ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
–––––––––––––––––

Thí sinh : Nguyễn Thị Quỳnh Anh
BÀI LUẬN VỀ DỰ ĐỊNH NGHIÊN CỨU
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT
LIỆU CACBON AEROGEL VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT HỮU
BỀN TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chuyên ngành: Hoá học môi trường
Mã số: 62.44.01.20

Cố vấn khoa học:

PGS.TS. Nguyễn Văn Nội
TS. Nguyễn Hữu Vân

Họ và tên thí sinh:

Nguyễn Thị Quỳnh Anh

Hà Nội - 2016

1


MỤC LỤC

I. LÍ DO CHỌN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

từ khí thải ô tô, hoặc như một chất thân thiện với môi trường thay thế cho CFC có
hại dùng trong tủ lạnh. Việc sử dụng vật liệu aerogel carbon tự chế tạo xử lí môi
trường ô nhiễm mang lợi lợi ích rất lớn đối với môi trường sống do hạn chế lượng
khí thải độc hại. Trong các báo cáo kết luận nghiên cứu ứng dụng gần đây đều xác
định ứng dụng của cacbon aerogel trong việc làm sạch không khí chẳng hạn như
chụp CO2 và loại bỏ VOC và trong xử lý nước bao gồm cả dầu và các hợp chất hữu
cơ độc hại và nặng loại bỏ các ion kim loại. Hiện tại , vấn đề ô nhiễm môi trường ở
3


Việt Nam tăng cao, việc sử dụng aerogel carbon nhập khẩu là quá tốn kém nên
việc nghiên cứu chế tạo, khảo sát đặc tính của vật liệu aerogel carbon ứng dụng xử
lí các hợp chất hữu cơ bền trong môi trường nước là điều hết sức cần thiết.
II. LÍ DO LỰA CHỌN CƠ SỞ ĐÀO TẠO
Chọn trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội là cơ sở đào
tạo do:
- Là một trong những cơ sở đào tạo đại học và sau đại học lớn nhất Việt Nam về các
ngành khoa học tự nhiên
- Chất lượng đội ngũ cán bộ, giảng viên của nhà trường cao nhất cả nước
- Trường ĐHKHTN chủ động lựa chọn hướng nghiên cứu ưu tiên và rất coi trọng việc
xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh
- Cơ sở vật chất, trang thiết bị hiện đại đáp ứng nhu cầu nghiên cứu
- Chất lượng đào tạo chuyên sâu.
III. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI
NƯỚC
Trong nhiều thập kỉ gần đây, có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào vật liệu
aerogel cacbon. So với các vật liệu cacbon khác và các loại hình aerogel thì aerogel
cacbon có độ xốp và diện tích bề mặt tương đối lớn, khả năng ứng dụng đa dạng trong
việc hấp thụ,đóng vai trò xúc tác trong các quá trình phản ứng. Dưới đây là kết quả
nghiên cứu của một số tác giả về aerogel cacbon.

Nghiên cứu chế tạo vật liệu aerogel carbon và khảo sát khả năng xử lý các hợp
chất hữu cơ bền gây ô nhiễm trong môi trường nước.
V. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tổng hợp aerogel cacbon;
- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp vật liệu;
5


- Khảo sát cấu trúc của các vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp X-ray,
SEM, TEM, BET.....;
- Nghiên cứu ứng dụng các vật liệu tổng hợp được để xử lý một số hợp chất hữu cơ
bền trong nước;
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ bền;
- Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu;
- Tối ưu hoá các điều kiện xử lý nước thải như pH, hàm lượng chất oxi hoá, lượng xúc
tác cần dùng…
- Khảo sát sự thay đổi hàm lượng COD, nồng độ của các hợp chất hữu cơ theo thời gian
xử lý;
- Đánh giá hiệu quả xử lý chất ô nhiễm;
- Xây dựng qui trình xử lý (qui mô PTN) nước thải chứa các hợp chất hữu cơ bền.
VI. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Vật liệu aerogel carbon biến tính bằng các tác nhân, các hợp chất hữu cơ bền có mặt
trong nước thải.
VII. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Điều tra thống kê, thu thập các số liệu về các công trình nghiên cứu có liên
quan đến hướng của đề tài luận án;
- Các phương pháp phân tích đánh giá tổng hợp tài liệu;
- Chế tạo vật liệu và nghiên cứu những điều kiện để tối ưu hóa quá trình chế tạo
vật liệu;
6

- Xác định mô hình hiệu quả cho quá trình xử lý.
- Xác định tính khả thi của hệ thống xử lý.
4. Triển vọng về kết quả đạt được
- Tính khoa học: Có cơ sở khoa học về việc ứng dụng hệ vật liệu trên cơ sở
aerogel cacbon trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ bền trong nước.
- Tính mới của đề tài: Chế tạo và ứng dụng hệ vật liệu trên cơ sở Aerogel cacbon
để xử lý các hợp chất hữu cơ bển trong nước.
- Tính thực tiễn của đề tài: Áp dụng hệ vật liệu tổng hợp được để xử lý nước
thải chứa các hợp chất hữu cơ bền.
IX. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA NHỮNG ĐỊNH HƯỚNG VÀ NGHIÊN CỨU
Trong những năm gần đây, vật liệu tổng hợp aerogel cacbon được tập trung
nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế xử lý môi trường. Các kết quả công bố cho thấy
khả năng xử lý của vật liệu xúc tác aerogel cacbon đối với các chất ô nhiễm là tốt. Các
vật liệu xúc tác chế tạo được có tác dụng kép, đó là tác dụng hấp phụ và tác dụng xúc
tác.
Chế tạo aerogel cacbon từ nhiều nguyên liệu khác nhau như : ống các cacbon nano,
tấm graphit oxit hay vật liệu cacbon bằng phương pháp sol – gel. Có nhiều hướng đi
khác nhau:
- Điều chế aerogel cacbon đi từ tấm nano cacbon và tấm graphit oxit theo qui trình tạo
khung cacbon qua sấy hoặc xử lí nhiệt tạo gel rồi biến tính:
- Điều chế aerogel cacbon các chất ban đầu như polime rồi cacbon hoá tạo khung qua
giai đoạn sấy hoặc làm khô tạo gel rồi bằng phương pháp ngân tán rồi biến tính.
8


Các quá trình đều định hướng nghiên cứu như sau:
+ Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp vật liệu;
+ Khảo sát cấu trúc của các vật liệu tổng hợp được
+ Nghiên cứu ứng dụng các vật liệu tổng hợp được để xử lý một số hợp chất hữu cơ
bền trong nước;

Fe(OOH)2+ + H+ (1)

Fe(OOH)2+ → Fe2+ + HO2•

(2)

Fe2+ + H2O2→ Fe3+ + HO- + HO• (3)
Fe3+ + HO2• → Fe2+ + H+ + O2

(4)

RH + HO• → H 2 O+ R• → · ·· → oxygenated compounds +nH2O + mCO2 (12)
R• + O2 → ROO•

(5)

Phenol + ROO• → R• + ROOH (6) ROOH

→ RO• + HO• (7)

Vật liệu xúc tác Fe2O3/aerogel cacbon khi kết hợp với chất oxi hóa H2O2 chúng
sẽ tạo thành hệ giống Fenton .
Dưới tác dụng của xúc tác và nhiệt độ, H 2O2 được chuyển hóa thành gốc hoạt
động HO•. Gốc hoạt động HO• sẽ oxi hóa các hợp chất hữu cơ thành H 2O và CO2. Khi
có mặt của các ion kim loại sắt hoặc mangan, H 2O2 được phân hủy thành HO• và HO•
tham gia phản ứng oxi hóa theo các phương trình sau đây:
S + H2O2


→


→


→

HO• + H2O + O2.

HO• + OH- + O2.

Gốc HO• là tác nhân oxi hóa mạnh, có khả năng oxy hóa hoàn toàn các hợp chất
hữu cơ. Tốc độ oxi hóa phụ thuộc vào nồng độ của HO• có mặt trong dung dịch.
+ Trong điều kiện chiếu sáng, nhiều hệ vật liệu đóng vai trò là xúc tác quang
hóa. Ví dụ như hệ vật liệu TiO 2/CA. Cơ chế phản ứng oxi hóa có sự tham gia của xúc
tác quang hóa như sau:
Khi được chiếu sáng, xúc tác sẽ hấp thụ năng lượng, một electron của lớp vỏ
hoá trị sẽ nhảy lên lớp dẫn điện, tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương (h+)
trong lớp vỏ hoá trị. e - và h+ sẽ phản ứng với các tác nhân H 2O, H2O2, O2... để tạo ra
gốc hoạt động mạnh OH •.
H2 O + h +


→

+

O2 + 2H + 2e

-



•

(12)

O2 + e

OH + OH- + O2 (14)

12

-

-


→


→

→

•

•

OH

(9)



Nghiên cứu tổng quan:
Từ 09/2016
03/2017
+ Đọc, nghiên cứu tổng quan tài liệu về
aerogel, aerogel carbon.
+ Nghiên cứu tổng quan về các nguồn gây ô
nhiễm
+ Nghiên cứu tổng quan về tình hình áp dụng
các công nghệ xử lý các hợp chất gây ô
nhiễm trong nước và trên thế giới.
+ Nghiên cứu tổng quan về các hoạt động kiểm
soát sự ô nhiễm các hợp chất gây ô nhiễm
trên thế giới và ở Việt Nam. Viết chuyên đề,
báo cáo công việc đã đạt được.

đến

+ Xây dựng phương pháp nghiên cứu.
Từ 03/2017
12/2017
+ Nghiên cứu chế tạo aerogel carbon (các yếu
tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật
liệu);
+ Khảo sát cấu trúc của vật liệu;
+ Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
xử lý hợp chất gây ô nhiễm của vật liệu chế
tạo được;
+ Hoàn thiện sơ đồ thiết bị thực nghiệm

- Có kiến thức về ngành hóa môi trường
- Có khả năng tự nghiên cứu thực hành thực nghiệm
XII. DỰ KIẾN KẾ HOẠCH HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC SAU KHI HOÀN
THÀNH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO TIẾN SĨ
Tham gia cộng tác nghiên cứu với các thành viên công tác tại các viện nghiên cứu,
trường Đại Học, viện thiết kế, các bộ phận quản lý tổng hợp của Bộ, ngành, v.v…
XIII. ĐỀ XUẤT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Nội
2. TS. Nguyễn Hữu Vân
XIV. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Brinker, C. J.; Scherer, G. W. Sol-Gel Science; Academic Press Inc.:New York,
1990.
[2]. Bouhamed, F., Elouear, Z., Bouzid, J. & Ouddane, B. Batch sorption of Pb(II)
ions
from aqueous solutions using activated carbon prepared from date stones:equilibrium,
kinetic, and thermodynamic studies. Desalin Water Treat. 1–11(2013).
[3]. Jin Y, Zhao G, Wu M, Lei Y, Li M, Jin X. In situ induced visible-light
photoeletrocatalytic activity from molecular oxygen on carbon aerogel-supported
TiO2. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 9917–9925.
[4]. Jintao Zhang,1* Zhenhai Xia,2 Liming Dai1† Carbon-based electrocatalysts for
advanced energy conversion and storage. Science Advances . (2015):Vol. 1, no. 7,
e1500564

15


[5]. Liu YB, Liu H, Zhou Z, Wang TR, Ong CN, Vecitis CD. Degradationof the
common aqueous antibiotic tetracycline using a carbonnanotube electrochemical
filter. Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 7974–7980.
[6]. Mateusz B. Bryning, Daniel E. Milkie, Mohammad F. Islam, Lawrence A. Hough,


17