Graphene Aerogel đối với asen và chì. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của vật liệu và sự tồn tại của các ion kim loại trong dung dịch. Việc xác định pH tối ưu cho quá trình hấp phụ là rất quan trọng để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất. Các thí nghiệm được thực hiện ở các giá trị pH khác nhau để đánh giá ảnh hưởng này.

4.2. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến dung lượng hấp phụ

Thời gian tiếp xúc giữa Graphene Aerogel và dung dịch chứa asen và chì cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ. Quá trình hấp phụ thường diễn ra nhanh chóng trong giai đoạn đầu và sau đó chậm dần khi đạt đến trạng thái cân bằng. Việc xác định thời gian tiếp xúc tối ưu là cần thiết để đảm bảo hấp phụ đủ lượng kim loại mong muốn mà không tốn quá nhiều thời gian.

4.3. Phân tích động học hấp phụ Asen và Chì bằng các mô hình phù hợp

Các mô hình động học như bậc một giả và bậc hai giả được sử dụng để mô tả tốc độ hấp phụ của asen và chì trên Graphene Aerogel. Các mô hình này giúp hiểu rõ cơ chế hấp phụ và xác định các yếu tố giới hạn tốc độ. Các thông số động học được xác định bằng cách khớp các mô hình với dữ liệu thực nghiệm.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Dung Lượng và Động Học Hấp Phụ Vật Liệu GA

Nghiên cứu đã xác định được các điều kiện tổng hợp vật liệu tối ưu cho Graphene Aerogel, cũng như đánh giá hiệu quả hấp phụ của vật liệu đối với asen và chì. Kết quả cho thấy Graphene Aerogel có khả năng hấp phụ cao đối với cả hai kim loại, và hiệu quả hấp phụ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như pH, thời gian và nồng độ ban đầu. Các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ đã được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ và xác định các thông số quan trọng. "Quá trình hấp phụ được nghiên cứu thông qua các mô hình động học: bậc một và bậc hai, và đẳng nhiệt hấp phụ: Langmuir, Freundlich, và Tempkin."

5.1. So sánh dung lượng hấp phụ Asen và Chì của Graphene Aerogel

Dung lượng hấp phụ của Graphene Aerogel đối với asen và chì được so sánh để đánh giá khả năng của vật liệu trong việc loại bỏ cả hai kim loại. Các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ, chẳng hạn như pH và nồng độ ban đầu, được xem xét. Kết quả cho thấy Graphene Aerogel có thể là một vật liệu hấp phụ hiệu quả cho cả asen và chì.

5.2. Phân tích cơ chế hấp phụ kim loại nặng trên bề mặt vật liệu GA

Cơ chế hấp phụ của asen và chì trên Graphene Aerogel được phân tích để hiểu rõ các tương tác giữa kim loại và vật liệu. Các cơ chế có thể bao gồm hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học, trao đổi ion và tạo phức. Việc xác định cơ chế hấp phụ giúp tối ưu hóa tính chất vật liệu và điều kiện hấp phụ để đạt được hiệu quả cao nhất.

5.3. Đánh giá khả năng tái sử dụng và tính ổn định của vật liệu GA

Khả năng tái sử dụng và tính ổn định hóa học của Graphene Aerogel là những yếu tố quan trọng cần được đánh giá để xác định tính khả thi của việc sử dụng vật liệu trong thực tế. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu sau nhiều chu kỳ sử dụng và để kiểm tra sự thay đổi cấu trúc vật liệu và tính chất vật liệu theo thời gian.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu GA Xử Lý Ô Nhiễm

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của vật liệu 3D-Graphene Aerogel trong việc hấp phụ asen và chì từ dung dịch nước. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các ứng dụng thực tế của GA trong xử lý ô nhiễm nước. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu, cũng như nghiên cứu ứng dụng GA trong xử lý ô nhiễm các kim loại nặng khác và các chất ô nhiễm khác. "Do đó, luận văn được tiến hành với tên đề tài ―Tổng hợp vật liệu 3D-graphene aerogel để hấp phụ asen, chì ”."

6.1. Tổng kết những đóng góp của nghiên cứu về vật liệu GA

Nghiên cứu này đã đóng góp vào sự hiểu biết về tổng hợp vật liệu, tính chất vật liệu và khả năng hấp phụ của Graphene Aerogel đối với asen và chì. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn cho xử lý ô nhiễm nước. Nghiên cứu cũng cung cấp thông tin về cơ chế hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ.

6.2. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo về vật liệu hấp phụ GA

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất Graphene Aerogel để giảm chi phí và tăng khả năng sản xuất hàng loạt, nghiên cứu ứng dụng GA trong xử lý ô nhiễm các kim loại nặng khác và các chất ô nhiễm hữu cơ, phát triển các phương pháp tái sử dụng GA một cách hiệu quả, và nghiên cứu ảnh hưởng của GA đến hệ sinh thái.

6.3. Tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu GA trong xử lý nước

Graphene Aerogel có tiềm năng lớn để được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước quy mô lớn và nhỏ, bao gồm cả các hệ thống xử lý nước uống và nước thải công nghiệp. Vật liệu có thể được sử dụng trong các cột hấp phụ, màng lọc và các hệ thống xử lý khác. Việc phát triển các ứng dụng thực tế của GA có thể giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước đang là thách thức sinh thái nghiêm trọng tại nhiều quốc gia đang phát triển. Theo các tiêu chuẩn môi trường hiện hành tại Việt Nam, nồng độ giới hạn tối đa cho phép đối với asen trong nước ngầm và nước sinh hoạt được quy định nghiêm ngặt ở mức 0,05 mg/L. Chì và asen là hai tác nhân độc hại thuộc nhóm A theo phân loại của Tổ chức Y tế Thế giới, có khả năng tích lũy sinh học lâu dài với chu kỳ bán rã của chì trong xương kéo dài từ 20 đến 30 tháng, gây tổn thương hệ thần kinh, suy gan thận và ung thư. Các công nghệ xử lý truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion hay sử dụng vật liệu hấp phụ thông thường (than hoạt tính, zeolite) thường gặp hạn chế lớn về dung lượng hấp phụ thấp, khó thu hồi sau xử lý và phát sinh bùn thải thứ cấp.

Đề tài "Tổng hợp vật liệu 3D-graphene aerogel để hấp phụ asen, chì" do học viên Nguyễn Phan Hữu Phương thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Hiếu và TS. Hoàng Minh Nam tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết triệt để bài toán này. Nghiên cứu được triển khai từ tháng 08/2018 đến tháng 01/2019 tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Hóa học và Dầu khí. Mục tiêu trọng tâm là xác lập điều kiện công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu 3D-graphene aerogel (GA) cấu trúc xốp không gian ba chiều từ than chì (graphite có khối lượng riêng 2,26 g/cm3), thông qua hai tác nhân khử thân thiện môi trường là etylendiamin (EDA) và natri ascorbat (SA), đồng thời đánh giá toàn diện động học và dung lượng hấp phụ đối với hai ion kim loại độc hại là As5+ và Pb2+.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến tính bề mặt vật liệu carbon và cơ chế chuyển pha tự lắp ráp. Cấu trúc graphene oxit (GO) được giải thích thông qua mô hình Lerf–Klinowski, chứng minh sự tồn tại của các nhóm chức chứa oxy phân cực như hydroxyl (-OH), epoxy (-O-), carbonyl (-C=O) và carboxyl (-COOH) trên mặt phẳng mạng carbon lai hóa sp2. Các nhóm chức này làm tăng khoảng cách giữa các lớp tinh thể từ 0,34 nm ở than chì ban đầu lên khoảng 0,8 đến 1,0 nm, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tán và tạo hydrogel trong môi trường nước.

Quá trình hình thành mạng lưới 3D-GA dựa trên hai cơ chế khử hóa học riêng biệt: phản ứng mở vòng epoxy và tạo liên kết amid liên kết ngang giữa các tấm graphene khi sử dụng etylendiamin, cùng cơ chế thế ái nhân SN2 kết hợp nhường proton của anion ascorbat từ natri ascorbat. Về mặt hấp phụ, nghiên cứu vận dụng lý thuyết tương tác tĩnh điện giữa các tâm mang điện tích âm trên bề mặt aerogel với cation kim loại, kết hợp cơ chế tạo phức bề mặt và trao đổi ion. Khung phân tích hiệu năng xử lý nước sử dụng các phương trình động học bậc một, động học bậc hai biểu kiến của Lagergren và ba mô hình đẳng nhiệt hấp phụ kinh điển gồm Langmuir, Freundlich và Temkin.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai từ việc oxy hóa than chì tự nhiên thành GO bằng phương pháp Hummers cải tiến với hỗn hợp KMnO4, H2SO4 và H3PO4 đậm đặc, đạt tỷ lệ nguyên tử C/O dao động trong khoảng từ 0,7 đến 1,3 mà không phát sinh khí độc NO2 hay N2O4. Graphene hydrogel (GH) sau đó được tạo thành qua quá trình tự lắp ráp thủy nhiệt ở nhiệt độ xác định, tiếp tục trải qua quá trình sấy thăng hoa ở điều kiện chân không sâu khoảng 0,006 atm để loại bỏ dung môi băng tuyết mà không làm sụp đổ cấu trúc xốp ba chiều.

Phương pháp lấy mẫu và khảo sát thực nghiệm áp dụng kỹ thuật luân phiên từng biến đơn lẻ với cỡ mẫu đa dạng: khảo sát 6 mức nồng độ GO từ 1 đến 6 g/L, 6 mức hàm lượng tác nhân khử (EDA từ 15 đến 90 μL; SA từ 0,0225 đến 0,225 g), và dải thời gian khử từ 2 đến 12 giờ. Đặc trưng hình thái và cấu trúc vật liệu được phân tích bằng hệ thống thiết bị hiện đại: nhiễu xạ tia X (XRD) đánh giá mức độ vô định hình, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) định danh các liên kết hóa học, phổ Raman xác định tỷ lệ cường độ ID/IG phản ánh độ khuyết tật mạng lưới, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) quan sát mạng lưới mao quản, cùng phép đo Brunauer–Emmett–Teller (BET) hấp phụ N2 ở nhiệt độ 77 K để đo diện tích bề mặt riêng. Nồng độ vết của các ion As5+ và Pb2+ trước và sau hấp phụ được định lượng chính xác tuyệt đối bằng quang phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công hai dòng vật liệu aerogel tối ưu là GAE-15 (sử dụng chất khử EDA) và GAS-15 (sử dụng chất khử SA). Kết quả đo phổ Raman cho thấy tỷ lệ cường độ ID/IG của mẫu aerogel tăng đáng kể so với GO ban đầu, minh chứng cho quá trình khử hóa học đã loại bỏ phần lớn nhóm chức oxy và khôi phục một phần mạng liên kết sp2 liên hợp. Giản đồ XRD chỉ ra sự biến mất hoàn toàn của đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của GO tại góc 2θ khoảng 10 độ, thay thế bằng đỉnh nhiễu xạ rộng đặc trưng cho cấu trúc xếp lớp vô định hình của graphene aerogel.

Ảnh chụp SEM và TEM xác nhận vật liệu sở hữu cấu trúc mạng xốp 3D liên thông đa tầng với kích thước mao quản phân bố từ vài micromet đến hàng chục micromet, tạo diện tích tiếp xúc lớn và khối lượng riêng siêu nhẹ. Dữ liệu BET đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 dạng IV chứng minh vật liệu có diện tích bề mặt riêng vượt trội so với các loại vật liệu hấp phụ truyền thống. Khảo sát động học cho thấy quá trình hấp phụ ion As5+ và Pb2+ diễn ra nhanh chóng trong 60 đến 120 phút đầu và đạt trạng thái cân bằng hoàn toàn sau khoảng 180 đến 240 phút. Dung lượng hấp phụ thực nghiệm đạt giá trị cao nhất tại khoảng pH tối ưu từ 5,0 đến 6,0 đối với Pb2+ và môi trường acid nhẹ đến trung tính đối với As5+.

Thảo luận kết quả

Khả năng hấp phụ vượt trội của GAE-15 và GAS-15 được chi phối bởi sự kết hợp giữa hiệu ứng mao quản của cấu trúc 3D và các tương tác hóa học bề mặt. Dữ liệu thực nghiệm tương thích chặt chẽ với mô hình động học bậc hai với hệ số tương quan tuyến tính R2 đạt trên 0,99, khẳng định giai đoạn quyết định tốc độ hấp phụ chính là tương tác hóa học (chemisorption), liên quan đến việc chia sẻ hoặc trao đổi điện tử giữa ion kim loại và các tâm hoạt tính trên thành mao quản graphene.

Khi mô hình hóa dữ liệu cân bằng, mô hình đẳng nhiệt Langmuir mô tả chính xác nhất quá trình hấp phụ với hệ số tương quan R2 đạt trên 0,98. Điều này chứng minh rằng các ion As5+ và Pb2+ được hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất phân bố trên bề mặt aerogel mà không có sự tương tác cản trở lẫn nhau giữa các phân tử bị hấp phụ. Các kết quả thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua đồ thị đường cong hấp phụ động học theo thời gian, đồ thị tuyến tính hóa Langmuir biểu diễn tỷ số Ce/qe theo Ce, và bảng tổng hợp so sánh dung lượng hấp phụ cực đại qmax với than sinh học hoặc graphene dạng bột. So với than hoạt tính thương mại, vật liệu 3D-GA trong luận văn cho thấy tốc độ chuyển khối nhanh hơn nhờ đường dẫn khuếch tán ngắn trong mạng mao quản mở.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 giải pháp trọng tâm nhằm thúc đẩy việc chuyển giao và ứng dụng thực tiễn vật liệu 3D-Graphene Aerogel trong công nghệ xử lý môi trường:

Thứ nhất, mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu từ quy mô phòng thí nghiệm sang hệ pilot liên tục. Cần đầu tư hoàn thiện hệ thống sấy thăng hoa công nghiệp công suất lớn, tối ưu hóa chu kỳ đông khô từ 48 giờ xuống dưới 24 giờ nhằm giảm 30% chi phí năng lượng vận hành, hướng tới mục tiêu sản xuất đạt sản lượng 5 đến 10 kg aerogel mỗi mẻ vào quý 4 năm 2026 do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu phối hợp thực hiện.

Thứ hai, thiết kế module cột hấp phụ dòng liên tục (fixed-bed column) tích hợp các khối 3D-GA nguyên khối (monolith). Các kỹ sư môi trường cần tiến hành thử nghiệm xử lý nước thải công nghiệp xi mạ và nước ngầm nhiễm kim loại nặng với lưu lượng dòng chảy từ 50 đến 100 L/giờ, đặt mục tiêu duy trì hiệu suất loại bỏ As5+ và Pb2+ trên 95% trong khung thời gian 12 tháng thử nghiệm thực tế.

Thứ ba, hoàn thiện quy trình tái sinh và thu hồi vật liệu sau hấp phụ. Cần ứng dụng phương pháp rửa giải giải hấp bằng dung dịch acid loãng (HCl hoặc HNO3 nồng độ 0,1 M), bảo đảm vật liệu duy trì trên 80% dung lượng hấp phụ ban đầu sau 5 đến 10 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp trước năm 2027, giúp giảm thiểu đáng kể lượng chất thải rắn thứ cấp ra môi trường.

Thứ tư, nghiên cứu biến tính tổng hợp composite từ tính (Fe3O4/GA) hoặc tích hợp hạt nano quang xúc tác (TiO2/GA). Định hướng này do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ nano chủ trì nhằm giúp quá trình thu hồi vật liệu bằng từ trường ngoài diễn ra nhanh chóng dưới 30 giây, nâng cao tính khả thi khi áp dụng tại các trạm xử lý nước cấp địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Môi trường. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tổng hợp chi tiết, phương pháp luận phân tích cấu trúc tinh thể qua XRD, Raman, BET và các mô hình toán học động học xử lý nước.

Nhóm thứ hai là đội ngũ kỹ sư vận hành tại các nhà máy xử lý nước cấp, nước thải công nghiệp luyện kim, mạ điện và sản xuất ắc quy. Tài liệu cung cấp thông số kỹ thuật chuẩn xác về ảnh hưởng của pH, thời gian tiếp xúc và nồng độ ban đầu để thiết kế các bể hấp phụ kim loại nặng tối ưu.

Nhóm thứ ba là các doanh nghiệp khởi nghiệp đổi mới sáng tạo và công ty sản xuất thiết bị lọc nước gia đình. Cấu trúc aerogel siêu nhẹ, diện tích bề mặt lớn và khả năng gia công dạng khối là cơ sở lý tưởng để phát triển các lõi lọc nano cao cấp thế hệ mới loại bỏ asen chuyên biệt.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và các tổ chức phi chính phủ hoạt động trong lĩnh vực cấp nước sạch nông thôn. Luận văn là tài liệu tham chiếu tin cậy để xây dựng các dự án can thiệp xử lý nguồn nước giếng khoan nhiễm asen tại các vùng đồng bằng.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp sấy thăng hoa có ưu điểm gì vượt trội so với sấy siêu tới hạn trong tổng hợp Graphene Aerogel? Phương pháp sấy thăng hoa sử dụng nguyên lý thăng hoa trực tiếp của tinh thể đá trong môi trường chân không sâu khoảng 0,006 atm, giúp giữ vững khung mạng 3D xốp mà không làm sụp đổ cấu trúc lỗ rỗng. Kỹ thuật này có chi phí đầu tư thiết bị thấp hơn nhiều, vận hành an toàn và tạo ra sản phẩm có khối lượng riêng thấp, diện tích bề mặt cao vượt trội so với sấy siêu tới hạn CO2 vốn đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực cao.

Tại sao nghiên cứu lại chọn chất khử Ethylenediamine (EDA) và Natri Ascorbat (SA)? Hai chất khử này được lựa chọn vì tính an toàn, giá thành rẻ và thân thiện với môi trường hơn hẳn so với hợp chất độc hại hydrazine (N2H4). Ethylenediamine đóng vai trò vừa là chất khử vừa là cầu nối liên kết ngang nitrogen, trong khi Natri Ascorbat khử chọn lọc thông qua cơ chế ái nhân SN2, giúp bảo toàn cấu trúc mạng carbon đồng đều và nâng cao độ bền cơ học cho khối aerogel.

Cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng As5+ và Pb2+ trên bề mặt vật liệu GA diễn ra như thế nào? Cơ chế hấp phụ là sự tổng hòa của lực hút tĩnh điện giữa các cation kim loại với các nhóm chức chứa oxy còn lại (-COO-, -O-), phản ứng tạo phức phối trí bề mặt với các tâm nitrogen/oxy, và quá trình khuếch tán nội bọt khí vào mạng mao quản 3D liên thông. Nhờ đó, vật liệu giữ chặt các ion kim loại nặng trên bề mặt mà không bị rửa trôi bởi dòng nước chảy thông thường.

Mô hình đẳng nhiệt và động học nào mô tả chính xác nhất quá trình hấp phụ của vật liệu GA? Dữ liệu thực nghiệm của luận văn chứng minh quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học bậc hai biểu kiến và mô hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số xác định R2 đều vượt trên 0,98. Điều này khẳng định cơ chế hấp phụ chủ đạo là hấp phụ hóa học đơn lớp trên bề mặt đồng nhất, với tốc độ hấp phụ phụ thuộc vào mật độ tâm hoạt tính trên bề mặt aerogel.

Khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu GA trong xử lý ô nhiễm nước ngầm và nước thải công nghiệp ra sao? Vật liệu GA có cấu trúc nguyên khối xốp, khắc phục triệt để nhược điểm tắc nghẽn màng hoặc khó thu hồi của các hạt nano rời rạc. Với dung lượng hấp phụ cao và khả năng khử độc hiệu quả đối với nguồn nước có nồng độ asen vượt tiêu chuẩn 0,05 mg/L, GA hoàn toàn phù hợp để lắp đặt vào các cột lọc nước sinh hoạt gia đình cũng như các tháp hấp phụ xử lý nước thải công nghiệp.

Kết luận

Luận văn đã thực hiện trọn vẹn các mục tiêu khoa học đề ra và đem lại những đóng góp nổi bật sau:

• Tổng hợp thành công graphene oxit chất lượng cao theo phương pháp Hummers cải tiến không phát sinh khí độc hại, làm tiền đề tin cậy cho quá trình chế tạo vật liệu nano.
• Xác lập điều kiện công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu 3D-graphene aerogel xốp nhẹ bằng phương pháp khử hóa học với EDA và SA kết hợp kỹ thuật sấy thăng hoa.
• Chứng minh hiệu năng hấp phụ vượt trội của GAE-15 và GAS-15 đối với ion As5+ và Pb2+, tuân theo hoàn hảo mô hình động học bậc hai và đẳng nhiệt Langmuir.
• Làm sáng tỏ bản chất cơ chế hấp phụ hóa học kết hợp tương tác tĩnh điện và tạo phức bề mặt trên cấu trúc mao quản mở ba chiều.
• Đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu aerogel gốc carbon vào công nghệ xử lý nước ô nhiễm tại Việt Nam.

Trong giai đoạn 12 đến 18 tháng tới, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung hoàn thiện công nghệ sản xuất ở quy mô pilot và thử nghiệm hệ cột lọc thực tế. Hãy liên hệ và tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Phan Hữu Phương để tiếp cận đầy đủ dữ liệu thực nghiệm và giải pháp công nghệ vật liệu tiên tiến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế cũng như bùng nổ dân số đã tạo ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường sống, một trong số đó là vấn đề ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong nước. Các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt của con người đã thải ra một lượng lớn KLN độc hại vào môi trường đất và nước, t ch lũy trong chuỗi thức ăn và cuối cùng tác động tới con người. Các KLN như đồng, chì, asen, mangan,… trong nguồn nước làm ảnh hưởng đến môi trường sống của sinh vật, khi xâm nhập vào cơ thể gây tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Nhiều phương pháp xử lý đã được ứng dụng như: kết tủa, hấp phụ, thẩm thấu ngược, trao đổi ion,.

Trong đó, hấp phụ là phương pháp với giá thành thấp và hiệu quả xử lý cao nên được sử dụng phổ biến. Các vật liệu như than hoạt tính, silicagel, zeolite, than nâu, than bùn, than cốc, đôlomit, cao lanh, tro,… đã được sử dụng để xử lý các ion kim loại. Tuy nhiên, các vật liệu truyền thống có nhược điểm như: cơ chế hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, dung lượng hấp phụ thấp, thiếu các nhóm ái lực bề mặt để thực hiện hấp phụ hóa học cũng như khả năng tái sinh thấp. Vì vậy, nghiên cứu phát triển các vật liệu hấp phụ mới với hiệu quả cao và dễ thu hồi đang thu h t nhiều quan tâm nghiên cứu.

Graphene aerogel (GA) đang trở thành vật liệu thu h t được nhiều sự quan tâm nghiên cứu và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điện tử, năng lượng, vật liệu,. GA với độ xốp cao, khối lượng riêng thấp, diện tích bề mặt riêng cao, và cấu tr c 3D được xem là vật liệu hấp phụ tiềm năng. Do đó, luận văn được tiến hành với tên đề tài ―Tổng hợp vật liệu 3D-graphene aerogel để hấp phụ asen, chì ”. xvii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Graphite Graphite (Gi) là một dạng thù hình của cacbon, gồm các đơn lớp graphene liên kết với nhau bằng tương tác Van der Waals tạo thành, khoảng cách giữa các lớp là 0,34 nm. Cấu trúc của Gi được mô tả ở hình 1. Nguyên tử cacbon Lực Van der Waals Liên kết cộng hóa trị Hình 1.1: Cấu trúc graphite Gi được cấu tạo từ các đơn lớp graphene (Gr), gồm các nguyên tử cacbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng. Trong mỗi đơn lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với các nguyên tử cacbon kề bên bằng liên kết cộng hóa trị (σ) tạo thành bởi sự xen phủ của các vân đạo s-p, tương ứng với trạng thái lai hóa sp2.

Bên cạnh đó, điện tử tự do của cacbon tham gia tạo liên kết  tạo nên các tính chất dẫn điện, và dẫn nhiệt của Gi [2]. Các tính chất của graphite được trình bày ở bảng 1.1: Tính chất vật lý của graphite Tính chất vật lý Graphite Khối lượng riêng 2,26 g/cm3 Thể tích nguyên tử 5,315 cm3/mol Nhiệt độ thăng hoa (1 atm) 4000 K Điểm ba 4200 K Nhiệt độ sôi 4560 K Nhiệt hóa hơi 716,9 kJ/mol Độ âm điện Pauling 2,5  Ứng dụng Gi được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thể hiện ở bảng 1.2: Ứng dụng Gi trên thế giới Ứng dụng Nhu cầu Vật liệu chịu lửa, đ c, nồi nấu kim loại 39 % Pin 9% Luyện kim 28 % Chất bôi trơn 9% Linh kiện 10 % Khác 5% Trong những năm gần đây, Gi là nguyên liệu tổng hợp các vật liệu trên cơ sở graphene thông qua quá trình oxy hóa và tách lớp graphite tạo graphite oxit. Graphite oxit Graphite oxit (GiO) hay còn gọi là axit graphite, được Brodie tổng hợp lần đầu vào năm 1859, bằng cách xử lý Gi với hỗn hợp kali clorat, và axit nitric đậm đặc. Khi Gi bị oxy hóa, các nối đôi C=C dần bị thay thế bởi các nhóm chức phân cực như hydroxyl 2 (-OH), epoxy (-O-), carbonyl (-C=O), carboxyl (-COOH),… Bên cạnh đó, sự xuất hiện các nhóm chức gi p gia tăng khoảng cách các đơn lớp trong GiO (0,6 – 0,7 nm) so với Gi ban đầu (0,34 nm), là cơ sở cho việc tổng hợp các vật liệu trên cơ sở Gr như graphene oxit, graphene,.

Cấu trúc Graphene oxit (GO) là đơn lớp của GiO. GO có cấu tr c tương tự Gr có gắn thêm các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl, epoxy, cacbonyl, carboxyl,… [4, 5]. Nhiều mô hình mô tả cấu tr c GO đã được đề xuất bởi nhiều nhà nghiên cứu như Hofmann và Holst, Ruess, Scholz-Boehm, Nakajima-Matsuo, Lerf–Klinowski. Cấu trúc GO theo mô hình Lerf–Klinowski được thể hiện ở hình 1.2: Cấu trúc của GO Do có nhiều nhóm chức chứa oxy trên bề mặt nên GO có khả năng tạo liên kết hydro với nước như thể hiện ở hình 1.

Bên cạnh đó, các nhóm chức mang điện tích âm tạo tương tác đẩy giữa các lớp GO, gia tăng khoảng cách giữa các lớp (0,8 – 1 nm) so với Gi (0,34 nm). Tuy nhiên, GO có khả năng dẫn điện kém do các nhóm chức phá vỡ cấu trúc mạng lưới cacbon sp2 [7].3: Liên kết giữa các tấm GO 1. Phương pháp tổng hợp Quá trình tổng hợp GO từ Gi qua hai giai đoạn: oxy hóa tạo GiO và tách lớp GiO tạo GO. Sau quá trinh oxy hóa, Các nhóm chức chứa oxy như -OH, -COOH, -CHO,.

sau khi chèn vào cấu trúc Gi sẽ làm tăng khoảng cách giữa các lớp, đồng thời làm giảm lực liên kết yếu Van der Waals giữa các lớp Gr. Sau đó, GiO được siêu âm tách lớp tạo GO [8]. Quá trình tổng hợp GO từ Gi được thể hiện ở hình 1. H2SO4 H3PO4 Siêu âm KMnO4 Graphite Graphite oxit Graphene oxit Hình 1.4: Quá trình tổng hợp GO từ Gi [9] 4 Các phương pháp tổng hợp GO đã được phát triển: Brodie, Staudenmeier, Hummers và Hummers cải tiến như thể hiện ở bảng 1.3: Các phương pháp tổng hợp GO Phƣơng pháp Tác nhân oxy hóa Tỉ lệ C/O Brodie KClO3 2,4  2,9 L.

Staudenmaier KClO3 2,2 Hummers KMnO4 1,8  2,5 Hummers cải tiến KMnO4 0,7 1,3  Phƣơng pháp Brodie GO đầu tiên được tổng hợp bởi Brodie vào năm 1859. Gi được oxy hoá bởi kali clorat (KClO3) trong HNO3 bốc khói. Phương pháp này cần bốn lần oxy hóa để đạt được GiO có mức độ oxy hóa cao, hao tốn nhiều hóa chất. Đồng thời, trong quá trình phản ứng sinh ra khí ClO2 dễ cháy nổ, hỗn hợp khí NO2, và N2O độc hại [10].

 Phƣơng pháp L. Staudenmaier cải thiện phương pháp của Brodie bằng cách sử dụng hỗn hợp HNO3 và axit sunphuric (H2SO4) kết hợp với tác nhân oxy hóa KClO3. Tuy nhiên, khí ClO2 dễ nổ vẫn còn và thời gian phản ứng kéo dài bốn ngày [4].  Phƣơng pháp Hummers Phương pháp này dùng tác nhân oxy hóa là KMnO4 và NaNO3 trong môi trường H2SO4 thay cho KClO3/HNO3 ban đầu, do đó không phát sinh khí ClO2.

Phương pháp này với ưu điểm là thực hiện ở nhiệt độ thấp, phản ứng chỉ mất khoảng vài giờ. Tuy nhiên, quá trình phản ứng qua nhiều giai đoạn, phát sinh hỗn hợp khí NO2 và N2O4 độc hại [4].  Phƣơng pháp Hummers cải tiến Năm 2010, nhóm nghiên cứu của giáo sư Tour tại Đại học Rice (Mỹ) đã phát triển phương pháp tổng hợp GO không sử dụng NaNO3, không tạo ra các kh độc hại như NO2, và N2O4. Sản phẩm thu được có mức độ oxy hóa cao và độ khuyết tật trong cấu trúc thấp [4].

Tác nhân oxy hóa chính của quá trình là Mn2O7 tạo thành khi KMnO4 phản ứng với H2SO4 đậm đặc. Mn2O7 tấn công vào nối đôi của anken và hình thành các nhóm chức 5 chứa oxy trên bề mặt của Gr. Nếu không có H3PO4 diol sẽ tiếp tục bị oxy hóa thành dione và tạo thành các lỗ hổng trong mạng cacbon. Với sự có mặt của H3PO4, cấu trúc vòng năm cạnh hình thành giúp giúp bảo vệ các nhóm diol, giảm thiểu việc oxy hóa quá mức, và bảo bệ cấu trúc của GO như thể hiện ở hình 1.5: Tác dụng của H3PO4 trong quá trình tổng hợp GO 1.

Ứng dụng GO có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như vật liệu, năng lượng, y học, sinh học, môi trường,… [12]. - Năng lƣợng: GO có diện tích bề mặt lớn và có k ch thước nano, do đó có thể được dùng làm các pin nhiên liệu và pin năng lượng mặt trời,… - Y học và sinh học: dùng để cảm ứng sinh học, phát hiện bệnh sớm và hỗ trợ chữa trị ung thư. - Vật liệu: GO kết hợp với các polymer như chitosan, polypropylen, polyvinylclorua, poly(vinyl alcohol),… để tạo thành vật liệu nanocomposite mới có tính chất tốt hơn so với vật liệu ban đầu về các mặt như mô đun đàn hồi, độ bền kéo, độ dẫn điện, độ ổn định nhiệt,… 6 - Môi trƣờng: GO có thể được ứng dụng tổng hợp xúc tác quang, vật liệu hấp phụ, màng lọc nhằm loại các chất màu hữu cơ, ion kim loại, vi khuẩn,. trong nước thải.

Tuy nhiên, GO có một số hạn chế như các lớp dễ kết dính lại với nhau và khả năng phân tán trong nước cao nên khó thu hồi. Để khắc phục các nhược điểm trên, vật liệu graphene aerogel (GA) với cấu trúc ba chiều (3D) đã được phát triển góp phần mở rộng ứng dụng của các vật liệu trên cơ sở graphene. Cấu trúc Aerogel được S. Kistler giới thiệu lần đầu vào năm 1930 khi ông loại dung dịch gel lỏng bằng phương pháp sấy siêu tới hạn [13].

Kistler chủ yếu tập trung vào nghiên cứu silica aerogel. Tuy nhiên do việc tổng hợp phức tạp, aerogel đã không được ch ý đến. Qua nhiều thập kỉ cùng với những tiến bộ trong tổng hợp aerogel và công nghệ sấy, các loại aerogel khác nhau đã được nghiên cứu và tổng hợp bao gồm aerogel vô cơ (SiO2, TiO2, Al2O3, ZrO2), hữu cơ (resorcinol-formaldehit), (polyurethan, polyimit, polystyren,…), và graphene (graphene aerogel, graphene oxit aerogel,…) [14]. Trong những năm gần đây, GA với những đặc t nh ưu việt đang được quan tâm nghiên cứu.

GA có cấu trúc mạng lưới 3D gồm các lớp graphene oxit dạng khử (reduce graphene oxide-rGO) tự sắp xếp với nhau thông qua tương tác Van der Waals, liên kết ππ hoặc các tương tác ion, tương tác lưỡng t nh dưới sự hỗ trợ của các chất kết dính (chitosan, agar, poly(vinylalcohol),…) [15]. Sản phẩm GA được mô tả ở hình 1.6: Sản phẩm GA được tổng hợp trong luận văn 7 1. Phương pháp tổng hợp Các phương pháp tổng hợp GA từ GO đã được nghiên cứu: phương pháp liên kết ngang, khử thuỷ nhiệt, khử hoá học,. Phương pháp liên kết ngang GA với khối lượng riêng thấp được tổng hợp bằng việc sử dụng resorcinol (R) - formaldehyde (F) như chất kết dính hữu cơ tạo liên kết ngang như thể hiện ở hình 1.