Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Composit NiFe₂O₄@C trên cơ sở vật liệu khung hữu cơ kim loại Ni/Fe MOFs và ứng dụng trong hấp phụ chất kháng sinh

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Composit NiFe₂O₄@C trên cơ sở vật liệu khung hữu cơ kim loại Ni/Fe MOFs và ứng dụng trong hấp phụ chất kháng sinh

1. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Ngô Thị Cẩm Quyên NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSIT NiFe2O4@C TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI Ni/Fe- MOFs VÀ ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ CHẤT KHÁNG SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỮU CƠ Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Ngô Thị Cẩm Quyên NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSIT NiFe2O4@C TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI Ni/Fe- MOFs VÀ ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ CHẤT KHÁNG SINH Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 8440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỮU CƠ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: TS. Lâm Văn Tân Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Duy Trinh Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
3. Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa học vật liệu của trường ĐH Nguyễn Tất Thành dưới sự hướng dẫn của thầy Lâm Văn Tân và thầy Nguyễn Duy Trinh. Các số liệu và kết quả được nêu trong luận văn là trung thực và chính xác, các ý tưởng tham khảo, so sánh với những kết quả từ các công trình khác đã được trích dẫn rõ trong luận văn. TP.HCM, ngày tháng năm 2021 Ngô Thị Cẩm Quyên
4. ii Lời cảm ơn Để hoàn thành được bài luận văn thạc sĩ này, tôi xin chân thành bày tỏ lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Viện hóa học, Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàm Lâm Khoa học Việt Nam. Đặc biệt hơn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn của tôi, TS. Lâm Văn Tân và TS. Nguyễn Duy Trinh, Th.S Trần Văn Thuận – Những người Thầy đã định hướng, trực tiếp dẫn dắt và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học này. Xin chân thành cảm ơn những bài giảng và lời chỉ bảo vô cùng hữu ích của thầy đã giúp cho tôi mở mang thêm nhiều kiến thức hữu ích về hóa học nói chung và hóa vật liệu nói riêng. Một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy bằng tất cả tấm lòng và sự biết ơn của mình. Xin cảm ơn sự hợp tác, cộng sự của các bạn Sinh viên đến từ trường ĐH Nông Lâm, ĐH Nguyễn Tất Thành đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 04 năm 2021 Học viên Ngô Thị Cẩm Quyên
5. iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu Chữ viết tắt đầy đủ/tiếng Anh Ý nghĩa tương ứng (nếu có) AC Activated cacbon Than hoạt tính, cacbon hoạt tính MOFs Metal organic framwork NFOC600 Vật liệu Ni-Mil-88B(Fe) được nung ở nhiệt độ 600 C NFOC700 Vật liệu Ni-Mil-88B(Fe) được nung ở nhiệt độ 700 C NFOC800 Vật liệu Ni-Mil-88B(Fe) được nung ở nhiệt độ 800 C NFOC900 Vật liệu Ni-Mil-88B(Fe) được nung ở nhiệt độ 900 C CFX Ciprofloxacin TCC Tetracycline hydrochlodride XRD X–ray Powder Diffraction Phổ nhiễu xạ tia X FT– IR Fourier transformation infrared Phổ hấp thu hồng ngoại SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua WWTP Waste Water Treatment Plant Nhà máy xử lý nước thải
6. iv Danh mục các bảng Bảng 1. 1. Sau đây liệt kê một số SBU điển hình ............................................................ 3 Bảng 1. 2. Một số đặc tính hóa lý của ciprofloxacin .................................................... 19 Bảng 1. 3. Một số đặc tính hóa lý của tetracycline ........................................................ 20 Bảng 2. 1. Danh mục các thiết bị trong phòng thí nghiệm ............................................ 24 Bảng 2. 2. Danh mục các dụng cụ thí nghiệm ............................................................... 25 Bảng 2. 3. Danh mục các hóa chất thí nghiệm .............................................................. 26 Bảng 2. 4. Mô tả chuẩn bị các bình định mức ............................................................... 31 Bảng 2. 5. Mô tả thí nghiệm khảo sát vật liệu nung đến khả năng hấp phụ kháng sinh31 Bảng 2. 6. Mô tả thí nghiệm khảo sát giá trị pH dung dịch của 2 kháng sinh............... 32 Bảng 2. 7. Mô tả thí nghiệm khảo sát hàm lượng vật liệu ............................................. 33 Bảng 2. 8. Mô tả thí nghiệm khảo sát nồng độ đầu của 2 kháng sinh ........................... 34 Bảng 2. 9. Mô tả thời gian khảo sát của 2 kháng sinh ................................................... 35 Bảng 2. 10. Bảng ma trận các biến thực nghiệm và các mức giá trị cho quá trình tạo tối ưu .................................................................................................................................... 36 Bảng 3. 1. Các hằng số đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................... 59 Bảng 3. 2. Các hằng số động học hấp phụ ..................................................................... 61 Bảng 3. 3. Danh sách khảo sát các biến thực nghiệm .................................................. 62 Bảng 3. 4. Giá trị thực nghiệm và dự đoán dung lượng hấp phụ của NFOC900 với kháng sinh CFX. ....................................................................................................................... 63 Bảng 3. 5. Giá trị thực nghiệm và dự đoán dung lượng hấp phụ của NFOC900 với kháng sinh TCC. ....................................................................................................................... 64 Bảng 3. 6. Giá trị ANOVA của mô hình NFOC900 với kháng sinh CFX .................... 65 Bảng 3. 7. Giá trị Anova của mô hình NFOC900 với kháng sinh TCC ........................ 66 Bảng 3. 8. So sánh dung lượng hấp phụ của NFOC900 với các vật liệu ...................... 73
7. v Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1. 1. Cách xây dựng khung MOFs chung ..................................................... 2 Hình 1. 2. Một số loại kháng sinh phổ biến được sử dụng nhiều nhất ................ 15 Hình 1. 3. Cấu trúc hóa học của một số chất kháng sinh thông dụng. ................ 17 Hình 1. 4. Công thức hóa học của CFX .............................................................. 18 Hình 1. 5. Cấu trúc hóa học của CFX ở các giá trị pH khác nhau ...................... 19 Hình 1. 6. Công thức hóa học của TCC .............................................................. 20 Hình 2. 1. Quy trình tổng hợp vật liệu Ni/Fe-MOFs ........................................... 27 Hình 2. 2. Quy trình tổng hợp vật liệu NiFe2O4@C (NFOC) ............................. 28 Hình 2. 3. Quy trình hấp phụ kháng sinh ............................................................ 29 Hình 3. 1. Giản đồ XRD của các vật liệu ............................................................ 45 Hình 3. 2. Phổ FT-IR của vật liệu ....................................................................... 46 Hình 3. 3. Ảnh SEM của vật liệu Ni/Fe-MOFs (A), NFOC600 (B), NFOC700 (C), NFOC800 (D), NFOC900 (E). ............................................................................. 48 Hình 3. 4. Đường cong hấp phụ/giải hấp phụ nitrogen của vật liệu ................... 49 Hình 3. 5. Đường cong hấp phụ/giải hấp phụ nitrogen của NFOC900............... 49 Hình 3. 6. Khả năng hấp phụ kháng sinh CFXvà TCC của các vật liệu. ............ 50 Hình 3. 7. Ảnh hưởng của giá trị pH đến khả năng hấp phụ ............................... 51 Hình 3. 8. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ ........................................... 53 Hình 3. 9. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ ........................................... 54 Hình 3. 10. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ .............................. 55 Hình 3. 11. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của kháng sinh CFX .................... 56
8. vi Hình 3. 12. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của kháng sinh TCC .................... 57 Hình 3. 13. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ. ............................................................ 58 Hình 3. 14. Mô hình động học hấp phụ. ............................................................. 60 Hình 3. 15. Biểu đồ giá trị thực nghiệm và dự đoán (A) và phân bố ngẫu nhiên (B) của 20 thí nghiệm của dung lượng hấp thụ kháng sinh TCC ........................ 68 Hình 3. 16. Biểu đồ giá trị thực nghiệm và dự đoán (A) và phân bố ngẫu nhiên (B) của 20 thí nghiệm của dung lượng hấp thụ kháng sinh CFX ........................ 69 Hình 3. 17. Mô hình tối ưu hóa xử lý kháng sinh CFX ...................................... 70 Hình 3. 18. Mô hình tối ưu hóa xử lý kháng sinh TCC ...................................... 71 Hình 3. 19. Nghiên cứu quá trình tái sử dụng ..................................................... 72
9. vii MỤC LỤC Lời cam đoan ....................................................................................................... iii Lời cảm ơn ............................................................................................................ ii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................ iii Danh mục các bảng ............................................................................................. iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị .............................................................................. v MỤC LỤC ........................................................................................................... vii MỞ ĐẦU .............................................................................................................. xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................. 1 1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU KHUNG CƠ KIM LOẠI VÀ CACBON XỐP .................................................................................................................... 1 1.1.1. Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) ............................................... 1 1.1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs ............................................ 5 1.1.3. Ứng dụng của các vật liệu MOFs .......................................................... 8 1.1.4. Vật liệu lưỡng kim lượng Ni/Fe-MOFs ............................................... 10 1.1.5. Vật liệu cacbon xốp từ khung cơ kim .................................................. 11 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÁNG SINH ................................... 12 1.2.1. Hấp phụ ................................................................................................ 12 1.2.2. Quang hóa ............................................................................................ 13 1.2.3. Oxy hóa bậc cao ................................................................................... 13 1.2.4. Phân hủy sinh học ................................................................................ 13 1.3. GIỚI THIỆU KHÁNG SINH ................................................................. 14
10. viii 1.3.1. Khái niệm ............................................................................................. 14 1.3.2. Ảnh hưởng của thuốc kháng sinh đối với môi trường ......................... 15 1.4. NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC .............................................................. 21 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 23 2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................ 23 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................ 23 2.1.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 23 2.2. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM ..................... 23 2.2.1. Thiết bị ................................................................................................. 23 2.2.2. Dụng cụ ................................................................................................ 24 2.2.3. Hóa chất thí nghiệm ............................................................................. 25 2.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ....................................................... 27 2.3.1. Qui trình tổng hợp vật liệu Ni – MIL88B (Fe) .................................... 27 2.3.2. Quy trình tổng hợp NiFe2O4@C .......................................................... 28 2.3.3. Quy trình hấp phụ vật liệu ................................................................... 28 2.3.4. Các công thức tính ............................................................................... 29 2.3.5. Phương pháp xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ kháng sinh TCC và CFX theo phương pháp UV-Vis ............................................................... 30 2.3.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ kháng sinh TCC và CFX của vật liệu cacbon. .......................................................................... 31 2.3.7. Tối ưu hóa bằng phương pháp đáp ứng bề mặt ................................... 35 2.3.8. Các mô hình động học ......................................................................... 36 2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .............................................................. 43