Đề tài Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nano carbon và ứng dụng hấp thụ khí BTEX

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN 
KHOA KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG 
Môn: Các quá trình hóa – lý 
ĐỀ TÀI : 
NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON VÀ ỨNG DỤNG 
HẤP THỤ KHÍ BTEX 
GIẢNG VIÊ N : TS. BÙI MẠNH HÀ 
SINH VIÊN THỰC HIỆN: 
Lương Viên Bội Dinh 3116340008 
Nguyễn Thị Hồng Nhung 3116340041 
Lê Thanh Thủy 3116340053 
Võ Ngọc Bảo Trân 3116340059 
Nguyễn Thị Kiều Trinh 3116340060 
NHÓM 1 
MỞ ĐẦU 
	Hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới có rất nhiều phương pháp để xử lý, giảm thiểu, ngăn chặn, loại bỏ sự phát sinh các chất ô nhiễm trong môi trường đất, nước và đặc biệt là môi trường không khí. Trong đó phương pháp hấp phụ là phương pháp phổ biến nhất với ưu điểm công nghệ đơn giản, tốc độ xử lý nhanh và hiệu quả. Một trong những vật liệu hấp phụ được quan tâm hiện nay là than hoạt tính và ống nano carbon. 
	Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng CNTs trong việc xử lý BTEX trong không khí. Vì vậy em đã chọn nghiên cứu đề tài : “Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nano carbon và ứng dụng xử lý khí BTEX trong không khí”. 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1 BTEX 
1.1.1 C ác đặc t í nh h óa - l í 
STT 
Đặc tính 
Benzen 
Toluene 
E thyl B enzen 
m-Xylene 
1 
Công thức phân tử 
C 6 H 6 
C 6 H 5 CH 3 
C 6 H 5 C 2 H 5 
m-CH 3 C 6 H 4 CH 3 
2 
Khối lượng phân tử (gam/mol) 
87.12 
92.15 
106.17 
106.17 
3 
Điểm sôi ( 0 C) 760mmHg 
80.1 
110.6 
136.2 
139.1 
4 
Điểm nóng chảy ( 0 C) 
5.5 
-95 
-95 
-47.9 
5 
Tỷ trọng (g/cm 3 ) 
0.8765 20/4 
0.8669 20/4 
0.8670 20/4 
0.8642 20/4 
6 
Độ phân cực 
3.0 
2.3 
- 
2.4 
7 
Tính trộn lẫn với nước. 
không 
không 
- 
Không 
8 
Một số tính chất chung của các nhóm chất BTEX 
Là hợp chất không màu , ở điều kiện bình thường tồn tạo dạng thể lỏng, dễ cháy, ó mùi đặc trưng của Hydrocarbon thơm, tan trong ancol, clorofom, ete, cacbondisufua, aceton. 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1 BTEX 
1.1.2 Nguồn gốc phát sinh 
X ă ng d ầ u 
Sơn 
Thu ố c BVTV 
Thu ố c l á 
Giao th ô ng 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1 BTEX 
1.1.3 Tác động 
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, các động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng dầu cũng là nguồn phát thải mạnh mẽ các hiđrocacbon thơm nhóm BTEX vào môi trường sống. 
Con người cũng như các loại động vật nói chung tiếp xúc và hấp thụ chúng vào cơ thể bằng nhiều con đường khác nhau như hô hấp, ăn uống, qua da trong thời gian liên tục hoặc cục bộ 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.2 Ống nano carbon 
1.2.1 Cấu trúc CNTs 
Các ống nano cacbon (tiếng Anh là carbon nanotubes – CNTs) là các dạng thù hình của cacbon. Ống nano có dạng hình trụ, đường kính cỡ một vài nanomet, độ dài có thể lên tới vài milimet. Ống nano cacbon có cấu trúc rỗng, với các tường được tạo bởi các lớp vỏ carbon, được gọi là graphene. Có 2 loại ống nano cacbon chính; ống nano đơn tường (SWNT) và ống nano đa tường (MWNT). 
Ống nano carbon đơn tường và đa tường 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.2 Ống nano carbon 
1.2.2 Tính chất của CNTs 
Hoạt tính hóa học 
Tính dẫn điện 
Hấp thụ quang, sự phát quang 
Hoạt tính quang học 
Tán xạ Raman 
Độ bền cơ học 
Tính chất siêu kỵ nước và ưa dầu 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.2 Ống nano carbon 
1.2.3 Ứng dụng 
Ứng dụng của ống nano carbon 
Trong ngành năng lượng 
Trong các linh kiện điện tử 
Trong môi trường 
Tổng quan về biến tính CNTs 
Các ống nano cacbon mang tính ổn định cao trên cấu trúc độc đáo của nó, chỉ có một vài axit đậm đặc có khả năng phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử cacbon. Một trong những các tăng sự tương tác giữa ma trận và các chất gia cố là đưa CNTs vào một quá trình gọi là chức năng hóa. 
Việc bổ sung các nhóm chức năng trên CNTs thường được thực hiện bằng cách nhúng nó vào axit Sulfuric (H 2 SO 4 ) và axit Nitric (HNO 3 ) tỉ lệ 3:1. P hương pháp này là chèn các nhóm cacboxyl (-COOH) trên bề mặt ống Nano. Tiếp đó làm tăng nhiệt độ hoặc tiến hành khuấy để đẩy nhanh quá trình oxy hóa. 
Wang và cộng sự đã chức năng hóa vật liệu của mình bằng cách nhúng nó trong axit nitric trong siêu âm ở 90 o C trong 4 giờ. Sau đó, ống khuấy vật liệu cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ môi trường xung quanh. 
Lu et al sử dụng CNT bị oxy hóa bởi các loại hóa chất khác nhau để nghiên cứu tính chất hấp phụ của chúng và thấy rằng bản chất bề mặt của CNT đã bị thay đổi sau quá trình oxy hóa H 2 SO 4 , HNO 3 và NaOCl. 
Wang et al đã nghiên cứu sự hấp thụ các ion Pb 2+ từ dung dịch nước sử dụng MWCNTs đã axit hóa và thấy rằng nhiều nhóm chức oxy hơn được hình thành trên bề mặt MWCNT sau khi xử lý bằng HNO 3 đậm đặc, đóng vai trò quan trọng đối với sự hấp phụ Pb 2 bằng cách hình thành các phức hợp hóa học mạnh. 
CNT hấp thụ nhiều benzen, toluen, ethylbenzene và p-xylene (BTEX); 
Các CNT bị ôxi hóa NaOCl cho thấy sự tăng cường lớn nhất trong sự hấp thụ BTEX, tiếp theo là các CNT bị ôxi hoá HNO 3 , và sau đó là CNTSO 4 bị oxy hóa H 2 SO 4 . 
Các tính chất hấp phụ của CNT bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các nhóm chức năng của chúng bởi vì các nhóm chức năng có thể thay đổi độ ẩm của bề mặt CNT, sau đó làm cho CNT trở nên ưa nước hơn và thích hợp cho sự hấp thụ tương đối trọng lượng phân tử thấp và các hợp chất phân cực. 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
1. Phương pháp FT-IR 
2. Phương pháp sắc ký khí- GC 
1. Phương pháp phân tích 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
2. Biến tính vật liệu ống Nano Carbon đa tường 
 1 
 2 
 3 
CNTs-COOH 
CNTs-NaOH 
CNTs-H 2 O 2 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
2. Biến tính vật liệu ống Nano Carbon đa tường 
CNTs-COOH 
4g MWCNT + 300 mL dd (HNO 3 + H 2 SO 4 , 1:3) + nước cất lên đến 800 mL 
Khuấy 1 tiếng + siêu âm 30 phút 
Để nguội, lọc rửa rồi pha loãng với nước cất và tiếp tục lọc với màng lọc PTFE cho đến khi pH=7 
Sấy khô CNT trong cốc 30 phút ở 105°C, sau đó trải CNT vừa sấy ra khay được bọc giấy bạc, đem sấy trong 1 tiếng từ 1 đến 2 lần đến khối lượng không đổi 
Nghiền CNT ra, đem cân rồi chiết vào lọ Vial 
CNTs-COOH 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
2. Biến tính vật liệu ống Nano Carbon đa tường 
CNTs-NaOH 
CNT-COOH + 700ml dung dịch NaOH 1M 
Khuấy 3 tiếng + siêu âm 30 phút 
Để nguội, lọc rửa rồi pha loãng với nước cất và tiếp tục lọc với màng lọc PTFE cho đến khi pH=7 
Sấy khô CNT trong cốc 30 phút ở 105°C, sau đó trải CNT vừa sấy ra khay được bọc giấy bạc, đem sấy trong 1 tiếng từ 1 đến 2 lần đến khối lượng không đổi 
Nghiền CNT ra, đem cân rồi chiết vào lọ Vial 
CNTs-NaOH 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
2. Biến tính vật liệu ống Nano Carbon đa tường 
CNTs-H 2 O 2 
CNT-COOH + 700ml dung dịch H 2 O 2 30% 
Khuấy 3 tiếng + siêu âm 30 phút 
Để nguội, lọc rửa rồi pha loãng với nước cất và tiếp tục lọc với màng lọc PTFE cho đến khi pH=7 
Sấy khô CNT trong cốc 30 phút ở 105°C, sau đó trải CNT vừa sấy ra khay được bọc giấy bạc, đem sấy trong 1 tiếng từ 1 đến 2 lần đến khối lượng không đổi 
Nghiền CNT ra, đem cân rồi chiết vào lọ Vial 
CNTs-H 2 O 2 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
2. Biến tính vật liệu ống Nano Carbon đa tường 
CNTs-NaOCl 
CNT-COOH + 400ml dung dịch NaOCl 3% 
Khuấy 2 tiếng + siêu âm 30 phút 
Để nguội, lọc rửa rồi pha loãng với nước cất và tiếp tục lọc với màng lọc PTFE cho đến khi pH=7 
Sấy khô CNT trong cốc 30 phút ở 105°C, sau đó trải CNT vừa sấy ra khay được bọc giấy bạc, đem sấy trong 1 tiếng từ 1 đến 2 lần đến khối lượng không đổi 
Nghiền CNT ra, đem cân rồi chiết vào lọ Vial 
CNTs-H 2 O 2 
CHƯƠNG 2: BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG 
3 . Mô hình thực nghiệm 
Mô hình hấp phụ quy mô PTN 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.1 Kết quả FT-IR 
Kết quả FT-IR của CNTs chưa biến tính 
655.68 cm -1 
1638.43 cm -1 
2090.51 cm -1 
3436.89 cm -1 
3468.87 cm -1 
Kết quả FT-IR của CNTs -COOH 
1034.19 cm -1 
1637.98 cm -1 
2923.15 cm -1 
3429.13 cm -1 
CHƯƠNG 3: KẾT THẢO VÀ THẢO LUẬN 
1. KẾT QUẢ 
1.1 KẾT QUẢ FT-IR 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.1 Kết quả FT-IR 
Kết quả FT-IR của CNTs -NaOH 
3439.07 cm -1 
3439.07 cm -1 
3439.07 cm -1 
3439.07 cm -1 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.1 Kết quả FT-IR 
Kết quả FT-IR của CNTs -H 2 O 2 
3411.12 cm -1 
2923.20 cm -1 
1643.48 cm -1 
1110.75 cm -1 
741.17 cm -1 
482.10 cm -1 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.1 Kết quả FT-IR 
Kết quả FT-IR của CNTs -NaOCl 
1220.83 
753.49 
1520.93 
500.00 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.1 Kết quả FT-IR 
	 Dựa trên kết quả FT-IR của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs-COOH, CNTs-NaOH và CNTs-H 2 O 2 CNTs-NaOCl có thể chứng minh sau quá trình biến tính bề mặt CNTs đã được gắn thêm nhiều gốc chức hơn so với bề mặt ban đầu của CNTs thô. Điều đó làm tăng khả năng hấp phụ hợp chất khí BTEX đối với vật liệu biến tính. 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.2 Kết quả GC 
Kết quả GC so sánh khả năng hấp phụ giữa các vật liệu 
Co = 1.14375   
Qe,mg/g 
Benzene 
Toluene 
Ethylbenzene 
Xylene 
CNTs 
8.17994 
10.34 
14.271013 
22.947 
CNTs-COOH 
9.84525 
10.945 
14.576443 
24.465 
CNTs-H2O2 
10.2525 
11.045 
15.6443 
25.455 
CNTs-NaOH 
10.3725 
11.146 
16.345443 
26.747 
CNTs-NaOCl 
10.525 
11.446 
17.443 
27.988 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.2 Kết quả GC 
Biểu đồ cột so sánh khả năng hấp phụ BTEX giữa các vật liệu 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . KẾT QUẢ 
1.2 Kết quả GC 
Biểu đồ đường so sánh khả năng hấp phụ BTEX giữa các vật liệu 
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
1 . THẢO LUẬN 
 K ết quả FT-IR cho ta thấy rằng bề mặt vật liệu đã có sự biến đổi bằng việc có sự xuất hiện của các gốc chức mới, giúp làm tang khả năng hấp phụ BTEX so với vật liệu CNTs chưa biến tính. 
 K ết quả GC cho ta thấy rằng vật liệu biến tính có khả năng hấp phụ khí BTEX cao hơn so với vật liệu chưa biến tính. Đồng thời khả năng hấp phụ được đánh giá là tang dần từ CNTs < CNTs-COOH < CNTs-NaOH < CNTs-H 2 O 2 . 
 Trong 4 mẫu khí BTEX, Xylene là khí được hấp phụ cao nhất khi các chất ở cùng một nồng độ.