Tổng hợp vật liệu Co-UiO-66 và ứng dụng hấp phụ chất hữu cơ
MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường như ô nhiễm chất màu dệt, nhuộm, đang trở thành vấn đề cấp thiết ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Ô nhiễm chất màu hữu cơ gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống, sức khỏe và sinh hoạt của con người. Sự xuất hiện và hủy diệt của thuốc nhuộm tổng hợp có thể bắt nguồn từ nước thải công nghiệp của ngành dệt, giấy và da. Một tác dụng phụ không mong muốn đi kèm với các ứng dụng rộng rãi của chúng là một số thuốc nhuộm và sắc tố cấu trúc của các vòng thơm, làm tăng độc tính, không phân hủy sinh học, gây ung thư và gây đột biến đối với môi trường thủy sản và sức khỏe con người.
Các phương pháp xử lý ô nhiễm chất màu rất đa dạng, từ màng trao đổi ion, kết tủa và oxy hóa, tất cả đều cho thấy tính khả thi trong các ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, chúng còn tồn tại những mặt hạn chế nhất định như hiệu quả thấp, vận hành phức tạp, tạo ra các sản phẩm phụ không thân thiện với môi trường đã hạn chế tiềm năng của chúng. Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp những loại vật liệu tối ưu để xử lý ô nhiễm chất màu là vấn đề cấp bách, cần được giải quyết. Hiện nay, một trong những vật liệu được quan tâm nghiên cứu là vật liệu khung cơ kim.
Vật liệu khung cơ kim xuất hiện như một loại vật liệu mới trong gần hai thập kỉ qua và được hình thành do liên kết phối trí xây dựng từ các mối liên kết của phối tử hữu cơ (cầu nối ligand) và các nút vô cơ của các ion kim loại hoặc cụm (cluster) các ion kim loại. Sự hình thành các liên kết này tạo nên sự đa dạng về cấu trúc, nhóm chức năng, kích thước và hình dạng của lỗ trống trong gia đình MOFs như IRMOF, ZIF, HKUST. Khả năng sắp xếp và liên kết giữa ion kim loại và các cầu hữu cơ trong MOF rất linh hoạt đủ để thay đổi tính chất của MOF được tạo ra. Đây là một yếu tố quan trọng cho phép MOF được thiết kế và tổng hợp theo những tính chất và ứng dụng mong muốn. Vì vậy vật liệu này đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do tiềm năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như: hấp phụ, lưu trữ và tách lọc khí, cảm biến, xúc tác quang và dẫn truyền thuốc.
Vật liệu UiO-66 (UiO-66 = University of Oslo-66) là một loại vật liệu MOF tạo thành từ kim loại Zr và cầu hữu cơ 1,4-benzene dicarboxylate (BDC). Vật liệu này có độ bền nhiệt tương đối cao 540°C và có độ bền hoá học tốt trong một vài dung môi như nước, acetone, benzene và DMF. Ở Việt Nam, đã có một số nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng ghi nhận trong việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng loại vật liệu này.
Trong nghiên cứu này, tôi tổng hợp các vật liệu lai Co-UiO-66 để hạn chế các khiếm khuyết của quá trình liên kết còn thiếu để tạo ra chất xúc tác Co-UiO-66. Một loại vật liệu Co pha tạp UiO-66 (Co-UiO-66) với các hàm lượng Co khác nhau đã được tổng hợp. Bằng cách sử dụng phương pháp biến tính kim loại lên cấu trúc UiO-66 với bề mặt cao hy vọng sẽ tạo ra các loại vật liệu mới có độ bền cao và tính dẫn điện cao để tăng khả năng ứng dụng của nó trong các phương pháp phân tích điện hoá cũng như hấp phụ các chất hữu cơ.
Chính vì những triển vọng của vật liệu, tôi quyết định chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu Co-UiO-66 và ứng dụng hấp phụ chất hữu cơ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
– Tổng hợp được vật liệu Co-UiO-66.
– Khảo sát khả năng hấp phụ hợp chất hữu cơ của vật liệu.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài
– Đối tượng nghiên cứu: vật liệu biến tính Co-UiO-66
– Phạm vi nghiên cứu:
+ Tổng hợp UiO-66 và Co-UiO-66 bằng phương pháp thủy nhiệt.
+ Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu trên cơ sở UiO-66.
+ Xác định đặc trưng hoá lý của vật liệu Co-UiO-66.
– Tổng hợp vật liệu Co-UiO-66
– Xác định các đặc trưng hoá lý của vật liệu Co-UiO-66 tổng hợp được (IR, XRD, SEM).
– Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu đỏ Congo của vật liệu.
– Nghiên cứu so sánh khả năng hấp phụ của vật liệu.
– Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ (khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu theo thời gian).
– Khảo sát ảnh hưởng của pH.
– Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng vật liệu.
– Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và nồng độ Congo red ban đầu.
5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU
1.1. Tổng quan vật liệu khung hữu cơ kim loại
1.2. Khái quát về UiO-66
University of Oslo-66 (UiO-66) là một loại vật liệu MOF tạo thành từ kim loại Zr và cầu hữu cơ 1,4-benzen dicacboxylate (BDC). Vật liệu này có độ bền nhiệt tương đối cao 540°C và có độ bền hoá học tốt trong một vài dung môi như nước, acetone, benzene và DMF. 1.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu Co-UiO-66
1.4. Giới thiệu về chất màu hữu cơ Congo red (CR)
1.4.1. Giới thiệu sơ lược về các chất màu hữu cơ
1.4.2. Nguồn gốc và tác hại khi nguồn nước nhiễm các chất màu hữu cơ
1.4.3. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước bới các chất màu hữu cơ
1.4.4. Giới thiệu về chất màu hữu cơ Congo red
1.5. Tổng quan phương pháp hấp phụ
1.5.1. Khái niệm hấp phụ – giải hấp
1.5.2. Hấp phụ trong môi trường nước
1.5.3. Động học quá trình hấp phụ
1.5.4. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
1.5.4.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich
Mô hình đẳng nhiệt Freundlich là một phương trình thực nghiệm dựa trên sự hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất của vật liệu. Phương trình tuyến tính thường được biểu diễn là:
| (1.5) |
Trong đó:
Ce (mg/L) là nồng độ tại thời điểm cân bằng.
qe (mg/g) là lượng ion kim loại bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng vật liệu hấp phụ.
Hằng số n là số mũ trong phương trình Freundlich, đặc trưng cho tính không đồng nhất về năng lượng của bề mặt hấp phụ.
+ KF là hằng số Freundlich (mg/g), được xem như là một hệ số hấp phụ hoặc hệ số phân bố, biểu diễn lượng chất bị hấp phụ trên một lượng chất hấp phụ.
+ 1/n là thông số kinh nghiệm, là thước đo cường độ hấp phụ hoặc tính không đồng nhất của bề mặt, 0< 1/n < 1 quá trình hấp phụ là thuận lợi, 1/n càng tiến đến “0” bề mặt càng không đồng nhất.
Mô hình Freundlich được lựa chọn để đánh giá cường độ hấp phụ của chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp thụ.
1.5.4.2. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Năm 1915, Langmuir đề xuất thuyết hấp phụ đơn phân tử. Mô hình đẳng nhiệt Langmuir giả định rằng sự hấp thu các ion kim loại xảy ra trên một bề mặt đồng nhất của vật liệu và sự hấp phụ đơn lớp, không có bất kì sự tương tác nào giữa các ion hấp phụ.
Phương trình tuyến tính của mô hình đẳng nhiệt Langmuir:
(1.6)
Với mức độ hấp phụ được đánh giá qua hệ số tách hay thông số cân bằng RL:
(1.7)
Trong đó:
qe là dung lượng hấp phụ ở thời điểm cân bằng hấp phụ (mg/g)
𝐶e là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)
qm là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
𝐾L là hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) đặc trưng cho ái lực của tâm hấp phụ.
𝑅L là thông số tách hay thông số cân bằng, giá trị 𝑅L nằm giữa 0 và 1 chỉ ra cân bằng hấp phụ là thuận lợi; 𝑅L = 1 chỉ ra đẳng nhiệt tuyến tính; 𝑅L > 1 chỉ ra sự hấp phụ không thuận lợi.
Co là nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ (mg/L)
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
a. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD)
b. Phương pháp chụp ảnh qua kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy, SEM)
c. Phương pháp đo phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FT-IR)
2.1.2. Phương pháp phân tích bằng phổ UV-VIS
2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Hóa chất và dụng cụ
2.1.1.1. Hóa chất
2.1.1.2. Dụng cụ và thiết bị
2.2.2. Tổng hợp vật liệu
2.2.2.1. Tổng hợp vật liệu UiO-66
2.2.2.2. Tổng hợp vật liệu Co-UiO-66
Trong nghiên cứu về vật liệu Co-UiO-66 này đã được tổng hợp vật liệu theo hai tỉ lệ khác nhau để khảo sát, cụ thể gồm: tỉ lệ 4:1 và tỉ lệ 8:1
F:\DỮ LIỆU MỚI CẦN ĐỔI TÊN VÀ ĐĂNG 2025\TAI LIEU C YEN-2024\Quản trị rủi tín dụng khách hàng cá nhân tại Ngân hàng Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn Việt Nam chi nhánh Huyện Buôn Đôn\THAM KHẢO\Tổng hợp vật liệu Co-UiO-66 và ứng dụng hấp phụ chất\TOM TAT
