Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng và ứng dụng của vật liệu nano cacbon

62 58 0
Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng và ứng dụng của vật liệu nano cacbon

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC VŨ THỊ MAI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO CACBON KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa lý Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS TS ĐẶNG TUYẾT PHƢƠNG HÀ NỘI - 2014 LỜI CẢM ƠN Để hồn thiện khóa luận nỗ lực lớn tơi, khơng thể hồn thành khơng có đóng góp quan trọng nhiều người Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Đặng Tuyết Phƣơng người hướng dẫn tận tình cho tơi suốt thời gian thực khóa luận Cô cung cấp cho nhiều hiểu biết lĩnh vực bắt đầu bước vào thực Trong q trình thực ln định hướng, góp ý sửa chữa để giúp tơi hồn thành tốt khóa luận Tơi xin cảm ơn thầy giáo khoa Hóa Học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, truyền thụ kiến thức bổ ích để tơi có khả hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tơi xin cảm ơn KS Đào Đức Cảnh, ThS Lê Hà Giang, KS Nguyễn Kế Quang phòng nghiên cứu Hóa học bề mặt -Viện Hóa Học Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Những lời cảm ơn muốn gửi lời cảm ơn đến người thân, bạn bè hết lòng quan tâm tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa luận Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng năm 2014 Sinh viên Vũ Thị Mai DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BET: Brunauer-Emmett-Teller (Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2) BJH: Barrett- Joyner- Halenda HĐBM: Hoạt động bề mặt HPVL, HPHH: Hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học MB: Methylene Blue (Phẩm màu xanh methylen) MQTB: Mao quản trung bình OMC: Or ) TEM: Transmission electron microscopy (Hiển vi điện tử truyền qua) UV-Vis: Ultraviolet- visiblet spectroscopy (Phổ tử ngoại khả kiến) - ) SBA-15: Santa Barbara Amophorus (Tên dạng vật liệu silic mao quản trung bình) XRD: X - Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT Kí hiệu bảng Tên bảng Bảng 1.1 Phân loại vật liệu xốp Bảng 1.2 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Bảng 1.3 Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ phổ biến Bảng 3.1 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MB Bảng 3.2 Các giá trị nồng độ cân dung dịch MB 100 mg/l, 150 mg/l 200 mg/l Bảng 3.3 Các giá trị Qt nồng độ MB khác Bảng 3.4 Các giá trị ln(Qe- Qt) theo thời gian t nồng độ dung dịch MB khác Bảng 3.5 Các giá trị t/Qt theo thời gian t nồng độ MB khác Bảng 3.6 Một số tham số phương trình động học bậc biểu kiến 10 Bảng 3.7 Một số tham số phương trình động học bậc hai biểu kiến 11 Bảng 3.8 e/Qe 12 Bảng 3.9 e e 13 B ảng 3.10 Các thơng số phương trình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Trang STT Kí hiệu hình vẽ Hình 1.1 Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB Hình 1.2 Vật liệu cacbon mao quản trung bình Hình 1.3 Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng Hình 1.4 Mơ tả phương pháp khn mẫu cứng Hình 1.5 Ảnh hưởng nhiệt độ lên HPVL HPHH hoạt động Hình 1.6 Mơ hình hấp phụ thuốc nhuộm mơi trường nước Hình 2.1 Đường tia Rơnghen Hình 2.2 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ phân loại theo IUPAC Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn biến thiên P/[V(P0-P)] theo P/P0 10 Hình 2.4 Các bước chuyển lượng 11 3.1 11 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X SBA-15 OMC 12 Hình 3.3 Ảnh TEM SBA-15 (A) OMC (B) 13 Hình 3.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ- giải hấp nito 77 K SBA-15 (A) OMC (B) 14 Hình 3.5 Phân bố kích thước mao quản theo BJH SBA-15 (A) OMC (B) 15 Hình 3.6 Cơng thức cấu tạo xanh metylen 16 Hình 3.7 Đường chuẩn dung dịch xanh metylen Hình 3.8 Mật độ quang A dung dịch MB chuẩn sau 17 Tên hình vẽ Giản đồ nhiễu xạ tia X OMC thời gian t với nồng độ ban đầu 100 mg/l (M0: nồng độ dung dịch MB chuẩn 100 mg/l pha Trang loãng MB/H2O = 3/4 t= 0) 18 Hình 3.9 Mật độ quang A dung dịch MB chuẩn sau thời gian t với nồng độ ban đầu 150 mg/l (M0: nồng độ dung dịch MB chuẩn 150 mg/l pha loãng MB/H2O = 1/2 t= 0) 19 Hình 3.10 Mật độ quang A dung dịch MB chuẩn sau thời gian t với nồng độ ban đầu 200 mg/l (M0: nồng độ dung dịch MB chuẩn 200 mg/l pha loãng MB/H2O = 3/8 t= 0) 20 Hình 3.11 Đường cong hấp phụ dung dịch MB chuẩn nồng độ khác 21 Hình 3.12 (Qe- Qt) theo thời gian t nồng độ MB khác 22 Hình 3.13 /Qt theo thời gian t nồng độ MB khác 23 Hình 3.14 e/Qe Ce 24 Hình 3.15 e e MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thưc tiễn đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu mao quản 1.2 Vật liệu mao quản trung bình 1.2.1 Lịch sử hình thành phát triển Vật liệu MQTB 1.2.2 Phân loại Vật liệu MQTB 1.2.3 Vật liệu SBA-15 1.3 Vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.3.1 Giới thiệu vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.3.2 Ứng dụng vật liệu cacbon mao quản trung bình 1.3.3 Phươ 11 1.4 Hấp phụ 15 1.4.1 Hiện tượng hấp phụ 15 1.4.2 Phân loại dạng hấp phụ 16 1.4.3 Hấp phụ lỏng - rắn 20 1.4.4 22 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 27 2.1 Phương pháp nghiên cứu 27 2.1.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 27 2.1.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 2.1.3 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ N2 (BET) 29 2.1.4 Phương pháp phổ hấp phụ electon (UV-Vis) 31 2.2 Thực nghiệm 32 2.2.1 Tổng hợp vật liệu 32 2.2.2 33 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Đặc trưng mẫu cacbon mao quản trung bình tổng hợp 36 3.1.1 Phương pháp nhiễu xạ Ronghen (XRD) 36 3.1.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 37 3.2 Hấp phụ 39 3.2.1 Xây dựng đường chuẩn dung dịch MB 39 3.2.2 Động học hấp phụ 40 3.2.3 Đẳng nhiệt hấp phụ 46 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vào năm thập niên 60, 70 kỷ trước, tổng hợp vật liệu vi mao quản zeolit nghiên cứu ứng dụng nhiều công nghiệp có nhiều đặc tính ưu việt: độ xốp diện tích bề mặt lớn, tính bền nhiệt thủy nhiệt cao, tính đa sử dụng, dễ dàng biến tính Nhưng ch thước phân tử hữu có kích thướ ế Đầu năm 1990, nhà khoa học thuộc tập đoàn dầu mỏ Mobil tổng hợp thành công vật liệu silic mao quản trung bình (M41S), có kích thước ~ 2-4 nm, khắc phục hạn chế kích thước mao quản nhỏ zeolit Tuy nhiên, vật liệu chất silic có khả hấp phụ so với than hoạt tính Vì vậy, người ta nỗ lực để tìm loại vật liệu vừa có kích thước mao quản diện tích bề mặt riêng lớn vừa có dung lượng hấp phụ cao Do vật liệu cacbon mao quản trung bình (meso carbon) đời sở kết hợp vật liệu mao quản trung bình vật liệu chất cacbon Năm 1992, Ryoo cộng tổng hợp thành cơng vật liệu cacbon mao quản trung bình dựa chất tạo cấu trúc MCM-41, vật liệu đáp ứng hai yêu cầu ợt trộ Vật liệu cacbon mao ủ ợ quan tâm nhiều nhà khoa học ứng dụ , xử lý mơi trường Trong đó, vật liệu cacbon mao (Ordered Mesoporous carbon - OMC) có cấu trúc mao quản đồng đều, tổng hợp phương pháp khuôn mẫu mềm khuôn mẫu cứng Phương pháp khn mẫu mềm tạo vật liệu có cấu trúc không đồng Trong khi, phương pháp khuôn mẫu cứng cho phép kiểm sốt xác cấu trúc kích thước mao quản vật liệu với cấu trúc trật tự, đồng Vì vậy, khóa luận này, tổng hợp vật liệu OMC theo phương pháp khuôn mẫu cứng, đồng thờ ả hấp phụ metylen (MB), loại chất màu độc hại, khó phân hủy gây ô nhiễm môi trường nước Xuất phát từ luận chứng trên, khóa luận chúng tơi thực hiện: “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng ứng dụng vật liệu nano cacbon” Mục đích đề tài phương pháp - Tổng hợp vật liệu khuôn mẫu cứng - Đánh giá tính chất vật liệu thông qua khả hấp phụ chất màu MB Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu có cấu trúc tương tự SBA-15 - Vật liệu (chất tạo cấu trúc) - Nguồn cacbon: Đường mía (42% cacbon) - Chất màu xanh metylen Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Thu thập tổng quan tài liệu phương pháp tổng hợp tính chất hấp phụ Nội dung 2: - Tổng hợp vật liệu - Đặc trưng tổng hợp phương pháp hóa lý đại XRD, TEM, BET… WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM chuẩn sau bị hấp phụ 5- 6h Ta coi, thời gian đạt cân dung dịch MB chuẩn nồng độ Khi đó, nồng độ cân dung dịch MB chuẩn (Ce) ba nồng độ nồng độ dung dịch MB chuẩn sau bị hấp phụ Từ phương trình đường chuẩn dung dịch MB (hình 3.7), ta tính giá trị nồng độ cân dung dịch MB chuẩn (Ce) ( bảng 3.2) Bảng 3.2 Các giá trị nồng độ cân dung dịch MB chuẩn (Ce) 100 mg/l, 150 mg/l 200 mg/l Nồng độ ban đầu 100 150 200 2.69847 4.6679 6.70229 C0(mg/l) Nồng độ cân Ce (mg/l) 3.2.2.1 Đường cong động học hấp phụ Từ giá trị t động học hấp phụ (bảng 3.3), ta vẽ đường cong (hình 3.11) Bảng 3.3 Các giá trị Qt nồng độ MB khác Nồng độ (mg/l) 100 150 200 0.5 157.6463 196.3733 282.55 157.8753 234.9365 299.09 158.4033 239.217 307.5 160.0255 239.675 318.805 161.584 241.895 321.107 162.1692 242.22 322.163 Time (h) 42 WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM 350 300 Q(t) 250 100 mg/l 150 mg/l 200 mg/l 200 150 100 50 0 Time (h) Hình 3.11 Đường cong hấp phụ dung dịch MB chuẩn nồng độ khác Từ đường cong hấp phụ hình 3.11, đạt cân dung dịch MB chuẩn 6h, kết phù hợp với kết đo mật độ quang A máy UV- vis (hình 3.8, 3.9 3.10) 3.2.2.2 Phương trình động học hấp phụ Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất: ln(Qe-Qt) = ln(Qe) – k1.t Vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc ln(Qe- Qt) theo thời gian t ba nồng độ 100 mg/l, 150 mg/l 200 mg/l ( 3.12) Bảng 3.4 giá trị ln(Qe- Qt) theo thời gian t nồng độ MB khác Bảng 3.4 Các giá trị ln(Qe- Qt) theo thời gian t nồng độ dung dịch MB khác Nồng độ (mg/l) 100 150 200 Time (h) 0.5 1.60919 3.8253 4.679 1.4572 2.8876 3.679 1.0588 1.9796 2.685 0.5311 0.9341 1.2113 43 WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM -0.5358 -1.715 ( 100 mg/l) y = -0.4831x + 1.9352 R2 = 0.9932 (150 mg/l) y = -1.0636x + 4.1468 R2 = 0.994 ln (Qe-Qt) -1.1239 100 mg/l (200 mg/l) y = -1.3901x + 5.305 R2 = 0.9961 150 mg/l 200 mg/l -1 -2 -3 Tim e (h) H (Qe- Qt) theo thời gian t 3.12 nồng độ MB khác Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc t Qt t Qe k2 Qe2 Vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc t/Qt theo thời gian t ba nồng độ 100 mg/l, 150 mg/l 200 mg/l 3.13) Bảng 3.4 giá trị t/Qt theo thời gian t nồng độ MB khác Bảng 3.5 Các giá trị t/Qt theo thời gian t nồng độ MB khác (mg/l) 100 150 200 0.5 0.00318 0.002546 0.002331 0.006334 0.00449 0.0035142 0.012556 0.008511 0.006504 0.018695 0.0125 0.00941 0.03094 0.02067 0.01553 0.037 0.02477 0.018624 Time (h) 44 WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM (100 mg/l) y = 0.0061x + 0.0002 R2 = 0.04 0.035 (150 mg/l) y = 0.004x + 0.0005 R2 = 0.03 t/Qt 0.025 100 mg/l (200 mg/l) y = 0.003x + 0.0006 R2 = 0.9995 0.02 150 mg/l 200 mg/l 0.015 0.01 0.005 0 Tim e (h) 3.13 /Qt theo thời gian t nồng độ MB khác Từ hình 3.12 3.13, ta thấy với phương trình động học biểu kiến bậc giá trị R2 ứng với đường biểu diễn nồng độ khác xấp xỉ gần Các đường thẳng tuyến tính Từ số liệu động học hấp phụ biểu kiến bậc bậc ta khẳng định động học hấp phụ xanh metylen OMC tổng hợp từ saccarozo tuân theo động học biểu kiến bậ Bảng 3.6 Một số tham số phương trình động học bậc biểu kiến C0 (mg/l) R12 k1 (h-1) Qe, exp Qe,cal (mg/g) (mg/g) 100 0.9932 0.4831 162.1692 6.925 150 0.994 1.0636 242.22 63.231 200 0.9961 1.3901 322.163 201.341 Bảng 3.7 Một số tham số phương trình động học bậc hai biểu kiến C0 (mg/l) R12 k22 (h-1) Qe,exp Qe,cal 45 WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM (mg/g) (mg/g) 100 0.9999 0.186 162.1692 163.934 150 0.04 242.22 250 200 0.9995 0.015 322.163 333.33 Qe, cal : giá trị dung lượng hấp phụ cân tính tốn theo phương trình động học Qe, exp : giá trị dung lượng hấp phụ cân theo thực nghiệm Từ tham số phương trình động học bậ (bảng 3.6) hai (bảng 3.7), ta thấy dung lượng hấp phụ tính tốn theo lý thuyết thực nghiệm bậc có chênh lệch lớn chênh lệch dung lượng hấp phụ tính tốn theo lý thuyết thực nghiệm bậc không đáng kể, điều khẳng định lần trình hấp phụ metylen xanh OMCs tuân theo động học biểu kiến bậc 3.2.3 Đẳng nhiệt hấp phụ 3.2.3.1 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ( ( 3.3), ta e/Qe 3.8) S e 3.8 (mg/l) 3.11) e/Qe 3.14) e/Qe Ce Ce/Qe 100 2.69847 0.01664 150 4.66790 0.01927 200 6.70229 0.0208 46 WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM 0.025 Ce/Qe 0.02 y = 0.001x + 0.014 R2 = 0.9743 0.015 0.01 0.005 0 Ce 3.14 e/Qe e theo mơ hình Langmuir 3.2.2.2 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Dựa vào (hình 3.11) (bảng 3.3), ta log Ce ng 3.9 log Ce e bi og Qe 3.15) 3.9 e (mg/l) e Log Ce Log Qe 100 0.43112 2.2099 150 0.66912 2.3842 200 0.82622 2.5078 47 WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM 3.15 S Từ đồ thị hình 3.14 e e theo mơ hình Freundlich 3.15, ta tính tốn thơng số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich, kết trình bày Bảng 3.10 Bảng 3.10 Các thơng số phương trình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Các thông số Đẳng nhiệt hấp phụ Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Qmax (mg/g) 1000 - B (mg/g) 0.07143 - R2 0.9743 0.999 RL 0.0654 - 1/n - 0.752 KF [(mg/g)(mg/l)n] - 75.56 Các đặc tính thiết yếu đường đẳng nhiệt Langmuir thể thông qua tham số (RL) Giá trị RL cho thấy đặc tính q trình hấp phụ với (RL> 1) khơng thuận lợi, tuyến tính (RL = 1), thuận lợi (0

Ngày đăng: 05/04/2020, 20:12

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan