Luận án Nghiên cứu điều chế, các tính chất lý hóa và định hướng ứng dụng của vật liệu carbon biến tính từ rơm

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, CÁC TÍNH CHẤT LÝ HÓA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON BIẾN TÍNH TỪ RƠM

Ngành:

Hoá Vô cơ

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do rơm và tro trấu thải ra từ ngành nông nghiệp tại Việt Nam, đồng thời tối ưu hóa giá trị sử dụng của các phụ phẩm này. Rơm và tro trấu, với hàm lượng carbon và silica cao, được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để điều chế các vật liệu carbon tiên tiến. Mục tiêu chính của luận án là điều chế, khảo sát tính chất lý hóa và định hướng ứng dụng của các vật liệu carbon biến tính từ rơm và tro trấu làm chất hấp phụ và vật liệu điện cực.

Nghiên cứu đã thành công trong việc điều chế than sinh học (BC) từ rơm bằng phương pháp thủy nhiệt một giai đoạn với sự có mặt của muối ZnCl₂, cho dung lượng hấp phụ chất màu MB đạt 86,55 mg/g. Than sinh học từ tính (MC) cũng được điều chế thành công từ dịch chiết lignin của rơm bằng phương pháp thủy nhiệt hai giai đoạn, thể hiện dung lượng hấp phụ cao đối với MB (110,64 mg/g), As(V) (2,28 mg/g) và As(III) (2,03 mg/g), cùng khả năng tái sinh tốt. Ngoài ra, vật liệu nano SiO₂ xốp với diện tích bề mặt riêng lớn (258,3 m²/g) đã được tổng hợp từ tro trấu bằng phương pháp hòa tan - kết tủa, phù hợp cho ứng dụng vật liệu điện cực.

Đặc biệt, luận án đã điều chế thành công than hoạt tính biến tính N và đồng biến tính N, Mn từ dịch chiết lignin của rơm, với diện tích bề mặt riêng trên 2000 m²/g. Các vật liệu này cho thấy hiệu suất điện hóa vượt trội, với điện dung riêng đạt 169,3 F/g (biến tính N), 199,7 F/g (biến tính N, Mn) và 181,7 F/g (biến tính N kết hợp SiO₂) ở tốc độ quét 2 mV/s, đồng thời duy trì độ bền cao sau nhiều chu kỳ phóng nạp. Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc phát triển các quy trình điều chế than sinh học biến tính muối, than sinh học từ tính, SiO₂ và than hoạt tính biến tính N, Mn từ nguồn thải rơm và tro trấu tại Việt Nam, mở ra hướng đi kinh tế và thân thiện với môi trường cho việc sản xuất vật liệu hiệu suất cao.

Mục lục chi tiết:

• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
  • 1.1. Tổng quan về vật liệu carbon có nguồn gốc sinh khối thực vật
    • 1.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu carbon từ sinh khối thực vật
    • 1.1.2. Các phương pháp điều chế vật liệu carbon từ sinh khối thực vật
      • 1.1.2.1. Phương pháp vật lý
      • 1.1.2.2. Phương pháp hóa học
      • 1.1.2.3. Phương pháp carbon hoá thuỷ nhiệt (HTC)
  • 1.2. Một số ứng dụng phổ biến của rơm và tro trấu
    • 1.2.1. Ứng dụng phổ biến của rơm
      • 1.2.1.1. Sử dụng trong nông nghiệp
      • 1.2.1.2. Tái tạo năng lượng
      • 1.2.1.3. Sản xuất giấy và bột giấy
      • 1.2.1.4. Sản xuất chất hấp phụ để kiểm soát môi trường
    • 1.2.2. Ứng dụng phổ biến của tro trấu
      • 1.2.2.1. Sản xuất chất hấp phụ để kiểm soát môi trường
      • 1.2.2.2. Vật liệu xây dựng
  • 1.3. Giới thiệu về thuốc nhuộm xanh methylene và arsenic
    • 1.3.1. Giới thiệu thuốc nhuộm xanh methylene
    • 1.3.2. Giới thiệu chung về arsenic
      • 1.3.2.1. Dạng tồn tại của arsenic trong tự nhiên
      • 1.3.2.2. Độc tính của arsenic
      • 1.3.2.3. Tình hình ô nhiễm arsenic Việt Nam
  • 1.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm MB và anion kim loại As trên than sinh học
  • 1.5. Tổng quan về nguồn điện hoá học
    • 1.5.1. Giới thiệu các nguồn điện hoá học
    • 1.5.2. Pin sạc Li-ion
    • 1.5.3. Siêu tụ điện
    • 1.5.4. Phân loại và xu hướng phát triển của siêu tụ điện
      • 1.5.4.1. Tụ điện lớp kép điện hóa
      • 1.5.4.2. Giả tụ điện
      • 1.5.4.3. Tụ điện lai hóa
  • 1.6. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
    • 1.6.1. Vật liệu than sinh học từ sinh khối được biến tính bởi các muối
    • 1.6.2. Vật liệu than sinh học từ tính từ sinh khối ứng dụng làm chất hấp phụ
    • 1.6.3. Than hoạt tính biến tính ứng dụng làm vật liệu điện cực
    • 1.6.4. Silica trong nâng cao dung lượng điện hóa
  • 1.7. Kết luận rút ra từ tổng quan
• CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
  • 2.1. Nguyên liệu và hoá chất
  • 2.2. Điều chế vật liệu hấp phụ
    • 2.2.1. Điều chế than sinh học (BC)
    • 2.2.2. Điều chế than sinh học từ tính (MC)
  • 2.3. Điều chế vật liệu điện cực
    • 2.3.1. Điều chế than hoạt tính biến tính N (ACN)
    • 2.3.2. Điều chế than hoạt tính đồng thời biến tính N, Mn (ACNMn)
    • 2.3.3. Điều chế vật liệu nano SiO2
  • 2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu BC
    • 2.4.1. Khả năng hấp phụ dung dịch MB của các mẫu BC
    • 2.4.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ của mẫu BCZn
    • 2.4.3. Đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu BCZn
  • 2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu MC
    • 2.5.1. Khả năng hấp phụ dung dịch MB của các mẫu MC
    • 2.5.2. Khả năng hấp phụ MB, As(V) và As(III) của mẫu MC-1.0
      • 2.5.2.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ
      • 2.5.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ và đẳng nhiệt hấp phụ
      • 2.5.2.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch đầu
      • 2.5.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nhiệt động học hấp phụ
    • 2.5.3. Đánh giá khả năng tái sử dụng trên mẫu MC-1.0
  • 2.6. Phân tích tính chất điện hoá của các vật liệu ACN, ACN/SiO2 và ACNMn
    • 2.6.1. Chế tạo màng điện cực
    • 2.6.2. Quy trình lắp tụ điện
    • 2.6.3. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn
    • 2.6.4. Phương pháp đo phóng sạc dòng cố định
    • 2.6.5. Phương pháp tổng trở điện hoá
  • 2.7. Phân tích tính chất đặc trưng của vật liệu
    • 2.7.1. Nhiễu xạ tia X
    • 2.7.2. Phổ tán sắc năng lượng tia X
    • 2.7.3. Phổ hồng ngoại biến đổi Furier
    • 2.7.4. Phổ tán xạ Raman
    • 2.7.5. Hiển vi điện tử quét
    • 2.7.6. Hiển vi điện tử truyền qua
    • 2.7.7. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2
    • 2.7.8. Xác định điểm điện tích không PHPZC
• CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
  • 3.1. Thành phần hoá học của nguyên liệu rơm và tro trấu
  • 3.2. Kết quả quá trình điều chế BC
    • 3.2.1. Ảnh hưởng của tác nhân muối biến tính đến tính chất của BC
    • 3.2.2. Đánh giá khả năng hấp phụ MB trên mẫu BCZn
      • 3.2.2.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ
      • 3.2.2.2. Đẳng nhiệt hấp phụ
  • 3.3. Kết quả quá trình điều chế MC
    • 3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch FeCl3 đến tính chất của MC
    • 3.3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ MB, As(V) và As(III) trên mẫu MC-1.0
      • 3.3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ
      • 3.3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ và đẳng nhiệt hấp phụ
      • 3.3.2.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch MB, As(V) và As(III)
      • 3.3.2.4. Nhiệt động học hấp phụ
      • 3.3.2.5. Khả năng tái sinh
  • 3.4. Kết quả quá trình điều chế SiO2
  • 3.5. Kết quả quá trình điều chế than hoạt tính biến tính N
    • 3.5.1. Ảnh hưởng của lượng urea đến tính chất của các mẫu ACN
    • 3.5.2. Khảo sát tính chất điện hoá của các mẫu ACN
    • 3.5.3. Khảo sát tính chất điện hoá của các mẫu ACN/SiO2
  • 3.6. Kết quả quá trình điều chế ACNMn
    • 3.6.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ KMnO4 đến tính chất các mẫu ACNMn
    • 3.6.2. Khảo sát tính chất điện hoá của các mẫu ACNMn
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
  • Kết luận
  • Kiến nghị
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN