Tài liệu Nghiên cứu sự hấp phụ của 2,4 d và 2,4,5 t trong môi trường nước bằng vật liệu ống nano cacbon (cnts) tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- HOÀNG KIM HUẾ NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ 2,4-D VÀ 2,4,5-T TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU ỐNG NANO CACBON (CNTs) Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 9 44 01 19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI - 2019 Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Lâm Vĩnh Ánh 2. TS Tô Văn Thiệp Phản biện 1: GS.TS Tạ Ngọc Đôn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Vũ Anh Tuấn Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tường Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi ... h .... ph, ngày ... tháng ... năm 2019. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. - Thư viện Quốc gia Việt Nam. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1. Hoàng Kim Huế, Lâm Vĩnh Ánh, Tô Văn Thiệp, Phạm Trung Kiên (2016), Một số kết quả ban đầu quá trình tinh chế vật liệu ống nano cacbon (CNTs) tổng hợp theo phương pháp CVD, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, 5(3), tr. 52 - 62. 2. Hoàng Kim Huế, Lâm Vĩnh Ánh, Tô Văn Thiệp, Phùng Thị Lan (2017), Nghiên cứu tinh chế vật liệu ống nano cacbon ứng dụng hấp phụ chất diệt cỏ 2,4-D trong dung dịch nước, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, 6(2), tr. 100 106. 3. Hoàng Kim Huế, Lâm Vĩnh Ánh, Tô Văn Thiệp, Nguyễn Hoàng Dũng (2017), Nghiên cứu hoạt hóa vật liệu ống nano cacbon ứng dụng hấp phụ 2,4-diclophenoxyaxetic axit, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, 52, tr. 186 - 193. 4. Hoang Kim Hue, Lam Vinh Anh, To Van Thiep (2018), Study of the adsorption of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid from the aqueous solution onto carbon nanotubes, Vietnam Journal of Chemistry, 56(2), pp. 191 - 197. 5. Hoang Kim Hue, Lam Vinh Anh, Dinh Bao Trong (2018), Study of the adsorption of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid from the aqueous solution onto activated carbon, Vietnam Journal of Chemistry, 56(2), pp. 208 - 214. 6. Hoang Kim Hue, Lam Vinh Anh, Le Minh Cam (2018), Comparative Study of 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid Adsorption onto Alkali-activated Carbon Nanotubes and Activated Carbon, Eleventh internation conference on the Remediation of chlorinated and Recalcitrant compounds, California, US, pp. 32. 7. Hoàng Kim Huế, Lâm Vĩnh Ánh (2018), Nghiên cứu sự hấp phụ chất diệt cỏ 2,4,5-T trong dung dịch nước trên vật liệu ống nano cacbon hoạt tính, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, 7(1), tr. 78 - 85. 1 MỞ ĐẦU Ở nước ta, do hậu quả của chiến tranh để lại, bị ô nhiễm nghiêm trọng các chất diệt cỏ 2,4-diclophenoxyaxetic axit (2,4-D), 2,4,5-triclophenoxyaxetic axit (2,4,5-T) và dioxin ở các sân bay Biên Hòa, Phù Cát và Đà Nẵng. Tổng lượng đất và trầm tích ô nhiễm gần 700.000 m3. Đến nay, chính phủ Việt Nam và Hoa kỳ đã xử lý được gần 90.000 m3 bằng công nghệ giải hấp nhiệt trong mố tại sân bay Đà Nẵng. 225.000 m3 đất và trầm tích bị nhiễm đã được chôn lấp cô lập tại sân bay Phù Cát, Biên Hòa và Đà Nẵng. Lượng lớn đất, trầm tích và nước tại các hồ bị nhiễm còn lại tại sân bay Biên Hoà cần được xử lý bằng công nghệ phù hợp. Tuy nhiên, với những công nghệ đã và đang nghiên cứu, áp dụng tại Việt Nam đều có sản phẩm phụ là dung dịch bị nhiễm chất diệt cỏ cần được tiếp tục xử lý bằng các vật liệu hấp phụ. Ngày nay nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường phát triển mạnh. Các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu tìm ra các loại vật liệu hấp phụ mới có hoạt tính hấp phụ tốt. Trong vài thập kỷ gần đây vật liệu ống nano cacbon (CNTs) đang được quan tâm nghiên cứu. CNTs có cấu trúc mao quản đồng đều, có lực mao quản, kỵ nước và có thể tạo tương tác π - π với các phân tử 2,4-D, 2,4,5-T và dioxin. Ngoài ra, CNTs còn có tính bền nhiệt nên có thể hoàn nguyên. Vì thế, CNTs được dự đoán là vật liệu hấp phụ đầy hứa hẹn cho xử lý dung dịch bị ô nhiễm 2,4-D, 2,4,5-T và dioxin. Đề tài nghiên cứu của luận án là: “Nghiên cứu sự hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước bằng vật liệu ống nano cacbon (CNTs)”. Mục tiêu của luận án: Xây dựng quy trình tinh chế và hoạt hóa CNTs từ nguồn CNTs tổng hợp ở trong nước dùng để hấp phụ chất diệt cỏ 2,4-D và 2,4,5-T. Nghiên cứu tính chất hấp phụ chất diệt cỏ 2,4-D và 2,4,5-T trên CNTs tinh chế và CNTs hoạt hóa trong môi trường nước. Các nội dung chính của luận án: Nghiên cứu xây dựng quy trình tinh chế CNTs tổng hợp ở trong nước. Nghiên cứu lựa chọn điều kiện hoạt hoá CNTs tinh chế. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của 2,4-D trên CNTs tinh chế và CNTs hoạt hóa. Nghiên cứu thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ, xác định các thông số nhiệt động học, năng lượng hoạt hóa của sự hấp phụ 2,4-D trên CNTs tinh chế và CNTs hoạt hóa. 2 Nghiên cứu thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ, xác định các thông số nhiệt động học và năng lượng hoạt hóa của sự hấp phụ 2,4,5-T trên CNTs hoạt hóa. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: Đã nghiên cứu xây dựng quy trình tinh chế CNTs được tổng hợp ở trong nước và phương thức hoạt hóa CNTs đã tinh chế để nâng cao độ tinh khiết, diện tích bề mặt, thể tích mao quản và khả năng hấp phụ 2,4-D của CNTs. Đã nghiên cứu làm rõ đặc điểm hấp phụ của 2,4-D, 2,4,5-T trên CNTs tinh chế và CNTs hoạt hóa. Bố cục của luận án: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu; Chương 3: Kết quả và thảo luận; Kết luận. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về chất diệt cỏ 2,4-D và 2,4,5-T 1.1.1 Lịch sử sử dụng và độc tính 2,4-D và 2,4,5-T được sử dụng trong nông nghiệp từ thập niên 40 của thế kỷ trước. Các hợp chất của chúng được quân đội Mỹ nghiên cứu và pha chế thành hỗn hợp các chất diệt cỏ sử dụng trong chiến tranh tại miền Nam Việt Nam từ năm 1961 đến 1971. Ngày này, 2,4-D và 2,4,5-T đã bị cấm sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới, do có độc tính nghiêm trọng đến mắt, hệ thần kinh, nội tiết, hệ miễn dịch và nguy cơ gây ung thư máu. Đặc biệt, các phân tử 2,4,5-triclophenol là sản phẩm phân hủy của 2,4,5-T có thể tổ hợp với nhau thành dioxin nếu tồn tại lâu trong môi trường. 1.1.2 Đặc điểm cấu tạo, tính chất vật lý và hóa học của 2,4-D và 2,4,5-T - 2,4-D và 2,4,5-T là các axit có gốc là nhóm phenoxy, trong phân tử có hệ electron π liên hợp của nhân benzen. - pKa,2,4-D = 2,73; pKa,2,4,5-T = 2,88. - logKOW,2,4-D = 2,81; logKOW,2,4,5-T = 4,00. - Trong môi trường nước 2,4-D và 2,4,5-T bị phân ly thành anion gốc axit. 1.1.3 Nguồn ô nhiễm và hiện trạng ô nhiễm 2,4-D và 2,4,5-T ở Việt Nam - Chất diệt cỏ dùng trong nông nghiệp. - Chất diệt cỏ do quân đội Mỹ sử dụng trong chiến tranh tại Việt Nam. 1.1.4 Một số biện pháp xử lý nguồn ô nhiễm chất diệt cỏ sử dụng trong chiến tranh tại Việt Nam 3 1.1.5 Tình hình nghiên cứu sự hấp phụ chất diệt cỏ 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước trên vật liệu cacbon 1.2 Vật liệu ống nano cacbon và đặc điểm hấp phụ các hợp chất hữu cơ 1.2.1 Khái quát chung về vật liệu nano cacbon 1.2.2 Cấu trúc của vật liệu CNTs 1.2.2.1 Cấu trúc tinh thể CNTs được xem như tấm graphit cuộn tròn hình trụ rỗng, hai đầu ống thường bịt kín bởi hai bán cầu fulluren. Đường kính ống CNTs khoảng vài nm, chiều dài khoảng vài µm đến vài cm. Các nguyên tử cacbon liên kết cộng hóa trị với nhau tạo thành các vòng 6 cạnh xếp chặt khít. Mỗi nguyên tử cacbon có 4 electron ở lớp ngoài cùng tạo thành 3 liên kết σ đã lai hóa sp 2 và orbital π. Tùy theo số tường trong ống mà CNTs được chia thành loại đơn tường (SWCNTs) và đa tường (MWCNTs). Do lực tương tác π-π giữa các ống CNTs có khuynh hướng tập hợp lại thành các bó, khoảng cách giữa các ống CNTs trong một bó ≈ 0,34 nm. Ngoài ra, các ống CNTs có thể có các khuyết tật dị nguyên tố, mở rộng hoặc thu hẹp vòng 6 cạnh. 1.2.2.2 Cấu trúc xốp Diện tích bề mặt của CNTs phụ thuộc vào đường kính ống, số tường, ống mở hay đóng, trạng thái tập hợp bó hay riêng rẽ, nhóm chức bề mặt trên CNTs và tạp chất kim loại trong lõi ống. SWCNTs có đường kính trong lõi ống thường nhỏ hơn 2 nm, còn đường kính trong lõi ống của MWCNTs thường từ 2 ÷ 15 nm. 1.2.3 Hóa học bề mặt của vật liệu CNTs 1.2.4 Đặc điểm hấp phụ các hợp chất hữu cơ trên vật liệu CNTs 1.2.4.1 Sự hấp phụ không đồng nhất 1.2.4.2 Nhiều cơ chế hoạt động đồng thời Tương tác kỵ nước, tương tác tĩnh điện, tương tác π-π, liên kết hydro. 1.2.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ - Ảnh hưởng bởi các tính chất của CNTs: diện tích bề mặt; thể tích mao quản; đường kính ống; nhóm chức oxi; trạng thái tập hợp bó. - Ảnh hưởng bởi hợp chất hữu cơ: hình học phân tử; nhóm chức. - Ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường: nhiệt độ; pH; lực ion. 1.2.5 Phương pháp điều chế vật liệu CNTs 1.2.5.1 Phương pháp tổng hợp 4 CNTs có thể được tổng hợp theo phương pháp hồ quang, laze và lắng đọng hóa học trong pha hơi (CVD). Trong đó, phương pháp CVD được sử dụng rộng rãi vì sản lượng tổng hợp cao, nhưng CNTs tổng hợp theo phương pháp này có chứa nhiều tạp chất cacbon vô định hình, hợp chất hữu cơ vòng thơm và kim loại. 1.2.5.2 Phương pháp tinh chế - Phương pháp hóa học sử dụng các kỹ thuật như: oxi hóa trong pha khí; oxi hóa trong pha lỏng; oxi hóa điện hóa và xử lý với axit HCl. - Phương pháp vật lý sử dụng các kỹ thuật như: lọc; ly tâm và luyện ở nhiệt độ cao. - Phương pháp tích hợp: kết hợp phương pháp vật lý và hóa học. 1.2.5.3 Phương pháp hoạt hóa Phương pháp hóa học có hiệu quả làm tăng diện tích bề mặt và phân bố kích thước mao quản hẹp của CNTs hơn phương pháp vật lý. 1.3 Cơ sở lý thuyết hấp phụ liên quan đến luận án 1.3.1 Khái niệm và phân loại hấp phụ 1.3.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Phương trình Langmuir có dạng (1.12) và phương trình Freundlich có dạng (1.15) như sau: 1 KL Ce (1.12) (1.15) qe = qm qe = KF Cne 1 + KL Ce Trong đó, Ce (mg/L): nồng của chất tan trong dung dịch tại thời điểm cân bằng; qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g); K L: hằng số Langmuir; KF (l/g) và n: hằng số Freundlich. 1.3.3 Phương trình động học hấp phụ - Hai phương trình động học biểu kiến bậc 1 và bậc 2 được dùng để mô tả quá trình hấp phụ có dạng (1.17) và (1.18) như sau: t 1 1 = + t (1.18) v0 = k2 q2e (1.19) ln(qe - qt ) = lnqt - k1 t (1.17) qt v0 qe Trong đó, k1 (phút-1) và k2 (g/mg.phút): hằng số tốc độ biểu kiên bậc 1 và bậc 2; qt: dung lượng hấp phụ tại t (mg/g); v0: tốc độ hấp phụ đầu. - Mô hình động học khuếch tán Weber - Morris: qt = kd t1⁄2 + L (1.21) Trong đó, kd: hằng số tốc độ khuếch tán (mg/g.phút0.5). Nếu L = 0: giai đoạn khuếch tán nội hạt điều khiển tốc độ hấp phụ; L ≠0: cả giải đoạn khuếch tán màng và nội hạt đều điều khiển tốc độ hấp phụ. 5 1.3.4 Điều kiện nhiệt động học và động học CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Các chất diệt cỏ 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước. - CNTs được tổng hợp ở Việt Nam (CNT-TH). 2.2 Hóa chất và thiết bị 2.2.1 Hóa chất Chất chuẩn 2,4-D và 2,4,5-T độ tinh khiết 99,9 %; toluen, ACN, HCl, HF, HNO3, CH3COOH, KOH, NaOH và CaCl2 có độ sạch dùng cho phân tích; khí N2 xuất xứ Việt Nam, có độ tinh khiết 99,999 %; CNT-TH được tổng hợp trong nước theo phương pháp CVD, đường kính ống: 10 ÷ 30 nm, SBET: 170 ÷ 200 m2/g. CNT-TQ là MWCNTs của Trung Quốc, đường kính ống: 10 ÷ 20 nm, chiều dài ống: 5 ÷ 15 µm, độ tinh khiết lớn hơn 97 %; Than hoạt tính Shirasagi - Z1 (AC) của Nhật Bản, đã được nghiên cứu sử dụng trong công nghệ tích hợp. 2.2.2 Thiết bị Máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) Agilent HP - 1100; Máy sắc ký khí GC - 6890 và bộ ghi nhận tín hiệu MS 5975 của hãng Agilent; Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS - 300 - USA; Máy đo pH Hanna HI 2211; Cân phân tích Toledo AB204 - S; Máy chiết soxhlet; Máy siêu âm; Máy lắc điều nhiệt; Tủ sấy chân không; Lò nung ống SRJX - 2,5 -13. 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Xây dựng quy trình tinh chế CNT-TH Quy trình tinh chế được xây dựng dựa trên các kỹ thuật bao gồm: chiết soxhlet; oxi hóa trong pha lỏng với HNO3; oxi hóa trong không khí; xử lý với axit HCl, HF; luyện tại nhiệt độ 900 ˚C trong môi trường khí N2. Hiệu suất tinh chế (HTC) của quá trình tinh chế và hiệu suất xử lý Fe (HFe) được tính toán theo biểu thức (2.1) và (2.2) như sau: mFe,s ms HFe (%)= ∙100 (2.2) HTC (%)= ∙100 (2.1) mFe,t mt Trong đó, mt: khối lượng mẫu trước khi tinh chế (g); ms: khối lượng mẫu sau khi tinh chế (g); mFe,t: lượng Fe trong mẫu trước khi tinh chế; mFe,s: lượng Fe trong mẫu sau khi tinh chế. 2.3.2 Khảo sát điều kiện hoạt hóa CNT-TC 6 Nghiền cơ học hỗn hợp CNT-TC và KOH theo tỷ lệ a/1, sau đó nung hỗn hợp y h ở nhiệt độ x ˚C trong môi trường khí N2 có lưu lượng z mL/phút. Rửa sản phẩm với HCl và nước cất đến môi trường trung tính, sấy khô và bảo quản trong bình hút ẩm. 2.3.3 Khảo sát quá trình hấp phụ 2.2.3.1 Chuẩn bị dung dịch hấp phụ 2.3.3.2 Điều kiện nghiên cứu quá trình hấp phụ Quá trình hấp phụ được nghiên cứu theo phương pháp mẻ. Khoảng nồng độ khảo sát của 2,4-D: 52,2 ÷ 205,7 mg/L; 2,4,5-T: 53,0 ÷ 200,0 mg/L. - Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ: thể tích dung dịch (V): 50 mL; khối lượng vật liệu hấp phụ 2,4-D (m2,4-D): 50 mg; m2,4,5-T: 25 mg; pH = 6; nhiệt độ: 30 ˚C; tốc độ lắc: 150 vòng/phút; thời điểm lấy mẫu: 24 h. - Nghiên cứu động học hấp phụ: V: 100 mL; m2,4-D: 100 mg; m2,4,5-T: 50 mg; pH = 6; nhiệt độ: 30 ˚C; tốc độ lắc: 150 vòng/phút; thời điểm lấy mẫu: 1; 2; 5; 8; 10; 12; 15; 20; 30; 40; 60; 90 và 120 phút. - Khảo sát ảnh hưởng: nhiệt độ ở 10, 20, 30 và 40 ˚C; pH từ 3 ÷ 9; lực ion (nồng độ CaCl2) ở 0; 0,005; 0,01; 0,1; 0,5 và 1 mol/L. Thể tích lấy mẫu, lọc qua màng siêu lọc: 0,5 mL. 2.3.3.3 Xác định khả năng hấp phụ của vật liệu Dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (qt,mg/L) và thời điểm cân bằng (qe,mg/L) được tính theo công thức: C0 - Ct C0 - Ce (2.3) (2.4) qt = ∙V qe = ∙V m m Hiệu suất hấp phụ (HHP): C0 - Ce HHP = ∙100 (2.5) C0 Trong đó, C0, Ct, Ce lần lượt là nồng độ 2,4-D hay 2,4,5-T trong dung dịch ban đầu, tại thời điểm t và tại thời điểm cân bằng (mg/L). 2.2.3.4 Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ Theo phương pháp hồi quy tuyến tính số liệu thực nghiệm. 2.2.3.5 Thiết lập động học hấp phụ Theo phương pháp hồi quy tuyến tính số liệu thực nghiệm. 2.2.3.6 Đánh giá mức độ phù hợp của mô hình đẳng nhiệt Mức độ phù hợp của mô hình được đánh giá thông qua hệ số tương quan của phương trình tuyến tính (R2) và sai số tương đối trung bình (ARE) được xác định theo công thức sau: 7 p |qe,tti - qe,tni | 100 ARE= ∑ p qe,tni (2.6) i-1 Trong đó, p: số điểm thực nghiệm; qe,tni: dung lượng hấp phụ thực nghiệm (mg/g); qe,tti: dung lượng hấp phụ tính toán theo mô hình của điểm thực nghiệm thứ i (mg/g); Cei: nồng độ chất tan tại thời điểm cân bằng (mg/L). 2.3.4 Phương pháp xác định nồng độ 2,4-D và 2,4,5-T trên HPLC Nồng độ 2,4-D và 2,4,5-T trong dung dịch được phân tích trên thiết bị HPLC. Pha động: ACN:H2O:axit axetic = 50:49:1 (V:V:V); tốc độ dòng: 1 ml/phút; thể tích vòng bơm mẫu: 20 µl; bước sóng: λ = 280 nm; nhiệt độ cột: 30 ˚C. 2.3.6 Phương pháp phân tích thành phần và cấu trúc vật liệu Đặc trưng cấu trúc và thành phần của vật liệu được phát hiện bằng các phương pháp: TEM, XRD, EDX, IR, Raman, TEM, SEM, TGA/DTA, đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2, chuẩn độ axit - bazơ, phân tích thành phần tạp chất hữu cơ trong CNTs theo phương pháp GC-MS, phân tích Fe trong CNTs theo phương pháp AAS. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu tinh chế vật liệu ống nano cacbon 3.1.1 Đặc trưng cấu trúc và thành phần tạp chất của CNT-TH 3.1.1.1 Đặc trưng cấu trúc Cường độ tương đối 400 CNT-TH 300 CNT-TQ 200 100 0 20 30 40 50 60 70 80 2 θ (độ) Hình 3.1: Giản đồ XRD của Hình 3.2: Ảnh TEM CNT-TH và CNT-TQ của CNT-TH Phổ nhiễu xạ XRD của CNT-TH và CNT-TQ tương tự nhau (hình 3.1), có cường độ đặc trưng của các mặt phẳng phản xạ thuộc graphit. Kết hợp với ảnh TEM của CNT-TH có dạng hình ống, đầu ống bị bịt kín, đường kính ngoài của ống từ 10 ÷ 30 nm (hình 3.2). Chứng tỏ CNT-TH là MWCNTs. CNT-TH có diện tích bề mặt riêng, thể tích và đường kính mao quản lần lượt là 170 m2/g, 0,897 cm3/g và 21,113 nm. 8 3.1.1.2 Thành phần tạp chất và độ tinh khiết của CNT-TH Hình 3.5: Giản đồ TGA/DTA của CNT-TH Hình 3.6: Giản đồ EDX trong môi trường không khí của CNT-TH Kết quả phân tích GC-MS, TEM, TGA/DTA (hình 3.5) và EDX (hình 3.6) cho thấy: CNT-TH có các tạp chất hữu cơ, cacbon vô định hình, Al, Fe, Si. Độ tinh khiết của CNT-TH được xác định khoảng 75,43 %. 3.1.2 Xây dựng quy trình tinh chế CNT-TH 3.1.2.1 Xử lý tạp chất hữu cơ Tạp chất hữu cơ có thể được xử lý bằng chiết soxhlet CNT-TH với toluen, thời gian chiết được khảo sát ở 6; 12; 24 và 48 h. Kết quả phân tích dịch chiết trên GC-MS cho thấy thời gian chiết 24 h là phù hợp. 3.1.2.2 Xử lý kim loại * Lựa chọn kỹ thuật xử lý kim loại Al có thể được xử lý bằng HNO3 hoặc HCl, Si có thể được xử lý bằng HF. Khó khăn nhất là xử lý Fe bị “nhốt” chặt trong lõi ống CNT-TH. Vì thế cần khảo sát lựa chọn kỹ thuật xử lý Fe. (a) Kết quả cho thấy, mẫu KL2 thu được khi xử lý CNT-TH với HNO3 có hàm lượng Fe nhỏ nhất đạt 0,06 %, nhưng HHP(2,4-D) của KL2 thấp hơn của CNT-TH. Cho nên HNO3 không được sử dụng để (b) tinh chế CNT-TH. Nếu chỉ oxi hóa trong không khí hoặc xử lý CNT-TH với HCl thì HHP(2,4-D) và Hình 3.9: Ảnh SEM HFe tăng không đáng kể. Nhưng oxi hóa CNT-TH của KL2 (a) và KL4 (b) trong không khí, sau đó xử lý với HCl (HK4) thì H Fe tăng đến 73,56 % và HHP(2,4-D) tăng từ 64,39 lên 69,56 %, các ống CNTs của mẫu KL4 không bị cắt thành các đoạn ngắn như ở mẫu KL2 (hình 3.9). Hơn nữa, nếu quá trình trên được lặp lại lần 2, thì HFe tăng đến 94,42 % và HHP(2,4-D) đạt 80,16 %. Như vậy, các kỹ thuật xử lý Fe, Al và Si được lựa chọn là oxi hóa trong không khí và xử lý với các axit HCl, HF. Ngoài ra, khi oxi hóa CNT-TH 9 trong không khí cũng xử lý được cabon vô định hình. Cho nên cần khảo sát lựa chọn điều kiện oxi hóa trong không khí thích hợp. * Lựa chọn điều kiện oxi hóa trong không khí Các điều kiện oxi hóa trong không khí được khảo sát bao gồm: nhiệt độ ở 360, 400, 420, 440 và 460; thời gian oxi hóa trong không khí lần 1 ở 1, 2, 3, 4 và 5 h; thời gian oxi hóa lần 2 ở 20, 40, 60 và 90 phút. Điều kiện lựa chọn dựa trên đánh giá về HFe, HHP(2,4-D) và HTC là nhiệt độ: 440 ˚C; thời gian oxi hóa lần 1: 4 h; thời gian oxi hóa lần 2: 40 phút. 3.1.2.3 Xử lý nhóm chức oxi Quá trình oxi hóa trong không khí tuy xảy ra “êm dịu” hơn oxi hóa bằng HNO3, những cũng tạo thêm các nhóm chức oxi trên bề mặt CNTs. Điều này làm giảm độ tinh khiết của CNTs và khả năng hấp phụ 2,4-D có thể giảm, nếu hàm lượng nhóm chức oxi trên CNTs từ 3,84 ÷ 22,8 %. Vì thế, CNTs cần được xử lý bằng kỹ thuật luyện tại 900 ˚C trong khí N 2.Trong nghiên cứu này, thời gian luyện được khảo sát ở 0; 0,5; 1; 2; 3 và 4 h. Kết quả cho thấy thời gian luyện thích hợp là 1 h. Tóm lại: Từ các kết quả nghiên cứu trên có thể đưa ra quy trình tinh chế CNT-TH thích hợp như sơ đồ ở hình 3.14. Việc áp dụng quy trình tinh chế đối với mẫu CNT-TH có thể xử lý được 94,42 % Fe và khả năng hấp phụ 2,4-D tăng từ 64,3 lên tới 83,24 %, Mẫu sau tinh chế Hình 3.14: Quy trình tinh chế CNT-TH được ký hiệu là CNT-TC. 3.1.3 Đặc trưng hóa lý và độ tinh khiết của CNT-TC 3.1.3.1 Đặc trưng hóa lý Kết quả XRD và TEM cho thấy, quá trình tinh chế không phá hủy cấu trúc tinh thể MWCNTs, các ống của CNT-TC có hình dạng sợi dài, lõi ống rỗng và thông thoáng, đầu ống đã được mở, các hạt màu đen trong lõi và các chất chất màu đen bao phủ trên thành ống giảm đáng kể. Diện tích bề mặt riêng BET tăng từ 170 lên 267 m2/g và thể tích mao quản Hình 3.16: Ảnh TEM tăng từ 0,897 lên 1,426 cm3/g. của CNT-TC 10 (a) 100 95 90 85 (b) 1700 SBET (m2/g) Hiệu suất hấp phụ (%) 3.1.3.2 Độ tinh khiết của CNT-TC Kết quả TGA cho thấy CNT-TC bị mất khoảng 99,91 % khối lượng do CNTs cháy phân hủy ở vùng 500 ÷ 700 ˚C, lượng cặn thu được sau 900 ˚C chiếm 0,09 %, phù hợp lượng Fe được xác định theo AAS là 0,08 %. Ngoài ra, giản đồ EDX của CNT-TC hầu như không còn tín hiệu của Al, Si và Fe, chỉ có Hình 3.20: Giản đồ EDX của CNT-TC tín hiệu 97,70 % C và 2,30 % O. Như vậy, độ tinh khiết của CNT-TC khoảng 97,61 %, CNT-TC có chất lượng thương phẩm cao hơn CNT-TQ. 3.2 Nghiên cứu hoạt hóa vật liệu 3.2.1 Các điều kiện hoạt hóa CNT-TC 1200 700 200 80 CNT-TC CNT-HK CNT-HNa CNT-TC CNT-HK CNT-HNa AC AC 100 98 96 94 92 90 (a) 600 SBET (m2/g) Hiệu suất hấp phụ (%) Hình 3.21: Khả năng hấp phụ 2,4-D (a) và diện tích bề mặt (b) của CNT-TC, CNT-HK, CNT-HNa và AC (C0 = 52,2 mg/L) (b) 500 400 300 200 1 2 3 4 5 6 7 1 8 2 3 4 5 6 7 8 Tỷ lệ KOH/CNT-TC Tỷ lệ KOH/CNT-TC Hình 3.22: Ảnh hưởng của tỷ lệ KOH dùng để hoạt hóa CNT-TC đến khả năng hấp phụ 2,4-D (a) và diện tích bề mặt (b) của HKi (C0 = 52,2 mg/L) 98 96 94 92 90 500 600 700 800 900 1000 Nhiệt độ (˚C) 99 Hiệu suất hấp phụ (%) Hiệu suất hấp phụ (%) Hiệu suất hấp phụ (%) 100 98 97 96 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Thời gian (h) 100 98 96 94 0 500 1000 1500 Lưu lượng thổi khí (mL/phút) Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.23; 3.24; 3.25: Ảnh hưởng của nhiệt độ; thời gian và tốc độ thổi khí N2 đến khả năng hấp phụ 2,4-D của HKi (C0 = 52,2 mg/L) 11 Các điều kiện thích hợp được lựa chọn để hoạt hóa CNT-TC là: tác nhân hoạt hóa: KOH; tỷ lệ KOH/CNT-TC: 5/1; nhiệt độ hoạt hóa: 800 ˚C; thời gian hoạt: 1 h và lưu lượng thổi khí N2: 500 mL/phút. 3.2.2 Đặc trưng hóa lý của CNT-HKi Độ hấp thụ quang (Abs) dV/dD (cm3/g.nm) Hình 3.27: Ảnh TEM của CNT-HK5 0.12 0.09 0.06 0.03 0 0.05 0.04 0.03 CNT-TC CNT-HK5 0.02 0.01 0 3 4 D (nm) CNT-TC CNT-HK5 5 6 3500 Hình 3.29: Phân bố kích thước mao quản của CNT-TC và CNT-HKi Bảng 3.8: pHPZC của CNT-TC và CNT-HKi Vật liệu pHPZC CNT-TC 8,45 CNT-HK3 7,40 CNT-HK5 7,10 CNT-HK7 6,80 2500 Tần số CNT-HK3 CNT-HK7 1500 500 (cm-1) Hình 3.30: Phổ IR của CNT-TC và CNT-HK5 Cường độ tương đối 2 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000 D G CNT-TC CNT-HK5 1200 1400 1600 1800 Tần số (cm-1) Hình 3.32: Phổ Raman của CNT-TC và CNT-HK5 Theo kết quả XRD cho thấy, quá trình hoạt hóa không phá vỡ cấu trúc tinh thể MWCNTs, nhưng làm tăng khuyết tật (hình 3.27). Diện tích bề mặt riêng được tăng lên đáng kể từ 267 lên 540 m2/g và thể tích mao quản có đường kính từ 3,2 ÷ 4,2 nm tăng lên 2,5 lần (hình 3.29). CNTs hoạt hóa không có các nhóm chức khác so với CNT-TC (hình 3.30), nhưng giá trị pHPZC giảm theo chiều tăng của tỷ lệ KOH/CNT-TC (bảng 3.8). Ngoài ra, kết quả phân tích Raman cho thấy, mật độ cacbon lai hóa sp2 trên một đơn vị diện tích bề mặt giảm sau quá trình hoạt hóa (hình 3.32). 12 Hiệu suất hấp phụ (%) Hiệu suất hấp phụ (%) qe(mg/g) qe(mg/g) qe (mg/g) 3.3 Nghiên cứu nhiệt động học hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu ống nano cacbon 3.3.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi CNT-TC CNT-HK3 3.3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ đầu 2,4-D CNT-HK5 CNT-HK7 150 3.3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ Dung lượng hấp phụ 2,4-D của CNT-TC và 120 90 CNT-HKi giảm cùng với chiều tăng của nhiệt 60 độ (hình 3.34). Đây là dấu hiệu của quá trình 30 50 75 100 125 150 175 200 Cₒ (mg/l) hấp phụ tỏa nhiệt và mang bản chất vật lý. Hình 3.33: Ảnh hưởng 3.3.1.3 Ảnh hưởng của pH nồng độ đầu 2,4-D Khả năng hấp phụ 2,4-D của CNT-TC và của 48 (a) CNT-HKi giảm khi pH của dung dịch tiến gần 46 44 đến giá trị pHPZC và tiếp tục giảm không đáng 42 kể nếu pH của dung dịch vượt quá giá trị này 40 0 10 20 30 40 50 (hình 3.35). Điều này có thể được giải thích T (˚C) dựa vào lực tương tác tĩnh điện giữa chúng. 52 (b) Thực vậy, ở pKa, 2,4-D= 2,73 < pHdd < pHPZC, 51.5 2,4-D tồn tại ở dạng anion trong dung dịch còn 51 bề mặt vật liệu mang điện tích dương, giữa 50.5 0 10 20 30 40 50 chúng có lực hút tĩnh điện. Lực hút tĩnh điện T (˚C) giảm khi pHđd tiến gần về pHPZC và xuất hiện Hình 3.34: Ảnh hưởng lực đẩy tĩnh điện khi pHdd > pHPZC, vì khi đó của nhiệt độ bề mặt vật liệu mang điện tích âm. Cho nên, 100 (a) 95 khả năng hấp phụ giảm khi lực hút tĩnh điện 90 giảm và thay đổi không đáng kể khi giữa chúng 85 80 xuất hiện lực đẩy. 75 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3.3.1.4 Ảnh hưởng của lực ion pH Khả năng hấp phụ 2,4-D của CNT-TC và 100 (b) 99 CNT-HKi tăng khi nồng độ CaCl2 trong dung 98 dịch 2,4-D ban đầu tăng. Bởi vì sự có mặt của 97 muối trong dung dịch đã gây ra sự ép lớp 96 95 khuếch tán kép trên vật liệu, tạo điều kiện 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pH thuận lợi cho sự hút tĩnh điện và do đó thuận Hình 3.35: Ảnh hưởng lợi cho quá trình hấp phụ. của pH 13 3.3.2 Nghiên cứu thiết lập mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi 3.3.2.1 Thiết lập mô hình đẳng nhiệt Langmuir Các tham số đẳng nhiệt Langmuir được thiết lập để mô tả cân bằng hấp phụ 2,4-D của CNT-TC và CNT-HKi được trình bày ở bảng 3.9. Bảng 3.9: Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sự hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi T qm qmdt KL ARE 2 Vật liệu R R L (˚C) (mg/g) (µg/m2) (L/mg) (%) 10 84,03 313,56 0,1475 0,1149 0,9980 5,87 20 84,03 313,56 0,0982 0,1631 0,9955 6,69 CNT-TC 30 83,33 310,95 0,0837 0,1861 0,9944 4,52 40 79,37 296,14 0,0754 0,2024 0,9947 4,49 10 140,85 304,86 0,5000 0,0369 0,9979 12,18 20 138,89 300,63 0,3258 0,0555 0,9964 14,92 CNT-HK3 30 135,14 292,50 0,2426 0,0731 0,9948 9,56 40 128,87 281,10 0,1778 0,0972 0,9944 11,33 10 156,25 289,35 0,4476 0,0410 0,9968 13,85 20 151,52 280,58 0,3568 0,0509 0,9964 13,87 CNT-HK5 30 147,06 272,33 0,2528 0,0704 0,9944 12,83 40 142,86 264,55 0,1813 0,0955 0,9929 11,25 10 158,73 287,56 0,4286 0,0427 0,9940 16,49 20 153,85 278,71 0,3283 0,0551 0,9942 16,10 CNT-HK7 30 149,25 270,39 0,2659 0,0671 0,9937 13,80 40 147,06 266,41 0,1915 0,0908 0,9908 12,95 Bảng 3.9 cho thấy, các đường biểu diễn sự phụ thuộc Ce/qe vào Ce là tuyến tính với hệ số tương quan R2 > 0,9908. Vì thế, các tham số của mô hình Langmuir được xác định có độ tin cậy cao. Mặt khác, các giá trị 0 ≤ RL ≤ 1, nghĩa là quá trình hấp phụ diễn ra thuận lợi trong vùng nồng độ khảo sát. Nhưng giá trị ARE khá lớn, thấp nhất từ 4,49 ÷ 16,49 %. Như vậy, mô hình Langmuir có thể được sử dụng để mô tả cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ của 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi. Giá trị qm (mg/g) đặc trưng cho dung lượng đơn lớp bão hòa trên một đơn vị khối lượng vật liệu cho thấy, vật liệu có diện tích bề mặt riêng và có phân 14 bố kích thước mao quản trong vùng từ 3,2 ÷ 4,2 nm cao sẽ có khả năng hấp phụ 2,4-D cao hơn. Tuy nhiên, so sánh dung lượng hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt riêng của vật liệu (qmdt, µg/m2) cho thấy ngược lại. Như vậy, việc hoạt hóa đã làm giảm khả năng hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt riêng của vật liệu. Mặt khác, theo kết quả Raman đã cho thấy, việc hoạt hóa đã làm giảm số cacbon lai hóa sp2 trên một đơn vị diện tích bề mặt riêng, mà mỗi nguyên tử cacbon lai hóa sp2 trong CNTs đều có obital π có thể tương tác ππ với nhân benzen trong phân tử 2,4-D. Vì thế, có thể giả thiết rằng do sự giảm tương tác π-π đã làm giảm dung lượng hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt riêng của vật liệu sau quá trình hoạt hóa. 3.3.2.2 Thiết lập mô hình đẳng nhiệt Freundlich Bảng 3.10: Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của sự hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi Vật liệu T (˚C) KF (L/g) n 1/n R2 ARE (%) 10 35,823 5,7703 0,1733 0,9826 1,80 20 30,229 4,9628 0,2015 0,9748 2,71 CNT-TC 30 27,259 4,5935 0,2177 0,9900 1,33 40 24,179 4,3197 0,2315 0,9736 2,66 10 65,543 5,0582 0,1977 0,9563 6,16 20 59,033 4,8591 0,2058 0,9891 3,09 CNT-HK3 30 52,342 4,5208 0,2212 0,9818 3,17 40 45,966 4,2845 0,2334 0,9934 1,83 10 66,853 4,5086 0,2218 0,9766 4,74 20 61,529 4,3821 0,2282 0,9803 3,06 CNT-HK5 30 53,678 4,0733 0,2455 0,9861 3,42 40 46,829 3,8565 0,2593 0,9907 2,39 10 67,518 4,5025 0,2221 0,9818 4,66 20 61,886 4,3802 0,2283 0,9922 2,75 CNT-HK7 30 55,857 4,1425 0,2414 0,9894 3,01 40 49,043 3,9063 0,2560 0,9926 2,32 Các tham số đẳng nhiệt Freundlich thiết lập cho các hệ hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi được nêu trong bảng 3.10 cho thấy, mối quan hệ giữa lnCe và lnqe là tuyến tính có hệ số tương quan R2 ≥ 0,9563. Mô hình thiết 15 lập được có giá trị ARE từ 1,33 ÷ 6,16 %, nhỏ hơn ARE của mô hình Langmuir. Như vậy, mô hình Freundlich phù hợp hơn mô hình Langmuir. Sự phù hợp theo mô hình Freundlich cho thấy bề mặt vật liệu là không đồng nhất. Như các kết quả thảo luận ở trên đã cho thấy, sự hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC, CNT-HKi bị chi phối bởi lực tương tác π-π và lực tĩnh điện. 3.3.3 Xác định các thông số nhiệt động học hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi Các thông số nhiệt động học hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi được xác định và trình bày trong bảng 3.13. Bảng 3.13: Các thông số nhiệt động học hấp phụ 2,4-D trên CNT-TC và CNT-HKi ΔG0T (kJ/mol) ΔH0298 ΔS0298 Vật liệu 283 K 293 K 303 K 313 K (kJ/mol) (J/mol.K) CNT-TC -13,387 -11,007 -11,508 -9,541 -49,144 -127,250 CNT-HK3 -16,749 -16,148 -14,804 -13,862 -45,069 -99,593 CNT-HK5 -15,802 -15,411 -14,223 -13,203 -41,184 -89,010 CNT-HK7 -15,887 -15,445 -14,654 -13,609 -37,382 -75,447 Bảng 3.13 cho thấy, nhiệt hấp phụ (ΔH0298 ), biến thiên entropi (ΔS0298 ), biến thiên năng lượng tự do Gibb (ΔG0T ) ở 283, 293, 303 và 313 K của các hệ hấp phụ đều âm. Chứng tỏ sự hấp phụ là tự diễn biến, làm tăng độ trật tự của hệ và là một quá trình tỏa nhiệt. Độ lớn của nhiệt hấp phụ đều trong khoảng từ 20 ÷ 80 kJ/mol, đặc trưng cho lực tương tác tĩnh điện và sự hấp phụ vật lý. Kết hợp với kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ở mục 3.3.1.3 cho thấy lực tương tác tĩnh điện có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng hấp phụ. Mặt khác, các thí nghiệm được tiến hành ở pH = 6, giá trị này nhỏ hơn giá trị pHPZC của CNT-TC và CNT-HKi, cho nên lực tương tác tĩnh điện là lực hút. Đáng chú ý là nhiệt hấp phụ 2,4-D trên các vật liệu nghiên cứu giảm theo chiều giảm của giá trị pHPZC. Phải chăng khi khoảng cách từ giá trị pHPZC của các vật liệu hấp phụ đến giá trị pH của dung dịch nghiên cứu ngắn thì lực hút tĩnh điện giảm, làm giảm nhiệt hấp phụ tỏa ra của hệ. 3.3.4 Nghiên cứu khả năng hấp phụ 2,4,5-T của CNT-HK5 và so sánh với 2,4-D 3.3.4.1 So sánh tính kỵ nước của phân tử 2,4-D và 2,4,5-T Gọi momen lưỡng cực của liên kết C-OCH2COOH và C-Cl là: µ1 và µ2. 16 μ2,4-D = √μ21 + μ22 - μ1 μ2 (3.15) μ2,4,5-T = √μ21 + μ22 - 2μ1 μ2 (3.16) Từ biểu thức (3.15) và (3.16) ta có: μ2,4,5-T < 𝜇2,4−𝐷 . Tức là 2,4,5-T khó tan trong nước hơn 2,4-D, chứng tỏ 2,4,5-T có tính kỵ nước hơn 2,4-D. Kết quả này phù hợp với giá trị KOW, 2,4,5-T > KOW, 2,4-D. 3.3.4.2 Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ của 2,4,5-T trên CNT-HK5 Các tham số đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich thiết lập cho sự hấp phụ 2,4,5-T trên CNT-HK5 được trình bày trong bảng 3.14. Bảng 3.14: Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich của sự hấp phụ 2,4,5-T trên CNT-HK5 T (˚C) Thông số của mô hình đẳng nhiệt Langmuir qm (mg/g) KL (L/mg) RL R2 ARE (%) 10 200,000 0,4505 0,0402 - 0,0110 0,9977 14,15 20 196,078 0,4080 0,0442 - 0,0121 0,9982 12,95 30 196,078 0,3091 0,0575 - 0,0159 0,9967 13,41 40 192,307 0,2905 0,0610 - 0,0169 0,9980 10,49 Freundlich KF (L/g) n 1/n R2 ARE (%) 10 117,378 8,4962 0,1177 0,9752 3,08 20 113,137 8,2169 0,1217 0,9828 2,50 30 107,254 7,7640 0,1288 0,9886 1,91 40 101,291 7,2993 0,1370 0,9905 1,83 3.3.4.3 Xác định các thông số nhiệt động học hấp phụ của 2,4,5-T trên CNT-HK5 Bảng 3.15: Các thông số nhiệt động học hấp phụ 2,4,5-T trên CNT-HK5 T (˚C) ΔG0T (kJ/mol) ΔH0298 (kJ/mol) ΔS0298 (J/mol.K) 283 - 25,225 293 - 25,137 - 43,685 - 64,443 303 - 24,211 313 - 23,350 3.3.4.4 So sánh khả năng hấp phụ 2,4,5-T và 2,4-D trên CNT-HK5 Hai thông số đặc trưng cho khả năng hấp phụ của một hệ hấp phụ là q m và KF. Các giá trị này của sự hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên CNT-HK5 ở bốn nhiệt độ 10, 20, 30 và 40 ̊C được trình bày trong bảng 3.16.