Vật liệu
Vật liệu composite
Vật liệu composite, hay còn gọi là vật liệu compozit, là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, tạo ra một vật liệu mới với tính năng vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ.
Composite là vật liệu gồm nhiều pha khác nhau về mặt hóa học gần như không tan vào nhau và được phân cách bởi ranh giới pha.
Graphene
Năm 2010, giải thưởng Nobel đã vinh danh hai nhà khoa học Vật lý gốc Nga vì nghiên cứu về vật liệu Graphene hai chiều Graphene được hiểu là một tấm than chì cực mỏng, chỉ bằng độ dày của một lớp nguyên tử Carbon Đặc biệt, lớp đơn nguyên tử này có khả năng tồn tại bền vững ở trạng thái tự do.
Hình 1.1 Cấu trúc Graphene (Nguồn: internet)
Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc.
Graphene có cấu trúc mạng lục giác hình tổ ong Có thể coi như mạng lục giác được hình thành từ mạng con lồng vào nhau.
Chiều dài liên kết carbon - carbon trong graphen khoảng 0.142 nm
Hình 1.2 Mạng lục giác Graphene Các vectơ nối các nguyên tử carbon lân cận với khoảng cách 0.142 nm.
(Nguồn: Phạm Văn Điện, 2012, Exciton trong Graphene, Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên).
Một vài tính chất của Graphene
Graphene là một vật liệu nổi bật với khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện vượt trội Nó dẫn điện nhanh hơn bất kỳ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường và có khả năng truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần.
Độ bền của graphene thể hiện sức bền nội tại cao, cho phép chất này chịu được lực căng lớn nhất mà không bị phá vỡ Đây là khả năng mà một chất nguyên khối, không có khiếm khuyết, có thể đạt được ngay trước khi các nguyên tử trong một tiết diện nhất định bị kéo ra khỏi nhau đồng thời.
Graphene cứng hơn cả kim cương, theo nghiên cứu của giáo sư cơ khí tại Đại học Columbia, đã kiểm nghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử Họ thực hiện thí nghiệm bằng cách đo lực cần thiết để bẻ gãy vật liệu này Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet trên tấm silic, sau đó đặt mẫu graphene hoàn thiện lên từng lỗ và dùng đầu dò bằng kim cương để làm lõm graphene.
Graphene là một vật liệu hoàn toàn ngăn chặn không khí, với khả năng chặn cả những phân tử khí nhỏ nhất Phiến màng graphene ở cấp độ phân tử có thể kết hợp với các cấu trúc giả vi mô, tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử, rất hữu ích trong việc bảo vệ thiết bị điện tử.
- Graphene dễ chế tạo và thay đổi hình dạng: Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại
Graphene tổng hợp sở hữu những đặc tính đặc biệt, với chuyển động của các electron diễn ra rất nhanh Trong graphene, electron có vẻ như không có khối lượng và di chuyển gần bằng vận tốc ánh sáng, nhanh gấp 100 lần so với electron trong silicon Những đặc điểm này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng cho graphene trong công nghệ hiện đại.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Mỹ, đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất ống ghép nano carbon - graphene Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng trong việc tạo ra dây dẫn trong suốt cho các tấm pin mặt trời và thiết bị điện tử gia dụng khác.
- Màn hình tivi cảm ứng.
- Chất phụ gia trong dung dịch khoan.
- Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Vật liệu nano ZnO
Vật liệu nano đang trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu và năng động nhất hiện nay, với sự gia tăng đáng kể về số lượng công trình nghiên cứu, bằng sáng chế và các công ty liên quan đến công nghệ nano Đây là một lĩnh vực mới mẻ, nằm ở giao thoa giữa ứng dụng của thuyết lượng tử hiện đại và vật lý cổ điển.
Công nghệ nano đang thu hút sự chú ý lớn vì khả năng tạo ra các vật liệu mới với kích thước siêu nhỏ, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều tính chất đặc biệt và cải thiện các đặc tính vốn có so với vật liệu khối thông thường Vật liệu nano có kích thước nanomet sở hữu những ưu điểm vượt trội như độ bền cơ học cao, tính bán dẫn, các tính chất điện quang nổi bật, và hoạt tính xúc tác cao.
Trong những năm gần đây, vật liệu bán dẫn làm xúc tác quang như oxit kẽm (ZnO) và titan dioxide (TiO2) đã được nghiên cứu rộng rãi và chứng minh hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm môi trường và tạo nguồn năng lượng sạch.
Vật liệu nano ZnO được tạo ra từ oxit kẽm với kích thước hạt dưới 100nm Nhờ có vùng cấm rộng, vật liệu này chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, loại ánh sáng chiếm khoảng 5% tổng lượng photon của ánh sáng mặt trời.
ZnO là một chất bán dẫn loại A(II), B(VI) với vùng cấm rộng khoảng 3.3 eV, chỉ có thể được kích thích bởi ánh sáng tử ngoại (UV) để tạo ra hiện tượng xúc tác quang Điều này giới hạn khả năng ứng dụng của kẽm oxide so với TiO2, mặc dù độ rộng vùng cấm của chúng tương đương (TiO2 có vùng cấm 3.2 eV) Tuy nhiên, ZnO hấp thụ nhiều phổ mặt trời hơn và có hoạt tính quang hóa cao, không độc hại và giá thành thấp, nên được ưa chuộng trong các ứng dụng quang hóa.
Vật liệu quang xúc tác nano graphene Zin oxide composite
Để tận dụng ánh sáng mặt trời trong quá trình xúc tác quang của kẽm oxide, việc thu hẹp vùng cấm là cần thiết Sự kết hợp giữa graphene và nano ZnO tạo ra vật liệu composite có khả năng xúc tác quang hiệu quả, giúp bẻ gãy liên kết các hợp chất hữu cơ ngay cả trong điều kiện ánh sáng thường Vật liệu nano graphene ZnO composite không chỉ vượt trội hơn so với nano ZnO mà còn dễ dàng ứng dụng thực tế, tiết kiệm chi phí và có khả năng tái sử dụng nhiều lần, đồng thời thân thiện với môi trường.
Hình 1.3 Cấu trúc vật liệu.(a) ZnO SP tinh khiết , (b) RGO , (c) RGO - ZnO SP vật liệu tổng hợp và (d) mô hình EDS của một hỗn hợp RGO – ZnO
This article discusses the one-pot synthesis of a composite material made from reduced graphene oxide and zinc oxide spheres, highlighting its potential application as a photocatalyst under visible light The research, published in the Chemical Engineering Journal, emphasizes the innovative approach to creating this composite, which enhances photocatalytic efficiency and offers promising prospects for environmental remediation The study's findings contribute to advancements in photocatalytic technology, showcasing the material's effectiveness in harnessing visible light for chemical reactions.
Tổng quan về nước thải ngành dệt nhuộm
Ngành dệt nhuộm tại Việt Nam có mạng lưới sản xuất phong phú và tốc độ tăng trưởng cao, nhưng lại tiêu tốn một lượng nước lớn trong quá trình sản xuất Trung bình, mỗi tấn vải sản xuất xả ra từ 12 đến 300 m³ nước thải, chủ yếu từ các công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường.
Nước thải giặt có pH từ 9 đến 12 và chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, có thể lên đến 500 mg/l, cùng với độ màu vượt quá 800 Pt – Co và hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) lên tới 1500 mg/l Độ màu cao chủ yếu do lượng thuốc nhuộm dư thừa, gây ra tình trạng nước đục và ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của các loài thủy sinh, dẫn đến sự suy giảm thực vật và cảnh quan Hơn nữa, nước thải nhuộm còn chứa hàm lượng kim loại nặng cao, gây ngộ độc cho con người và hệ sinh vật trong môi trường tiếp nhận.
Xử lý nước thải dệt nhuộm là chủ yếu tập trung xử lý độ màu và COD.
Bảng 1.1 Chất lượng nước thải dệt nhuộm theo QCVN 13:2008, cột B
STT Chỉ Tiêu Đơn Vị Giá Trị QCVN 13:2008, cột B
Một số phương pháp xử lý nước thải trong ngành dệt nhuộm hiện nay
Nước thải từ ngành dệt nhuộm có đặc điểm chứa hàm lượng chất rắn tổng (TS), chất rắn lơ lửng, độ màu, BOD và COD rất cao Để xử lý loại nước thải này, cần áp dụng các phương pháp cơ học, hóa lý, sinh học và phương pháp màng nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn cho môi trường.
Phương pháp đông keo tụ sử dụng phèn nhôm, phèn sắt và vôi sữa để khử màu và giảm một phần COD trong nước.
Phương pháp hấp phụ là kỹ thuật hiệu quả để xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, đặc biệt là trong việc loại bỏ màu sắc từ nước thải chứa thuốc nhuộm Các vật liệu phổ biến được sử dụng trong phương pháp này bao gồm than hoạt tính và than nâu đất sét, giúp cải thiện chất lượng nước thải một cách đáng kể.
Tình hình nghiên cứu
Trong những năm gần đây, graphene đã chứng minh hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là ngành điện tử Tuy nhiên, việc thử nghiệm và ứng dụng graphene trong lĩnh vực môi trường vẫn còn hạn chế và gặp nhiều thách thức.
Tổng hợp graphen và các nano oxide kim loại để tạo ra vật liệu nano composite đã được nghiên cứu rộng rãi toàn cầu Sự kết hợp này mang lại hiệu quả vượt trội và tính năng ưu việt hơn so với vật liệu nano thuần túy Mỗi loại vật liệu có khả năng ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau.
Nhằm khám phá khả năng ứng dụng đa dạng của vật liệu, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm để đánh giá tính chất và tiềm năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ nano đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt với vật liệu nano graphene zinc oxide composite Vật liệu này không chỉ vượt trội hơn so với dạng nano thông thường mà còn có khả năng quang xúc tác, phát quang ở cả vùng tử ngoại và ánh sáng khả kiến trong điều kiện nhiệt độ phòng.
Các đề tài nghiên cứu về tổng hợp các chất quang xúc tác từ Graphene và oxide kim loại ZnO trên Thế Giới như:
A one-pot synthesis of a reduced graphene oxide-zinc oxide sphere composite has been developed for its application as a visible light photocatalyst Conducted at Ulsan University in South Korea, this research focuses on reducing the amount of graphene oxide (GO) while increasing the zinc oxide (ZnO) particles The closer proximity of the ZnO particles enhances the material's photocatalytic efficiency, making it a promising candidate for various applications.
Nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu nano Graphen Zin oxide có khả năng phân hủy Methylene blue hiệu quả gấp 10 lần so với nano ZnO và RGO đơn lẻ dưới ánh sáng nhìn thấy Vật liệu này được sử dụng làm chất quang xúc tác với hoạt tính cao và ổn định, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm khác nhau.
Microwave Synthesis of Zinc Oxide/Reduced Graphene Oxide Hybrid for Adsorption-Photocatalysis Application
Dưới ánh sáng mặt trời, các nano tăng cường hấp phụ cho thấy hiệu suất xúc tác quang hóa gấp đôi và phản ứng quang điện gấp sáu lần so với ZnO Hiệu suất hoạt tính quang hóa xuất sắc của các nano này được cải thiện nhờ sự kết hợp giữa nano ZnO và RGO, giúp tăng cường độ nhạy cảm bằng cách chuyển các điện tử vào vùng dẫn của ZnO trong composite dưới ánh sáng mặt trời.
Trong n ướ c Ở Việt Nam, vật liệu composite còn khá mới mẻ, được nghiên cứu và ứng dụng trong các đề tài như:
Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của ZnO trên nền graphene của TS Lê Minh
Hưng Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Tp.Hồ Chí Minh
Cấu trúc lai nano giữa dây nano oxide kim loại và ống nano carbon hoặc graphene đang được phát triển nhằm ứng dụng cho cảm biến khí Nghiên cứu này do TS Nguyễn Văn Duy thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện.
Việc ứng dụng vật liệu nano graphene - zinc oxide composite trong xử lý môi trường còn hạn chế, vì vậy nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano graphene - zinc oxide composite xử lý màu bột nhuộm indigo” để kiểm nghiệm khả năng xử lý chất hữu cơ Mục tiêu là mở rộng ứng dụng của vật liệu này vào thực tiễn nhằm cải thiện chất lượng môi trường.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19
Một số thiết bị sử dụng phục vụ nghiên cứu đề tài
Công việc nghiên cứu đòi hỏi độ chính xác cao và khối lượng của vật liệu tính bằng miligam nên không thể thiếu cân phân tích
Cân phân tích OHAUS là dòng sản phẩm lý tưởng cho phòng thí nghiệm, hoạt động với nguồn điện xoay chiều AC (220V) Cân có 16 đơn vị đo lường theo tiêu chuẩn quốc tế, bao gồm cả chức năng cân đếm, và hiển thị kết quả chính xác đến 4 chữ số thập phân.
Lò nung DRB 200 được trang bị một hoặc hai khối nung, cho phép nung dung dịch trong các ống mẫu với hai kích cỡ từ 37-165 °C trong thời gian 0-480 phút Đặc biệt, để phân tích COD, nhiệt độ lò nung cần được cài đặt ở 150 °C trong 120 phút.
- Máy đo quang phổ UV- VIS V630
Là thiết bị quan trọng nhất trong đề tài nghiên cứu này Đề tài nghiên cứu xử lý màu và COD đều thông qua độ hấp phụ quang.
Máy đo quang phổ UV-VIS có hai chức năng đó là đo điểm và quét phổ Miền phổ trải rộng trong vùng tử ngoại và vùng khả kiến
Phương pháp đo quang là lựa chọn tối ưu cho nghiên cứu các chất màu, vì nó cho phép xác định hiệu suất xử lý của vật liệu thông qua việc đo độ hấp phụ (A).
- Ngoài các thiết bị kĩ thuật trên còn có máy đun nước cất, máy đo pH, ống đong, pipet, cốc thủy tinh, đĩa petri…
- Hệ thống chiếu sáng cho phản ứng quang xúc tác.
Cân chính xác 10 mg vật liệu quang xúc tác nano graphene ZnO composite bằng cân phân tích và đặt chúng trong đĩa petri thủy tinh để tối ưu hóa bề mặt tiếp xúc lớn khi chiếu đèn.
Hình 2.1 Vật liệu xúc tác được chứa trong đĩa petri thủy tinh
Vật liệu quang xúc tác trong nghiên cứu này yêu cầu phải được chiếu sáng để hoạt động hiệu quả Nguồn sáng sử dụng là bóng đèn trắng có công suất 20W, được bố trí trong hộp kín để đảm bảo ánh sáng đồng nhất và tránh tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nhằm ngăn chặn tác động của tia UV.
Thiết kế bóng đèn chiếu từ trên xuống giúp tối ưu hóa việc chiếu sáng cho vật liệu quang xúc tác, từ đó tối đa hóa lượng tia sáng nhận được trong quá trình xử lý, mang lại hiệu quả cao hơn.
Nguồn sáng trắng Đĩa petry đựng vật liệu
Hình 2.2 Hệ chiếu ánh sáng cho phản ứng quang xúc tác của vật liệu
Xử lý màu đơn chất indigo bằng vật liệu nano graphen zinoxide composite
Hiệu suất xử lý màu được xác định bằng phương pháp đo độ hấp thụ quang phổ.
Máy UV-VIS quét phổ chất màu Indigo trong khoảng từ 400 đến 800nm, xác định bước sóng hấp thụ cực đại λmax, được thể hiện qua giá trị mật độ quang tối đa Amax.
Sau khi xác định λmax, bước tiếp theo là đo mật độ quang trước (At) và mật độ quang sau (As) khi xử lý, từ đó tính toán hiệu suất khử màu một cách chính xác.
Hiệu suất khử màu được tính theo công thức:
Pha dung dịch màu ở nồng độ 50ppm
Khảo sát điều kiện pH và thời gian chiếu sáng tối ưu ở nhiệt độ phòng Khảo sát nồng độ tối ưu Chuẩn bị thí nghiệm
Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
At mật độ quang của dung dịch trước khi xử lý
As là mật độ quang của dung dịch sau khi xử lý.
2.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của yếu tố pH và thời gian chiếu sáng đến hiệu suất xử lý chất màu Indigo
Chọn nồng độ bột màu thuốc nhuộm thử nghiệm đầu tiên là 50 ppm; cân chính xác 50 mg bột màu và hòa tan vào ống đong 1000ml bằng nước cất
Sử dụng máy đo quang phổ UV-VIS, tiến hành quét phổ mẫu dung dịch màu chàm trong vùng khả kiến từ 400 đến 800nm để xác định bước sóng đặc trưng (max) với độ hấp thụ ánh sáng cao nhất.
Nguồn năng lượng cần cho phản ứng quang xúc tác của vật liệu là ánh sáng khả kiến.
Dùng 10mg vật liệu nano graphene Zin oxide composite để xử lý 10 ml dung dịch màu.
Sau khi xử lý, cần tiến hành lọc để loại bỏ vật liệu bằng giấy lọc Tuy nhiên, phương pháp này chỉ mang tính tương đối do thiếu điều kiện và thiết bị hiện đại hơn.
Khảo sát ảnh hưởng của pH là cần thiết để xác định mức độ hiệu suất xử lý Mục tiêu của việc nghiên cứu yếu tố pH là tìm ra môi trường tối ưu giúp đạt hiệu quả xử lý cao nhất.
Thí nghiệm được thực hiện với thời gian chiếu ánh sáng trắng cố định là 30 phút trong điều kiện nhiệt độ phòng Các mẫu được khảo sát ở ba mức pH đại diện là pH 4, 7 và 10, với mỗi mức pH được lặp lại ba lần.
- Khảo sát ảnh hưởng yếu tố thời gian
Thời gian chiếu sáng đóng vai trò quan trọng trong phản ứng quang xúc tác của vật liệu, cung cấp đủ thời gian để vật liệu này phá vỡ các liên kết của chất màu Indigo, từ đó giúp giảm màu sắc của dung dịch.
Mục đích là khảo sát ở mức thời gian nào là tối ưu của quá trình xử lý.
Sử dụng 10mg vật liệu composite để xử lý 10ml mẫu dung dịch màu 50ppm trong điều kiện nhiệt độ phòng và pH đã được khảo sát Thời gian chiếu đèn được tiến hành khảo sát ở các mức 30, 60, 90, 120, 180 và 240 phút.
2.2.2 Khảo sát tỉ lệ giữa khối lượng vật liệu và nồng độ chất màu Indigo
Một lượng vật liệu chỉ vừa đủ để xử lý một thể tích dung dịch có nồng độ nhất định
Nghiên cứu đã tiến hành sử dụng 10mg vật liệu quang xúc tác nano graphene ZnO để xử lý 10 ml dung dịch màu với các nồng độ khác nhau Các thí nghiệm được thực hiện dưới điều kiện pH và thời gian chiếu sáng trắng khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý.
Cân bột màu Indigo và pha dung dịch màu với các nồng độ 10ppm, 50ppm, 100ppm và 200ppm Hiệu suất xử lý được xác định thông qua việc đo độ hấp thụ quang trước và sau khi xử lý.
2.2.3 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
Vật liệu nghiên cứu không chỉ có khả năng xử lý môi trường mà còn thân thiện với môi trường, đồng thời có thể tái sử dụng nhiều lần, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.
Vật liệu sử dụng trong các thí nghiệm sẽ được rửa nhiều lần bằng nước cất và sau đó sấy khô ở nhiệt độ 103°C để kiểm tra khả năng tái sử dụng của chúng.
Thí nghiệm làm tương tự như trên ở những điều kiện đã khảo sát với nguồn sáng trắng.
Xử lý chất màu Indigo trong nước thải bằng vật liệu nano graphen zinoxide composite
Nước thải dệt nhuộm thường có màu sắc đậm Để khảo sát nồng độ màu, nhóm nghiên cứu đã pha loãng nước thải này gấp 10 lần và kết hợp với nước màu chàm có nồng độ 10ppm (nồng độ tối ưu) theo tỉ lệ 1:1.
Quy trình thí nghiệm xử lý đơn chất Indigo được thực hiện tương tự như nghiên cứu về việc sử dụng vật liệu nano graphene Zinc oxide để xử lý màu mẫu Các điều kiện tối ưu đã được khảo sát và mẫu được quét phổ bằng máy đo quang phổ UV-VIS để xác định giá trị λmax.
Bước 1: Hiệu chỉnh pH thích hợp.
Bước 2: Cân vật liệu 10mg và lấy 10ml mẫu đựng vào các đĩa petri
Bước 3: Đem chiếu sáng bằng ánh sáng thường ở thời gian tối ưu
Bước 4: Lọc mẫu nhằm tách vật liệu và đem đo độ hấp thụ quang ở bước sóng λmax
Bước 5: Tính hiệu suất xử lý.
Xử lý COD trong nước thải bằng vật liệu nano graphene zin oxide composite 24
Hàm lượng COD trong nước thải cho thấy mức độ chất hữu cơ có mặt Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện xử lý COD bằng vật liệu quang xúc tác nano graphene Zin oxide composite, nhờ vào khả năng hiệu quả trong việc phân hủy các liên kết của hợp chất hữu cơ.
2.4.1 Xác định COD trong nước thải
Xác định nhu cầu oxi hóa học bằng phương pháp đun hồi lưu - trắc quang (SWEWW 5520 D).
Nguyên tắc của phương pháp này là đun mẫu với hỗn hợp oxy hóa gồm K2Cr2O7 và
H2SO4 được đặt trong các cuvet có nắp đậy và đun ở nhiệt độ 150 °C trong 2 giờ Sau khi đun, hỗn hợp được đo mật độ quang tại bước sóng 420 nm để xác định lượng dư K2Cr2O7 Để xác định COD, cần xây dựng đường chuẩn và phương trình đường chuẩn dựa trên các kết quả từ phép đo này.
Dung dịch K2Cr2O7 0.068N được chuẩn bị bằng cách cân chính xác 3.3344g K2Cr2O7 tinh khiết, đã được sấy khô ở 103°C trong 2 giờ, sau đó hòa tan và định mức bằng nước cất đến thể tích 1000ml.
Dung dịch hỗn hợp H2SO4 và Ag2SO4: hòa tan 5.5g Ag2SO4 trong 500ml H2SO4 đậm đặc (98%, d=1.84 g/ml).
Dung dịch COD gốc 1000mg/L: cân chính xác 850 mg kali biphtalat đã sấy khô ở 103 o C, hòa tan và định mức bằng nước cất đến thể tích 1000ml.
Dung dịch COD làm việc (COD0mg/L): pha loãng 10ml dung dịch COD gốc thành 100ml.
- Xây dựng phương trình đường chuẩn.
Phương trình đường chuẩn được thiết lập bằng cách pha trộn các dung dịch chuẩn COD với nồng độ từ 0 đến 40 mg/l Sau đó, các mẫu được đun nóng trong lò nung DRB để phân tích.
Thiết bị phân tích COD 200 được sử dụng ở nhiệt độ 150°C trong 2 giờ Sau khi làm nguội, mẫu được đo quang ở bước sóng 420nm bằng máy UV-VIS Nồng độ COD càng cao thì độ hấp thụ A giảm, do lượng K2Cr2O7 dư (màu cam) giảm dần.
Từ số liệu độ hấp thụ quang thu được ở những nồng độ khác nhau, xây dựng đường chuẩn và phương trình đường chuẩn bằng phần mềm Excel.
Bảng 2.1 Xác định độ hấp phụ quang của dãy dung dịch COD chuẩn
Thể tích dd K2Cr2O7 0,068 N (ml) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Dd hỗn hợp H2SO4 và Ag2SO4 (ml) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
Thể tích dd COD làm việc (ml) 0 0.6 1.2 1.8 2.4
Thể tích nước cất (ml) 3.0 2.4 1.8 1.2 0.6
Nồng độ COD (mg/l) 0 10 20 30 40 Độ hấp phụ A … … … … …
Nước thải dệt nhuộm có nồng độ COD cao nên phải pha loãng mẫu cho nằm trong khoảng giá trị của dãy dung dịch chuẩn.
Để tiến hành thí nghiệm, cho vào cuvet 1.00ml dung dịch K2Cr2O7 0.068N và 2.00ml hỗn hợp H2SO4 cùng Ag2SO4 Tiếp theo, thêm từ từ 3.00ml mẫu vào cuvet, đậy kín và lắc đều Mẫu được đun nóng ở nhiệt độ 150 o C trong 2 giờ để phân hủy Sau khi phân hủy, để nguội về nhiệt độ phòng và đo mật độ quang của dung dịch tại bước sóng 420 nm.
Từ giá trị độ hấp thụ quang dựa vào phương trình đường chuẩn có thể xác định nồng độ COD.
2.4.2 Xử lý COD nước thải dệt nhuộm
Sử dụng 10mg vật liệu để xử lý 10ml mẫu nước thải đã được pha loãng theo hệ số đã xác định Ánh sáng trắng được chiếu trong điều kiện pH và thời gian tối ưu đã được khảo sát cho việc xử lý đơn chất Indigo Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian, không thể khảo sát điều kiện tối ưu cho việc xử lý COD.
Xác định COD theo phương pháp phương pháp đun hồi lưu - trắc quang (SWEWW
5520 D) dựa trên phương trình đường chuẩn đã xác định.
Hiệu suất khử COD được tính theo công thức:
CODt là COD của dung dịch trước khi xử lý
CODs là COD của dung dịch sau khi xử lý.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 27
Xử lý màu đơn chất indigo bằng vật liệu nano graphene zin oxide composite…
3.1.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của yếu tố pH và thời gian chiếu sáng đến hiệu suất xử lý chất màu Indigo.
- Xác định độ hấp thụ quang của chất màu Indigo
Quét miền phổ từ 400 – 800nm dung dịch màu chàm (Indigo) ở nồng độ 50ppm bằng máy quang phổ UV-VIS để xác định bước sóng hấp thụ cực đại, được gọi là λmax, cùng với giá trị mật độ quang cực đại Amax.
Hình 3.1 Phổ hấp thụ quang dung dịch màu Indigo, miền phổ từ 400-800nm
Dung dịch màu chàm (Indigo) ở nồng độ 50ppm có bước sóng cực đại λmax ở 620nm tương ứng với giá trị mật độ quang cực đại Amax là 0.2210
Dùng 10mg vật liệu nano graphene Zin oxide composite để xử lý 10 ml dung dịch màu có nồng độ 50ppm, chiếu ánh sáng trắng.
Khảo sát môi trường pH thích hợp và thời gian tối ưu để quá trình xử lý đạt hiệu quả.
- Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý chất màu Indigo
Khảo sát 3 mức pH 4, 7, 10, thời gian chiếu đèn là 30 phút; mỗi mức pH làm thí nghiệm 3 lần, kết quả được thể hiện trong bảng 3.1 :
Bảng 3.1 Giá trị khảo sát pH pH pH 4 pH 7 pH 10
Trung bình 0.101 0.115 0.121 Độ lệch chuẩn 0.003 0.001 0.003
Hình 3.2 Sự ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý chất màu
Kết quả cho thấy, ở môi trường axit, pH 4 đạt hiệu suất tối ưu nhất Do đó, pH 4 sẽ được chọn làm điều kiện cho các nghiên cứu tiếp theo.
- Khảo sát ảnh hưởng yếu tố thời gian đến hiệu suất xử lý chất màu
Khảo sát thời gian chiếu đèn ở các khoảng 30, 60, 90, 120, 180 và 240 phút với dung dịch màu có nồng độ 50ppm và pH 4 cho thấy hiệu suất xử lý được xác định qua giá trị phổ thu được, như thể hiện trong bảng kết quả dưới đây.
Bảng 3.2 Khảo sát thời gian tối ưu
Trung bình 0.1011 0.0966 0.0930 0.0808 0.0795 0.0668 Độ lệch chuẩn 0.0027 0.0090 0.0029 0.0022 0.0003 0.0012
Hình 3.3 Sự ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hiệu suất xử lý màu
Biểu đồ 3.3 cho thấy mối liên hệ giữa thời gian chiếu sáng và hiệu suất phản xử lý màu của vật liệu Cụ thể, trong khoảng thời gian từ 90 đến 120 phút, hiệu suất xử lý tăng từ 57.9% lên 63.4% Tuy nhiên, khi tiếp tục chiếu sáng thêm 2 giờ, hiệu suất chỉ đạt 69.8% Do đó, thời gian chiếu đèn tối ưu cho quá trình xử lý là 120 phút.
3.1.2 Khảo sát tỉ lệ giữa khối lượng vật liệu và nồng độ chất màu
Mục đích : khảo sát nồng độ bột màu Indigo tối ưu cho một lượng vật liệu nhất định.
Khảo sát nồng độ 10ppm, 50ppm, 100ppm và 200ppm cho thấy sự khác biệt trong độ hấp thụ quang phổ ở bước sóng 620nm Kết quả cho thấy nồng độ càng cao thì khả năng hấp thụ ánh sáng càng lớn, dẫn đến độ hấp phụ tăng lên.
Sử dụng 10mg vật liệu composite để xử lý 10ml mẫu dung dịch màu ở các nồng độ khác nhau tại pH 4, dưới ánh sáng trắng trong 120 phút, đã thu được kết quả như trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3.3 Giá trị khảo sát nồng độ.
Nồng độ mẫu 10ppm 50ppm 100ppm 200ppm Độ hấp thụ A Trước xử lý 0.0628 0.2210 0.5739 0.9214
Hình 3.4 Sự ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất xử lý độ màu
Nhóm nghiên cứu đã nhận định rằng 10mg vật liệu xúc tác là đủ để xử lý 10ml dung dịch màu với nồng độ 10ppm.
Trong nghiên cứu, hình 3.5 cho thấy màu sắc trước và sau khi xử lý Indigo 10ppm dưới điều kiện tối ưu Khi sử dụng nguồn sáng trắng trong phòng thí nghiệm, hiệu suất xử lý đạt 91.6% Đặc biệt, hiệu suất này dự kiến sẽ tăng cao hơn khi áp dụng vào thực tiễn với năng lượng ánh sáng mặt trời, do tia UV trong thành phần năng lượng mặt trời chiếm 5%.
3.1.1 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
Vật liệu thí nghiệm được giữ lại, rửa sạch bằng nước cất nhiều lần và sấy khô ở nhiệt độ 103 o C để kiểm tra khả năng tái sử dụng Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện tối ưu và dưới ánh sáng thường.
Hình 3.6 Vật liệu trước và sau khi được sấy khô Ở nồng độ 10ppm dung dịch màu có độ hấp thụ là 0.0628, sau xử lý còn 0.0186; vậy hiệu suất đạt 70.3%
So với vật liệu sử dụng lần đầu (91.6%) thì thấp hơn; nhưng hiệu suất xử lý khá cao.
Việc chỉ sử dụng nước cất để rửa có thể dẫn đến hiệu suất xử lý chưa tối ưu Nếu thay thế bằng một dung dịch rửa phù hợp, khả năng xử lý sẽ được nâng cao Tuy nhiên, kết quả cho thấy vật liệu vẫn có khả năng tái sử dụng khá cao.
Do hạn chế về thời gian và điều kiện, nghiên cứu không thể khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu qua nhiều chu kỳ Tuy nhiên, khả năng tái sử dụng của vật liệu đã được xác nhận qua 4 chu kỳ sử dụng đối với chất màu Methylene blue, với giá trị gần như không đổi, được trích dẫn từ bài báo khoa học.
Vật liệu k (rate constant, min -1 )
Bảng 3.4 Khả năng ZnO, RGO-ZnO phân hủy Methylene blue qua nhiều chu kỳ
A one-pot synthesis method was developed to create a composite of reduced graphene oxide and zinc oxide spheres, demonstrating its effectiveness as a photocatalyst under visible light This innovative approach, detailed in the Chemical Engineering Journal, highlights the potential applications of the composite in environmental remediation and energy conversion processes The study showcases the collaborative efforts of researchers Huynh Ngoc Tien, Van Hoang Luan, Le Thuy Hoa, Nguyen Tri Khoa, Sung Hong Hahn, Jin Suk Chung, and Eun Woo Shin, emphasizing the composite's enhanced photocatalytic properties and its significance in advancing photocatalytic technologies.
Xử lý chất màu indigo khi hiện diện trong nước thải bằng vật liệu nano
Pha loãng mẫu nước thải dệt nhuộm 10 lần rồi trộn với nước màu chàm Indigo có nồng độ 10ppm (nồng độ tối ưu) theo tỉ lệ 1:1.
Quét miền phổ từ 400 – 800nm mẫu nước thải bằng máy quang phổ UV-VIS tìm bước sóng cực đại λmax và giá trị mật độ quang cực đại Amax
Hình 3.7 Phổ hấp phụ quang của mẫu nước thải pha trộn với Indigo theo tỉ lệ 1:1
Mẫu nước thải có độ hấp thụ mạnh nhất ở bước sóng 665nm với giá trị A = 0.1582 Để xử lý 10ml mẫu nước thải này, cần sử dụng 10mg vật liệu nano graphene zinc oxide composite trong điều kiện pH 4 và chiếu sáng trắng trong 120 phút.
Thí nghiệm được lặp lại 3 lần, giá trị độ hấp thụ quang sau xử lý khi đo bằng máy quang phổ UV-VIS là 0.0416.
Hiệu suất xử lý của quá trình chỉ đạt 73.7%, thấp hơn so với mức 91.6% của quá trình xử lý đơn chất ở nồng độ 10ppm Nguyên nhân có thể là do hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý màu của vật liệu quang xúc tác.
Xử lý COD trong nước thải bằng vật liệu nano graphen zinoxide composite.33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37
- Xây dựng phương trình đường chuẩn
Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn có nồng độ từ 0 – 40 ppm tiến hành đun phá mẫu ở
150 o C trong 120 phút, để nguội rồi đo độ hấp thụ quang
Bảng 3.5 Giá trị độ hấp phụ của dãy dung dịch COD chuẩn
Xây dựng phương trình đường chuẩn bằng phần mềm excel.
Phương trình đường chuẩn: y = -0.0109x + 0.5404 Độ tương quan |R| = 0.9958
Mẫu nước thải được pha loãng với tỷ lệ 10 lần trước khi xác định COD theo phương pháp đun hồi lưu - trắc quang (SWEWW 5520 D) Kết quả độ hấp thụ quang của mẫu sau khi pha loãng là A = 0.1611.
Dựa vào phương trình đường chuẩn xác định được nồng độ COD mẫu pha loãng là 34.8; Vậy nồng độ COD mẫu thực bằng 348 mg/l.
- Xử lý COD nước thải bằng vật liệu nano graphene zin oxide composite
Nồng độ COD (mg/l) 0 10 20 30 40 Độ hấp phụ A 0.5554 0.4233 0.311 0.1967 0.1218
Mẫu 10ml được pha loãng 10 lần và xử lý với 10mg nano graphene Zinc oxide composite trong 120 phút dưới ánh sáng thường, sau đó tiến hành xác định COD, kết quả thu được được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý COD của vật liệu. Độ hấp thụ A Trước Sau
Qua kết quả sơ bộ cho thấy vật liệu nano Graphene Zin oxide composite có thể xử lý COD của nước thải dệt nhuộm hiệu suất xử lý đạt 29.02%
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu đạt được một số kết quả sơ bộ:
Nghiên cứu đã xác định điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý chất màu Indigo trong môi trường axit với pH 4 Kết quả cho thấy, sau 120 phút chiếu sáng, hiệu suất xử lý đạt 91.6% khi sử dụng 10mg vật liệu cho 10ml dung dịch màu có nồng độ 10 ppm.
- Xử lý được màu đơn chất Indigo, một trong những thành phần của nước thải dệt nhuộm
- Kiểm chứng khả năng tái sử dụng của vật liệu đạt hiệu suất 70.3% khi rửa bằng nước cất.
Indigo có tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm, với hiệu quả xử lý màu đạt 73.7% và COD giảm xuống còn 29% Đề tài này mang tính thử nghiệm, mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc ứng dụng vật liệu mới trong lĩnh vực xử lý môi trường.
Những hạn chế của đề tài nghiên cứu:
Hạn chế về thiết bị kỹ thuật đã khiến việc xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý vật liệu trở nên khó khăn Ngoài ra, việc sử dụng giấy lọc để tách vật liệu sau xử lý không đạt hiệu quả tối ưu do kích thước vật liệu rất nhỏ (nm).
- Chưa có điều kiện khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu nhiều lần.
Do hạn chế về thời gian, việc khảo sát xử lý COD chưa được thực hiện một cách sâu sắc Chúng tôi chỉ áp dụng các điều kiện khảo sát từ phần xử lý đơn chất màu, vì vậy chưa thể đánh giá chính xác bản chất của quá trình xử lý khi chất màu có mặt trong nước thải với hàm lượng COD cao Cần tiến hành nhiều thí nghiệm hơn để đưa ra kết luận tin cậy.
Vật liệu quang xúc tác nano, đặc biệt là nano composite như graphene zinc oxide, đang trở thành vật liệu tiềm năng cho tương lai nhờ vào những đặc tính vượt trội của chúng Việc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi các vật liệu này trong đời sống, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trường, là rất cần thiết Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại còn nhiều hạn chế và cần có các công trình tiếp theo để khắc phục những thiếu sót Bên cạnh đó, việc mở rộng quy mô nghiên cứu từ phòng thí nghiệm sang các mẫu lớn hơn cũng là điều quan trọng để đạt được kết quả khả thi hơn.
Vật liệu nghiên cứu có khả năng tái sử dụng, do đó cần tìm ra dung dịch rửa phù hợp để tối ưu hóa giá trị của vật liệu này, từ đó mang lại lợi ích kinh tế.
Trong các nghiên cứu tiếp theo, nên ưu tiên sử dụng các thiết bị lọc hiệu quả như máy li tâm, thay vì sử dụng phương pháp lọc bằng giấy lọc.
Nhóm nghiên cứu đề xuất cần phát triển các đề tài nghiên cứu về vật liệu chất mang nhằm gắn kết vật liệu, giúp dễ dàng kiểm soát và sử dụng nhiều lần Điều này không chỉ giảm chi phí thu hồi vật liệu mà còn đảm bảo hoạt tính xúc tác của chúng không bị thay đổi.
1 Phạm Văn Điện, 2012, Exciton trong Graphene, Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
2 Nguyễn Thị Hương, 2012, Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano ZnO, Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn , Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên, Khoa Vật lý
3 Đặng Duy Trung, 2011, Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu polyme nanocompozit trên cơ sở polyaniline và graphit, Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện nano, Trường Đại học Công nghệ
4 Nguyễn Việt Tuyên, 2011, Chế tạo, nghiên cứu tính chất của màng mỏng, vật liệu cấu trúc nano trên cơ sở oxide kẽm pha tạp và khả năng ứng dụng, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
5 B Manu, 9 MAY 2007, Physico-chemical treatment of indigo dye wastewater
6 Dogan; Turkdemir, Haluk, Electrochemical Treatment of Actual Textile Indigo