nghiên cứu chế tạo, phân tích cấu trúc và ứng dụng vật liệu carbon trên cơ sở ZIF 8 trong xử lý nước ô nhiễm phẩm màu hữu cơ

ỦY BAN NHÂN DÂN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

THÀNH ĐỒN TP. HỒ CHÍ MINH
TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN
KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRẺ

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ ỨNG DỤNG
VẬT LIỆU CARBON TRÊN CƠ SỞ ZIF-8 TRONG XỬ LÝ NƯỚC Ô
NHIỄM PHẨM MÀU HỮU CƠ

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Phát triển Khoa học
và Công nghệ Trẻ
Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS. Nguyễn Thị Cẩm Duyên

Thành phố Hồ Chí Minh - 20…


ỦY BAN NHÂN DÂN

THÀNH ĐỒN TP. HỒ CHÍ MINH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRẺ

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

(TÊN NHIỆM VỤ)
(Đã chỉnh sửa theo kết luận của Hội đồng nghiệm thu ngày 01/12/2021)

Chủ nhiệm nhiệm vụ:
(ký tên)
Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu
(Ký và ghi rõ họ tên)

ThS. Nguyễn Thị Cẩm Duyên
Cơ quan chủ trì nhiệm vụ

Đồn Kim Thành

Thành phố Hồ Chí Minh - 2021


THÀNH ĐỒN TP. HỒ CHÍ MINH
TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN
KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRẺ
__________________

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
............., ngày

tháng

năm 2021

BÁO CÁO THỐNG KÊ
KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KH&CN
I. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên nhiệm vụ: Nghiên cứu chế tạo, phân tích cấu trúc và ứng dụng vật liệu
carbon trên cơ sở ZIF-8 trong xử lý nước ô nhiễm phẩm màu hữu cơ
Thuộc: Chương trình/lĩnh vực (tên chương trình/lĩnh vực): Vườn ươm
Sáng tạo Khoa học và Công nghệ trẻ
2. Chủ nhiệm nhiệm vụ:
Họ và tên: Nguyễn Thị Cẩm Duyên
Ngày, tháng, năm sinh: 16/06/1993

Giới tính: Nữ

Học hàm, học vị: Thạc sỹ
Chức danh khoa học:

Chức vụ: Chuyên viên nghiên cứu

Điện thoại: Tổ chức: 028 39 411 211 Mobile: (+84) 777681894
Fax: 028 39 404 759

E-mail:

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
Địa chỉ tổ chức: 300A Nguyễn Tất Thành, Phường 13, Quận 4, TP. Hồ Chí Minh
Địa chỉ nhà riêng: 63 đường Ba Sa, ấp cây Trôm, xã Phước Hiệp, Củ Chi, TP.
HCM
3. Tổ chức chủ trì nhiệm vụ:
Tên tổ chức chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ
Điện thoại: 028.38.233.363

Fax: 028 39 404 759

E-mail:
Website: />Địa chỉ: Số 1 Phạm Ngọc thạch, Phường Bến Nghé, Quận 1
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Ơng Đồn Kim Thành


Số tài khoản: 3713.0.1083277.00000
Kho bạc: Nhà nước Quận 1 TP. Hồ Chí Minh
II. TÌNH HÌNH THỰC HIỆN
1. Thời gian thực hiện nhiệm vụ:
- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ 30 tháng 12 năm 2020 đến tháng 11 năm 2021
- Thực tế thực hiện: từ 30 tháng 10 năm 2020 đến tháng 11 năm 2021
- Được gia hạn (nếu có):
- Lần 1 từ tháng…. năm…. đến tháng…. năm….
- Lần 2 ….
2. Kinh phí và sử dụng kinh phí:
a) Tổng số kinh phí thực hiện: 90 tr.đ, trong đó:
+ Kính phí hỗ trợ từ ngân sách khoa học: 90 tr.đ.
+ Kinh phí từ các nguồn khác: 0 tr.đ.
b) Tình hình cấp và sử dụng kinh phí từ nguồn ngân sách khoa học:

Theo kế hoạch
Thời gian
Kinh phí
Số
(Tháng,
(Tr.đ)
TT
năm)
1 16/2021
45
2 08/2021
27
3 11/2021
18

Thực tế đạt được
Thời gian
Kinh phí
(Tháng, năm)
(Tr.đ)
30/06/2021

Ghi chú
(Số đề nghị
quyết tốn)

45
27
18

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:
Đối với đề tài:
Đơn vị tính: đồng
Số
TT
1

2

Nội dung
các khoản chi

Theo kế hoạch
Tổng

Thực tế đạt được

NSKH Nguồn Tổng NSKH Nguồn
khác
khác
Trả công lao động 82.08 82.084 0
82.08 82.084 0
(khoa học, phổ
4.100 .100
4.100 .100
thông)
Nguyên, vật liệu, 0
0
0
0

0
0
năng lượng


3
4
5

Thiết bị, máy móc 0
Xây dựng, sửa
0
chữa nhỏ
Chi khác
7.603
.000
90.00
Tổng cộng
0.000

0
0

0
0

7.603. 0
000
90.000
0

.000

0
0

0
0

0
0

7.603 7.603. 0
.000 000
90.00 90.000
0
0.000 .000

- Lý do thay đổi (nếu có):
Đối với dự án:
Đơn vị tính: Triệu đồng
Số
TT

Nội dung
các khoản chi

1

Thiết bị, máy móc
mua mới

Nhà xưởng xây
dựng mới, cải tạo
Kinh phí hỗ trợ
cơng nghệ
Chi phí lao động
Ngun vật liệu,
năng lượng
Thuê thiết bị, nhà
xưởng
Khác
Tổng cộng

2
3
4
5
6
7

Theo kế hoạch
Tổng

NSKH Nguồn
khác

Thực tế đạt được
Tổng

NSKH Nguồn
khác

- Lý do thay đổi (nếu có):
3. Các văn bản hành chính trong q trình thực hiện đề tài/dự án:
(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ cơng đoạn xét duyệt, phê duyệt
kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện... nếu có); văn bản
của tổ chức chủ trì nhiệm vụ (đơn, kiến nghị điều chỉnh ... nếu có)
Số Số, thời gian ban
TT
hành văn bản
1
2

Tên văn bản

Ghi chú


…
4. Tổ chức phối hợp thực hiện nhiệm vụ:
Số
TT

Tên tổ chức Tên tổ chức đã
đăng ký theo tham gia thực
Thuyết minh
hiện

Nội dung
tham gia
chủ yếu

Sản phẩm
chủ yếu
đạt được

Ghi
chú*

1
2
...
- Lý do thay đổi (nếu có):
5. Cá nhân tham gia thực hiện nhiệm vụ:
(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, khơng
q 10 người kể cả chủ nhiệm)
Số
TT
1

2

3

4

Sản phẩm
chủ yếu đạt
được
Đã xây
ThS. Nguyễn ThS. Nguyễn

dựng quy
Thị Cẩm
Thị Cẩm
trình cơng
nghệ, viết
Dun
Dun
thuyết
minh, báo
cáo tổng kết
Phân tích đặc Đã báo cáo
ThS. Trần
ThS. Trần
trưng cấu trúc phân tích
Văn Thuận
Văn Thuận vật liệu
đặc trưng
cấu trúc vật
liệu
Đã báo cáo
TS. Bùi Trung TS. Bùi Trung Khảo sát và
đánh giá khả khảo sát và
Hiếu
Hiếu
năng xử lý
đánh giá
phẩm màu
khả năng xử
lý phẩm
màu

Khảo sát và
Đã báo cáo
TS. Lê Thị
TS. Lê Thị
đánh giá khả khảo sát và
Ngọc Hạnh
Ngọc Hạnh
đánh giá
Tên cá nhân
đăng ký theo
Thuyết minh

Tên cá nhân
đã tham gia
thực hiện

Nội dung
tham gia
chính
Xây dựng
quy trình
cơng nghệ,
viết thuyết
minh, báo cáo
tổng kết

Ghi
chú*

năng xử lý
phẩm màu
5

KS. Đặng

KS. Đặng

Hoàng Huy

Hoàng Huy

Triển khai
tổng hợp vật
liệu và đánh
giá thử
nghiệm

khả năng xử
lý phẩm
màu
Đã báo cáo
triển khai
tổng hợp
vật liệu và
đánh giá thử
nghiệm

- Lý do thay đổi ( nếu có):
6. Tình hình hợp tác quốc tế:

Số
TT

Theo kế hoạch
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm, tên tổ chức
hợp tác, số đoàn, số lượng
người tham gia...)

Thực tế đạt được
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm, tên tổ chức
hợp tác, số đoàn, số lượng
người tham gia...)

Ghi
chú*

1
2
...
- Lý do thay đổi (nếu có):
7. Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:
Theo kế hoạch
Thực tế đạt được
Số
(Nội dung, thời gian, kinh
(Nội dung, thời gian,
TT
phí, địa điểm )

kinh phí, địa điểm )
1 Nội dung: Báo cáo và thảo
Nội dung: Báo cáo và
luận kết quả đề tài
thảo luận kết quả đề tài
Thời gian: 10/2021
Thời gian: 16/10/2021
Kinh phí: 4.900.000 đồng
Kinh phí: 4.900.000
Địa điểm: Trường Đại học
đồng
Nguyễn Tất Thành
Địa điểm: Online qua
Zoom
2
...
- Lý do thay đổi (nếu có):
8. Tóm tắt các nội dung, cơng việc chủ yếu:

Ghi chú*


(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra
khảo sát trong nước và nước ngồi)
Số
TT
1

2

3

4

5

6

Thời gian
(Bắt
đầu, kết thúc
Các nội dung, cơng việc
- tháng … năm)
chủ yếu
(Các mốc đánh giá chủ yếu)
Theo kế
Thực tế
hoạch
đạt được
Xây dựng thuyết minh chi
01/01/2021 01/01/202
tiết đề tài
1
01/04/2021 01/04/202
1
Nghiên cứu quy trình tổng
05/02/2021 05/02/202
hợp vật liệu carbon trên cơ sở 1
khung kim bằng phương
05/05/2021 pháp nung nhiệt

05/05/202
1
Đặc trưng cấu trúc của vật
12/01/2021 12/01/202
liệu carbon
1
12/04/2021 12/04/202
1
Tối ưu hóa các điểu kiện hấp 08/03/2021 08/03/202
phụ một số chất phẩm màu
1
08/06/2021 08/06/202
1
Khảo sát động học, đẳng
01/06/2021 01/06/202
nhiệt hấp phụ, nhiệt động
1
học, khả năng tái sử dụng vật 01/09/2021 liệu trong quá trình hấp phụ
01/09/202
các chất màu bằng vật liệu
1
carbon
Báo cáo tổng kết đề tài
01/08/2021 01/08/202
1
01/11/2021 01/11/202
1

Người,
cơ quan

thực hiện
Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Trần Văn
Thuận
Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Trần Văn
Thuận
Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Bùi Trung
Hiếu
Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Lê Thị Ngọc
Hạnh
Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Đặng Hoàng
Huy
Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Đặng Hoàng
Huy


7

Viết 01 bài báo khoa học

đăng kí trong thuyết minh đề
tài

01/06/2021
01/10/2021

01/06/202
1
01/10/202
1

Nguyễn Thị
Cẩm Duyên
Trần Văn
Thuận

- Lý do thay đổi (nếu có):
III. SẢN PHẨM KH&CN CỦA NHIỆM VỤ
1. Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:
a) Sản phẩm Dạng I:
Số
TT

Tên sản phẩm và
chỉ tiêu chất
lượng chủ yếu

Đơn
vị đo

Số lượng

Theo kế
hoạch

Thực tế
đạt được

- Lý do thay đổi (nếu có):
b) Sản phẩm Dạng II:
Số
TT
1

Tên sản phẩm
Quy trình tổng hợp vật

Yêu cầu khoa học
cần đạt
Theo kế
Thực tế
hoạch
đạt được
01 Quy trình

01 Quy trình

02 Bảng/mơ

02 Bảng/mơ

hình

hình

02 Quy trình

02 Quy trình

liệu carbon
2

Bảng tối ưu hóa các điều
kiện hấp phụ xử lý một
số phẩm màu hữu cơ

3

Quy trình đánh giá khả
năng hấp phụ động học,
nhiệt độ học, đẳng nhiệt
hấp phụ và khả năng tái
sử dụng

4

Báo cáo tổng kết đề tài

Hoàn chỉnh

Hoàn chỉnh

Ghi chú


- Lý do thay đổi (nếu có):
c) Sản phẩm Dạng III:
Số
TT
1

Tên sản phẩm
Bài báo trên tạp chí
quốc tế thuộc danh mục
ISI

Yêu cầu khoa học
cần đạt
Theo
Thực tế
kế hoạch
đạt được
Được chấp
Được chấp
nhận đăng
nhận đăng

Số lượng,
nơi cơng bố
(Tạp chí, nhà

xuất bản)
Surfaces and
Interfaces,
Elsevier

- Lý do thay đổi (nếu có):
d) Kết quả đào tạo:
Số
TT

Cấp đào tạo, Chuyên
ngành đào tạo

1
2

Thạc sỹ
Tiến sỹ

Số lượng
Theo kế
Thực tế đạt
hoạch
được

Ghi chú
(Thời gian
kết thúc)

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu cơng nghiệp:
Số
TT

Tên sản phẩm
đăng ký

Kết quả
Theo
Thực tế
kế hoạch
đạt được

Ghi chú
(Thời gian
kết thúc)

1
2
...
- Lý do thay đổi (nếu có):
e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế
Số
TT
1
2

Tên kết quả
đã được ứng dụng

Thời gian

Địa điểm
(Ghi rõ tên, địa
chỉ nơi ứng
dụng)

Kết quả
sơ bộ


2. Đánh giá về hiệu quả do nhiệm vụ mang lại:
a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:
(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ
cơng nghệ so với khu vực và thế giới…)
b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:
(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do nhiệm vụ tạo ra so với các sản
phẩm cùng loại trên thị trường…)
3. Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của nhiệm vụ:
Số
TT
I

II

III

Nội dung

Thời gian

thực hiện

Báo cáo tiến độ
Lần 1

01/08/2021

Lần 2

14/10/2021

Ghi chú
(Tóm tắt kết quả, kết luận
chính, người chủ trì…)
Đã thực hiện tốt nhiệm
vụ đã đề ra
Đã thực hiện tốt nhiệm
vụ đã đề ra

Báo cáo giám định
Lần 1
….
Nghiệm thu cơ sở
……

Chủ nhiệm đề tài
(Họ tên, chữ ký)

ThS. Nguyễn Thị Cẩm Duyên

Thủ trưởng tổ chức chủ trì
(Họ tên, chữ ký và đóng dấu)


MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. vii
ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN ..................................................................................... 2
1.1. Tình hình ơ nhiễm chất màu hữu cơ và các phương pháp xử lý .....................2
1.1.1. Hiện trạng ơ nhiễm chất màu hữu cơ và tính cấp thiết của đề tài .............2
1.1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ ....................................5
1.2. Giới thiệu về vật liệu khung cơ kim và vật liệu carbon...................................8
1.2.1. Vật liệu khung cơ kim (MOFs) .................................................................8
1.2.2. Vật liệu carbon từ khung cơ kim .............................................................10
1.2.3. Ứng dụng của vật liệu carbon trên cơ sở khung cơ kim trong xử lý ô nhiễm
chất màu hữu cơ .................................................................................................12
CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM ............................................................................. 13
2.1. Nội dung nghiên cứu......................................................................................13
2.1.1. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm................................................................13
2.1.2. Quy trình tổng hợp vật liệu ZIF-8 và vật liệu carbon trên cơ sở ZIF-8 ..15
2.1.3. Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý phẩm màu hữu cơ
bằng vật liệu carbon trên cơ sở ZIF-8................................................................16
2.1.4. Các cơng thức tính ...................................................................................17
2.2. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................17
2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu ..................................................................17
2.2.2. Phương pháp đánh giá tính chất vật lý của vật liệu .................................17
2.2.3. Phương pháp xác định các hằng số động học, đẳng nhiệt hấp phụ và nhiệt
động học.............................................................................................................18

2.2.4. Phương pháp phân tích sai số ..................................................................19
i


2.3. Địa điểm nghiên cứu ......................................................................................20
2.4. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................21
2.4.1. Mục tiêu tổng quát của đề tài...................................................................21
2.4.2. Mục tiêu cụ thể của đề tài ........................................................................21
2.5. Tính mới, tính độc đáo và tính sáng tạo ........................................................21
CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 23
3.1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu.............................................................................23
3.1.1. Giản đồ XRD ...........................................................................................23
3.1.2. Phổ FT–IR ...............................................................................................24
3.1.3. Hình thái vật liệu qua phân tích SEM-TEM............................................25
3.1.4. Phổ XPS ...................................................................................................26
3.1.5. Phân tích đường cong hấp phụ và giải hấp phụ nitrogen ........................27
3.1.6. Phân tích định lượng các nhóm chức bằng chuẩn độ Boehm .................28
3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến sự hấp phụ ....................................................29
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu..........................................................29
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ
............................................................................................................................31
3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ
............................................................................................................................32
3.3. Các mơ hình hấp phụ .....................................................................................33
3.3.1. Mơ hình động học hấp phụ ......................................................................33
3.3.2. Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ ....................................................................35
3.4. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng ..................................................................37
3.5. Cơ chế hấp phụ được đề nghị ........................................................................38
3.6. Nghiên cứu so sánh ........................................................................................40
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 45

4.1. Kết luận ..........................................................................................................45
ii


4.2. Kiến nghị........................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 46
PHỤ LỤC 4: SẢN PHẨM ĐỀ TÀI ....................................................................... 59
PHỤ LỤC 5: HỢP ĐỒNG VÀ THUYẾT MINH ĐỀ CƯƠNG ........................... 59

iii


DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu

Chữ viết tắt đầy đủ/tiếng Anh

Ý nghĩa tương ứng (nếu có)

TGA

Thermal gravimetric analysis

phân tích nhiệt trọng lượng

FT- IR

Fourier transformation infrared

Phổ Hấp thụ Hồng Ngoại

AAS

Atomic Absorption

Phổ hấp thụ nguyên tử

Spectrophotometric
SEM

Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission electron microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

XRD

X-ray diffraction

Phổ nhiễu xạ tia X

WWTPs

Wastewater treatment plants

Nhà máy xử lý nước thải

PPCPs

Pharmaceuticals

and

Personal- Dược phẩm và sản phẩm chăm

Care Products

sóc cá nhân

MPC

Magnetic mesoporous carbon

Carbon xốp

SBUs

Secondary building units

Đơn vị cấu trúc thứ cấp

iv


DANH MỤC HÌNH

Hình

Nội dung

Hình 1.1.

Cấu trúc của một số chất màu hữu cơ phổ biến

2

Hình 1.2.

Quy mơ thị trường tiêu thụ phẩm màu nhuộm trên thế giới giai

3

Trang

đoạn 2018 – 2024 (dự báo). Nguồn: Markets and Markets
Analysis 2018
Hình 1.3.

Sơ đồ minh họa nguồn ô nhiễm chất màu độc hại và khả năng

4

tích tụ của các chất này qua chuỗi thức ăn
Hình 1.4.

Hướng tổng hợp vật liệu carbon và định hướng ứng dụng

5

Hình 1.5.

Ứng dụng rộng rãi của vật liệu MOFs trong nhiều lĩnh vực

9

khác nhau
Hình 1.6.

Cấu trúc của một số loại vật liệu học MILs

10

Hình 1.7.

Sơ đồ chế tạo vật liệu carbon từ vật liệu tổng hợp MOFs thông

11

qua quá trình nhiệt phân
Hình 1.8.

Cơ chế đề nghị của quá trình hấp phụ bằng vật liệu carbon từ

12

ZIF-8.

Hình 2.1.

Sơ đồ minh họa quy trình tổng hợp vật liệu carbon trên cơ sở

16

ZIF-8
Hình 3.1.

Giản đồ XRD của vật liệu ZIF-8 và ZPC800

23

Hình 3.2.

Phổ hồng ngoại của ZIF-8 và ZPC800

24

Hình 3.3.

Ảnh SEM (a, b) của vật liệu ZIF-8, ảnh SEM (c) và ảnh TEM

25

(d) của ZPC800

v

Hình 3.4.

Phổ XPS của vật liệu ZIF-8: khảo sát (a), C 1s (c), N 1s (c) và

27

Zn 2p (d)
Hình 3.5.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 của ZIF–8

27

và ZPC800
Hình 3.6.

Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu đến khả năng hấp phụ các

30

chất màu hữu cơ của các vật liệu hấp phụ.
Hình 3.7.

Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ chất

31

màu hữu cơ bằng vật liệu ZPC800
Hình 3.8.

Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến khả năng hấp phụ chất

33

màu hữu cơ bằng vật liệu ZPC800
Hình 3.9.

Thí nghiệm khả năng tái sử dụng của vật liệu ZPC800 để hấp

38

phụ màu malachite green
Hình

Cơ chế đề nghị quá trình hấp phụ các chất màu hữu cơ bao

3.10.

gồm crystal violet, methyl orange, Congo red, malachite green
bằng vật liệu ZPC800

vi

39


DANH MỤC BẢNG
Bảng

Nội dung

Trang

Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng trong nghiên cứu này

13

Bảng 2.2. Danh mục dụng cụ thí nghiệm

14

Bảng 2.3. Danh mục các thiết bị thí nghiệm

14

Bảng 3.1. Định lượng các nhóm chức của vật liệu ZIF-8 và ZPC800

29

Bảng 3.2. Các hằng số động học hấp phụ

34

Bảng 3.3. Các hằng số đẳng nhiệt hấp phụ

36

Bảng 3.4. So sánh khả năng hấp phụ các chất màu hữu cơ bao gồm

40

crystal violet, methyl orange, Congo red, malachite green
bằng các vật liệu khác nhau

vii


ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo các báo cáo gần đây, mỗi năm có hàng triệu tấn phẩm nhuộm được tiêu
thụ trên tồn thế giới. Có thể thấy rằng thị trường tiêu thụ các phẩm màu rất đa dạng
và tiềm năng. Tuy nhiên, trên thực tế, nước thải chứa phẩm nhuộm ảnh hưởng rất
lớn đến sức khỏe của con người cũng như các sinh vật sống. Các phẩm nhuộm màu
được xem như là tác nhân gây ra nhiều vấn đề liên quan đến q trình tiêu hóa, các
bệnh về da, nhưng nghiêm trọng hơn, chúng tiềm tàng khả năng gây ung thư.
Có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các thành phần ô nhiễm như trao
đổi ion, thẩm thấu ngược và lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ. Trong đó hấp phụ là
một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác, bởi
vì các vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không
đắt tiền, thân thiện với môi trường. Một số vật liệu hấp phụ thường dùng là than hoạt
tính, đất sét, carbon, magie, zeolite…. Tuy nhiên, các vật liệu đơn lẻ có những ưu
nhược điểm khác về tính chọn lọc, năng suất, độ bền, giá thành cũng như khả năng
hấp phụ của những vật liệu này còn tương đối thấp, cần được cải thiện hơn.
Trong lĩnh vực hấp phụ và xử lý, đặc biệt là chất ô nhiễm màu hữu cơ, vật liệu
MOFs biến tính nhóm chức được sử dụng rộng rãi và cho nhiều kết quả tích cực.
Bên cạnh đó, vật liệu carbon có thể tổng hợp trực tiếp thơng qua q trình nung vật
liệu khung cơ kim có hiệu quả hấp phụ chất ơ nhiễm cao. Tuy nhiên, chưa có nhiều
cơng trình tập trung mở rộng hướng ứng dụng của loại vật liệu carbon trên cơ sở vật
liệu ZIF-8 sang lĩnh vực xử lý môi trường và nghiên cứu khả năng loại bỏ loại bỏ
phẩm màu. Mặt khác, việc đưa vật liệu hấp phụ vào trong các loại hình xử lý nước
thải từ các nhà máy dệt nhuộm sẽ là cách tiếp cận mới và là cơ sở cho việc đa dạng

hóa các phương pháp và vật liệu xử lý nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam. Vì vậy,
thành cơng của đề tài “Nghiên cứu chế tạo, phân tích cấu trúc và ứng dụng vật
liệu carbon trên cơ sở ZIF-8 trong xử lý nước ô nhiễm phẩm màu hữu cơ” cũng
góp phần cải thiện mơi trường, tăng sức khỏe cho cộng đồng dân cư ở những khu
vực bị ô nhiễm.
1


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình ơ nhiễm chất màu hữu cơ và các phương pháp xử lý
1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm chất màu hữu cơ và tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các ngành công nghiệp dệt nhuộm, in ấn, thuộc da, …thường thải
ra nhiều loại chất màu ô nhiễm rất khó xử lý. Trong số này, các phẩm màu tổng hợp
phổ biến hơn cả là methylene blue, Congo red, crystal violet, methyl red, methyl
orange. Hình 1.1 thể hiện cấu trúc của một số chất màu hữu cơ tổng hợp thơng dụng.

Hình 1.1. Cấu trúc của một số chất màu hữu cơ phổ biến: rhodamine B (RB, a);
methyl orange (MO, b); methylene blue (MB, c); crystal violet (CV, d); Congo red
(CR, e); và methyl red (MR, f).
Theo các báo cáo gần đây, mỗi năm có hàng triệu tấn phẩm nhuộm được tiêu
thụ trên tồn thế giới [1]. Có thể thấy rằng thị trường tiêu thụ các phẩm màu rất đa
dạng và tiềm năng (Hình 1.2). Tuy nhiên, trên thực tế, nước chải chứa phẩm nhuộm
ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người cũng như các sinh vật sống. Các phẩm
nhuộm màu được xem như là tác nhân gây ra nhiều vấn đề liên quan đến quá trình
tiêu hóa, các bệnh về da, nhưng nghiêm trọng hơn, chúng tiềm tàng khả năng gây
2


ung thư [2]. Đối với các hệ sinh vật dưới nước, các chất màu là nguyên nhân chính

gây cản trở ánh sáng đi vào các tầng nước sâu; qua đó, khả năng quang tổng hợp của
chúng bị giới hạn. Điều này cũng ảnh hưởng tới khả năng phân hủy chất độc hại của
nhóm vi sinh vật có lợi; hệ quả là chất lượng mơi trường nước khó được cải thiện
(Hình 1.3).

Hình 1.2. Quy mơ thị trường tiêu thụ phẩm màu nhuộm trên thế giới giai đoạn
2018 – 2024 (dự báo). Nguồn: Markets and Markets Analysis 2018.
Nếu khơng có các biện pháp xử lý triệt để, vấn đề ô nhiễm phẩm màu hữu cơ
trong nước sẽ trở nên trầm trọng hơn và cộng đồng dân cư lân cận có thể phải đối
mặt với thảm hoạ về mơi trường sinh thái. Vì vậy, việc xử lý ô nhiễm phẩm màu hữu
cơ trong nước ln được ưu tiên hàng đầu. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để
loại bỏ các thành phần ô nhiễm như trao đổi ion, thẩm thấu ngược và lọc nano, kết
tủa hoặc hấp phụ [3]. Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều
ưu điểm so với các phương pháp khác, bởi vì các vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ
tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường (Hình
1.3). Phương pháp hấp phụ cũng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên
cứu trong những năm gần đây. Việc tìm kiếm và nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ
với tính năng ưu việt và khả năng xử lí các thành phần ơ nhiễm đạt hiệu quả cao là
điều vô cùng quan trọng và cần thiết trong giai đoạn hiện nay.

3


Hình 1.3. Sơ đồ minh họa nguồn ơ nhiễm chất màu độc hại và khả năng tích tụ của
các chất này qua chuỗi thức ăn [4].
Phương pháp hấp phụ được dùng để khử màu nước thải chứa thuốc nhuộm hòa
tan và thuốc nhuộm hoạt tính. Cơ chế của q trình này là hấp phụ chất tan lên bề
chất rắn (chất hấp phụ). Do đó, các chất hấp phụ sử dụng thường có bề mặt riêng lớn
(≥100 m2/g) và có khả năng tương tác vật lý hoặc tương tác hóa học với chất gây ô
nhiễm. Một số vật liệu hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, đất sét, carbon, magie,

zeolite…. Tuy nhiên, các vật liệu đơn lẻ có những ưu nhược điểm khác về tính chọn
lọc, năng suất, độ bền, giá thành cũng như khả năng hấp phụ của những vật liệu này
còn tương đối thấp, cần được cải thiện hơn [5].
Để tăng khả năng hấp phụ và xử lý, vật liệu composite kích thước nano mang
những đặc điểm ưu việt đã được chú ý đến. Với kích thước rất nhỏ, cỡ nanomet, vật
liệu composite kích thước nano có những tính chất vơ cùng độc đáo mà những vật
liệu khác khơng có như độ bền cơ học cao, hoạt tính xúc tác mạnh, khả năng hấp
phụ vượt trội, tính chọn lọc cao… Chính những tính chất này đã mở ra cho vật liệu
nano những ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và
đời sống, đặc biệt là khả năng ứng dụng trong công nghệ xử lý mơi trường tại nhiều
nơi trên thế giới (Hình 1.4).

4


Hình 1.4. Hướng tổng hợp vật liệu carbon và định hướng ứng dụng [6].
Vì vậy, việc đưa vật liệu hấp phụ vào trong các loại hình xử lý nước thải từ các
nhà máy dệt nhuộm sẽ là cách tiếp cận mới và là cơ sở cho việc đa dạng hóa các
phương pháp và vật liệu xử lý nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam. Hơn nữa, thành
công của đề tài “Nghiên cứu chế tạo, phân tích cấu trúc và ứng dụng vật liệu
carbon trên cơ sở ZIF-8 trong xử lý nước ơ nhiễm phẩm màu hữu cơ” cũng góp
phần cải thiện môi trường, tăng sức khỏe cho cộng đồng dân cư ở những khu vực bị
ô nhiễm.
1.1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ
Một số nhà máy hiện nay ở Việt nam áp dụng công nghệ oxy nâng cao cho
các quy trình xử lý chất màu. Các quá trình bao gồm:
(1)

Xử lý sơ bộ: Nước thải từ các phân xưởng sản xuất tá dược, nước từ hồ
nuôi tôm cá… được thu gom về hồ thu nước thải, tại đây dung dịch H2O2

và FeSO4 (hệ chất Fenton) được châm vào nước thải để phá vòng các hợp
chất hoạt động bề mặt trước khi đưa về bể điều hòa. Mặt khác, giá trị pH
cũng sẽ được điều chỉnh đến thơng số tối ưu để q trình xử lý sinh học
hoạt động tốt.

5


(2)

Xử lý sinh học kị khí: Từ bể điều hịa nước thải được bơm vào bể UASB,
nước thải theo đường ống phân phối đi từ dưới lên, các hợp chất hữu cơ sẽ
được phân hủy thông qua lớp bùn vi sinh kỵ khí.

(3)

Xử lý sinh học hiếu khí: Sau khi qua bể UASB, nước thải được dẫn vào bể
Aerotank, tại đây máy thổi khí được dùng để cung cấp oxy cho các vi sinh
vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Lượng vi sinh
vật hiếu khí sẽ được bổ sung bằng đường tuần hồn bùn hoạt tính từ bể
lắng.

(4)

Q trình lắng lọc: Nước thải sau khi được xử lý hiếu khí sẽ được dẫn vào
bể lắng, tại đây bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy dưới tác dụng của trọng
lực, một phần bùn được tuần hồn lại bể Aerotank, phần cịn lại sẽ được
bơm vào bể chứa bùn. Nước sau lắng sẽ chảy tràn qua ngăn chứa nước và
được bơm vào bể lọc cát áp lực để loại bỏ tất cả các chất chắn lơ lửng.

(5)

Quá trình khử trùng: Nước thải sau xử lý sẽ được khử trùng bằng Clo trước
khi đưa ra nguồn tiếp nhận.

Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của công nghệ xử lý chất màu bằng phản ứng
oxy hóa nâng cao (Fenton) là:
(1)

Chi phí tốn kém vì trải qua nhiều giai đoạn với các thiết bị máy móc cồng
kềnh và đắt tiền, chi phí đầu tư ban đầu cao.

(2)

Phương pháp sử dụng tác nhân oxy hóa độc hại và đắt tiền (H2O2), sinh ra
lượng lớn ion kim loại nặng tồn dư trong nước (FeSO4) và khơng có khả
năng tái sử dụng các chất xúc tác. Trong khi đó, hiệu quả xử lý chưa triệt
để và cần nhiều giai đoạn xử lý khác.

(3)

Q trình xử lý chất thải bã khơng dễ dàng và có thể gián tiếp gây ơ nhiễm
mơi trường

Để giải quyết các nhược điểm trên, các nhà khoa học đã phát triển nhiều giải
pháp khác nhau, trong đó phương pháp hấp phụ được xem như là một trong những
phương pháp hiệu quả cao bởi vì phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng trong điều

6

kiện ở Việt Nam, chất hấp phụ có chi phí tương đối thấp và hiệu quả cao trong xử lý
phẩm màu.
Năm 2016, nhóm nghiên cứu của tác giả Vũ Thị Bích Ngọc báo cáo xử lý màu
nước thải dệt nhuộm thực tế bằng phương pháp oxy hóa nâng cao [7]. Gần đây, tác
giả Nguyễn Văn Thư đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite
MnO2/diatomite ứng dụng cho xử lý nước thải dệt nhuộm sợi bông pha sen [8]. Kết
quả nghiên cứu vật liệu có cấu trúc xơ sen và có khả năng loại bỏ hầu hết chất màu.
Gần đây, tác giả Nguyễn Thị Hoa và đồng sự đã tổng hợp thành cơng vật liệu carbon
mao quản trung bình trật tự (OMC) bằng phương pháp cứng với SBA-15 là chất tạo
cấu trúc và đường saccarozơ là nguồn carbon [9]. Vật liệu OMC thể hiện khả năng
hấp phụ xanh metylen cao với dung lượng hấp phụ (Qm) bằng 385 mg/g. Tác giả
Trần Đình Trinh và Nguyễn Thị Hồi Phương đã tổng hợp vật liệu biochar từ tính
và ứng dụng để xử lý xanh methylen trong nước. Nhóm tác giả này đã xác định các
điều kiện thích hợp cho q trình hấp phụ xanh methylen đạt hiệu suất trên 98,82%
như sau: 80 mg/L vật liệu biochar từ tính, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 3 giờ tại
nhiệt độ phòng, trong dung dịch có pH 7 [10]. Mới đây nhất, tác giả Đào Minh Trung
đã nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính K2CO3 từ vỏ Mắc-ca và biến tính bằng tác
nhân hóa học HNO3 để xử lý màu xanh metylen trong nước thải dệt nhuộm. Kết quả
khảo sát khả năng hấp phụ màu xanh metylen ở các điều kiện tối ưu cho thấy tại pH
9,5 với lượng than thích hợp là 1g/L trong 120 phút có thể xử lý đạt hiệu suất 79.36%
đối với nước thải xanh metylen có nồng độ 70 mg/L [11].
Tuy nhiên các nghiên cứu về khả năng loại bỏ phẩm màu bằng các vật liệu hấp
phụ khác trong điều kiện ở Việt Nam hiện còn hạn chế và chưa tập trung khai thác
khả năng xử lý phẩm màu thông dụng trong nước thải dệt nhuộm, in ấn. Do vậy đề
tài này có mục tiêu mở ra hướng tiếp cận mới trong vấn đề xử lý chất màu sử dụng
công nghệ hấp phụ bằng vật liệu carbon.

7