(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposit graphen oxit mno2 và ứng dụng để xử lý một số kim loại nặng trong môi trường nước
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.52 MB, 67 trang )
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
---------------------------------------------------------------------------------------------
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC
Hoàng Thị Chi
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT GRAPHEN
OXIT/MnO2 VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG
TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2016
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
1
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
---------------------------------------------------------------------------------------------
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC
Hoàng Thị Chi
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT GRAPHEN
OXIT/MnO2 VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG
TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC
Chun ngành: Hóa mơi trường
Mã số: 60440120
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN MẠNH TƢỜNG
PGS.TS. NGUYỄN VĂN NỘI
Hà Nội – Năm 2016
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
2
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..............................................................................................................
1
Chương 1. Tổng quan...........................................................................................
3
1.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng và các phương pháp xử lý ........................
3
1.1.1 Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng ...............................................................
3
1.1.2. Các phương pháp xử lý ..............................................................................
6
1.2. Tổng quan về graphen và ứng dụng ............................................................
8
1.2.1. Sự ra đời và phát triển ................................................................................
8
1.2.2. Cấu trúc của graphen ..................................................................................
8
1.2.3. Tính chất vật lý của graphen ......................................................................
10
1.2.4. Phương pháp tổng hợp graphen .................................................................
10
1.2.5. Graphen với xử lý môi trường ...................................................................
12
1.3. Giới thiệu chung về oxit graphen ..................................................................
13
1.3.1. Tổng hợp oxit graphen ...............................................................................
13
1.3.2. Tâm hoạt động của graphen và oxit graphen .............................................
14
1.3.3. Vật liệu dựa trên cơ sở graphen .................................................................
15
1.3.4. Ứng dụng .................................................................................................... 16
1.4. Tổng quan về MnO2 và xử lý môi trường .....................................................
17
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu .............................................
19
2.1. Tổng hợp oxit graphen và hệ nanocomposit graphen oxit/MnO2 .................
19
2.1.1. Hóa chất và thiết bị ....................................................................................
19
2.1.2. Tổng hợp graphen oxit (GO) ...................................................................... 20
2.1.3. Tổng hợp Nano Mangan đioxit ..................................................................
22
2.1.4. Chế tạo vật liệu tổ hợp GO/MnO2 .............................................................. 22
2.2. Nghiên cứu đặc trưng xúc tác bằng các phương pháp vật lý ........................
23
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
3
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------2.2.1. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại Infra Red (IR) .............................
23
2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................
24
2.2.3. Phương pháp phân tích thành phần Energy-Dispersive-XraySpectroscopy……………………………………………………………………. 24
2.2.4. Phương pháp xác định dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) ........................
25
2.2.5. Phương pháp xác định hàm lượng kim loại nặng ......................................
26
2.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu ...................................................
27
2.4.Nghiên cứu khả năng tái sử dụng của vật liệu tổ hợp đã tổng hợp.................
27
Chương 3: Kết quả và thảo luận ..........................................................................
29
3.1. Kết quả, đánh giá đặc tính của vật liệu .........................................................
29
3.1.1. Kết quả phân tích ảnh SEM .......................................................................
29
3.1.2. Khảo sát kích thước hạt của vật liệu .............................................................. 30
3.1.3. Kết quả phân tích phổ IR............................................................................
32
3.1.4. Xác định thành phần có trong vật liệu (phổ EDX) ...................................
33
3.1.5. Xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu ( BET) .................................. 35
3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu ...................................................
37
3.2.1. Khảo sát tỷ lệ thành phần của vật liệu tổ hợp đến khả năng hấp phụ Ni2+
37
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+, Cu2+ và Ni2+ ......
38
3.2.3. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ .........................................................
39
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ ion Pb2+..............
42
3.2.5. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Pb2+,Cu2+,Ni2+
43
3.2.6. So sánh khả năng cạnh tranh hấp phụ của chì, đồng và niken ...................
50
3.3. Bước đầu nghiên cứu khả năng tái sử dụng của vật liệu tổ hợp GO/MnO2...
52
KẾT LUẬN ..........................................................................................................
54
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 55
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
4
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Danh mục các bảng biểu
Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại nặng trong nước thải công nghiệp
và nước cấp sinh hoạt theo Tiêu Chuẩn Quốc Gia TCVN 5945:2010..........................
3
Bảng 1.2 : Đặc điểm của hấp phụ vật lý và hóa học.....................................................
6
Bảng 3.1. So sánh khả năng hấp phụ ion Ni2+ đối với 3 loại vật liệu GO/MnO2 1:1,
GO/MnO2 1:3, GO/MnO2 3:2.......................................................................................
37
Bảng 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb2+, Cu2+ và Ni2+........
38
Bảng 3.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Pb2+ ............
39
Bảng 3.4. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Cu2+ .............
40
Bảng 3.5. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Ni2+...............
42
Bảng 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb2+......................
43
Bảng 3.7. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Pb2+...................
44
Bảng 3.8. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Cu2+..................
46
Bảng 3.9. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Ni2+...................
47
Bảng 3.10. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Pb2+,Cu2+ và Ni2+.........
49
Bảng 3.11. Sự hấp phụ cạnh tranh của Pb2+, Cu2+ và Ni2+ lên vật liệu GO/MnO2.......
51
Bảng 3.12. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu GO/MnO2 tại pH = 2..............
52
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
5
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
---------------------------------------------------------------------------------------------
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1. Cấu trúc của graphen......................................................................................
9
Hình 1.2. Các hình thái của graphen.............................................................................
9
Hình 1.3. Kỹ thuật chế tạo graphen từ graphit, phân tán graphen oxit (a), dung dịch
graphen oxit (b), tấm graphen oxit (c)..........................................................................
11
Hình 1.4. Kỹ thuật chế tạo graphen từ CVD..................................................................
12
Hình 2.1. Sơ đồ thiết bị tổng hợp GO............................................................................
20
Hình 2.2. Một số hình ảnh khi điều chế Graphene Oxit a) làm lạnh hệ b) bắt đầu gia
nhệt c) pha lỗng hỗn hợp.............................................................................................
21
Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp GO........................................................................................
21
Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp MnO2....................................................................................
22
Hình 2.5. Sơ đồ tổng hợp GO/MnO2..............................................................................
23
Hình 2.6. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir............................................................
26
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf.........................................................................
26
Hình 3.1: Ảnh SEM của MnO2 (a), GO (b) và GO/MnO2 (c,d)....................................
29
Hình 3.2. Giản đồ phân bố kích thước hạt của Graphit(a), GO(b), MnO2(c),
GO/MnO2(d)...................................................................................................................
31
Hình 3.3. Phổ IR của GO (a) và GO/MnO2 (b).................................................................
33
Hình 3.4. Biểu đồ EDX của GO sau khi biến tính bởi MnO2.......................................
34
Hình 3.5. Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N2 trên vật liệu GO/MnO2
35
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của vật liệu hấp phụ N2..........................
36
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ Langmuir của vật liệu hấp phụ N2..................
36
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
6
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Hình 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb2+, Cu2+ và Ni2+
38
Hình 3.9. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Pb2+..............
40
Hình 3.10. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Cu2+...........
41
Hình 3.11. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Ni2+............
42
Hình 3.12. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb2+....................
43
Hình 3.13. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của GO, MnO2, GO/MnO2 đối với
Pb2+.................................................................................................................................
45
Hình 3.14. Đồ thị xác định dung lượng hấp phụ cực đại của GO, MnO2 và GO/MnO2
đối với Pb2+ theo mơ hình Langmuir .............................................................................
45
Hình 3.15 .Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của GO, MnO2, GO/MnO2 đối với
Cu2+................................................................................................................................
46
Hình 3.16. Đồ thị xác định dung lượng hấp phụ cực đại của GO, MnO2 và GO/MnO2
đối với Cu2+ theo mơ hình Langmuir ..........................................................
47
Hình 3.17. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của GO, MnO2, GO/MnO2 đối với
Ni2+................................................................................................................................
48
Hình 3.18. Đồ thị xác định dung lượng hấp phụ cực đại của GO, MnO2 và GO/MnO2
đối với Ni2+ theo mơ hình Langmuir ..........................................................
48
Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ cực đại của GO, MnO2, GO/MnO2
đối với Pb2+,Cu2+ và Ni2+...............................................................................................
49
Hình 3.20. Sơ đồ quá trình hấp phụ - giải hấp của liệu tổ hợp GO/MnO2....................
52
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
7
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
---------------------------------------------------------------------------------------------
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát
từ yêu cầu phát sinh trong cơng việc để hình thành hướng nghiên cứu. Các số liệu
có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn
được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực chưa từng được ai công bố
trước đây.
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2016
Tác giả luận văn
Hoàng Thị Chi
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
8
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn
Nội – trường Đại học Khoa học Tự nhiên và TS. Nguyễn Mạnh Tường - Viện Hóa
học Vật liệu- Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã giao đề tài nghiên cứu và
tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành bài luận văn thạc sỹ này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Khoa Hóa Học Trường đại học
Khoa học tự nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức và đóng góp nhiều ý kiến quý
báu trong suốt quá trình em học tập và làm luận văn của mình.
Em cũng xin cảm ơn tập thể các anh chị em trong phòng vật liệu Nano –
Viện Hóa học – Vật liệu – Viện khoa và công nghệ quân sự đã tạo cho em một môi
trường nghiên cứu thuận lợi và động viên em trong suốt thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2016
Học viên thực hiện
Hoàng Thị Chi
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
9
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------MỞ ĐẦU
Cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đã đi kèm với tình trạng ơ
nhiễm mơi trường gia tăng, đặc biệt là ô nhiễm do kim loại nặng. Môi trường nước
ở Việt Nam đang xuống cấp một cách cục bộ. Nước thải ở nhiều cơ sở sản xuất
chỉ được xử lý sơ bộ, thậm trí chưa được xử lý đã thải ra môi trường. Hậu quả là
môi trường nước ở nhiều nơi đang bị ô nhiễm kim loại nặng (Cu, Ni, Pb, Cd, Fe,
Zn,…)[3].
Có rất nhiều phương pháp để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nước như trao đổi
ion, thẩm thẩu ngược, 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 vì vật
liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền,
thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm [2].
Gần đây, graphen và vật liệu trên cơ sở graphen nhận được sự quan tâm đặc
biệt bởi những đặc tính hấp dẫn như diện tính bề mặt lớn, độ ổn định hố học cao và
tính đàn hồi tốt đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới ghi nhận [15]. Graphen và
các dẫn xuất của nó đang được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng quan
trọng công nghệ điện tử, máy tính như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors,
xúc tác cảm biến, đặc biệt là chúng được làm vật liệu hấp phụ trong xử lý môi
trường. Graphen oxit là chất nền lí tưởng cho việc gắn các oxit kim loại để nâng cao
hiệu suất hấp phụ vật liệu [17].
Trong những năm gần đây, một số oxit kim loại như MnO2, Fe2O3, TiO2,
Al2O3, ZnO,... đã được nghiên cứu về khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong
nước và nước thải. Tuy nhiên việc sử dụng độc lập các oxit kim loại cịn gặp nhiều
khó khăn bởi các hạt oxit dễ dàng kết dính lại với nhau và phân tán kém trong dung
dịch. Nano MnO2 có nhiều ứng dụng như để sản xuất pin khô, là chất xúc tác, dùng
trong sản xuất đồ gốm,… Với diện tích bề mặt riêng lớn nên Nano MnO2 có ứng
dụng làm chất hấp phụ xử lý mơi trường[5].
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hồng Thị Chi
1
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Chính vì vậy, với mong muốn kết hợp được những đặc tính quý giá của hai
loại vật liệu Graphen Oxit và Nano MnO2 để chế tạo được vật liệu có khả năng hấp
phụ tốt, chúng tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposit
Graphen Oxit/MnO2 và ứng dụng để xử lý một số kim loại nặng trong môi trường
nước”.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
2
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng và các phƣơng pháp xử lý
1.1.1 Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại nặng có khối lượng riêng lớn hơn
5g/cm3[3]. Hầu hết các kim loại nặng ở dạng vết là các nguyên tố dinh dưỡng
cần thiết cho sự phát triển của sinh vật.
Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại nặng trong nước thải công
nghiệp và nước cấp sinh hoạt theo Tiêu Chuẩn Quốc TCVN 5945:2010
STT
Giá trị giới hạn (mg/l)
(TCVN 5945:2010)
Tên chỉ tiêu
1
Hàm lượng Cadimi
Nƣớc cấp sinh hoạt
0,1
Nƣớc thải cơng nghiệp
0,2
2
Hàm lượng chì
0,1
0,5
3
Hàm lượng niken
0,2
0,5
4
Hàm lượng Crom (VI)
0,05
0,1
5
Hàm lượng Crom (III)
0,2
1
6
Hàm lượng đồng
2
2
7
Hàm lượng kẽm
3
3
Tuy nhiên, khi hàm lượng của chúng vượt quá giới hạn cho phép, chúng lại
thường có độc tính cao.
Ngun nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước
là nước thải chứa các ion kim loại nặng từ các khu công nghiệp, khu chế xuất thải
ra môi trường. Một số hợp chất kim loại nặng khi thải ra mơi trường bị tích tụ
và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hịa tan dưới tác động của
nhiều yếu tố khác nhau. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán
rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm. Các kim loại nặng thường
xâm nhập vào cơ thể theo chu trình thức ăn. Ngồi ra cịn thông qua con đường hô
hấp, tiếp xúc gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và sinh vật [3].
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
3
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Hiện nay nước ta đang phát triển kinh tế theo hướng công nghiệp hố, hiện đại
hố. Các khu cơng nghiệp, khu chế xuất ngày càng phát triển và mở rộng hơn.
Những vấn đề của hệ sinh thái đang gia tăng với sự tiến bộ của công nghiệp.
Kim loại nặng độc hại phát tán vào trong môi trường ngày càng tăng. Nguồn nước
thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt của người dân chưa được xử lý
hoặc xử lý không triệt để vẫn đang hàng ngày thải ra môi trường nước. Các khu
công nghiệp luyện gang thép, kim loại màu, kim loại mạ, khai thác mỏ hoạt động…
cũng ít nhiều gây ảnh hưởng đến mơi trường. Bên cạnh đó hàng trăm làng nghề thủ
cơng như: đúc đồng, nhơm, chì,… cũng chưa có các biện pháp xử lý nước thải có
hiệu quả trước khi thải ra ngồi mơi trường nước. Theo số liệu phân tích cho thấy,
hàm lượng các ion kim loại nặng trong môi trường nước gần các khu công nghiệp
đều xấp xỉ hoặc vượt quá giới hạn cho phép[4]. Hơn nữa các ion kim loại nặng
không phân huỷ thành sản phẩm cuối cùng vô hại giống như một số chất ô nhiễm
hữu cơ,... cho nên việc xử lý ô nhiễm các kim loại nặng trở thành vấn đề cấp thiết
hiện nay.
a. Tình trạng ơ nhiễm và độc tính của niken
Niken là kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Ở điều kiện bình thường,
Niken ổn định trong khơng khí và trơ với Oxi. Niken là kim loại có tính linh động
cao trong mơi trường nước, có khả năng tạo phức bền với các hợp chất hữu cơ tự
nhiên và tổng hợp. Niken có ứng dụng nhiều trong cơng nghiệp. Khoảng 65% Niken
được dùng làm thép không gỉ, 12% Niken được dùng làm siêu hợp kim, 23% còn lại
được dùng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc tác,…Con người tiếp xúc lâu dài với
Niken có thể gây hiện tượng viêm da và có thể xuất hiện dị ứng. Ngộ độc Niken qua
đường hơ hấp gây khó chịu, buồn nơn, nếu kéo dài sẽ ảnh hưởng đến phổi và hệ
thần kinh trung ương, gan thận,… Niken và các hợp chất của Niken xâm nhập qua
đường hơ hấp có thể gây bệnh kinh niên[1,11].
b. Tình trạng ơ nhiễm và độc tính của đồng
Đồng được phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, có tính dẫn điện, dẫn
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hồng Thị Chi
4
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------nhiệt tốt nên nó là một trong những kim loại chủ yếu của kĩ thuật điện. Đồng được
sử dụng nhiều để sản xuất mô tơ điện, động cơ điện, máy thu thanh, vô tuyến
truyền hình, các thiết bị điện tử, các đồ dùng gia dụng. Trong các ngành thuộc da,
thuốc nhuộm, y học,... Ngồi ra đồng cịn là ngun tố vi lượng quan trọng, cần
thiết đối với thực vật và động vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp
lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra hoa quả và có thể chết. Ở người và động vật
khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, q trình trao đổi protein bị chậm lại,
do đó các mơ xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược… Nhu cầu hàng ngày
của người lớn khoảng 0,033 – 0,050 mg/kg thể trọng. Tuy nhiên nếu hàm lượng
đồng trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây một số bệnh về thần
kinh, gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hóa có thể gây tử vong.
c. Tình trạng ơ nhiễm và độc tính của chì
Chì là một trong bảy kim loại mà con người đã biết từ thời cổ đại. Ba bốn
ngàn năm trước công nguyên, người cổ Ai cập đã dùng chì để đúc tiền, đúc tượng
và những vật dụng khác. Quặng chì quan trọng nhất là galenit (PbS), ngồi ra cịn
gặp chì trong quặng xeruzit (PbCO3)[5,8].
Việc sử dụng rộng rãi chì làm nảy sinh một số vấn đề lớn là sự ô nhiễm độc
chất chì trong mơi trường sinh thái, đặc biệt là mơi trường nước. chì là kim loại
nặng có tính độc hại cao, khi xâm nhập vào cơ thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến
sức khỏe con người. Những hợp chất cơ chì (IV) đặc biêt là tetra-alkyl và tetra-aryl
rất độc. Ngun nhân gây ơ nhiễm chì trong nguồn nước là do thải từ các nhà máy
cơ khí, nhà máy sản xuất, ắc quy và gốm sứ… chưa được xử lí hoặc chưa xử lí triệt
để thải ra mơi trường.
Về độc tính, các muối chì đều rất độc và độc tính phụ thuộc vào dạng tồn tại
của nó. Khi vào cơ thể, chì tích lũy trong các mơ mỡ của não, gan hoặc mơ nhiều
sừng như da, lơng, tóc, móng. Nếu hàm lượng của chì trong máu trên 0,3mg/l, nó sẽ
ngăn cản q trình oxy hóa glucose tạo ra năng lượng duy trì sự sống, nhưng nếu
hàm lượng chì trong máu trên 0.8mg/l sẽ gây thiếu máu do thiếu hụt hemoglobin
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
5
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------1.1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ trong xử lý ion kim loại nặng
Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử hỗn hợp lỏng hoặc
khí bị hút trên bề mặt chất rắn, xốp. Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào tính chất vật lý
và hóa học của chất hấp phụ, nồng độ pha lỏng, nhiệt độ của hệ, dạng tiếp xúc và
thời gian tiếp xúc[3].
Bảng 1.2 : Đặc điểm của hấp phụ vật lý và hóa học
Đặc điểm
Lực liên kết
Đặc điểm
Tốc độ
Nhiệt độ hấp phụ
Hấp phụ vật lý
Hấp phụ hóa học
Lực Vanderwalls : liên kết Liên kết hóa học : liên kết
yếu và dễ bị phá vỡ
ion, cộng hóa trị,…
Có thể là hấp phụ đơn lớp
Chỉ là hấp phụ đơn lớp
hoặc đa lớp
Xảy ra nhanh do khơng địi Xảy ra chậm do địi hỏi sự
hỏi sự hoạt hóa phân tử
hoạt hóa phân tử
Thấp
Cao
Lượng nhiệt tỏa ra trong Lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn 22
khoảng 2-8 kcal/mol
kcal/mol
Quá trình hấp phụ thường gồm 3 giai đoạn sau :
Nhiệt hấp phụ
- Khuếch tán ngồi : q trình di chuyển chất cần hấp phụ từ dung dịch tới bề
mặt chất hấp phụ.
- Quá trình giữ (liên kết) tạp chất trên bề mặt chất hấp phụ.
- Khuếch tán trong: di chuyển các chất vào bên trong các lỗ mao quản.
Hấp phụ là một trong những phương pháp được đánh giá cao bởi chi phí
thấp, cách sử dụng đơn giản, hiệu quả và thân thiện với môi trường.
(*) Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường
nước bị hiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, tạo ra các phức chất hiđroxo,
tạo ra các cặp ion hay phức chất khác. Tuỳ thuộc vào bản chất hoá học của ion, pH
của môi trường, các thành phần khác cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại
khác nhau.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
6
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Hấp phụ trong mơi trường nước thường diễn ra khá phức tạp. Vì trong hệ có ít
nhất ba thành phần gây tương tác là nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Hấp phụ
trong mơi trường nước (có sức căng bề mặt lớn) ưu việt hơn so với dung môi hữu cơ (có
sức căng bề mặt nhỏ)[3].
Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra q trình hấp phụ cạnh tranh
và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và dung môi. Thông thường, nồng độ chất tan
trong dung dịch là nhỏ nên khi tiếp xúc với chất hấp phụ, các phần tử nước lập tức
chiếm chỗ trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ chỉ có thể đẩy phân tử
nước để chiếm chỗ trên bề mặt chất hấp phụ. Điều này xảy ra khi tương tác giữa chất
bị hấp phụ và chất hấp phụ mạnh hơn tương tác giữa chất hấp phụ và nước.
Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ cịn phụ thuộc vào
tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng. Chất hấp phụ và chất bị hấp phụ đều phân
cực hoặc không phân cực thì sự hấp phụ xảy ra tốt hơn.
Hấp phụ trong mơi trường nước cịn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi
trường. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ. Các chất có
tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân ly, tích điện âm, dương hoặc trung
hồ. Ngoài ra sự biến đổi pH cũng ảnh hưởng đến các nhóm chức bề mặt của chất hấp
phụ do sự phân ly các nhóm chức.
Tính chọn lọc và cạnh tranh của q trình hấp phụ trong mơi trường nước bị
ảnh hưởng bởi tính tương đồng của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Một qui luật
thường gặp là các chất phân cực dễ hấp phụ trên bề mặt phân cực, cịn các chất khơng
phân cực dễ hấp phụ trên bề mặt khơng phân cực. Tính chọn lọc và tính cạnh tranh
cịn phụ thuộc vào kích thước phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Khi giảm kích
thước mao quản trong chất hấp phụ xốp thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên
nhưng chỉ trong chừng mực mà kích thước của mao quản không cản trở sự đi vào của
chất hấp phụ. Nếu kích thước mao quản bé hơn kích thước của phân tử hấp phụ thì sự
hấp phụ sẽ bị cản trở.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
7
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Tóm lại hấp phụ trong mơi trường nước có cơ chế phức tạp do yếu tố hấp phụ
hỗn hợp, sự biến đổi bản chất hoá học của chất bị hấp phụ, chất hấp phụ vào mơi
trường.
So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các
đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ có thể được chế tạo từ các nguồn nguyên
liệu tự nhiên và các phế thải nơng nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn
giản, cơng nghệ xử lý khơng địi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật
liệu hấp phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp,
hiệu quả cao.
1.2. Tổng quan về graphen và ứng dụng
1.2.1. Sự ra đời và phát triển
Những năm gần đây, các vật liệu nano cacbon được sử dụng ngày càng nhiều
và dần chiếm ưu thế trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano, và chúng được sử
dụng phổ biến làm chất nền cố định các tâm hoạt động trong vật liệu xúc tác. Vật
liệu cacbon được tìm ra và có ứng dụng rộng rãi quan trọng phải kể đến ống nano
cacbon, được phát hiện lần đầu vào năm 1991 bởi Tiến sĩ Iijima. Mặc dù có nhiều
tính chất đặc biệt nhưng việc phân tích ống nano cacbon gặp nhiều khó khăn. Một
số vật liệu nano cacbon điển hình khác như sợi nano cacbon và nano kim cương
cũng có những tính chất và ứng dụng quan trọng[24].
Mặt phẳng graphen (2D) được xem như đơn vị cơ sơ tạo thành các vật liệu
cacbon như quả bóng C60 fulluren (0D), ống nano cacbon (1D) và than chì (3D).
Vào năm 2004, Andre Geim, Konstantin Novoselov và các cộng sự ở trường
Đại học Manchester (Anh) và Viện Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga)
đã thành công trong việc tạo ra được một tấm cacbon đơn lớp vơ cùng đặc biệt, đơn
lớp đó gọi là graphen. Đến năm 2010, các cơng trình này đã đạt được giải thưởng
Nobel vật lý và mở ra một hướng nghiên cứu đột phá về vật liệu graphen[25].
1.2.2. Cấu trúc của graphen
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
8
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Về mặt cấu trúc màng graphen được tạo thành từ các nguyên tử cacbon sắp
xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay còn gọi là cấu trúc tổ ong.
Trong đó, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon gần nhất bằng
liên kết π-π, tương ứng với trạng thái lai hóa sp2. Khoảng cách giữa các nguyên tử
cacbon gần nhất là 0,142nm, chiều dày mỗi tấm graphen là 0,35 – 1,0 nm. Theo
nguyên lý Pauli, lai hóa sp2 sẽ đặc trưng cho mức độ bền vững trong cấu trúc phẳng
của màng graphen. Vân đạo p còn lại nằm vng góc với cấu trúc phẳng của màng,
xen phủ bên hình thành liên kết π, và mức năng lượng này chưa được lấp đầy nên
gọi là các vân đạo khơng định xứ, chính nó đã đóng vai trị quan trọng hình thành
nên các tính chất điện khác thường của graphen. Graphen được xem như vật liệu
mỏng nhất trong vũ trụ. Graphen cũng là cấu trúc cơ bản để hình thành các vật liệu
khác như graphit, ống nano cacbon, fullerene[26].
Hình 1.1. Cấu trúc của graphen
Hình 1.2. Các hình thái của graphen
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
9
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------1.2.3. Tính chất vật lý của graphen
a. Thân dầu – kỵ nước
Graphen có cấu trúc đơn lớp nguyên tử, có dạng tấm bao gồm các nguyên tử
cacbon sp² liên kết với nhau tạo thành mạng lưới tổ ong 2D. Điều này quyết định
nên tính chất của graphen là vật liệu kỵ nước – thân dầu[24].
b. Tỉ trọng
Ô đơn vị lục giác của graphen gồm mỗi cạnh là 2 nguyên tử sẽ có diện tích là
0.052 nm². Suy ra tỉ trọng của graphen là 0.77 mg/m². Với tỉ trọng thấp, graphen
nếu có cấu trúc xốp 3D sẽ là một trong những vật liệu nhẹ nhất giúp chúng dễ dàng
nổi trên bề mặt chất lỏng (có tỉ trọng cao hơn graphen ví dụ như nước).
c. Diện tích bề mặt
Diện tích bề mặt graphen khoảng 2600 m²/g, cao hơn diện tích bề mặt của
than hoạt tính và của ống nano cacbon, nên khả năng hấp phụ của graphen rất lớn.
d. Độ dẫn điện
Graphen đơn lớp có tính chất dẫn điện đặc biệt, năng lượng vùng cấm hầu
như khơng có. Điều này được giải thích dựa trên cấu trúc của graphen, trong đó mỗi
carbon ở trạng thái sp² sử dụng 3 obitan sp (mỗi obitan có 1 electron độc thân) liên
kết với 3 obitan sp của 3 carbon kế cận, cịn 1 obitan p (có chứa 1 electron độc
thân) sẽ xen phủ với các obitan p còn lại của các cacbon kế cận tạo mạng lưới liên
kết ᴨ-ᴨ rộng khắp. Do đó các electron có thể dễ dàng di chuyển giữa các obitan p
mà không gặp bất cứ trở ngại nào hay nói cách khác: graphen đơn lớp là vật liệu
siêu dẫn điện.
e. Độ dẫn nhiệt
Sự dẫn nhiệt của graphen bị chi phối bởi các photon và được đo xấp xỉ là
5000 Wm-1K-1 . Đồng thời ở nhiệt độ phịng, graphen có giá trị là 401 Wm-1K-1.
Như thế, graphen dẫn nhiệt tốt hơn đồng gấp 10 lần.
1.2.4. Phương pháp tổng hợp graphen
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
10
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Trong cấu trúc của graphite, các lớp graphen liên kết với nhau bằng lực
Vander Wall. Do khoảng cách giữa các lớp rất nhỏ (0,34nm) nên lực này tương tác
đáng kể khiến cho việc tách các lớp rất khó khăn. Hai phương pháp chủ yếu để chế
tạo graphen là:
a. Phương pháp đi từ trên xuống (top down)
Đây là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn
hơn. Bằng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thơ
thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất
hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng
làm vật liệu kết cấu).
Hình 1.3. Kỹ thuật chế tạo graphen từ graphit, phân tán graphen oxit (a), dung
dịch graphen oxit (b), tấm graphen oxit (c).
Đi từ than chì Graphit:
1.
Tách cơ học: dùng lực cơ học tách lớp Graphit.
2.
Dùng sóng siêu âm tách các lớp graphit trong dung dịch.
3.
Phương pháp điện hóa.
4.
Sự thủy hóa graphit.
Đi từ dẫn xuất graphit oxit (GO):
1.
Phương pháp phân tán dung dịch keo (GO colloid).
2.
Phương pháp khử hóa học graphen oxit trên cơ sở hòa tan (CRG).
3.
Phương pháp khử nhiệt.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
11
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------b. Phương pháp từ dưới lên (bottom up)
Đây là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử. Nguyên lý của
phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Bao gồm:
1.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học CVD.
2.
Phương pháp phóng điện hồ quang.
3.
Phương pháp epitaxy phát triển trên đế SiC.
Hình 1.4. Kỹ thuật chế tạo graphen từ CVD
Phương pháp đi từ dưới lên cho graphen tinh khiết hơn nhưng hàm lượng
graphen thu được theo phương pháp này là rất thấp. Hơn nữa giá thành sản xuất rất
cao nên phương pháp đi từ trên xuống thường được sử dụng trong các lĩnh vực
khơng địi hỏi q cao về độ tinh khiết của graphen. Đây là phương pháp mang lại
nhiều hiệu quả ở quy mơ phịng thí nghiệm.
1.2.5. Graphen với xử lý môi trường
Graphen được quan tâm nghiên cứu rất nhiều do đặc điểm cấu trúc độc đáo
và tính chất vượt trội. Hơn nữa. chi phí để sản xuất graphen thấp hơn so với vật liệu
nano cacbon khác. Vì thế, graphen ngày càng được quan tâm nghiên cứu trong các
lĩnh vực khác nhau như linh kiện điện tử, vật liệu cảm ứng, vật liệu xúc tác, xúc tác
quang học, tế bào năng lượng mặt trời, tăng cường tia Raman, tổng hợp hình ảnh
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hồng Thị Chi
12
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------phân tử và ứng dụng trong y học. Đặc biệt, graphen được chú ý như vật liệu hấp phụ
- xúc tác để xử lý các ion kim loại và các chất hữu cơ độc hại trong nước thải .
1.3. Giới thiệu chung về oxit graphen (GO)
Vì có cấu trúc dạng màng rất linh hoạt, graphen có khả năng thay đổi hoặc
chức hóa khung cacbon để hình thành vật liệu composit mới có nhiều ứng dụng.
Khi các nguyên tử cacbon lai hóa sp2 trong các lớp graphen bị oxi hóa lên
cacbon sp3, xuất hiện các nhóm chức bề mặt như -COOH, -OH, -C-O-C-, -C=O, …
Đó là một dạng biến đổi của graphen, được gọi là oxit graphen (kí hiệu là GO).
GO là một chất rắn màu nâu xám với tỉ lệ C:O trong khoảng 2:1 và 2:9 có
khả năng phân tán tốt trong nước và nhiều dung mơi khác, do đó, nó là một tiền chất
để sản xuất các vật liệu tổng hợp dựa trên graphen. GO xuất hiện lần đầu tiên cách
đây hơn 150 năm, nó được tạo ra bằng cách oxi hóa than chì nhờ các tác nhân oxi
hóa mạnh là KClO3 và HNO3. Vào năm 2004, khi xuất hiện graphen thì vật liệu này
bắt đầu được gọi là oxit graphen.
Theo quan điểm hóa học thì dường như khơng có nhiều sự phân biệt giữa hai
khái niệm này, tuy nhiên, hiểu chính xác thì oxit graphen chính là một đơn lớp của
oxit graphit (cũng tương tự như graphen là đơn lớp của graphit). Oxit graphen với
tính chất cơ bản giống như graphen nên đã được nhiều nhóm nghiên cứu làm chất
hấp phụ để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước.
1.3.1. Tổng hợp oxit graphen
Để oxi hóa graphit, sử dụng các chất oxi hóa mạnh với điều kiện, thời gian
tiến hành phản ứng thích hợp, graphite có thể bị oxi hóa ở các mức độ khác nhau.
Khi graphite bị oxi hóa, các nối đơi C=C dần bị thay thế bởi các nhóm chức phân
cực như –OH, -COOH, -CHO, nhóm epoxy… Hệ liên hợp của graphit bị phá hủy
nên graphit có màu nhạt hơn graphit ban đầu. Tùy theo phương pháp và loại graphit
sử dụng mà màu sắc graphit oxit khác nhau (tỉ lệ C/O lớn dung dịch có màu đen
nâu, tỉ lệ C/O nhỏ dung dịch có màu vàng). Sau khi oxi hóa, các tính chất của
graphit giảm đáng kể như tính dẫn điện, dẫn nhiệt…Các tác nhân oxi hóa thường
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
13
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------dùng là H2SO4 đặc, HNO3, KMnO4, KNO3,…Có ba phương pháp chủ yếu để điều
chế graphit oxit: phương pháp Brodie, phương pháp Staudenmeier, phương pháp
Hummers. Trong đó phương pháp Hummers được dùng khá phổ biến.
a. Phương pháp Brodie
Đây là phương pháp cổ điển ra đời sớm nhất vào năm 1859 bằng cách thêm
kali clorat để tạo dạng bùn của than chì với axit nitric đậm đặc[27].
Ưu điểm: đơn giản dễ thực hiện.
Nhược điểm: hao tốn nhiều hóa chất để rửa sản phẩm.
b. Phương pháp Staudenmeier
Năm 1898, Staudenmeier đã cải thiện phương pháp trên bằng cách sử dụng
hỗn hợp axit sulfuric đặc và axít nitric đặc. Sau đó thêm từ từ kali clorat vào hỗn
hợp. Sự thay đổi này trong quy trình đã khiến cho GO có mức oxy hóa cao hơn[28].
Ưu điểm: đơn giản.
Nhược điểm: thời gian phản ứng lâu, hệ khơng an tồn với người làm thí
nghiệm.
c. Phương pháp Hummers
Năm 1958, Hummer đã công bố phương pháp thay thế cho việc tổng hợp GO
bằng KMnO4 và NaNO3 trong H2SO4 đặc[29].
Ưu điểm: thao tác an toàn, tạo được graphite oxide với hiệu suất cao.
Nhược điểm: phức tạp qua nhiều giai đoạn.
d. Phương pháp Tour
Phương pháp Tour được cơng bố năm 2010 bởi nhóm của giáo sư Tour tại
đại học Rice( Mỹ), với sự thay đổi cơ bản so với phương pháp Hummers là không
sử dụng NaNO3, tăng lượng KMnO4 và sử dụng H3PO4. Phương pháp này sử dụng
tỷ lệ KMnO4: graphit = 6:1 và H2SO4: H3PO4 = 9: 1. Sản phẩm thu được có mức
oxy hóa cao[30].
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hồng Thị Chi
14
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------Ưu điểm: Khơng sử dụng NaNO3 để tránh sự tạo thành các khí độc hại như NO2,
N2O4 → quá trình thân thiện với môi trường hơn. Hơn nữa H3PO4 được xem là dễ
dàng chèn vào không gian giữa các lớp của graphen → hiệu suất sản phẩm GO cao
hơn và GO có số lớp thấp hơn so với phương pháp Hummers.
Với những ưu điểm nêu trên phương pháp Tour được lựa chọn để điều chế
GO trong báo cáo này.
1.3.2. Tâm hoạt động của graphen và oxit graphen
Quá trình hấp phụ các ion kim loại trên oxit graphen thường không phụ thuộc
đến lực ion mà phụ thuộc nhiều vào dung dịch pH. Một mặt giá trị pH cao có lợi
cho việc ion hóa của các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt oxit graphen. Do điện tử
trên bề mặt oxit graphen là âm nên sự tương tác tĩnh điện giữa các ion kim loại và
oxit graphen trở nên mạnh hơn. Mặt khác, với giá trị pH cao, các hydroxit kim loại
có thể hình thành kết tủa hay nhóm anion sẽ chiếm ưu thế. Thật là khó để hấp phụ
các anion trên oxit graphen do sự tích điện bề mặt của oxit graphen là âm, vì vậy giá
trị pH cần lựa chọn một cách cẩn thận để có hiệu quả cao. Ngồi ra sự hấp phụ các
kim loại trên oxit graphen không chỉ phụ thuộc vào pH hay tồn tại ion kim loại mà
còn của các chất hữu cơ.
1.3.3. Vật liệu dựa trên cơ sở graphen
Graphen và oxit graphen có cấu trúc dạng tấm, diện tích bề mặt lớn có thể
kết hợp với nhiều thành phần khác nhau để tạo nên vật liệu composit có các tính
chất vơ cùng đặc biệt, tạo điều kiện thiết kế và phát triển các thế hệ xúc tác tiếp
theo. Thông thường thành phần thứ hai là các kim loại, oxit kim loại, polime, hợp
chất hữu cơ, vật chất sinh học, khung kim loại hữu cơ, hoặc là các vật liệu nano[31].
a. Các hạt nano kim loại trên nền graphen
Các hạt nano kim loại được đính lên các tấm graphen thường là các hạt nano
kim loai như Pt, Pd, Ag, Fe, Cu, Ni, Co được sử dụng để tạo ra các vật liệu
composit kim loại/graphen. Để đưa các kim loại lên graphen ta cần chú ý đến kích
thước các hạt phân phối, bản chất, nồng độ, độ phân tán, thời gian và nhiệt độ lắng
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
15
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Hóa Học
--------------------------------------------------------------------------------------------đọng. Những yêu cầu trên cho phép liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các
hạt kim loại với các tấm graphen cho năng suất phân tán cao.
b. Các hạt oxit kim loại trên nền graphen
Sự phát triển vật liệu composit oxit kim loại/graphen đóng vai trị quan trọng
cải thiện ứng dụng nano oxit trong các lĩnh vực khác nhau như năng lượng, thiết bị
chuyển đổi và ghi nhớ, nano điện tử,… Ngoài ra các ứng dụng của vật liệu trong
lĩnh vực xúc tác đã phát triển vượt bậc trong ứng dụng làm xúc tác quang học. Cho
đến nay các oxit kim loại đã được tổng hợp trên nền graphen bao gồm TiO2, SiO2,
ZnO, MnO2, Fe3O4, Co3O4, Cu2O, RuO2, Al2O3, ZnFeO4, BiWO6 và LiFePO4 .
Một khó khăn quan trọng trong việc tổng hợp vật liệu là phân tán đồng đều
các oxit kim loại trên graphen, làm tăng các tính chất quan trọng của vật liệu như
tính dẫn điện, quang học và từ tính. Cách phổ biến nhất để tổng hợp ra các vật liệu
oxit kim loại/graphen là các muối của kim loại được trộn với GO sau đó được
chuyển đổi sang oxit tương ứng.
1.3.4. Ứng dụng
Từ khi được phát hiện, graphen nhanh chóng trở thành vật liệu mới nổi bật
trong cơng nghệ xúc tác – hấp phụ. Các vật liệu tổng hợp dựa trên graphen thường
có các tính chất hóa học và cấu trúc đặc biệt nên chủ yếu được sử dụng để khử các
chất gây ơ nhiễm có trong nước[1,2,4].
a. Hấp phụ[32]
Quá trình hấp phụ là một phương pháp chủ yếu và rất hiệu quả trong việc xử
lý nước thải. Nó là một hiện tượng xảy ra ở bề mặt, trong đó các chất bị hấp phụ hút
bám vào bề mặt của vật liệu hấp phụ rắn bằng liên kết vật lý hay liên kết hóa học.
Oxit graphen khi kết hợp với các oxit kim loại đã trở thành vật liệu hấp phụ rất tốt
các chất gây ô nhiễm khác nhau trong nước kể cả chất vô cơ và hữu cơ.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Luận văn thạc sĩ
Hoàng Thị Chi
16
