Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng của các hoạt động công nghiệp hóa, hiện đại hóa và khai thác khoáng sản đã làm gia tăng lượng chất thải xả ra môi trường, đặc biệt là nguồn nước tiếp nhận các chất ô nhiễm vô cơ nguy hại. Trong số các chất ô nhiễm nước, ion kim loại nặng là tác nhân đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người do tính bền vững, không thể bị phân hủy sinh học và khả năng tích lũy sinh học qua chuỗi thức ăn. Chì (Pb) là kim loại nặng có độc tính cao, phát sinh chủ yếu từ các ngành sản xuất ắc quy, pin, cáp điện, dệt nhuộm, luyện kim và khai khoáng. Khi xâm nhập vào cơ thể vượt ngưỡng cho phép, chì gây tổn thương hệ thần kinh trung ương, phá hủy chức năng gan, thận và gây ra các bệnh lý mãn tính nguy hiểm.

Để xử lý ion chì trong môi trường nước, nhiều kỹ thuật đã được áp dụng như kết tủa hóa học, trao đổi ion và phương pháp điện hóa. Tuy nhiên, phương pháp hấp phụ được đánh giá là giải pháp tối ưu nhờ tính ứng dụng cao, hiệu suất xử lý lớn và chi phí vận hành hợp lý. Sự phát triển của khoa học vật liệu đã mở ra hướng nghiên cứu vật liệu khung kim loại – hữu cơ (Metal-Organic Frameworks - MOFs), sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn (từ 2000 đến 6000 m²/g), độ xốp cao (thể tích trống lên đến 90%) và cấu trúc mao quản có thể điều chỉnh linh hoạt. Trong họ vật liệu này, UiO-66 (cấu trúc từ các cụm bát diện zirconi $\text{Zr}_6\text{O}_4(\text{OH})_4$ liên kết với cầu nối hữu cơ 1,4-benzenedicarboxylate) nổi bật với độ bền cơ học, độ bền nhiệt (lên đến 540°C) và tính ổn định cao trong môi trường nước lẫn axit. Nhằm cải thiện hơn nữa diện tích bề mặt, thể tích lỗ xốp và nâng cao hoạt tính hấp phụ các ion kim loại nặng, hướng biến tính mạng lưới UiO-66 bằng ion kim loại chuyển tiếp mangan (Mn) đã được lựa chọn thực hiện trong khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Ngọc Uyên (Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, 2023).

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm hai nhiệm vụ chính:

  1. Tổng hợp vật liệu khung kim loại – hữu cơ biến tính Mn-UiO-66 bằng phương pháp nhiệt dung môi và khảo sát đặc trưng lý hóa của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
  2. Khảo sát khả năng và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion kim loại nặng Pb(II) trong môi trường nước bằng phương pháp điện hóa volt-ampe hòa tan xung vi phân (DPV).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu khung kim loại – hữu cơ UiO-66 nguyên bản và vật liệu biến tính Mn-UiO-66; đối tượng bị hấp phụ là ion kim loại nặng Pb(II) trong dung dịch nước.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu trong điều kiện phòng thí nghiệm bằng phương pháp nhiệt dung môi; phân tích cấu trúc, hình thái học và nhóm chức thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR); khảo sát thực nghiệm các thông số ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Pb(II) gồm pH dung dịch (2–12), thời gian tiếp xúc (10–120 phút), khối lượng vật liệu (0,05–0,4 mg/mL), nồng độ ban đầu của Pb(II) (50–250 ppm) và nhiệt độ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên các nguyên lý hóa học chất rắn, hóa lý bề mặt và động học hấp phụ:

  • Cấu trúc vật liệu MOFs và UiO-66: MOFs được hình thành từ liên kết phối trí giữa các đơn vị cấu trúc thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs) là các ion/cụm kim loại với các phối tử cầu nối hữu cơ trong không gian 3 chiều. UiO-66 có ô mạng cơ sở lập phương tâm mặt nhóm đối xứng không gian $Fm\bar{3}m$, tham số mạng $a = 20,7\text{ \AA}$, chứa lồng bát diện kích thước 12 Å và lồng tứ diện 7,5 Å. Khi biến tính bằng kim loại Mn, các ion $\text{Mn}^{2+}$ xen kẽ hoặc thay thế một phần vị trí nút kim loại trong khung, giúp phân tán các khối tinh thể và gia tăng dung lượng hấp phụ.
  • Mô hình động học hấp phụ: Sử dụng phương trình động học biểu kiến bậc 1 Lagergren ($\ln(q_e - q_t) = \ln q_e - k_1 t$) và phương trình động học biểu kiến bậc 2 ($\frac{t}{q_t} = \frac{1}{k_2 q_e^2} + \frac{t}{q_e}$), trong đó $q_e, q_t$ là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm $t$; $k_1, k_2$ là các hằng số tốc độ tương ứng.
  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Mô hình Langmuir giả định hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất ($\frac{C_e}{q_e} = \frac{C_e}{q_m} + \frac{1}{K_L q_m}$ với thông số cân bằng $R_L = \frac{1}{1 + K_L C_0}$) và mô hình Freundlich mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể không đồng nhất ($\log q_e = \log K_F + \frac{1}{n} \log C_e$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị sử dụng:

  • Phương pháp nhiệt dung môi (Solvothermal method): Sử dụng dung môi $N,N$-dimethylformamide (DMF) cùng chất điều hòa tinh thể HCl đặc, phối trộn tiền chất $\text{ZrCl}_4$, $\text{MnCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ và axit terephthalic ($\text{H}_2\text{BDC}$) trong bình phản ứng lót Teflon, gia nhiệt ở 120°C trong 36 giờ.
  • Phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thực hiện trên máy Bruker D8 Advance Eco (Đức) nhằm xác định thành phần pha, độ kết tinh và kiểm tra sự bảo toàn cấu trúc mạng tinh thể.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) & Phổ EDX: Thực hiện trên thiết bị JSM-6010PLUS/LV (JEOL) để quan sát hình thái học bề mặt và phân tích định lượng thành phần nguyên tố (C, O, Zr, Mn).
    • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Đo trên máy JASCO FT/IR-6800 (Mỹ) trong vùng số sóng 4000–400 cm⁻¹ nhằm nhận diện các liên kết hóa học đặc trưng.
  • Phương pháp phân tích điện hóa xác định hàm lượng Pb(II): Kỹ thuật volt-ampe hòa tan xung vi phân (Differential Pulse Voltammetry - DPV) thực hiện trên máy phân tích điện hóa CPA-HH5B (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam sản xuất). Hệ đo sử dụng cấu hình 3 điện cực: điện cực làm việc than thủy tinh (GCE, đường kính $2,8 \pm 0,1\text{ mm}$), điện cực so sánh $\text{Ag/AgCl}$ ($\text{KCl 3 M}$) và điện cực đối dây Platin (Pt). Các thông số đo DPV cố định gồm: thế làm giàu $-0,8\text{ V}$, thời gian làm giàu 120 giây, biên độ xung $0,08\text{ V}$, bước nhảy thế $0,005\text{ V}$, khoảng quét thế từ $-0,8\text{ V}$ đến $-0,3\text{ V}$ trong dung dịch đệm axetat $0,4\text{ M}$ ($\text{pH} = 4,7$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước, tập trung vào nguồn gốc phát sinh từ các ngành công nghiệp và tác hại sinh học của ion chì ($\text{Pb}^{2+}$) đối với cơ thể người. Tác giả phân tích, so sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý kim loại nặng hiện hành: kết tủa hóa học (chi phí thấp nhưng phát sinh bùn thải và khó xử lý triệt để ở nồng độ thấp), trao đổi ion (hiệu suất cao nhưng chi phí hạt nhựa đắt đỏ), phương pháp điện hóa (tiêu hao năng lượng lớn) và phương pháp hấp phụ.

Nội dung chương đi sâu vào bản chất của quá trình hấp phụ trong pha lỏng, các yếu tố cạnh tranh dung môi và cơ chế tương tác bề mặt. Chương này cung cấp bức tranh chi tiết về lịch sử phát triển, cấu trúc đơn vị SBU, phân loại và đặc tính của vật liệu MOFs nói chung và University of Oslo-66 (UiO-66) nói riêng. Tác giả chỉ ra rằng UiO-66 có độ ổn định nhiệt động học cao nhờ liên kết phối trí $\text{Zr-O}$ bền vững, tồn tại ở hai trạng thái thuận nghịch là hydroxyl hóa và dehydroxyl hóa. Việc biến tính đưa kim loại mangan vào khung cấu trúc UiO-66 được luận giải là giải pháp làm giảm kích thước hạt, tăng cường diện tích bề mặt tiếp xúc và tối ưu hóa khả năng hấp phụ ion chì.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất tinh khiết phân tích (gồm $\text{ZrCl}_4$, $\text{H}_2\text{BDC}$, $\text{MnCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$, DMF, $\text{Pb(NO}_3)_2$, $\text{CH}_3\text{COONa}$, $\text{CH}_3\text{COOH}$,...) và hệ thống thiết bị đo đạc phục vụ nghiên cứu. Quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu được mô tả chuẩn hóa theo từng bước:

  • Tổng hợp UiO-66 nguyên bản: Hòa tan $0,265\text{ g } \text{ZrCl}_4$ trong $30\text{ mL}$ DMF và $2\text{ mL}$ HCl đặc; phối trộn với dung dịch chứa $0,38\text{ g } \text{H}_2\text{BDC}$ trong $30\text{ mL}$ DMF; khuấy từ 1 giờ; nạp vào bình Teflon sấy ở 120°C trong 36 giờ; ly tâm thu hồi chất rắn, rửa 3 lần bằng DMF và 2 lần bằng etanol; sấy khô ở 60°C trong 9 giờ.
  • Tổng hợp Mn-UiO-66 biến tính: Hòa tan $0,472\text{ g } \text{ZrCl}_4$ trong $30\text{ mL}$ DMF và $2\text{ mL}$ HCl đặc; trộn với dung dịch $0,369\text{ g } \text{H}_2\text{BDC}$ trong $30\text{ mL}$ DMF; bổ sung muối mangan $\text{MnCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$; khuấy từ 1 giờ và xử lý nhiệt dung môi tương tự ở 120°C trong 36 giờ, rửa sạch và sấy ở 60°C trong 9 giờ.

Chương này cũng thiết lập phương pháp xây dựng đường chuẩn định lượng Pb(II) bằng kỹ thuật DPV trên nền đệm axetat $0,4\text{ M}$ ($\text{pH} = 4,7$) với các dải nồng độ chuẩn 10, 20, 40, 60, 80, 100 ppm, đồng thời xây dựng quy trình khảo sát ảnh hưởng của pH (2–12), thời gian (10–80 phút), hàm lượng vật liệu (2,5–20 mg/50 mL) và nồng độ chất tan.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung công bố và biện luận các kết quả phân tích đặc trưng lý hóa của vật liệu cũng như dữ liệu thực nghiệm hấp phụ:

  • Đặc trưng cấu trúc: Giản đồ XRD của cả hai mẫu UiO-66 và Mn-UiO-66 xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng sắc nét tại các góc $2\theta = 7,34^\circ$; $8,45^\circ$ và $25,67^\circ$ tương ứng với các mặt phẳng mạng (111), (200) và (442), khẳng định quá trình đưa Mn vào không làm phá vỡ hoặc biến đổi cấu trúc khung mạng tinh thể của UiO-66. Ảnh SEM chỉ ra UiO-66 có dạng hạt đa diện kết tụ thành khối lớn, trong khi Mn-UiO-66 có kích thước hạt phân tán nhỏ hơn thành các cụm đồng đều. Kết quả phổ EDX của Mn-UiO-66 xác định tỷ lệ phần trăm khối lượng trung bình các nguyên tố là C (66,30%), O (25,93%), Zr (7,72%) và Mn (0,04%). Phổ FT-IR ghi nhận các dải hấp thụ dao động biến dạng của nhóm $-\text{OH}$ và $\text{C-H}$ (450–750 cm⁻¹), dao động liên kết $\text{Zr-O}$ (1100 cm⁻¹), dao động nhóm carboxylat $\text{O=C-O}$ (1430–1580 cm⁻¹) và dải chân rộng của nước liên kết tại 3450 cm⁻¹.
  • Kết quả đường chuẩn điện hóa: Đồ thị tương quan giữa cường độ dòng đỉnh anot ($I_{pa}$) và nồng độ Pb(II) đạt hệ số tương quan tuyến tính cao ($R^2 = 0,9944$), chứng minh độ tin cậy của phương pháp DPV trong phân tích nồng độ chì sau hấp phụ.
  • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và mô hình hóa hấp phụ:
    • Ảnh hưởng của pH: Dung lượng hấp phụ tăng mạnh khi nâng pH từ 2 đến 6, đạt giá trị cực đại $301\text{ mg/g}$ tại $\text{pH} = 6$, sau đó suy giảm nhanh ở vùng kiềm.
    • Động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 60 phút tiếp xúc. Dữ liệu thực nghiệm tương thích vượt trội với mô hình động học biểu kiến bậc 2 so với bậc 1.
    • Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu: Khi tăng nồng độ hạt hấp phụ từ 0,05 đến 0,4 mg/mL, hiệu suất xử lý Pb(II) tăng nhanh do gia tăng số lượng tâm hoạt động, nhưng dung lượng hấp phụ trên một đơn vị khối lượng ($q$) có xu hướng giảm. Giá trị tối ưu được chọn là 0,3 mg/mL.
    • Cân bằng đẳng nhiệt: Quá trình hấp phụ tuân theo cả mô hình Langmuir ($R^2 = 0,9987$) và Freundlich ($R^2 = 0,9867$), trong đó mô hình Langmuir cho dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết $q_{max} = 526,31\text{ mg/g}$.
Thông số nghiên cứu Điều kiện / Giá trị tối ưu Kết quả đạt được
Góc phản xạ XRD đặc trưng ($2\theta$) $7,34^\circ$; $8,45^\circ$; $25,67^\circ$ Cấu trúc mạng tinh thể $Fm\bar{3}m$ được bảo toàn nguyên vẹn
Thành phần nguyên tố EDX C: 66,30%; O: 25,93%; Zr: 7,72%; Mn: 0,04% Tổng hợp thành công Mn-UiO-66 với Mn chiếm tỷ lệ vết
pH môi trường $\text{pH} = 6,0$ Dung lượng hấp phụ thực nghiệm đạt $301\text{ mg/g}$
Thời gian tiếp xúc $t = 60\text{ phút}$ Đạt trạng thái cân bằng hấp phụ pha rắn - lỏng
Hàm lượng vật liệu $0,3\text{ mg/mL}$ ($15\text{ mg}/50\text{ mL}$) Tối ưu hóa giữa hiệu suất xử lý và dung lượng hấp phụ
Mô hình động học phù hợp Biểu kiến bậc 2 ($R^2 = 0,9696$; $\text{ARE} = 5,4%$) $k_2 = 0,00014\text{ g}\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{phút}^{-1}$; $q_{e,cal} = 322,58\text{ mg/g}$
Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ($R^2 = 0,9987$) Dung lượng hấp phụ cực đại $q_{max} = 526,31\text{ mg/g}$

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

  • Tổng hợp thành công vật liệu tinh thể Mn-UiO-66 bằng phương pháp nhiệt dung môi ở 120°C trong 36 giờ. Cấu trúc tinh thể được khẳng định qua XRD với 3 đỉnh phản xạ đặc trưng tại $2\theta = 7,34^\circ$, $8,45^\circ$, $25,67^\circ$. Tỷ lệ phối trộn nguyên tố trong mạng lưới ghi nhận qua phổ EDX đạt 0,04% khối lượng Mn bên cạnh 7,72% Zr.
  • Xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Pb(II): môi trường dung dịch đạt hiệu quả cao nhất tại $\text{pH} = 6$ với dung lượng hấp phụ thực nghiệm $301\text{ mg/g}$; thời gian đạt cân bằng là 60 phút; tỷ lệ liều lượng vật liệu tối ưu là $0,3\text{ mg/mL}$ ($15\text{ mg}$ vật liệu trong $50\text{ mL}$ dung dịch).
  • Đánh giá động học và cơ chế hấp phụ: Mô hình động học biểu kiến bậc 2 mô tả chính xác quá trình với hệ số tương quan $R^2 = 0,9696$, sai số tương đối $\text{ARE} = 5,4%$, hằng số tốc độ $k_2 = 0,00014\text{ g}\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{phút}^{-1}$ và dung lượng tính toán $q_{e,cal} = 322,58\text{ mg/g}$ (vượt trội so với mô hình bậc 1 có $R^2 = 0,7038$ và $\text{ARE} = 41,9%$). Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt phù hợp với mô hình Langmuir ($R^2 = 0,9987$), cho dung lượng hấp phụ cực đại đạt $526,31\text{ mg/g}$.

Đóng góp khoa học và thực tiễn do tác giả tự nêu

  • Xây dựng và chuẩn hóa thành công quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu khung kim loại – hữu cơ UiO-66 và vật liệu biến tính Mn-UiO-66 từ nguồn hóa chất và trang thiết bị sẵn có trong nước.
  • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc tính hóa lý, cấu trúc bề mặt và khả năng xử lý ion kim loại nặng Pb(II) của Mn-UiO-66, đóng góp tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu hấp phụ họ MOFs biến tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản khóa luận:

  • Hạn chế:
    • Quy trình nhiệt dung môi đòi hỏi thời gian phản ứng dài (36 giờ) và hiệu suất tổng hợp sản phẩm trên quy mô phòng thí nghiệm còn thấp, gây khó khăn cho việc mở rộng sản xuất ở lượng lớn trên vài gam.
    • Tỷ lệ kết hợp của ion kim loại Mn vào khung mạng tinh thể UiO-66 còn rất thấp (chỉ đạt 0,04% khối lượng theo kết quả phân tích phổ EDX) do các ion kim loại khó thay thế sâu vào các nút zirconi.
    • Nghiên cứu mới dừng lại ở việc khảo sát hệ dung dịch đơn ion Pb(II) nhân tạo trong phòng thí nghiệm, chưa đánh giá ảnh hưởng cạnh tranh của các cation kim loại khác ($\text{Cu}^{2+}, \text{Cd}^{2+}, \text{Zn}^{2+}, \text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}$) hay các hợp chất hữu cơ đồng thời có mặt trong nguồn nước thải thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp để nâng cao tỷ lệ biến tính của Mn trong khung UiO-66 và cải thiện hiệu suất thu hồi sản phẩm.
    • Nghiên cứu quá trình giải hấp (desorption), khả năng tái sinh và độ bền cấu trúc của vật liệu sau nhiều chu kỳ tái sử dụng.
    • Thử nghiệm xử lý hấp phụ trên mẫu nước thải thực tế từ các cơ sở sản xuất công nghiệp và mở rộng ứng dụng trên hệ cột hấp phụ dòng liên tục.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng học thuật và nghiên cứu kỹ thuật môi trường:

  • Sinh viên, học viên ngành Hóa học, Sư phạm Hóa học và Công nghệ Kỹ thuật Môi trường: Cung cấp quy trình chi tiết từng bước về tổng hợp vật liệu khung kim loại – hữu cơ (MOFs) bằng phương pháp nhiệt dung môi, kỹ năng xử lý mẫu và làm sạch tinh thể.
  • Người nghiên cứu lĩnh vực vật liệu xử lý nước và hóa phân tích: Có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa các kỹ thuật vật lý xác định cấu trúc rắn (XRD, SEM, EDX, FT-IR) và kỹ thuật phân tích điện hóa hiện đại (DPV với hệ 3 điện cực) để định lượng kim loại nặng ở nồng độ vết.
  • Phần giá trị chuyên sâu đáng tham khảo:
    • Quy trình thiết lập phép đo DPV trên thiết bị CPA-HH5B trong môi trường đệm axetat (Chương 2, Mục 2.3.1).
    • Phương pháp xử lý dữ liệu động học (so sánh mô hình bậc 1, bậc 2 qua sai số ARE) và mô hình hóa đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich (Chương 3, Mục 3.2.2 và 3.2.4).

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc tinh thể của UiO-66 có bị thay đổi sau khi biến tính với kim loại Mn không?
Không. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy cả hai mẫu UiO-66 và Mn-UiO-66 đều xuất hiện các đỉnh phản xạ đặc trưng đồng nhất tại các vị trí góc $2\theta = 7,34^\circ$; $8,45^\circ$ và $25,67^\circ$ tương ứng với các mặt mạng (111), (200), (442). Điều này chứng minh ion Mn không làm biến đổi khung cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt ban đầu của UiO-66.

2. Hàm lượng nguyên tố Mangan (Mn) tích hợp trong vật liệu Mn-UiO-66 đạt bao nhiêu phần trăm?
Theo kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phần trăm khối lượng trung bình của các nguyên tố trong mẫu vật liệu Mn-UiO-66 lần lượt là: Carbon (C) đạt 66,30%; Oxy (O) đạt 25,93%; Zirconi (Zr) đạt 7,72% và Mangan (Mn) đạt 0,04%.

3. Tại sao quá trình hấp phụ Pb(II) của vật liệu Mn-UiO-66 đạt dung lượng cực đại ở pH = 6?
Ở môi trường axit mạnh ($\text{pH} < 4$), bề mặt vật liệu bị proton hóa mang điện tích dương gây lực đẩy tĩnh điện với các ion $\text{Pb}^{2+}$, làm giảm dung lượng hấp phụ. Ở môi trường kiềm ($\text{pH} > 7$), chì chuyển sang dạng kết tủa $\text{Pb(OH)}_2$ hoặc anion $\text{Pb(OH)}_3^-$, đồng thời bề mặt vật liệu tích điện âm gây bất lợi. Tại vùng $\text{pH} = 5\text{–}6$, ion chì bị thủy phân một phần tạo thành cation $\text{Pb(OH)}^+$, dễ dàng liên kết tĩnh điện với bề mặt vật liệu đã được deproton hóa mang điện tích âm, giúp dung lượng hấp phụ đạt cực đại ($301\text{ mg/g}$).

4. Quá trình hấp phụ ion Pb(II) lên Mn-UiO-66 tuân theo mô hình động học nào?
Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 với hệ số xác định $R^2 = 0,9696$, sai số trung bình tương đối $\text{ARE} = 5,4%$, hằng số tốc độ $k_2 = 0,00014\text{ g}\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{phút}^{-1}$ và dung lượng hấp phụ cân bằng tính toán $q_{e,cal} = 322,58\text{ mg/g}$, vượt trội so với mô hình động học bậc 1 ($R^2 = 0,7038$, $\text{ARE} = 41,9%$).

5. Dung lượng hấp phụ cực đại của Mn-UiO-66 đối với Pb(II) theo mô hình Langmuir là bao nhiêu?
Theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính (với hệ số tương quan $R^2 = 0,9987$), dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết ($q_{max}$) của vật liệu Mn-UiO-66 đối với ion Pb(II) đạt mức $526,31\text{ mg/g}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Ngọc Uyên đã thực hiện thành công quy trình tổng hợp vật liệu khung kim loại – hữu cơ biến tính Mn-UiO-66 bằng phương pháp nhiệt dung môi ở 120°C trong 36 giờ. Cấu trúc tinh thể, hình thái học hạt và các nhóm chức bề mặt của vật liệu được xác thực đầy đủ thông qua các phương pháp XRD, SEM, EDX và FT-IR. Quá trình hấp phụ ion kim loại nặng Pb(II) đạt hiệu quả cao nhất tại điều kiện môi trường $\text{pH} = 6$, thời gian tiếp xúc 60 phút và liều lượng vật liệu $0,3\text{ mg/mL}$, với dữ liệu thực nghiệm tương thích chặt chẽ theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 và mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($q_{max} = 526,31\text{ mg/g}$). Công trình cung cấp nguồn tư liệu thực nghiệm có giá trị khoa học về ứng dụng vật liệu MOFs biến tính trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm ion kim loại nặng trong môi trường nước.