tổng hợp một bước than hoạt tính từ tính từ nhánh thanh long ứng dụng cho hoạt hóa persulfate phân hủy methyl orange

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.88 MB, 70 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Dũng Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Quốc Thiết

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Võ Thị Thu Như

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM ngày 20 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch: PGS.TS. Nguyễn Quang Long

2. Thư ký: PGS.TS. Trần Thuỵ Tuyết Mai 3. Phản biện 1: TS. Nguyễn Quốc Thiết 4. Phản biện 2: TS. Võ Thị Thu Như 5. Uỷ viên: PGS.TS. Nguyễn Văn Dũng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

PGS.TS. Nguyễn Quang Long PGS.TS. Nguyễn Quang Long

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Thanh Phong MSHV: 2170749 Ngày, tháng, năm sinh: 30/04/1999 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-Tổng quan về phụ phẩm nhánh thanh long, than hoạt tính từ tính, và hoạt tính xúc

tác của vật liệu trên nền tảng sắt trong phân huỷ các chất ô nhiễm hữu cơ

-Tổng hợp than hoạt tính từ tính từ phụ phẩm nhánh thanh long bằng phương pháp nhiệt phân một giai đoạn

-Xác định các tính chất của than hoạt tính từ tính thu được từ nhánh thanh long -Đánh giá hoạt tính xúc tác của than hoạt tính từ tính trong xử lý methyl orange bằng persulfate

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09/2023

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2023

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Văn Dũng

TP.HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2024

TRƯỞNG PTN LIÊN NGÀNH PGS.TS. Nguyễn Quang Long

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Thấm thoát đã trôi qua hai năm học Cao học, một khoảng thời gian không phải quá dài nhưng chứa chan thật nhiều kỉ niệm vui cùng quý thầy cô và các anh chị, các bạn tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. Em vẫn còn nhớ như in vào những ngày cuối tháng 8, năm 2021 khi phải đắn đo lựa chọn giữa con đường học vấn hay ưu tiên phát triển cơng việc, khoản thời gian ấy thật khó khăn để đưa ra một quyết định có thể là ngã rẽ quyết định cả tương lai của bản thân và cuối cùng bằng đam mê và khát khao nghiên cứu của mình cùng với sự tư vấn của gia đình, em quyết tâm theo đuổi con đường học vấn.

Trong khoảng thời gian thực hiện luận văn, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Dũng – giảng viên hướng dẫn em hoàn thành luận văn, thầy đã hết lịng bảo ban, góp ý và khích lệ em nhiều mặt để có thể hồn thành luận văn được tốt nhất có thể. Em cũng xin cám ơn thầy Nguyễn Quang Long đã tạo điều kiện cho em làm thí nghiệm tại phịng thí nghiệm xúc tác và cơ Trần Thuỵ Tuyết Mai đã giúp em có thể sử dụng máy UV-Vis. Bên cạnh đó, em cũng gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Minh Hùng, người đã giúp em hiểu hơn về các quy trình làm việc trong phịng thí nghiệm và các kinh nghiệm cần thiết để thực hiện các thí nghiệm được hiệu quả.

Em xin cám ơn gia đình, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em được an tâm bước tiếp con đường học vấn.

Do kinh nghiệm của bản thân em còn hạn chế, vì vậy luận văn vẫn có thể mắc một số sai sót khó tránh khỏi, kính mong nhận được sự góp ý chun mơn từ các thầy cơ để luận văn của em được hoàn thiện hơn.

Một lần nữa em xin cám ơn tất cả mọi người đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn thạc sĩ này!

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong nghiên cứu này, than hoạt tính từ tính (MAC) đã được tổng hợp thông qua phương pháp nhiệt phân một bước sử dụng nhánh thanh long như nguồn cacbon, tiền chất từ tính FeCl3 và tác nhân hoạt hố KOH. Các kết quả phân tích cho thấy các hạt nano Fe0 (28,5 wt%) đã được hình thành trên nền than hoạt tính. Nhờ vào q trình hoạt hóa, diện tích bề mặt riêng và tổng thể tích lỗ xốp của MAC lần lượt đạt 143 m2/g và 0,15 cm3/g. Bên cạnh đó, MAC có giá trị từ hóa bão hịa đạt 54,2 emu/g, giúp thu hồi dễ dàng bằng từ trường. Tiếp sau đó, hoạt tính xúc tác của MAC được đánh giá thơng qua q trình mất màu methyl orange (MO) bằng persulfate (PS). Ở pH đầu 3,0, 0,200 mM MO, 10,00 mM PS, 0,50 g/L xúc tác MAC cho hiệu quả mất màu MO đến 89,7 ± 0,4% sau 180 phút oxy hoá. Ở các pH khác nhau từ 2,0 đến 11,0, hiệu quả xử lý thay đổi trong khoảng 97,4 ± 1,5 – 15,7 ± 1,9%. MAC cũng cho thấy khả năng tái sử dụng với hiệu quả mất màu MO sau 5 thí nghiệm liên tiếp cịn duy trì ở 54,6 ± 17,8%. Ngồi ra, q trình xử lý MO bằng PS phù hợp động học bậc nhất

với hằng số tốc độ k = 0,016 phút-1 và năng lượng hoạt hóa (EA) là 41,6 ± 3,2 kJ.mol1. Như vậy, các kết quả nghiên cứu trên đã cho thấy than hoạt tính từ tính từ nhánh thanh long có hiệu quả tốt trong xử lý methyl orange bằng persulfate.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

-ABSTRACT

In this study, magnetic activated carbon (MAC) was prepared through a step pyrolysis using dragon fruit branches as the carbon source, FeCl3 as the magnetic precursor, and KOH as the activating agent. Analytical results showed that Fe0

one-nanoparticles (28.5 wt%) were formed on the activated carbon support. Due to the activation process, the specific surface area and the total pore volume of MAC reached 143 m2/g and 0.15 cm3/g, respectively. Additionally, MAC exhibited a high saturation magnetization of 54.2 emu/g, facilitating easy recovery by magnetic field. Subsequently, the catalytic activity of MAC was investigated through the decolorization of methyl orange (MO) using persulfate (PS). At the initial pH of 3.0, 0.200 mM MO, 10.00 mM PS, and 0.50 g/L of MAC catalyst, after 180 minutes of oxidation, the MO decolorization efficiency reached 89.7 ± 0.4%. At various pH values from 2.0 to 11.0, MAC showed decolorization efficiency ranging from 97.4 ± 1.5 to 15.7 ± 1.9%. The material also demonstrated the ability to be reused, maintaining MO decolorization efficiency after 5 consecutive experiments at 54.6 ± 17.8%. Moreover, the MO treatment process via PS was consistent with first-order

kinetics, with a rate constant of k = 0.016 min-1. The activation energy (EA) of the process was 41.6 ± 3.2 kJ.mol-1. From these research results, the dragon fruit branch-derived MAC demonstrated high potential for treating MO by PS.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Tổng hợp một bước than hoạt tính từ tính từ nhánh

thanh long ứng dụng cho hoạt hóa persulfate phân hủy methyl orange” được tiến

hành công khai, minh bạch dựa trên sự cố gắng của bản thân và sự hỗ trơ nhiệt tình từ nhóm nghiên cứu và sự khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Dũng.

Các số liệu và kết quả của nghiên cứu trong đề tài hoàn toàn là số liệu ghi nhận từ thực tế, trung thực và không sao chép. Các lập luận cho việc xây dựng cơ sở lý luận đều được trích dẫn đầy đủ. Nếu phát hiện sao chép kết quả của đề tài khác, của tác giả khác tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.

TP.HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2024

Trần Thanh Phong

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Tác nhân hoạt hóa ... 8

Ứng dụng của một số vật liệu tâm sắt ... 9

1.3 Ứng dụng vật liệu chứa sắt trong xúc tác oxy hóa với persulfate ... 10

Persulfate trong xử lý ô nhiễm môi trường ... 10

Hoạt hóa PS bằng các vật liệu trên nền tảng của Fe ... 12

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

2.2 Tổng hợp một giai đoạn MAC ... 16

2.3 Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu ... 17

Nhiễu xạ tia X ... 17

Hấp phụ và giải hấp N2 ... 17

Kính hiển vi điện tử quét ... 17

Phổ tán xạ năng lượng tia X ... 17

Kính hiển vi điện tử truyền qua ... 17

Từ kế mẫu rung ... 17

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ... 18

Quang phổ phát xạ plasma ghép cảm ứng ... 18

2.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác phân hủy MO ... 18

Thiết lập đường chuẩn mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ MO ... 18

Khảo sát tỉ lệ tẩm FeCl3 ... 20

Khảo sát ảnh hưởng của pH đầu ... 20

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác ... 20

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ persulfate ... 20

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ... 21

Khả năng thu hồi và tái sử dụng ... 21

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ... 22

3.1 Đặc trưng vật liệu MAC ... 22

Nhiễu xạ tia X của vật liệu MAC ... 22

Kết quả hấp phụ giải hấp của MAC ... 23

Ảnh SEM của MAC ... 25

Kết quả EDX ... 26

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Ảnh TEM của MAC ... 27

Từ kế mẫu rung của MAC ... 28

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ... 29

3.2 Hoạt tính xúc tác oxy hóa của MAC trong xử lý MO ... 30

Đường chuẩn mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ MO ... 30

Ảnh hưởng của tỉ lệ tẩm FeCl3 đến khả năng oxy hoá MO với xúc tác MAC 31 Ảnh hưởng của pH đầu đến khả năng oxy hóa MO với xúc tác MAC ... 32

Ảnh hưởng của nồng độ MAC đến quá trình oxy hóa MO ... 34

Ảnh hưởng của PS đến hoạt tính oxi hóa MO với xúc tác MAC ... 35

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính oxi hóa MO của các mẫu MAC ... 37

Khả năng thu hồi và tái sử dụng ... 41

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 43

4.1 Kết luận ... 43

4.2 Kiến nghị ... 43

DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ... 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 45

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ... 56

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phân loại các nguồn sinh khối ... 3

Hình 1.2 Cây thanh long ... 4

Hình 1.3 Nhánh thanh long ... 5

Hình 1.4 Than sinh học từ tính và than hoạt tính từ tính được thu hồi dựa vào khả năng từ tính ... 6

Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp MAC bằng phương pháp tiên tiến một giai đoạn ... 7

Hình 1.6 Ứng dụng của vật liệu tâm sắt trong hấp phụ một số chất kháng sinh ... 9

Hình 1.7 Cơ chế xúc tác của sắt khi có tác nhân oxy hố H2O2 ... 10

Hình 1.8 Sắt và oxit sắt thực hiện quá trình hoạt hố persulfate ... 12

Hình 1.9 Cơng thức cấu tạo của methyl orange ... 14

Hình 2.1 Nhánh thanh long sau khi nghiền………15

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ FeCl3 đến cấu trúc tinh thể của các mẫu MAC ... 22

Hình 3.2 Kết quả hấp phụ và giải hấp N2 của mẫu AC và các mẫu MAC ... 23

Hình 3.3 Phân bố kích thước mao quản của mẫu MAC-0,3 theo thể tích lỗ xốp ... 24

Hình 3.5 Sự phân bố các nguyên tố trên MAC-0,3 ... 26

Hình 3.6 Ảnh TEM của mẫu MAC-0,3 ... 27

Hình 3.7 MAC được thu hồi trong mơi trường lỏng ... 28

Hình 3.8 Đường cong từ hố của các mẫu MAC ... 28

Hình 3.9 Phổ FTIR của mẫu MAC-0,3 ... 30

Hình 3.10 Đường chuẩn độ hấp thu và nồng độ MO ... 30

Hình 3.11 Ảnh hưởng của các loại xúc tác khác nhau đến sự mất màu MO bằng PS ... 31

Hình 3.12 Hoạt tính xúc tác MAC-0,3 trong mất màu MO bằng PS ở các pH đầu khác nhau (0,200 mM MO, 10,0 mM PS, pH 3,0, 0,500 g/L MAC, 30 oC) ... 33

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nồng độ MAC-0,3 đến khả năng phân huỷ MO bằng PS ... 34

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 3.14 Hoạt tính xúc tác MAC-0,3 trong mất màu MO ở các nồng độ PS khác

nhau (0,200 mM MO, 10,0 mM PS, pH 3,0, 0,500 g/L MAC-0,3, 30 oC) ... 36

Hình 3.15 Hoạt tính xúc tác MAC-0,3 trong mất màu MO ở các nhiệt độ khác nhau ... 37

Hình 3.16 Động học quá trình phân huỷ MO bằng PS trên xúc tác MAC ... 39

Hình 3.17 Dạng tuyến tính của phương trình Arrhenius ... 40

Hình 3.18 Khả năng tái sử dụng của vật liệu MAC ... 41

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Ứng dụng của vật liệu tâm sắt ... 9

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong luận văn ... 15

Bảng 2.2 Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng khả năng mất màu MO của MAC ... 19

Bảng 3.1 Tính chất xốp của các mẫu BC, AC và MAC-x ... 24

Bảng 3.2 Hàm lượng các nguyên tố trên MAC-0,3 theo EDX ... 27

Bảng 3.3 Hàm lượng Fe và giá trị từ hố bão hồ của các mẫu MAC ... 29

Bảng 3.4 Kết quả xử lý MO của từng loại xúc tác ... 32

Bảng 3.5 Kết quả mất màu MO của MAC-0,3 sau 180 phút ở pH khác nhau ... 34

Bảng 3.6 Kết quả mất màu MO của MAC-0,3 sau 180 phút ở nồng độ xúc tác khác nhau ... 35

Bảng 3.7 Kết quả mất màu MO của MAC-0,3 sau 180 phút ở nồng độ PS khác nhau ... 37

Bảng 3.8 Kết quả mất màu MO bằng PS trên xúc tác MAC-0,3 sau 180 phút ở nhiệt độ khác nhau ... 38

Bảng 3.9 Sự phụ thuộc của hằng số tốc độ k theo nhiệt độ ... 39

Bảng 3.10 Kết quả phân huỷ MO sau 5 lần tái sử dụng của MAC-0,3 sau 180 phút ở pH 3,0, 30 oC, 0,50 g/L xúc tác ... 41

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Activated carbon AC Than hoạt tính

Advanced oxidation processes AOPs Các quá trình oxy hố nâng cao Bruauer-Emmett-Teller BET

Energy dispersive X-ray EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X Fourier-transform infrared spectroscopy FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Magnetic activated carbon MAC Than hoạt tính từ tính Scanning electron microscopy SEM Kính hiển vi điện tử quét Transmission electron microscopy TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua Vibrating sample magnetometer VSM Từ kế mẫu rung

X-ray diffraction XRD Nhiễu xạ tia X

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

MỞ ĐẦU

Hiện nay, thanh long là một loại cây ăn quả được trồng phổ biến ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt như Mexico, Trung Mỹ, các nước Đông Nam Á [1]. Ở Việt Nam, diện tích trồng thanh long tập trung nhiều ở miền Nam, khu vực Bình Thuận, Long An, Tiền Giang. Để nâng cao sản lượng và hạn chế sâu bệnh, nhánh thanh long được cắt bỏ hàng năm [2]. Quá trình này thải ra một nguồn phụ phẩm khơng có giá trì. Thêm vào đó, nhánh thanh long khơng được xử lý đúng cách có thể gây ơ nhiễm mơi trường. Một số nghiên cứu đã tạo ra các sản phẩm có giá trị từ các bộ phận khác của thanh long như chiết xuất pectin từ vỏ thanh long [3], vật liệu lọc nước từ lá thanh long [4]. Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng nhánh thanh long. Vì vậy, nhánh thanh long được chọn làm nguyên liệu trong nghiên cứu này.

Than sinh học từ tính (MBC) là vật liệu đa chức năng, được tổng hợp bằng cách phân tán các hạt từ tính lên nền cacbon bằng phương pháp nhiệt phân. MBC được tổng hợp từ nguồn sinh khối chi phí thấp, số lượng nhiều, thân thiện mơi trường và có thể thu hồi bằng từ tính. Tuy nhiên, MBC có nhược điểm là diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp chưa lớn. Vì vậy, việc hoạt hố MBC thành MAC nhầm tăng diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp góp phần tăng hoạt tính vật liệu. Trên thực tế, một số nhóm nghiên cứu dùng ZnCl2 làm tác nhân hoạt hoá vật liệu nền cacbon với mục đích tăng diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của vật liệu [5]. Tuy nhiên sau khi hoạt hố, Zn được ghi nhận cịn ở lại trên nền cacbon, điều này có thể làm giảm hoạt tính của Fe0 hoặc vai trị của Fe0 khơng được đánh giá đúng vì Zn cũng có khả năng tham gia kích hoạt phản ứng, vì vậy KOH là một lựa chọn hợp lý hơn so với ZnCl2. Thông thường, MAC được tạo ra theo phương pháp nhiệt phân hai giai đoạn và một giai đoạn. Theo xu hướng hiện nay, nhiệt phân một giai đoạn đang là phương pháp được sử dụng phổ biến hơn vì tiết kiệm thời gian tổng hợp, năng lượng sử dụng và có hiệu quả tổng hợp vật liệu tốt.

Ở thời điểm hiện tại, một số nghiên cứu về vật liệu tâm Fe đã cho thấy khả năng xử lý chất ô nhiễm mơi trường dựa vào khả năng hoạt hố của Fe cho tác nhân oxy hoá [6, 7]. Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu về MAC trong xử lý các hợp chất hữu cơ

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

gây ô nhiễm môi trường là chưa nhiều. Hơn nữa, trong nghiên cứu này MAC được sử dụng để hoạt hoá PS, đây là một tác nhân oxy hoá mạnh đang là xu hướng mới trong lựa chọn tác nhân oxy hoá nâng cao. Khi PS được hoạt hố thành SO4•-, nó có khả năng xử lý hiệu quả các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, PS gần như không thể thực hiện q trình oxy hố có hiệu quả khi khơng có tâm xúc tác hỗ trợ kích hoạt SO4•-

[8], vì vậy MAC đóng vai trị then chốt trong việc hoạt hố PS góp phần tăng hiệu quả xử lý mơi trường. Hơn nữa, PS có thể hoạt động ở dải pH rộng, khả năng bảo quản dễ hơn so với các tác nhân oxy hoá khác như H2O2 hoặc O3.

Methyl orange là một loại thuốc nhuộm azo tổng hợp, nó phổ biến trong các ngành công nghiệp như dệt, in ấn, sản xuất giấy [9], dược phẩm và thực phẩm [10], không chỉ nổi bật với màu sắc rực rỡ và khả năng bám dính tốt mà cịn đặt ra mối quan ngại về mơi trường và sức khỏe. Trong mơi trường, nó trở thành nguồn gây ô nhiễm nước, ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh và làm suy giảm chất lượng nguồn nước do khả năng phân hủy chậm của nó. Đối với con người, tiếp xúc trực tiếp hoặc qua nguồn nước ơ nhiễm có thể gây kích ứng da, mắt và đường hơ hấp, thậm chí có nguy cơ gây hại lâu dài [11]. Chính vì những tác động tiêu cực này đến môi trường và sức khoẻ con người, việc tạo ra vật liệu có khả năng thúc đẩy quá trình oxy hố methyl orange là vấn đề cấp thiết hiện nay.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Phụ phẩm nhánh thanh long Sinh khối

Sinh khối - biomass bao gồm những chất hữu cơ từ các loài thực vật đến chất thải của động vật và con người. Nhưng sinh khối không chỉ là tập hợp của những thứ "bỏ đi", nó chính là nguồn năng lượng xanh, một nguồn năng lượng sạch, tiềm năng và bền vững cho tương lai [12].

[13] Hình 1.1 Phân loại các nguồn sinh khối

Sinh khối đóng một vai trị đặc biệt quan trọng, được xem như một nguồn tài ngun tái tạo tồn cầu. Nó đang trở thành một sự thay thế ngày càng quan trọng cho nhiên liệu dầu mỏ và khí đốt, giúp giảm lượng khí CO2 thải ra mơi trường, một trong

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

những ngun nhân chính gây ơ nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính. Đồng thời, sinh khối cịn đóng góp vào việc giảm thiểu lượng rác thải từ nông nghiệp [14]. Hiện nay sinh khối được áp dụng để sản xuất than sinh học thông qua phương pháp nhiệt phân được áp dụng để cải thiện chất lượng môi trường [15].

Việt Nam được xem một quốc gia nông nghiệp, đa dạng về cây lương thực và cây ăn quả. Mặc dù nền kinh tế đang trải qua sự chuyển đổi từ nông nghiệp sang cơng nghiệp và dịch vụ, nhưng nơng nghiệp vẫn đóng một vai trị quan trọng. Do đó, tiềm năng của Việt Nam về nguồn sinh khối là vô cùng đa dạng và tiềm ẩn. Mỗi năm, hoạt động nông nghiệp tại Việt Nam tạo ra khoảng 97 triệu tấn nguyên liệu sinh khối từ rơm rạ, vỏ và nhánh cây ăn quả, vỏ trấu và một số loại phụ phẩm khác [16]. Vì vậy, việc sử dụng và sản xuất các vật liệu từ sinh khối đang thu hút sự quan tâm và nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Nhánh thanh long là một nguồn sinh khối mới và hứa hẹn sẽ đem lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong thời gian tới.

Phụ phẩm nhánh thanh long

[17] Hình 1.2 Cây thanh long

Thanh long (Hylocereus undatus), là một trong những loại cây được du nhập về

nước ta khoảng hơn 100 năm trước, chúng có nguồn gốc từ khu vực Trung và Bắc Mỹ [18]. Cây thanh long được trồng tại Việt Nam, đặc biệt ở các tỉnh Bình Thuận,

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Long An và Tiền Giang do có đặc tính ưa thích khí hậu nhiệt đới, nơi có nền nhiệt trung bình từ 21-29 oC và chịu được khoảng nhiệt độ 38-40 oC [17]. Bình Thuận là địa phương nổi tiếng trồng thanh long, mỗi năm cung cấp khoảng 500.000 tấn, chiếm một phần lớn trong tổng sản lượng quốc gia. Đến năm 2021, sản lượng thanh long của Việt Nam năm 2023 đạt gần 1,4 triệu tấn, và dự kiến sẽ tiếp tục tăng lên 1,7 triệu tấn vào năm 2025 [19].

Quá trình tỉa cành hàng năm là cách mà người trồng duy trì và mở rộng quy mơ trồng trọt nhờ vào cách chiết cành. Q trình này khơng chỉ tăng cường sản xuất quả thanh long mà còn tạo ra một lượng lớn nhánh cây dư thừa. Những nhánh này, trước đây có thể chỉ được xem là phế phẩm, vì vậy việc tận dụng nguồn nhánh thanh long khổng lồ này để làm vật liệu có ích cho mơi trường là rất cần thiết.

[20]

Hình 1.3 Nhánh thanh long

Một số nhóm nghiên cứu đã tận dụng nhánh thanh long để điều chế polysaccharides [21], tận dụng số lượng lớn nhánh thanh long để tạo biomass [22]. Có thể thấy rằng, hướng nghiên cứu tạo vật liệu từ nhánh thanh long hiện đang là xu

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

hướng nghiên cứu mới và rất tiềm năng.

1.2 Than hoạt tính từ tính

Than sinh học (biochar – BC) và than hoạt tính (activated carbon – AC) là các vật liệu hấp phụ quen thuộc trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ nhờ vào thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng lớn. AC có tính bền cơ học và hố học, chi phí sử dụng thấp và thân thiện mơi trường nên nó đang là xu hướng nghiên cứu hiện nay [23-25]. Để tạo được BC và AC người ta nhiệt phân các phụ phẩm nông nghiệp đã được thu gom, rửa sạch và nghiền trước đó. Khác với BC, AC được hoạt hoá bằng tác nhân hoạt hố, sau đó cũng được sinh khối bằng cách nhiệt phân trong điều kiện yếm khí oxy [26].

Như vậy, sau q trình nhiệt phân, ta đã có được BC và AC. AC do được hoạt hoá bằng tác nhân hoạt hố nên có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn [27]. Mặc dù AC có tiềm năng về diện tích bề mặt riêng lớn, nhưng việc thu hồi chúng khá khó khăn vì chỉ có thể thu hồi bằng ly tâm hoặc để lắng trọng lực [28]. Vì vậy, một số nghiên cứu đã gắn thêm kim loại từ tính cho BC và AC để tăng khả năng thu hồi của chúng. Một số hạt kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni) hoặc oxit của chúng được sử dụng để phân bố vào cấu trúc than sinh học và than hoạt tính để tạo từ tính cho vật liệu này [29, 30]. Điều này có nghĩa rằng các nhà khoa học đã tìm ra được phương pháp để thu hồi vật liệu xúc tác một cách hiệu quả như trong Hình 1.4.

[31]

Hình 1.4 Than sinh học từ tính và than hoạt tính từ tính được thu hồi dựa vào khả năng từ tính

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Sắt là một trong những kim loại khơng chỉ phổ biến trong tự nhiên mà cịn thân thuộc trong đời sống con người, đặc biệt nổi bật với khả năng từ hóa bão hịa cao ngay cả ở điều kiện nhiệt độ phòng [32]. Sự ổn định của sắt trong khơng khí và độc tính thấp làm cho nó trở thành đối tượng nghiên cứu chủ chốt để phát triển các loại vật liệu từ. Fe0 với đặc tính từ mạnh và khả năng khử cao, đã được ứng dụng trong việc hoạt hoá các tác nhân oxy hoá nhầm loại bỏ các hợp chất như nitroaromatics và hydrocarbon, cũng như các ion kim loại nặng từ mơi trường nước. Khi tổng hợp than hoạt tính từ tính (MAC), các nhà khoa học sử dụng ba loại tiền chất chính bao gồm muối kim loại chuyển tiếp, quặng sắt và oxit sắt. Trong số các muối kim loại chuyển tiếp, muối sắt như FeSO4 và FeCl3 được ưu tiên do tính an tồn, chi phí thấp và khả năng tạo ra các dạng từ tính mạnh mẽ như Fe3O4 và các hình thái của oxit sắt (α-Fe2O3, γ-Fe2O3.) [33]. Bài nghiên cứu này chọn muối sắt FeCl3 làm nguyên liệu ban đầu để tạo ra MAC nhằm khai thác những lợi ích này.

Phương pháp tổng hợp MAC

Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp MAC bằng phương pháp tiên tiến một giai đoạn Phương pháp tổng hợp MAC dựa trên phương pháp nhiệt phân một bước của MBC. Phương pháp này đã được nhóm nghiên cứu ở phịng thí nghiệm xúc tác, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM thực hiện thành công [34]. Tuy nhiên MBC sau khi tổng hợp có diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp nhỏ. Vì vậy trong nghiên cứu này tác nhân hoạt hoá được thêm vào sau khi thêm tiền chất từ tính để cải

Nguồn sinh khối

Hoạt hố

MAC Tiền chất từ tính

Nhiệt phân

Tẩm

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

thiện diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp.

Tác nhân hoạt hóa

Q trình hoạt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng đó là: hoạt hóa vật lý, hoạt hóa hóa học.

Hoạt hóa bằng phương pháp vật lý là quy trình sử dụng nhiệt để biến các chất nguyên liệu thành cacbon, sử dụng môi trường oxy hóa như hơi nước hoặc CO2 làm chất hóa tiền chất. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ từ 700 - 900 oC. Các nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt hóa vật lý bao gồm nhiệt độ trong q trình hoạt hóa, tỷ lệ giữa ngun liệu và lượng hơi nước hoặc CO2 sử dụng, cùng với thời gian cần thiết để tiến hành nhiệt phân [35]. Cơ chế của q trình hoạt hóa này có thể được giải thích thơng qua việc sử dụng hơi nước và CO2 như sau [36]:

C + H2O → CO + H2

C + CO2 → 2CO

Quá trình hoạt hóa hóa học trong cacbon hóa bắt đầu bằng việc ngâm tẩm nguyên liệu với các chất hoạt hóa hóa học đa dạng như KOH, K2CO3, H2SO4, AlCl3, ZnCl2, và FeCl3. Mục tiêu chính của bước này là tạo ra các cấu trúc lỗ xốp, nhờ vào phản ứng khử nước của các chất hoạt hóa, qua đó cải thiện đáng kể diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ của vật liệu. Các lỗ xốp này không chỉ giúp tăng hiệu quả hấp thụ mà cịn đóng góp vào việc tối ưu hóa từ tính và hoạt tính của than hoạt tính từ tính (MAC), mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Q trình hoạt hóa hóa học trong tổng hợp MAC có ưu điểm là có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp hoạt hóa vật lý. Điều này phù hợp hơn với các hướng nghiên cứu nhằm phát triển MAC. Ngược lại, hoạt hóa vật lý yêu cầu nhiệt độ cao từ 700 - 900 oC, tạo ra chủ yếu là khí CO và H2, ảnh hưởng đến cấu trúc Fe3O4

do q trình khử chuyển hóa sang Fe0 [37].

Trong thời gian gần đây, KOH và các muối kali khác như KCl, K2CO3 đã trở nên phổ biến trong việc sản xuất than hoạt tính từ tính. Các nghiên cứu chỉ ra rằng than hoạt tính từ tính tạo ra bằng cách sử dụng ZnCl2 hoặc H3PO4 có độ xốp thấp hơn

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

so với than được hoạt hóa bằng KOH [38]. Từ đó, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu MAC, kết hợp với quá trình hoạt hóa bổ sung sử dụng KOH để nâng cao tính chất vật liệu, nhằm ứng dụng trong xử lý mơi trường là mục tiêu chính mà tác giả đề xuất.

Ứng dụng của một số vật liệu tâm sắt

Vật liệu tâm sắt có thể thu hồi dễ dàng, tái sử dụng dựa vào khả năng từ tính vốn có của nó. Các nghiên cứu và ứng dụng được trình bày trong Bảng 1.1 và Hình 1.7 dưới đây là một số ứng dụng cụ thể mà các nhóm nghiên cứu đã làm.

Bảng 1.1 Ứng dụng của vật liệu tâm sắt

Kháng khuẩn bằng Ag [40] Xử lý chì trong nước [41]

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Có thể thấy rằng, vật liệu tâm sắt được ứng dụng đa dạng và rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Việc tăng diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp giúp cải thiện quá trình hấp phụ để loại kim loại nặng, anion vô cơ, kháng sinh, thuốc trừ sâu trong nước thải [28]. Nhóm nghiên cứu của Lin Zhi Lee đã thành công trong việc sử dụng ZnCl2 như một tác nhân hoạt hố để tăng diện tích bề mặt riêng lên đến 1775 m2/g, giúp tăng khả năng hấp phụ rhodamine B trong nước thải đến 371 mg/g [45].

Trong ứng dụng làm vật liệu xúc tác, vật liệu tâm sắt nhìn chung là vật liệu gốc sắt có đặc tính xúc tác hiệu quả và đa dạng do sắt là một kim loại chuyển tiếp có thể hình thành ở các dạng sau: sắt hoá trị 0, oxit sắt từ, hydroxit sắt và hợp chất ferit [46]. Chính vì sự đa dạng này mà ở mỗi trạng thái khác nhau, sẽ dẫn đến tính chất vật liệu khác nhau. Vì vậy, đây được xem là tâm điểm nghiên cứu của các nhà khoa học đang theo đuổi mảng vật liệu xúc tác từ tính [47].

[48] Hình 1.7 Cơ chế xúc tác của sắt khi có tác nhân oxy hố H2O2

Theo xu hướng hiện nay, việc sử dụng phản ứng oxy hố thậm chí là oxy hố nâng cao nhầm khống hố hồn tồn các hợp chất hữu cơ thành các hợp chất ít độc hại hơn như CO2, H2O và một số hợp chất vơ cơ khác. Q trình oxy hoá này sẽ được diễn ra khi tâm sắt hoạt hoá cho các tác nhân oxy hoá sinh ra các gốc điện tử oxy hoá chất hữu cơ như Hình 1.7.

1.3 Ứng dụng vật liệu chứa sắt trong xúc tác oxy hóa với persulfate Persulfate trong xử lý ơ nhiễm mơi trường

Ơ nhiễm mơi trường, một thách thức lớn của kỷ nguyên công nghiệp, đang trở

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

nên cấp bách hơn bao giờ hết do sự tăng trưởng không ngừng của ngành công nghiệp hóa chất và tốc độ đơ thị hóa nhanh chóng. Đặc biệt, nước thải từ ngành cơng nghiệp dệt nhuộm, với sự phát thải khơng kiểm sốt và quy trình xử lý khơng hiệu quả, đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường và đe dọa sức khỏe con người. Các phân tử ô nhiễm từ nguồn nước này khơng chỉ độc hại mà cịn rất bền vững, khiến cho việc loại bỏ chúng trở nên khó khăn [49].

Trong bối cảnh đó, nhiều giải pháp xử lý nước thải đã được khám phá, từ xử lý sinh học, hấp phụ, đến keo tụ. Tuy nhiên, những phương pháp này vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm khó khăn trong việc tái sử dụng và khả năng xử lý hạn chế. Trong số các cơng nghệ hiện đại, q trình oxy hóa nâng cao (AOPs) nổi bật lên như một giải pháp đột phá, được xem là lựa chọn tối ưu để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp [50]. AOPs hoạt động dựa trên việc tạo ra các tác nhân oxy hóa mạnh, có khả năng phân hủy hiệu quả các hợp chất ô nhiễm, mở ra một hướng đi mới cho nỗ lực bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng trong kỷ nguyên hiện đại.

Phản ứng Fenton, được phát hiện vào năm 1894 bởi H.J.H. Fenton [51], là một trong những phương pháp oxy hóa học nâng cao (AOPs), đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử xử lý nước thải. Phản ứng này dựa trên việc tạo ra các gốc hydroxyl tự do (•OH), những chất oxy hóa mạnh, thơng qua sự tương tác giữa ion sắt (Fe²⁺) và hydrogen peroxide (H2O2). Cơ chế của phản ứng bắt đầu khi ion sắt tác động lên H2O2, tạo ra gốc hydroxyl và ion sắt (Fe³⁺) [52]. Gốc hydroxyl này sau đó phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, chẳng hạn như các hợp chất dễ bay hơi và màu sắc từ nước thải cơng nghiệp, bằng cách oxy hóa chúng thành các chất không độc hại hoặc dễ phân huỷ sinh học hơn. Phản ứng Fenton được đánh giá cao về hiệu quả và khả năng phân hủy nhanh chóng các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là đơn giản, khơng địi hỏi thiết bị phức tạp, và có khả năng xử lý ở nhiều loại mơi trường khác nhau. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế nhất định. [53]. Điều này đôi khi cần sự điều chỉnh pH, tăng thêm chi phí và cơng sức.

Để khắc phục nhược điểm trên của phản ứng fenton, một AOPs khác được sử dụng là peroxydisulfate (PS) được đưa vào nghiên cứu. Dựa trên cơ chế phản ứng tạo

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

gốc SO4•⁻ nhầm oxy hố các hợp chất hữu cơ, cơ chế được mô tả như bên dưới [53]: Men+ + S2O82− →Men+1 + SO4•⁻ + SO2−

Theo một số nghiên cứu chỉ ra rằng thế hoá khử của PS (2,1 V) cao hơn H2O2

(1,8 V) [54, 55]. Độ hoà tan trong nước, phản ứng không chọn lọc, tương đối ổn định ở nhiệt độ phịng, có khả năng oxy hố rộng rãi với các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường là những đặc điểm giúp cho PS được ưa chuộng hơn so với H2O2 ở thời điểm hiện tại [56].

Hoạt hóa PS bằng các vật liệu trên nền tảng của Fe

[57] Hình 1.8 Sắt và oxit sắt thực hiện q trình hoạt hố persulfate

Sắt ở trong dung dịch, tạo ra ion Fe2+ và Fe3+, chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất như Fe(OH)3, Fe(OH)2 [58], và có khả năng tương tác với các chất hữu cơ có tính oxy hóa. Khi kích hoạt persulfate, sắt tạo ra các gốc tự do sulfate (SO4•⁻), làm tăng đáng kể tốc độ phản ứng và hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm. Cơ chế được trình bày như bên dưới [59]:

Fe0 + S2O82− → Fe2+ + 2SO42−

Fe2++ S2O82− → Fe3+ + 2SO42− + SO4•⁻

Tuy nhiên, xúc tác dựa trên sắt trong các hệ không đồng nhất đối mặt với một số hạn chế như hiệu quả mất màu kém, kết tủa Fe3+ dưới dạng keo, và khả năng tái sử dụng kém [60]. Điều này cản trở việc sử dụng rộng rãi của chúng. Do đó, các vật

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

liệu xúc tác dị thể dựa trên sắt, được nghiên cứu như một giải pháp để kích hoạt PS một cách hiệu quả hơn, đã nhận được nhiều sự quan tâm trong nghiên cứu.

1.4 Methyl orange Phẩm màu azo

Phẩm màu azo, một phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp nhuộm, đóng vai trị quan trọng trong việc tạo ra các sản phẩm có màu sắc đa dạng và sặc sỡ. Cấu trúc hóa học của chúng gồm một hoặc nhiều nhóm azo (–N=N–) liên kết với các hợp chất alkyl hoặc aryl [61]. Được biết đến với khả năng tạo màu mạnh mẽ, chất nhuộm azo đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp dệt may, thực phẩm, dược phẩm và nhiều lĩnh vực khác [61, 62].

Tuy nhiên, chính đặc tính bền vững này của chất nhuộm azo cũng tạo ra những thách thức lớn trong việc xử lý môi trường. Khi xả vào môi trường, nhất là qua nước thải công nghiệp, chất nhuộm azo không dễ dàng bị phân hủy bởi vi sinh vật và do đó, có thể tồn tại trong môi trường trong thời gian dài. Việc này không chỉ gây ơ nhiễm mơi trường mà cịn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái [63].

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một lượng đáng kể chất nhuộm azo bị thất thốt trong q trình sản xuất và xử lý, dẫn đến sự phát thải của chúng vào mơi trường. Điều này địi hỏi việc phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả, bao gồm các kỹ thuật vật lý, hóa học và sinh học để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng đối với môi trường [64, 65].

Methyl orange

Methyl orange (MO) là một chất nhuộm tổng hợp thuộc nhóm azo, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dệt nhuộm. Cấu trúc hóa học của nó là C14H14N3NaO3S bao gồm một nhóm azo (–N=N–) kết nối hai vịng benzen, một trong số đó có nhóm dimethylamine và vịng kia có nhóm sulfonate. Đặc tính này tạo ra màu sắc rực rỡ và khả năng bám dính tốt trên các sợi vải, nhưng cũng khiến nó trở thành một nguồn ơ nhiễm mơi trường đáng lo ngại [66].

Khi thải vào môi trường, nhất là thơng qua nước thải cơng nghiệp, MO có thể

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

gây hại nghiêm trọng. Chất này không chỉ làm thay đổi màu sắc của nước, gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái dưới nước bằng cách ngăn chặn ánh sáng mặt trời đến các loài thực vật thủy sinh, mà cịn có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của các sinh vật sống trong nước bởi tính độc hại của nhóm azo. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số chất nhuộm azo, trong đó có MO, có thể phân hủy thành các sản phẩm có tính độc hại [67].

Do những tác động tiêu cực này, việc loại bỏ MO khỏi nước thải trở thành một nhiệm vụ thiết yếu trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe công cộng. Phương pháp xử lý oxy hóa nâng cao đã cho thấy xử lý hiệu quả các loại chất màu, vì vậy trong nghiên cứu này nó được kỳ vọng đem lại hiệu quả trong xử lý MO [68-71].

Hình 1.9 Cơng thức cấu tạo của methyl orange

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu và hóa chất

Nhánh thanh long được lấy từ một vườn thanh long ở tỉnh Bình Thuận, Việt Nam. Nguyên liệu được cắt nhỏ và rửa sạch, sau đó đem đi phơi nắng đến khi khối lượng không đổi, sau đó nhánh thanh long khơ được nghiền mịn và bảo quản trong hũ nhựa kín, dùng cho các bước thí nghiệm sau.

Hình 2.1 Nhánh thanh long sau khi nghiền Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong luận văn

Tất cả hóa chất được sử dụng trực tiếp khơng qua bất kỳ q trình tinh chế hay xử lý nào khác và được bảo quản trong điều kiện thích hợp.

1 C14H14N3NaO3S ≥ 85,0% 2 FeCl3.6H2O ≥ 99,0% 3 Na2S2O8 ≥ 98,0%

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

2.2 Tổng hợp một giai đoạn MAC

Quy trình tổng hợp được tiếp nối dựa trên các nghiên cứu trước đó của nhóm [45,46]. Đầu tiên, 4,00 g bột thanh long, một lượng FeCl3.6H2O và 100 mL nước cất được cho vào cốc teflon 250 mL. Hỗn hợp được khuấy liên tục bằng máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng. Sau 2 giờ, 8,00 g KOH được thêm vào. Hỗn hợp được tiếp tục khuấy trong 1 giờ và sấy khô ở 105 ℃ trong 48 giờ. Sau đó, hỗn hợp được nghiền rồi nung trong dịng khí N2 0,25 L/phút ở 600 ℃ trong 3 giờ với tốc độ gia nhiệt 5 ℃/phút. Sản phẩm nhiệt phân được để nguội về nhiệt độ phòng và rửa nhiều lần với nước cất cho đến khi pH dung dịch đạt trung tính. Cuối cùng, mẫu được lấy ra đĩa và sấy khô ở 80 ℃ trong vịng 12 giờ, thu được MAC. Quy trình trên được tóm tắt như Hình 3.1.

Các mẫu được ký hiệu lần lượt là MAC-x (x là tỷ lệ khối lượng FeCl3/nhánh thanh

long).

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp MAC Khí N2 250 ml/phút

Nhiệt phân 600 oC, 1h Rửa nước cất

MAC Nhánh thanh

long

Rửa, sấy, nghiền

Khuấy ở nhiệt độ phòng Tẩm

FeCl3.6H2O KOH

Sấy 105 oC

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

2.3 Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu

Các mẫu xúc tác sau khi được tổng hợp đã được phân tích, đánh giá bằng nhiều phương pháp hiện đại như: nhiễu xạ tia X (XRD), hấp phụ giải hấp N2, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy (TEM), vibrating sample magnetometer (VSM), phổ hồng ngoại fourier - transform infrared spectroscopy (FTIR), UV-Vis, ICP-OES.

Nhiễu xạ tia X

Sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu sau khi tổng hợp. Các mẫu theo tỉ lệ tẩm khác nhau được phân tích bằng thiết bị Bruker AXS D8 với góc quét 2 = 10 – 80o, λCu = 1,5406 Å.

Hấp phụ và giải hấp N2

Hấp phụ và giải hấp N2 là phương pháp nhằm xác định tổng thể tích lỗ xốp, diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản tính trung bình của MAC. Các mẫu được degass trong môi trường N2 300 oC , 5 h. Kích thước lỗ xốp các mẫu MAC được xác định dựa trên mơ hình BJH và đo bằng máy Gemini VII.

Kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) là phương pháp nhằm quan sát bề mặt vật liệu. MAC được chụp bằng máy JSM-IT200.

Phổ tán xạ năng lượng tia X

Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy - EDX) là phương pháp nhằm xác định nguyên tố gần bề mặt vật liệu. MAC được chụp bằng máy JSM-IT200.

Kính hiển vi điện tử truyền qua

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được chụp để quan sát hình thái cấu trúc bên trong của vật liệu thu được. MAC được chụp bằng máy JEOL JEM-1400.

Từ kế mẫu rung

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là phương pháp nhằm xác định sự biến đổi momen từ theo từ trường ngồi để xác định từ tính MAC.

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier-transform infrared spectroscopy) được sử dụng để xác định các nhóm chức tồn tại trên bề mặt MAC. Phổ FTIR của vật liệu MAC được đo bằng máy quang phổ PerkinElmer, đo 3601 điểm, đầu dò MIR TGS.

Quang phổ phát xạ plasma ghép cảm ứng

Phương pháp đo khối phổ plasma ghép cảm ứng (ICP-OES) được sử dụng để định lượng hàm lượng các kim loại Fe trong các mẫu vật liệu, được đo bằng máy ICP-OES 7300 DV Perkin Elmer.

2.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác phân hủy MO

Thiết lập đường chuẩn mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ MO

Cân chính xác 0,327 g MO và định mức thành 100 mL, thu được dung dịch có nồng độ 10,0 mM. Từ dung dịch MO có nồng độ 10,0 mM lần lượt pha các dung dịch có nồng độ 0,100; 0,200; 0,300; 0,400; 0,500; 1,000 mM trong bình định mức có chứa sẵn dung dịch đệm phosphat pH 7,0. Chuẩn bị mẫu trắng tương tự với dung dịch đệm và nước cất. Sử dụng máy UV-Vis Lovibond đo độ hấp thu tại bước sóng 469 nm. Đo lần lượt các dung dịch vừa pha và mẫu trắng, thu được độ hấp thu tại các nồng độ khác nhau.

Từ kết quả độ hấp thu, đường chuẩn được thiết lập theo định luật Lambert-Beer [72].A = ε×b×C

Với A: Độ hấp thu quang của mẫu, ε: Độ hấp thụ quang riêng, L.cm/mol; b: Độ dày truyền qua, cm; C: Nồng độ mẫu, mol/L

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Bảng 2.2 Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng khả năng mất màu MO của MAC

Yếu tố khảo sát pH Loại xúc tác Liều lượng xúc

MAC-0,1 MAC-0,2 MAC-0,3 MAC-0,4

Khảo sát liều lượng

xúc tác 3,0 MAC-0,3

0,10

10,00 30 0,25

0,50 1,00

Khảo sát pH

2,0

MAC-0,3 0,50 10,00 30 3,0

4,0 5,0 7,0 9,0 11,0

Khảo sát

nồng độ PS 3,0 MAC-0,3 0,50

1,00

30 2,00

5,00 10,00 20,00

Khảo sát nhiệt độ

3,0

MAC-0,3 0,50 10,00

20 30 40 50 Thu hồi và tái sử

dụng 5 lần 3,0 MAC-0,3 0,500 10,00 30

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Khảo sát tỉ lệ tẩm FeCl3

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ tẩm FeCl3 được tiến hành trong cốc thuỷ tinh 250 mL, các điều kiện thí nghiệm bao gồm 0,50 g/L xúc tác,10,00 mM PS, 0,200 mM MO, dung dịch được khuấy liên tục trên bếp khuấy từ ở nhiệt độ phòng (30 oC). pH ban đầu của dung dịch được điều chỉnh ở pH 3,0 bằng dung dịch H2SO4

0,10 M và dung dịch NaOH 0,20 M và được kiểm tra bằng pH kế cầm tay HANNA HI98100. Tiến hành lấy mẫu ở các mốc thời gian 0, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 90, 120 và 180 phút. Một lượng mẫu được lấy ra và cho vào ống ly tâm có chứa sẵn methanol và dung dịch đệm phosphate ở pH 7,0 nhằm loại bỏ các tác nhân oxy hố cịn dư. Sau đó mẫu được đo bằng máy UV-Vis Lovibond tại bước sóng 469 nm, so sánh với đường chuẩn để tính nồng độ MO tại thời điểm quan sát. Thực hiện tương tự cho tất cả các mẫu MAC-x. Sau khi kết thúc, chọn mẫu phù hợp nhất để thực hiện các khảo sát tiếp theo.

Khảo sát ảnh hưởng của pH đầu

Sử dụng mẫu MAC phù hợp ở thí nghiệm trên để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của pH đầu. Quá trình thực hiện tương tự như ở khảo sát trên ứng với các giá trị pH khác nhau. Giá trị pH phù hợp nhất được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm sau.

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác

Quy trình thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác được tiến hành tương tự như các thí nghiệm trên. Các nồng độ xúc tác khác nhau được khảo sát tại giá trị pH phù hợp.

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ persulfate

Mẫu MAC phù hợp nhất được sử dụng để tiến hành thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ PS. Quy trình thực hiện được tiến hành tương tự như các thí nghiệm trên. pH và nồng độ xúc tác được cố định tại giá trị phù hợp và nồng độ PS được thay đổi ở từng giá trị khác nhau. Giá trị nồng độ PS phù hợp được sử dụng cho các thí nghiệm khác.

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ

Mẫu MAC phù hợp nhất được sử dụng để tiến hành thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ. pH, nồng độ xúc tác và nồng độ PS được cố định tại các giá trị phù hợp và nhiệt độ được thay đổi tại từng giá trị khác nhau.

Khả năng thu hồi và tái sử dụng

Mẫu vật liệu sau khi thu hồi đã tiến hành tái sử dụng ở các điều kiện điển hình. Quy trình thu hồi và tái sử dụng đã được thực hiện 5 lần để đánh giá độ ổn định của vật liệu trong phân hủy dung dịch MO. Thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến q trình phân hủy MO được tóm tắt trong Bảng 3.2.

</div>