Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do các chất màu hữu cơ từ ngành công nghiệp dệt nhuộm, đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Ước tính mỗi năm có khoảng 200.000 tấn thuốc nhuộm bị thất thoát ra môi trường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả, chi phí thấp để xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm là cấp thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) dựa trên graphite oxide (GrO) và khung hữu cơ-kim loại MIL-101(Cr) nhằm nâng cao khả năng hấp phụ các chất màu hữu cơ methyl da cam (MO) và reactive blue 198 (RB198) trong nước.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh, với thời gian từ đầu năm 2021 đến giữa năm 2021. Mục tiêu chính là tổng hợp vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) bằng phương pháp thủy nhiệt, phân tích cấu trúc vật liệu bằng các kỹ thuật hiện đại như FT-IR, SEM, TEM, TGA, XRD và hấp phụ-giải hấp N2, đồng thời khảo sát khả năng hấp phụ và cơ chế hấp phụ các chất màu MO và RB198. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ mới có hiệu quả cao, bền vững, phù hợp ứng dụng xử lý ô nhiễm nguồn nước, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế vật liệu hấp phụ thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hấp phụ Langmuir và Freundlich để mô hình hóa quá trình hấp phụ thuốc nhuộm trên vật liệu nanocomposite. Lý thuyết Langmuir giả định hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất với lớp hấp phụ đơn, trong khi lý thuyết Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất với nhiều lớp hấp phụ. Ngoài ra, các mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất và bậc hai được áp dụng để phân tích cơ chế hấp phụ. Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu khung hữu cơ-kim loại (MOFs), graphite oxide (GrO), nanocomposite, hấp phụ tĩnh điện, liên kết hydro, tương tác π-π, và hấp phụ chọn lọc kích thước lỗ xốp.

MIL-101(Cr) là một MOF có diện tích bề mặt lớn (~4000 m²/g), thể tích lỗ xốp cao, độ bền nhiệt và hóa học tốt, với các tâm kim loại Cr(III) không bão hòa phối trí (CUS) tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ. Graphite oxide có cấu trúc phân lớp với nhiều nhóm chức chứa oxy, giúp tăng khả năng tương tác và phân tán trong composite. Sự kết hợp GrO và MIL-101(Cr) tạo ra vật liệu nanocomposite có tính chất ưu việt hơn so với từng thành phần riêng lẻ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các hóa chất chuẩn như Cr(NO3)3·9H2O, axit 1,4-benzenedicarboxylic (H2BDC), graphite oxide tổng hợp theo phương pháp Hummers cải tiến, cùng các thuốc nhuộm methyl da cam và reactive blue 198. Vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các tỷ lệ GrO khác nhau (3%, 6%, 10%, 15% trọng lượng).

Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng các kỹ thuật: FT-IR, SEM, TEM, TGA, XRD và hấp phụ-giải hấp N2 để xác định nhóm chức, hình thái bề mặt, độ bền nhiệt, cấu trúc tinh thể và tính chất xốp. Khả năng hấp phụ được khảo sát qua các thí nghiệm hấp phụ thuốc nhuộm MO và RB198 trong dung dịch nước với các điều kiện khác nhau về thời gian, nồng độ, pH và nhiệt độ. Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm mô hình động học hấp phụ, mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, cũng như tính toán các thông số nhiệt động lực học (∆G, ∆H, ∆S).

Thời gian nghiên cứu thực nghiệm kéo dài khoảng 6 tháng, với cỡ mẫu thí nghiệm hấp phụ là 10 mg vật liệu trong 50 mL dung dịch thuốc nhuộm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên trong các điều kiện thí nghiệm khác nhau để đảm bảo tính đại diện. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm chuyên dụng với các tiêu chí đánh giá độ phù hợp mô hình như hệ số xác định R² và sai số tương đối trung bình ARE.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và tính chất vật liệu:

    • Diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) tăng từ ~2980 m²/g (MIL-101(Cr) nguyên bản) lên đến ~3540 m²/g với hàm lượng GrO 6% trọng lượng.
    • Thể tích lỗ xốp tăng từ 0.43 cm³/g lên 0.64 cm³/g tương ứng.
    • Hàm lượng GrO vượt quá 10% làm giảm diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp do che lấp lỗ xốp của MOF.

  2. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm:

    • Dung tích hấp phụ tối đa của MO đạt ~235 mg/g và RB198 đạt ~175 mg/g trên vật liệu GrO@MCr chứa 6% GrO, cao hơn lần lượt 2.97 và 1.97 lần so với MIL-101(Cr) ban đầu.
    • Khả năng hấp phụ tăng theo hàm lượng GrO đến 6%, sau đó giảm khi hàm lượng GrO tiếp tục tăng.

  3. Động học và cơ chế hấp phụ:

    • Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai với hệ số R² > 0.98 và sai số ARE thấp.
    • Mô hình hấp phụ Langmuir phù hợp hơn mô hình Freundlich, cho thấy hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất với lớp hấp phụ đơn.
    • Nhiệt động lực học cho thấy quá trình hấp phụ là thu nhiệt, tự phát với ∆G âm, ∆H dương (~31 kJ/mol cho MO), và ∆S dương, phản ánh sự tăng hỗn loạn do thay thế phân tử nước bởi phân tử thuốc nhuộm.

  4. Khả năng tái sử dụng:

    • Sau 5 chu kỳ hấp phụ - giải hấp, hiệu suất hấp phụ MO và RB198 trên GrO@MCr#6 vẫn duy trì ở mức ~89% và ~86%.
    • Vật liệu giữ được cấu trúc và hình thái bề mặt ổn định sau các chu kỳ sử dụng liên tiếp.

Thảo luận kết quả

Việc kết hợp GrO vào MIL-101(Cr) làm tăng diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập và hấp phụ các phân tử thuốc nhuộm. Sự tăng dung tích hấp phụ thuốc nhuộm trên vật liệu nanocomposite so với MIL-101(Cr) nguyên bản là do sự gia tăng tương tác tĩnh điện, liên kết hydro và tương tác π-π giữa các nhóm chức của GrO và thuốc nhuộm. Kích thước phân tử nhỏ của MO so với RB198 cũng góp phần làm tăng khả năng hấp phụ của MO.

Mô hình hấp phụ Langmuir và động học bậc hai phù hợp với dữ liệu cho thấy hấp phụ là quá trình đồng nhất, đơn lớp và có sự trao đổi điện tử hoặc tương tác hóa học giữa thuốc nhuộm và vật liệu. Nhiệt động lực học xác nhận quá trình hấp phụ là thu nhiệt và tự phát, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ thuốc nhuộm trên MOFs và vật liệu composite.

Khả năng tái sử dụng cao của vật liệu nanocomposite GrO@MCr#6 cho thấy tính bền vững và tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp. Các kết quả này được minh họa rõ ràng qua các biểu đồ XRD, SEM, TEM, đường đẳng nhiệt hấp phụ, đồ thị động học và biểu đồ hiệu suất tái sử dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng:

    • Thực hiện các thí nghiệm hấp phụ trên quy mô lớn với nguồn nước thải thực tế chứa nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng để đánh giá hiệu quả thực tiễn.
    • Thời gian: 12-18 tháng; Chủ thể: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp xử lý nước thải.

  2. Phát triển vật liệu composite đa chức năng:

    • Nghiên cứu tổng hợp các vật liệu composite kết hợp GrO@MOFs với các thành phần khác như vật liệu từ tính, xúc tác để tăng khả năng thu hồi và xử lý đa dạng chất ô nhiễm.
    • Thời gian: 24 tháng; Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu tiên tiến.

  3. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp:

    • Cải tiến phương pháp tổng hợp thủy nhiệt để giảm thời gian, chi phí và tăng độ đồng nhất của vật liệu nanocomposite.
    • Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

  4. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ sâu hơn:

    • Áp dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như phổ NMR, XPS để làm rõ cơ chế tương tác giữa vật liệu và các phân tử thuốc nhuộm, từ đó thiết kế vật liệu hiệu quả hơn.
    • Thời gian: 12 tháng; Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu hóa học vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Môi trường:

    • Lợi ích: Cập nhật kiến thức về vật liệu nanocomposite mới, phương pháp tổng hợp và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, giảng dạy chuyên sâu về vật liệu hấp phụ.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp:

    • Lợi ích: Áp dụng vật liệu hấp phụ hiệu quả, chi phí thấp để nâng cao chất lượng xử lý nước thải.
    • Use case: Thử nghiệm và triển khai công nghệ xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm.

  3. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu:

    • Lợi ích: Tham khảo quy trình nghiên cứu khoa học, phương pháp phân tích và mô hình hóa hấp phụ.
    • Use case: Học tập, phát triển luận văn, luận án liên quan đến vật liệu nano và xử lý môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

    • Lợi ích: Hiểu rõ các giải pháp công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm nước, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.
    • Use case: Đánh giá, lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp cho các khu công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
    Vật liệu này có diện tích bề mặt lớn (~3540 m²/g), thể tích lỗ xốp cao, độ bền nhiệt và hóa học tốt, giúp tăng dung tích hấp phụ thuốc nhuộm lên gấp gần 3 lần so với MIL-101(Cr) nguyên bản. Ngoài ra, vật liệu dễ tổng hợp và tái sử dụng hiệu quả.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite được thực hiện như thế nào?
    Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, trong đó GrO được phân tán trong dung dịch muối Cr và phối tử H2BDC, sau đó phản ứng ở 200⁰C trong 18 giờ. Phương pháp này đơn giản, an toàn và cho vật liệu có cấu trúc ổn định.

  3. Cơ chế hấp phụ thuốc nhuộm trên vật liệu nanocomposite là gì?
    Quá trình hấp phụ bao gồm tương tác tĩnh điện giữa vật liệu tích điện dương và thuốc nhuộm anion, liên kết hydro giữa nhóm chức trên GrO và thuốc nhuộm, tương tác π-π giữa vòng thơm của thuốc nhuộm và mặt phẳng GrO, cùng với hấp phụ chọn lọc kích thước lỗ xốp.

  4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu nanocomposite như thế nào?
    Sau 5 chu kỳ hấp phụ - giải hấp, hiệu suất hấp phụ vẫn duy trì trên 85%, cho thấy vật liệu có độ bền cao và khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải liên tục.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng thực tế ra sao?
    Vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) có thể được phát triển thành các bộ lọc, bể hấp phụ trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chứa thuốc nhuộm và các chất hữu cơ khác. Việc mở rộng quy mô và thử nghiệm thực tế là bước tiếp theo cần thực hiện.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite GrO@MIL-101(Cr) với diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp được cải thiện đáng kể so với MIL-101(Cr) nguyên bản.
  • Vật liệu nanocomposite có dung tích hấp phụ tối đa lên đến ~235 mg/g cho MO và ~175 mg/g cho RB198, cao hơn gần 3 lần so với MIL-101(Cr).
  • Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir và động học biểu kiến bậc hai, với cơ chế hấp phụ bao gồm tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, tương tác π-π và hấp phụ chọn lọc kích thước lỗ xốp.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng cao, giữ được hiệu suất hấp phụ trên 85% sau 5 chu kỳ hấp phụ - giải hấp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, bền vững cho xử lý ô nhiễm nguồn nước, đồng thời đề xuất các bước tiếp theo về mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các vật liệu composite đa chức năng để nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.