Nghiên cứu cấu trúc, hình thái và thuộc tính hấp phụ của vật liệu MnOx bằng cách kết hợp các phương pháp phân tích vật lý, hóa học, và hạt nhân
Trong thời gian từ năm 2019 đến năm 2021, TS. Đinh Văn Phúc và các cộng sự tại Trường Đại học Duy Tân thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc, hình thái và thuộc tính hấp phụ của vật liệu MnOx bằng cách kết hợp các phương pháp phân tích vật lý, hóa học, và hạt nhân”.
Mục tiêu ban đầu của đề tài là kết hợp các phương pháp phân tích vật lý, hóa học và hạt nhân để khảo sát thành phần, hình thái và cấu trúc với các kích thước khác nhau của một số dạng MnOx, từ đó nghiên cứu cơ chế hấp phụ một số ion kim loại của vật liệu. Trong đó, việc sử dụng phương pháp chiếu xạ bằng chùm electron để thay đổi cấu trúc, hình thái của vật liệu MnOx là một trong những nội dung nghiên cứu của đề tài. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, thiết bị chiếu xạ thường hay bị hư hỏng, dẫn đến tình trạng các mẫu không được đồng nhất về điều kiện chiếu xạ, thời gian chờ đợi khá lâu, sẽ ảnh hưởng đến kết quả cũng như tiến độ thực hiện đề tài. Do đó, nhóm nghiên cứu đã xin bổ sung nội dung nghiên cứu: "Phân tích hình thái, cấu trúc và thuộc tính hấp phụ ion kim loại nặng và chất màu hữu cơ của một số vật liệu như oxit sắt từ (Fe3O4), MnO2/Chitosan..." với mục tiêu tổng hợp thành công các vật liệu có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng và chất màu hữu cơ.
Sau hai năm nghiên cứu, đề tài đã thu được một số kết quả nổi bật như sau:
1. Vật liệu FeFe2O4 (Fe3O4) được tổng hợp thành công bằng phương pháp kết tủa hóa học đơn giản và nhanh chóng tại nhiệt độ phòng. Các đặc trưng của vật liệu được xác định bằng các phương pháp hóa lý như XRD, SEM, FT-IR và BET. Vật liệu thu được có bề mặt gồ ghề, bao gồm 2 dạng: hình cầu (nanosphere) với đường kính khoảng 60 - 80 nm, trong đó dạng thanh (nanorod) có chiều dài khoảng 200 - 300 nm và chiều rộng khoảng 20 - 30 nm. Diện tích bề mặt của vật liệu là 57,19 m2/g, cao hơn so với vật liệu cùng loại nhưng được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau hoặc bằng phương pháp tổng hợp khác. Quá trình loại bỏ MB từ dung dịch nước bởi vật liệu FeFe2O4 đã được nghiên cứu bằng phương pháp hấp phụ tĩnh, trong đó có xét tới ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian hấp phụ và nồng độ đầu của chất hấp phụ. Các phương trình đẳng nhiệt đã được sử dụng, trong đó phương trình Sips (phương trình được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa hai phương trình Langmuir và Freundlich) mô tả tốt nhất quá trình hấp phụ ở điều kiện nồng độ đầu của MB là 100 mg/L tại pH = 10 trong thời gian hấp phụ là 80 phút. Bằng cách kết hợp giữa tính toán đẳng nhiệt và động học với các phương pháp phổ nghiệm như FT-IR, TGA-DSC, cơ chế tĩnh điện được đề xuất đóng vai trò chính trong quá trình hấp phụ MB bởi vật liệu FeFe2O4. Nội dung nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Progress in Natural Science: Materials International 29 (2019) 648-654.
4.2. Vật liệu MnO2/Chitosan (MnO2/CS) được tổng hợp thành công bằng cách kết hợp giữa phương pháp hóa học và phương pháp vật liệu, trong đó MnO2 được hình thành thông qua phản ứng hóa học giữa KMnO4 với C2H5OH trong môi trường nước, còn vật liệu MnO2/CS được hình thành nhờ vào khuấy trộn vật lý giữa chitosan với hỗn hợp phản ứng KMnO4 và C2H5OH. Đặc trưng của vật liệu được xác định bằng phương pháp SEM-EDS và đo điểm đẳng điện pHPZC. Vật liệu MnO2/CS được sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ Cr(VI) từ dung dịch nước. Nghiên cứu đẳng nhiệt cho thấy, phương trình đẳng nhiệt Sips mô tả tốt nhất quá trình loại bỏ Cr(VI) từ dung dịch nước trong điều kiện tối ưu (pH = 2, thời gian hấp phụ = 120 phút và nồng độ đầu là 80 mg/L). Dung lượng hấp phụ cực đại tính được từ mô hình Langmuir là 61,56 mg/g, cao hơn so với nhiều vật liệu chitosan được biến tính bằng các chất khác. Cơ chế tĩnh điện giữa anion Cr(VI) với bề mặt điện tích dương của vật liệu đã được đề xuất và chứng minh bằng cách kết hợp tính toán lý thuyết các mô hình đẳng nhiệt, động học hấp phụ và nhiệt động lực học, với các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như SEM mapping, FT-IR, TGA-DSC. Vật liệu MnO2/CS có khả năng tái sử dụng tốt với hiệu suất trên 80% sau 5 lần lặp lại và được ứng dụng thử nghiệm để loại bỏ Cr(VI) từ nước thải của nhà máy xi mạ với hiệu suất đạt 94,21%. Nội dung nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Chemosphere 257 (2020) 127147.
4.3. Vật liệu vỏ bưởi được sử dụng như là vật liệu thân thiện với môi trường để loại bỏ Ni (II) ra khỏi dung dịch nước. Các yếu tố ảnh hưởng chính đến quá trình hấp phụ Ni(II) như pH, thời gian hấp phụ và nồng độ đầu của NI(II) đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, khả năng hấp phụ Ni (II) của vật liệu vỏ bưởi đạt giá trị cực đại tại pH = 6 sau 80 phút tại nhiệt độ 303K. Nghiên cứu cân bằng và động học hấp phụ cho thấy, mô hình Sips mô tả tốt quá trình hấp phụ hơn so với mô hình Langmuir và Freudlich, và quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 với 3 giai đoạn. Nội dung này đã được chấp nhận đăng trên tạp chí Vietnam Journal of Science, Techonology and Engineering 63 (2), 07-12.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19645/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
