Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dệt may mang lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng đồng thời làm gia tăng lượng nước thải chứa phẩm nhuộm hữu cơ khó phân hủy. Trong đó, methylene da cam (methyl orange - MO, công thức phân tử $\text{C}{14}\text{H}{14}\text{N}_3\text{NaSO}_3$) là một phẩm nhuộm azo tổng hợp được sử dụng phổ biến để nhuộm vải sợi, bông, giấy, tre nứa và sản xuất mực in. Khi tồn tại trong nguồn nước ở nồng độ cao, MO làm giảm khả năng hấp thụ oxy hòa tan từ khí quyển, cản trở quang hợp và phá vỡ hoạt động của hệ vi sinh vật tự làm sạch. Đối với con người và động vật, MO có thể gây bỏng rát mắt, khó thở, tăng nhịp tim, rối loạn tiêu hóa và tích tụ độc tính lâu dài có nguy cơ gây ung thư. Do đó, việc loại bỏ hợp chất này ra khỏi môi trường nước là yêu cầu cấp thiết trong kiểm soát ô nhiễm.
Trong số các công nghệ xử lý nước (quang xúc tác, phản ứng Fenton, màng lọc, phân hủy sinh học), phương pháp hấp phụ được đánh giá cao nhờ quy trình vận hành đơn giản, chi phí hợp lý và không phát sinh sản phẩm phụ độc hại. Vật liệu khung kim loại - hữu cơ (Metal-Organic Frameworks - MOFs), đặc biệt là UiO-66 (University of Oslo-66), nổi bật nhờ cấu trúc mao quản trật tự, diện tích bề mặt riêng lớn ($1100 - 1200\text{ m}^2/\text{g}$), độ bền hóa học, độ bền nhiệt và tính ổn định cơ học cao trong môi trường nước.
Khóa luận tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:
- Tổng hợp vật liệu MOFs UiO-66 bằng phương pháp nhiệt dung môi ở điều kiện phòng thí nghiệm.
- Khảo sát các đặc trưng cấu trúc, hình thái và tính chất hóa lý của vật liệu thông qua các phương pháp phổ nghiệm: nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
- Xây dựng đường chuẩn phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis cho chất màu methylene da cam ở bước sóng cực đại $\lambda = 465\text{ nm}$.
- Khảo sát động học hấp phụ của UiO-66 đối với MO thông qua 4 mô hình: động học biểu kiến bậc 1, động học biểu kiến bậc 2, mô hình Elovich và mô hình khuếch tán trong hạt.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ bao gồm điểm đẳng điện ($pH_{pzc}$), giá trị pH dung dịch, nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ (đối chiếu qua mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich), đồng thời thử nghiệm giải hấp và tái sử dụng vật liệu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu khung cơ kim UiO-66 tự tổng hợp và dung dịch phẩm nhuộm methylene da cam trong nước.
- Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Hóa học và Khoa Vật lý thuộc Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành vào tháng 5 năm 2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu
Vật liệu MOFs được hình thành từ liên kết phối trí giữa các tâm/cụm ion kim loại với các phối tử hữu cơ đa càng (như carboxylate, sulfonate, amine), tạo nên mạng lưới không gian ba chiều có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn ($1000 - 6000\text{ m}^2/\text{g}$). Cấu trúc của UiO-66 thuộc hệ tinh thể lập phương tâm mặt (face-centered cubic - fcu), được xây dựng từ các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBUs) chứa cụm zirconi oxit $[\text{Zr}_6\text{O}_4(\text{OH})_4]$ liên kết với 12 cầu nối axit 1,4-benzenedicarboxylic (BDC). Cấu trúc này tạo ra các lồng bát diện có kích thước khoảng $12\text{ \AA}$ và lồng tứ diện kích thước $7{,}5\text{ \AA}$. Nhờ tính linh động của liên kết $\mu_3\text{-OH}$, các nút kim loại có thể chuyển hóa thuận nghịch sang dạng khử nước $[\text{Zr}_6\text{O}_6(\text{CO}2){12}]$, giúp vật liệu duy trì độ bền cao trong môi trường axit và dung môi nước.
Phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Sử dụng máy D8 Advance Eco (Bruker, Đức) để kiểm tra cấu trúc tinh thể, xác định các đỉnh nhiễu xạ dựa trên định luật Bragg ($n\lambda = 2d_{hkl}\sin\theta$) và công thức Debye-Scherrer ($t = K\lambda / B\cos\theta$).
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Sử dụng thiết bị JEOL (mẫu JSM-6010PLUS/LV / JSM-IT200) nhằm quan sát hình thái học bề mặt, kích thước và sự phân bố của các vi hạt tinh thể.
- Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Đo trên máy JASCO FT/IR-6800 (Mỹ) trong vùng số sóng $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$ để xác định các dao động liên kết đặc trưng ($\text{Zr-O}$, $\text{C=O}$, $\text{-OH}$).
- Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Đo trên máy quang phổ đo quang để xác định nồng độ dung dịch MO dựa trên định luật Bouguer-Lambert-Beer ở bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda = 465\text{ nm}$.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Tổng hợp nhiệt dung môi (Solvothermal): Phối trộn dung dịch $0{,}265\text{ g }\text{ZrCl}_4$ trong $30\text{ mL DMF}$ (có thêm $2\text{ mL HCl}$) với dung dịch $0{,}38\text{ g }\text{H}_2\text{BDC}$ trong $30\text{ mL DMF}$. Hỗn hợp được khuấy từ và rung siêu âm trong 1 giờ, sau đó nạp vào bình teflon chịu áp suất, gia nhiệt ở $120^\circ\text{C}$ trong 36 giờ, ly tâm rửa sạch bằng DMF (3 lần) và ethanol (2 lần), sấy khô ở $60^\circ\text{C}$ trong 9 giờ.
- Xác định điểm đẳng điện ($pH_{pzc}$): Sử dụng phương pháp dịch chuyển pH trong $25\text{ mL}$ dung dịch $\text{NaCl } 0{,}1\text{ M}$ với $0{,}04\text{ g}$ vật liệu UiO-66, khuấy trong 48 giờ để đo độ chênh lệch $\Delta pH = pH_f - pH_i$.
- Khảo sát quá trình hấp phụ: Thí nghiệm hấp phụ gián đoạn với tỷ lệ rắn/lỏng là $10\text{ mg}$ UiO-66 trên $10\text{ mL}$ dung dịch MO ở nhiệt độ phòng. Dung lượng hấp phụ $q$ ($\text{mg/g}$) được tính theo công thức:
$$q = \frac{(C_0 - C_t)V}{m}$$
Trong đó: $C_0$ và $C_t$ là nồng độ MO trước và sau hấp phụ ($\text{mg/L}$), $V$ là thể tích ($\text{mL}$), $m$ là khối lượng chất hấp phụ ($\text{mg}$).
- Giải hấp và tái sử dụng: Thực hiện giải hấp vật liệu sau hấp phụ bằng hỗn hợp dung dịch ethanol và $\text{HNO}_3\text{ }0{,}1\text{ M}$, rung siêu âm, thu hồi chất rắn và thử nghiệm tái hấp phụ với dung dịch MO $30\text{ ppm}$.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về vật liệu
Chương này tổng hợp các cơ sở lý thuyết về vật liệu khung cơ kim (MOFs) và vật liệu UiO-66, bao gồm cấu trúc mạng tinh thể 3D, các kiểu hình học phối trí của ion kim loại (phẳng vuông, tứ diện, bát diện, tháp đáy vuông) và các phối tử hữu cơ cứng chứa vòng thơm. Tác giả tổng thuật các phương pháp tổng hợp MOFs (nhiệt dung môi, thủy nhiệt, vi sóng, điện hóa, cơ - hóa học), trong đó nhiệt dung môi cho chất lượng tinh thể cao nhất để phân tích XRD.
Về khả năng ứng dụng, chương 1 trình bày tiềm năng của MOFs trong lưu trữ khí độc ($\text{SO}_2, \text{NH}_3, \text{Cl}_2$), xúc tác phân hủy chất hữu cơ dựa trên phản ứng Fenton ($\text{Fe(II)} + \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{Fe(III)} + \text{HO}^\bullet + \text{OH}^-$, $k_1 = 76\text{ M}^{-1}\text{s}^{-1}$), màng lọc nano khử muối ($\text{PA/UiO-66/PES}$) và biến tính điện cực than thủy tinh (GCE) để phân tích điện hóa. Chương 1 cũng tổng hợp tài liệu về tính chọn lọc hấp phụ của UiO-66 đối với các loại phẩm màu mang điện tích khác nhau, cho thấy UiO-66 có ái lực mạnh với các phẩm màu anion nhờ liên kết hydro và tương tác tĩnh điện với nhóm hydroxyl trên nút kim loại.
| Nhóm phẩm màu |
Tên phẩm nhuộm |
Điện tích phân tử |
Hiệu suất loại bỏ của UiO-66 (%) |
| Phẩm màu anion |
Alizarin Red S |
Âm |
81,0 |
|
Eosin |
Âm |
80,0 |
|
Fuchsin Acid |
Âm |
40,0 |
|
Methyl Orange (MO) |
Âm |
31,0 |
| Phẩm màu cation |
Neutral Red |
Dương |
3,4 |
|
Methylene Blue |
Dương |
4,43 |
|
Fuchsin Basic |
Dương |
0,98 |
|
Safranine T |
Dương |
3,41 |
Phần cuối chương giới thiệu cấu tạo hóa học của methylene da cam, tính chất phân ly thành cation $\text{Na}^+$ và anion mang nhóm $\text{SO}_3^-$ trong nước, cùng các tác động độc hại đối với môi trường và sinh vật.
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất ($\text{ZrCl}_4$, $\text{H}_2\text{BDC}\ge 99{,}8%$, $\text{DMF}\ge 98%$, $\text{HCl}$, ethanol, $\text{HNO}_3$, $\text{NaCl}$, $\text{NaOH}$), dụng cụ thí nghiệm và thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị đo (máy đo pH HANNA HI2010-02, tủ sấy Memmert, máy ly tâm, máy khuấy từ, bể rung siêu âm, hệ đo JASCO FT/IR-6800, Bruker D8 Advance Eco).
Tác giả mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm gồm 5 bước chính:
- Quy trình tổng hợp UiO-66 theo tỷ lệ chất phản ứng và chế độ nhiệt phân $120^\circ\text{C}$ trong 36 giờ.
- Xây dựng đường chuẩn quang phổ UV-Vis cho MO trong khoảng nồng độ $10 - 50\text{ ppm}$ (sau khi pha loãng 10 lần) ở bước sóng $465\text{ nm}$.
- Quy trình khảo sát động học hấp phụ tại các khoảng thời gian 5, 10, 15, 20, 30, 35 phút với các nồng độ ban đầu 50, 75 và $100\text{ ppm}$.
- Phương pháp xác định điểm đẳng điện $pH_{pzc}$ trong dải pH từ 2 đến 10 và khảo sát ảnh hưởng của pH (từ 2 đến 9) đến hiệu suất hấp phụ.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ MO ban đầu trong dải $5 - 145\text{ ppm}$ để thiết lập đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich, cùng quy trình giải hấp bằng $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}/\text{HNO}_3\text{ }0{,}1\text{ M}$.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm và thảo luận cơ chế tương tác:
- Đặc trưng vật liệu:
- FT-IR: Xuất hiện dải hấp thụ ở vùng $450 - 750\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho dao động uốn của liên kết $\text{C-H}$ và $\text{-OH}$; dải pic quanh $1100\text{ cm}^{-1}$ ứng với dao động liên kết $\text{Zr-O}$; dải $1430 - 1580\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho dao động bất đối xứng và đối xứng của nhóm dicarboxylate ($\text{O=C-O}^-$), xác nhận sự liên kết giữa phối tử BDC và tâm kim loại Zirconi.
- XRD: Giản đồ xuất hiện rõ các đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng tại góc $2\theta = 7{,}3^\circ$ và $8{,}5^\circ$, tương ứng với các mặt phẳng phản xạ mạng (111) và (002), hoàn toàn trùng khớp với dữ liệu tinh thể chuẩn của UiO-66 đã công bố.
- SEM: Hình ảnh hiển vi cho thấy vật liệu tạo thành các hạt tinh thể dạng khối đa diện kích thước đồng đều, liên kết chặt chẽ thành các khối xốp liền mạch.
- Phương trình đường chuẩn MO: Đường hồi quy tuyến tính mật độ quang theo nồng độ MO đạt phương trình $A = 0{,}0115 \cdot C_{\text{MO}} + 0{,}0031$ với hệ số tương quan $R^2 \approx 1$.
- Động học hấp phụ: Nồng độ MO giảm rất nhanh từ $50{,}0\text{ mg/L}$ xuống còn $22{,}3\text{ mg/L}$ chỉ sau 5 phút đầu do chuyển khối nhanh, sau đó chậm dần từ phút 5 đến 35 do quá trình khuếch tán qua màng và khuếch tán trong hạt.
- Mô hình động học biểu kiến bậc 2 (PSO) có độ tương thích cao nhất ($R^2 = 0{,}99$), vượt trội hơn so với mô hình động học biểu kiến bậc 1 (PFO, $R^2 = 0{,}95 - 0{,}98$).
- Mô hình Elovich đạt hệ số tương quan cao ($R^2 = 0{,}92 - 0{,}99$), khẳng định sự hiện diện của cơ chế hấp phụ hóa học.
- Mô hình khuếch tán trong hạt (Weber-Morris) có $R^2 = 0{,}92 - 0{,}97$, chứng minh sự khuếch tán trong lỗ xốp là một trong những giai đoạn quyết định tốc độ hấp phụ.
| Mô hình động học |
Phương trình tuyến tính |
Hệ số tương quan $R^2$ |
Kết luận |
| Biểu kiến bậc 1 (PFO) |
$\log(q_e - q_t) = \log q_e - \frac{k_1}{2{,}303}t$ |
0,95 – 0,98 |
Tương quan khá tốt nhưng chưa tối ưu |
| Biểu kiến bậc 2 (PSO) |
$\frac{t}{q_t} = \frac{1}{k_2 q_e^2} + \frac{t}{q_e}$ |
0,99 |
Mô tả chính xác nhất quá trình hấp phụ |
| Mô hình Elovich |
$q_t = \frac{1}{\beta}\ln(\alpha\beta) + \frac{1}{\beta}\ln t$ |
0,92 – 0,99 |
Khẳng định cơ chế hấp phụ hóa học |
| Khuếch tán trong hạt |
$q_t = k_{\text{id}} t^{1/2} + C$ |
0,92 – 0,97 |
Khuếch tán trong hạt kiểm soát tốc độ |
- Ảnh hưởng của pH và cơ chế tương tác:
- Điểm đẳng điện của UiO-66 được xác định tại $pH_{pzc} \approx 4{,}6$.
- Ở $pH < 4{,}6$, bề mặt UiO-66 tích điện dương do proton hóa các nhóm chức, tạo lực hút tĩnh điện mạnh với anion MO mang điện tích âm (ở $pH > pK_a \approx 3{,}7$). Khi pH tăng từ 2,0 lên 4,0, dung lượng hấp phụ MO giảm từ 37,0% xuống 26,0% do giảm mật độ điện tích dương và liên kết hydro.
- Ở khoảng pH 4,0 - 6,0 và 6,0 - 9,0, dung lượng hấp phụ duy trì tương đối ổn định nhờ các tương tác không tĩnh điện như lực phân tán Van der Waals và tương tác xếp chồng $\pi - \pi$ giữa vòng benzen của chất hấp phụ và phối tử BDC.
- Đẳng nhiệt hấp phụ:
- Mô hình Langmuir đạt độ tương thích cao ($R^2 = 0{,}99$), xác định dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại $q_{\max} = 142{,}9\text{ mg/g}$ và hằng số $K_L = 0{,}047\text{ L/mg}$. Quá trình hấp phụ diễn ra thuận lợi trên bề mặt đồng nhất cả bên trong lỗ xốp và khoảng không gian giữa các hạt.
- Mô hình Freundlich có $R^2 = 0{,}96$ với hệ số không đồng nhất $1/n = 0{,}60$.
| Mô hình đẳng nhiệt |
Phương trình tuyến tính |
Tham số mô hình |
Hệ số tương quan $R^2$ |
| Langmuir |
$\frac{C_e}{q_e} = \frac{1}{K_L q_{\max}} + \frac{C_e}{q_{\max}}$ |
$q_{\max} = 142{,}9\text{ mg/g}$; $K_L = 0{,}047\text{ L/mg}$ |
0,99 |
| Freundlich |
$\log q_e = \log K_F + \frac{1}{n}\log C_e$ |
$1/n = 0{,}60$ |
0,96 |
- Giải hấp và tái sử dụng: Vật liệu sau khi hấp phụ được xử lý giải hấp bằng dung dịch ethanol/$\text{HNO}_3\text{ }0{,}1\text{ M}$ kết hợp rung siêu âm có khả năng tái sử dụng tốt để xử lý dung dịch MO $30\text{ ppm}$ với liều lượng $30\text{ mg}$ trong thời gian 30 phút.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính đạt được
- Đã tổng hợp thành công vật liệu tinh thể MOFs UiO-66 bằng phương pháp nhiệt dung môi ở $120^\circ\text{C}$ trong 36 giờ, vật liệu có độ tinh khiết pha cao, cấu trúc lập phương tâm mặt đồng nhất với các đỉnh nhiễu xạ chuẩn ($2\theta = 7{,}3^\circ, 8{,}5^\circ$) và hình thái hạt đa diện đều đặn.
- Xác định điểm điện tích không của vật liệu là $pH_{pzc} \approx 4{,}6$; môi trường axit ($pH = 2{,}0$) cho hiệu quả hấp phụ cao nhất (đạt 37,0%).
- Quá trình hấp phụ diễn ra rất nhanh trong 5 phút đầu (giảm nồng độ từ $50{,}0$ xuống $22{,}3\text{ mg/L}$) và đạt trạng thái cân bằng trong vòng 35 phút.
- Động học hấp phụ tuân theo mô hình biểu kiến bậc 2 ($R^2 = 0{,}99$), và đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir ($R^2 = 0{,}99$) với dung lượng hấp phụ cực đại $q_{\max} = 142{,}9\text{ mg/g}$.
- Chứng minh khả năng tái sinh và tái sử dụng của UiO-66 sau khi giải hấp bằng hệ dung môi ethanol và axit nitric $0{,}1\text{ M}$.
Đóng góp của đề tài
- Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về tổng hợp UiO-66 ở quy mô phòng thí nghiệm với hóa chất tiền chất $\text{ZrCl}_4$ và $\text{H}_2\text{BDC}$, có bổ sung $\text{HCl}$ làm chất điều hòa cấu trúc.
- Làm sáng tỏ cơ chế tương tác đa tầng giữa UiO-66 và phẩm nhuộm methylene da cam, kết hợp giữa tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, lực Van der Waals và tương tác xếp chồng $\pi-\pi$.
- Đề xuất giải pháp xử lý phẩm màu azo trong nước thải bằng vật liệu MOFs có hiệu suất cao, thời gian xử lý ngắn và có khả năng thu hồi, tái sử dụng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các nội dung thảo luận và phần kiến nghị của tác giả, nghiên cứu tồn tại một số hạn chế và hướng mở:
- Định lượng hiệu suất thu hồi: Nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở bước thử nghiệm khả năng tái hấp phụ của vật liệu sau giải hấp mà chưa tính toán định lượng chính xác hiệu suất thu hồi khối lượng của UiO-66 qua từng chu kỳ.
- Đánh giá biến đổi cấu trúc sau tái sử dụng: Chưa thực hiện đo đạc lại các đặc trưng lý hóa (XRD, SEM, FT-IR) của mẫu vật liệu sau khi đã trải qua quá trình giải hấp và tái sử dụng để kiểm chứng độ bền khung cấu trúc.
- Phạm vi môi trường khảo sát: Thực nghiệm mới được tiến hành trên hệ dung dịch phẩm màu đơn cấu tử trong điều kiện phòng thí nghiệm; cần mở rộng nghiên cứu trên các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế có chứa hỗn hợp nhiều ion kim loại và chất hoạt động bề mặt cạnh tranh hấp phụ.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng thụ hưởng: Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Hóa học (Hóa vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa lý), Khoa học Vật liệu, Công nghệ Kỹ thuật Môi trường và Kỹ thuật Hóa học.
- Nội dung giá trị:
- Quy trình tổng hợp nhiệt dung môi vật liệu UiO-66 với các thông số nhiệt độ, tỷ lệ dung môi DMF và chất điều hòa HCl chuẩn xác.
- Phương pháp luận và cách thức xử lý số liệu toán học toàn diện cho 4 mô hình động học (PFO, PSO, Elovich, Weber-Morris) và 2 mô hình đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich).
- Kỹ thuật xác định điểm đẳng điện $pH_{pzc}$ bằng phương pháp đo độ lệch pH thực nghiệm.
Câu hỏi thường gặp
1. Phương pháp và điều kiện cụ thể để tổng hợp vật liệu UiO-66 trong khóa luận là gì?
Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi trong bình teflon: hòa tan $0{,}265\text{ g }\text{ZrCl}_4$ trong $30\text{ mL DMF}$ có thêm $2\text{ mL HCl}$, trộn với $0{,}38\text{ g }\text{H}_2\text{BDC}$ trong $30\text{ mL DMF}$, khuấy từ và rung siêu âm 1 giờ, sau đó gia nhiệt ở $120^\circ\text{C}$ trong 36 giờ, ly tâm rửa 3 lần bằng DMF, 2 lần bằng ethanol và sấy ở $60^\circ\text{C}$ trong 9 giờ.
2. Điểm đẳng điện ($pH_{pzc}$) của UiO-66 được xác định là bao nhiêu và pH ảnh hưởng như thế nào đến khả năng hấp phụ MO?
Điểm đẳng điện của UiO-66 là $pH_{pzc} \approx 4{,}6$. Ở $pH < 4{,}6$, bề mặt tích điện dương thuận lợi hấp phụ anion MO, trong đó hiệu suất cao nhất đạt 37,0% tại $pH = 2{,}0$ và giảm xuống 26,0% tại $pH = 4{,}0$. Ở $pH > 4{,}6$, bề mặt tích điện âm và quá trình hấp phụ chủ yếu duy trì nhờ lực Van der Waals và tương tác xếp chồng $\pi - \pi$.
3. Quá trình hấp phụ methylene da cam lên UiO-66 tuân theo mô hình động học và mô hình đẳng nhiệt nào?
Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 (PSO) với hệ số tương quan $R^2 = 0{,}99$ (đặc trưng cho cơ chế hấp phụ hóa học) và mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0{,}99$), chỉ ra sự hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất.
4. Dung lượng hấp phụ cực đại ($q_{\max}$) của UiO-66 đối với methylene da cam đạt giá trị bao nhiêu?
Theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại $q_{\max}$ của UiO-66 đối với methylene da cam đạt $142{,}9\text{ mg/g}$, với hằng số hấp phụ Langmuir $K_L = 0{,}047\text{ L/mg}$.
5. Vật liệu UiO-66 được giải hấp và tái sinh bằng hóa chất nào?
UiO-66 sau khi hấp phụ được giải hấp bằng hỗn hợp dung dịch ethanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) và axit nitric ($\text{HNO}_3\text{ }0{,}1\text{ M}$) dưới sự hỗ trợ của rung siêu âm, sau đó thu hồi để tái hấp phụ dung dịch MO $30\text{ ppm}$.
Kết luận
Khóa luận của tác giả Võ Thị Nhật Hạ đã tổng hợp thành công vật liệu khung cơ kim UiO-66 bằng phương pháp nhiệt dung môi và kiểm chứng đầy đủ cấu trúc tinh thể qua các phép phân tích XRD, SEM và FT-IR. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ cơ chế và hiệu quả hấp phụ phẩm nhuộm methylene da cam trong môi trường nước với dung lượng hấp phụ cực đại đạt $142{,}9\text{ mg/g}$, quá trình đạt cân bằng nhanh và tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai cùng mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả thực nghiệm khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của UiO-66 trong công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm nhờ hiệu suất hấp phụ cao và khả năng tái sinh bằng dung dịch ethanol/$\text{HNO}_3$.
