Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp Bộ mã số B2017-TNA-29 do TS. Hà Xuân Linh - Khoa Quốc tế - Đại học Thái Nguyên chủ nhiệm

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung

• Tên đề tài: Chế tạo tổ hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở của vật liệu graphene với bùn đỏ và ứng dụng xử  lý ô nhiễm As và chất thải hữu cơ  độc hại trong môi trường nước
• Mã số: B2017-TNA-29
• Chủ nhiệm đề tài: TS. Hà Xuân Linh
• Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên
• Thời gian thực hiện: Từ tháng năm 2017 đến tháng 12 năm 2018 (Gia hạn thời gian thực hiện thêm 6 tháng)

2. Mục tiêu

• Chế tạo được vật liệu graphene bằng phương pháp điện hóa.
• Chế tạo được tổ hợp vật liệu graphen/bùn đỏ xử lý tốt một số ion kim loại nặng và chất thải hữu cơ độc hại trong môi trường nước.

3. Tính mới và sáng tạo

Đề tài đã tái sử dụng bùn đỏ là bùn thải trong quá trình sản xuất nhôm kết hợp với graphene được chế tạo bằng phương pháp điện hoá để tạo thàng vật liệu tổ hợp graphene/bùn đỏ làm vật liệu nghiên cứu xử lý hấp phụ As va chất hữu cơ trong môi trường nước. Đây là một vật liệu hấp phụ được chế tạo từ nguyên liệu thải sắn có của quá trình sản xuất nhôm và đang là vấn đề nóng trong xử lý môi trường. Với kết quả nghiên cứu khả quan của đề tài sẽ mở ra một tiềm năng mới trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước và tận dung được nguồn thải bùn đỏ từ công nghiệp sản xuất nhôm ở Việt Nam.

4. Kết quả nghiên cứu

Qua nghiên cứu đề tài đã chỉ ra được một số kết quả chính:

1. Đã chế tạo thành công cả vật liệu graphene và vật liệu tổ hợp Graphen – bùn đỏ (VLHP) bằng phương pháp điện hóa.
2. Đã xác định được đặc điểm bề mặt, tính chất vật lý, cấu trúc của VLHP qua ảnh hiển vi điện tử quét SEM, hiển vi điện tử truyền qua TEM, giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman và phổ tán sắc năng lượng.
3. Đã khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP đối với các ion As(III), và Metylen Blue (MB) bằng phương pháp hấp phụ tĩnh, kết quả thu được như sau:

         -  pH hấp phụ tốt nhất là 3 đối với ion As(III), pH hấp phụ tốt nhất là 6 đối với MB.

         - Thời gian đạt cân bằng hấp phụ với ion As(III) là 240 phút, MB là 120 phút.

         - Khối lượng VLHP cần thiết cho sự hấp phụ ion As(III) và Mn(II) tốt nhất là 0,05g.

         - Khi tăng nồng độ ion As(III), MBtrong khoảng nồng độ khảo sát thì hiệu suất hấp phụ giảm, dung lượng hấp phụ tăng.

4. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir đã xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với ion As(III) là 24,39 mg/g, MB là 89,28 mg/g.
5. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich đã xác định các hằng số Freundlich đối với ion As(III) là n = 1,94; k = 18,18; đối với ion Mn(II) là n = 1,58; k = 44,78.
6. Quá trình hấp phụ ion As(III), MB của VLHP tuân theo mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 của Lagergren.
7. Dùng VLHP chế tạo được xử lý mẫu nước thực chứa As(III) tại xã Hà Thượng - huyện Đại Từ - Tỉnh Thái Nguyên và mẫu nước thải lấy tại làng nghề Dệt lụa Vạn Phúc - Hà Nội. Kết quả cho thấy mẫu nước mặt chứa ion As (III) với nồng độ là 0.249 mg/L ,sau khi hấp phụ bởi chạy cột nồng độ ion As (III) đạt tiêu chuẩn cho phép đối với nước thải đổ vào các khu vực lấy nước cung cấp cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Đối với mẫu nước tải dệt nhuộm sau khi xử lý bằng VLHP các chỉ số COD và BOD₅ đạt mức là 127mg/l và 28mg/l nằm trong mức cho phép theo QCVN 13:2015/ BTNMT Cột B.

5. Sản phẩm

5.1. Sản phẩm khoa học:

* Số bài báo khoa học đăng trên tạp chí nước ngoài trong danh mục có chỉ số ISI:

1. Ha Xuan Linh, Phung Thi Oanh, Nguyen Nhat Huy, Pham Văn Hoa, Phan Ngoc Minh, Pham Ngoc Hong, Dang Van Thanh (2019), “Electrochemical mass production of graphene nanosheets for arsenic removal from aqueous solutions” Materials Letters, 250, pp. 16-19
2. Ha Xuan Linh, Ngo Thi Thu, Tran Quoc Toan, Do Tra Huong, Bui Thanh Giang, Huynh Ky Phoung Ha, Hong-Tham T. Nguyen, N.T.K Chung, Tri Khoa Nguyen, Nguyen Thanh Hai (2019), “Fast and efective route for removing Methylene Blue from aqueous solution by using Red mud-Activated Graphite composite”, Hindawi Journal of Chemistry, Volume 2019, pp. 1-7

* Số bài báo khoa học đăng trên tạp chí trong nước:

3. Hà Xuân Linh, Đặng Thị Hồng Phương, Phạm Văn Hảo, Nguyễn Thị Thủy, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Nhật Huy, Đặng Văn Thành (2017), “Xử lý xanh Methylen trong môi trường nước sử dụng graphene chế tạo bằng phương pháp điện hóa”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số Đặc san NĐMT 9, tr. 172-181.
4. Ha Xuan Linh, Hoang Duc Thuan, Dang Thi Hong Phuong, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Thanh Hai, Nguyen Nhat Huy, Dang Văn Thanh (2017), “Preparation of Red mud/graphene composite and its application for adsorptioan of As(III) from aqueous solition”, Vietnam Journal of Science and Technology, 55 (4C), pp. 217-223.
5. Đặng Thị Hồng Phương, Hà Xuân Linh, Trần Thị Thuỳ Trang, Nguyên Thị Kim Ngân, Đỗ Trà Hương, Nguyên Ngọc Minh (2017), “Chế tạo vật liệu tổ hợp graphit bùn đỏ ứng dụng hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước”, Tạp chí Nông nghiệp và phát triên nông thôn, số tháng 10, tr. 73-76.
6. Đỗ Trà Hương, Nguyễn Ngọc Mai, Hà Xuân Linh (2017), “Hấp phụ phẩm đỏ RR 120 sử dụng vật liệu graphene và bùn đỏ hoạt hoá HNO₃”, Tạp chí Hoá học, 55(5E1,2), tr. 284-288.
7. Ha Xuan Linh, Pham Van Hao, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Thanh Hai, Nguyen Nhat Huy, Dang Van Thanh (2017), “Graphene preparation by electrochemmical exfoliation of graphite in basic electrolyte”, Vietnam Journal of Chemistry, 55(3e12), pp. 341-345.
8. Nguyễn Thị Khánh Vân, Hà Xuân Linh, Trần Thị Hương, Nguyễn Ánh Tuyết, Hà Xuân Sơn, Đặng Văn Thành, Nguyễn Nhật Huy (2018), “Nghiên cứu hấp phụ Mn(II) trong nước bằng vật liệu Graphene/bùn đỏ”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ- Đại học Thái Nguyên, 190(14), tr. 49-54.

* Báo cáo đăng trên kỷ yếu hội nghị quốc tế:

9. Pham Van Hao, Ha Xuan Linh, Nguyen Thi Kim Ngan, Phan Ngoc Hong, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Nhat Huy, Phung Thi Oanh, Dang Van Thanh (2017), “Arsenic removal from aqueous solutions by Graphene nanosheets prepared from electrochemical exfoliation of Graphite rod”, Proceeding of The 6^th international workshop on nanotechnology an application, pp. 577-581.

5.2 Sản phẩm đào tạo

* Hướng dẫn sinh viên làm đề tài tốt nghiệp:

1. Nguyễn Đức Mạnh (2017), Preparation of Red mud/graphene composite and its application for adsorption of As(III) from Aqueous solution, Khóa luận tốt nghiệp sinh viên, Khoa Quốc tế – Đại học Thái Nguyên.
2. Hoàng Ngân Hạnh (2017), Nghiên cứu hấp phụ Xanh Metylen của vật liệu tổ hợp graphene/bùn đỏ, Khóa luận tốt nghiệp sinh viên, Trường Đại học Nông lâm – Đại học Thái Nguyên.
3. Trần Thị Thuỳ Trang (2017), Chế tạo tổ hợp vật liệu graphene/bùn đỏ ứng dụng hấp phụ Cr (VI) trong môi trường nước, Khóa luận tốt nghiệp sinh viên, Trường Đại học Nông lâm – Đại học Thái Nguyên.
4. Tạ Hoàng Nam (2018), Arsenic removal from aqueous solutions by graphene nanosheets prepared from electromhemical exfoliation of graphite rod, Khóa luận tốt nghiệp sinh viên, Khoa Quốc tế – Đại học Thái Nguyên.
5. Lê Quốc Bảo (2018), Removal of Methylene Blue from aqueous solotions by graphene sheets prepared from electrochemical method, Khóa luận tốt nghiệp sinh viên, Khoa Quốc tế – Đại học Thái Nguyên.

* Hướng học viên thạc sĩ đề tài tốt nghiệp:

1. Hoàng Đức Thuận (2018): Nghiên cứu khả năng xử lý As và Mn trong môi trường nước của tổ hợp vật liệu graphene và bùn đỏ, Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên

5.3 Sản phẩm ứng dụng

• Mô hình xử lý nước thải chứa kim loại nặng và chất hữu cơ độc hại có nước xử lý đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp QCVN 40 hiện hành.
• Qui trình chế tạo tổ hợp vật liệu graphene/bùn đỏ xử lý tốt một số kim loại nặng và chất thải hữu cơ độc hại trong môi trường nước.
• Quy trình chế tạo graphene bằng phương pháp điện hóa.
• 200 gam graphene chế tạo bằng phương pháp điện hóa để nghiên cứu
• 5 kg vật liệu graphene/bùn đỏ đủ để thử nghiệm mô hình

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

• Phương thức chuyển giao: Chuyển giao các kết quả nghiên cứu dưới dạng văn bản (báo cáo, đề tài học viên, sinh viên và bài báo khoa học)
• Địa chỉ ứng dụng: Đề tài sau khi được nghiêm thu sẽ chuyển giao cho Trung tâm học liệu và CNTT của Đại học Thái Nguyên làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và các nhà nghiên cứu quan tâm tới lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý nước ô nhiễm.
• Tác động và lợi ích mang lại của kết quả đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng để ứng dụng trong cải tiến, xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng nói chung và Cd nói riêng, phương pháp dễ thực hiện, tận dụng được phế thải của công nghiệp sản xuất nhôm, là một trọng những giải pháp giúp hạn chế ô nhiễm môi trường của phể thải bùn đỏ.

 

INFORMATION OF RESEARCH RESULTS

1. General information

• Project title: Preparation of red mud/graphene composite and its application for adsorption of as (iii) and toxic organic wastes from aqueous solution
• Code number: B2017-TNA-29
• Coordinator: Dr. Ha Xuan Linh
• Implementing institution: Office of Thai Nguyen University
• Duration: from January, 2017 to December 2018

2. Objectives

• To discover the fabrication of graphene material by applying electrochemical method.
• To build the process of making graphene/red mud composite by removing some metals and toxic organic wastes from aqueous solution.

3. Creativity and innovation

In this project, composite material was created by mixing the red mud which is waste mud from the process of aluminum production with graphene. We developed a simple and convenient one-step method for the activation of graphite using high basic red mud slurry to produce a mixture of red mud/graphene (REEG) under mild reaction conditions. The wet red mud was mixed up with graphene by direct electrochemical exfoliation of graphite in its solution. The REEG obtained was characterized and applied for the removal of As (III) and toxic organic wastes from aqueous solutions. Results showed that REEG is effective for the removal of As (III) and toxic organic wastes from aqueous environment, which could also acts as an effective adsorbent for the removal of other heavy metals from polluted water.

4. Research results

1. Fabricating both graphene materials and Graphene - red mud (REEG) materials successfully by applying electrochemical method.
2. Identifying the surface characteristics, physical properties, structure of the REEG over SEM scanning electron microscopy image, electron microscopy transmitted by TEM, beam diffraction diagram X, Raman scattering spectrum and energy dispersion spectrum.
3. Investigating a number of factors affecting the adsorption process of REEG for As (III), Metylen Blue (MB) ions, by static adsorption method, the results are as follows:

- The best adsorption pH is 3 for As (III) ions, the best adsorption pH is 6 for MB.

- The time to reach adsorption equilibrium with As (III) ion is 240 minutes, MB is 120 minutes.

- The amount of REEG needed for adsorption of ions As (III) and Mn (II) is 0.05 g preferably.

- When increasing the concentration of As (III) ions, MB in the concentration concentration range, adsorption efficiency decreases, adsorption capacity increases.

4. Description of adsorption process according to the Langmuir isotherm adsorption model has determined the maximum adsorption capacity of REEG for As (III) ions is 24.39 mg / g, MB is 89.28 mg / g.
5. Description of adsorption process according to the Freundlich isothermal adsorption model has determined that Freundlich constants for ion As (III) are n = 1.94; k = 18,18; for ion Mn (II) is n = 1.58; k = 44.78.
6. Ion adsorption process of As (III) and MB of REEG follow the apparent second-order adsorption kinetic model of Lagergren.
7. Using REEG to process real water samples containing As (III) in Ha Thuong commune - Dai Tu district - Thai Nguyen province and samples of waste water taken from Van Phuc silk weaving village - Hanoi. The results showed that surface water samples containing As (III) ions with a concentration of 0.249 mg / L, after adsorption by running As (III) ion concentration column to meet the permitted standards for waste water discharged into areas taking water for irrigation and irrigation purposes according to QCVN 08-MT: 2015 / BTNMT. For water samples of textile dyeing after treatment with VLHP, COD and BOD5 indexes are at the level of 127mg / l and 28mg / l are within the permitted level according to QCVN 13: 2015 / BTNMT Column B.

8. Products

5.1. Scientific products

* International Journals (ISI)

1. Ha Xuan Linh, Phung Thi Oanh, Nguyen Nhat Huy, Pham Văn Hoa, Phan Ngoc Minh, Pham Ngoc Hong, Dang Van Thanh (2019) “Electrochemical mass production of graphene nanosheets for arsenic removal from aqueous solutions”, Materials Letters, 250, pp. 16-19.
2. Ha Xuan Linh, Ngo Thi Thu, Tran Quoc Toan, Do Tra Huong, Bui Thanh Giang, Huynh Ky Phoung Ha, Hong-Tham T. Nguyen, N.T.K Chung, Tri Khoa Nguyen, Nguyen Thanh Hai (2019), “Fast and efective route for removing Methylene Blue from aqueous solution by using Red mud-Activated Graphite composite”, Hindawi Journal of Chemistry, Volume 2019, pp 1-7.

* National Journals:

3. Ha Xuan Linh, Dang Thi Hong Phuong, Pham Van Hao, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Thanh Hai, Nguyen Nhat Huy, Dang Van Thanh (2017), “Removal of Methylene blue from aqueous solutions by graphene sheets prepared from electrochemical method”, Journal of Military Science and Tecnology, Vol 9-2017, pp. 172-181.
4. Ha Xuan Linh, Hoang Duc Thuan, Dang Thi Hong Phuong, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Thanh Hai, Nguyen Nhat Huy, Dang Văn Thanh (2017), “Preparation of Red mud/graphene composite and its application for adsorptioan of As(III) from aqueous solition”, Vietnam Journal of Science and Technology, 55 (4C), pp 217-223.
5. Đang Thi Hong Phuong, Ha Xuan Linh, Tran Thi Thuy Trang, Nguyen Thi Kim Ngan, Đo Tra Huong, Nguyen Ngoc Minh (2017), “Preparation of redmud/graphene composite and its applicatioan for adsorption of Cr(VI) from aqueous solution”, Science and Technology Journal of Agriculture and Rural Development, Vol 10, pp. 217-223.
6. Do Tra Huong, Nguyen Ngoc Mai, Ha Xuan Linh (2017), “Using grephene and red mud material modified with HNO₃ for RR 120 adsorption”, Viet Nam Journal of Chemistry, 55(5E1,2), pp. 284-288.
7. Ha Xuan Linh, Pham Van Hao, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Thanh Hai, Nguyen Nhat Huy, Dang Van Thanh (2017), “Graphene preparation by electrochemmical exfoliation of graphite in basic electrolyte”, Vietnam Journal of Chemistry, 55(3e12), pp 341-345.
8. Nguyen Thị Khanh Van, Hà Xuan Linh, Tran Thi Huong, Nguyen Anh Tuyet, Ha Xuan Son, Đang Van Thanh, Nguyen Nhat Huy (2018), “Study on adsorption of Mn(II) in water using grephene/red mud materrial”, Journal Science and Technology of Thai Nguyen University, 190(14), pp. 49-54.

* Workshop Proceeding:

9. Pham Van Hao, Ha Xuan Linh, Nguyen Thi Kim Ngan, Phan Ngoc Hong, Nguyen Thi Thuy, Nguyen Nhat Huy, Phung Thi Oanh, Dang Văn Thanh (2017), “Arsenic removal from aqueous solutions by Graphene nanosheets prepared from electrochemical exfoliation of Graphite rod”, Proceeding of The 6^th international workshop on nanotechnology an application, pp. 577-581.

5.2 Training products

Guide student to do the thesis:

1. Nguyen Duc Manh (2017), Preparation of Red mud/graphene composite and its application for adsorption of As(III) from Aqueous solution, Thesis of student, International School – Thai Nguyen University.
2. Hoang Ngan Hanh (2017), Study adsorption of Metylen Blue using graphene/red mud composite, Thesis of student, University of Agriculture and Forestry – Thai Nguyen University.
3. Tran Thi Thuy Trang (2017), Preparation of Red mud/graphene composite and its application for adsorption of Cr(VI) from Aqueous solution, Thesis of student, University of Agriculture and Forestry – Thai Nguyen University.
4. Ta Hoang Nam (2018), Arsenic removal from aqueous solutions by graphene nanosheets prepared from electromhemical exfoliation of graphite rod, Thesis of student, International School – Thai Nguyen University.
5. Le Quoc Bao (2018), Removal of Methylene Blue from aqueous solotions by graphene sheets prepared from electrochemical method, Thesis of student, International School – Thai Nguyen University.

Guide Master Student to do the thesis:

Hoang Duc Thuan (2018), Study adsorption of As and Mn for Red mud/graphene composite from aqueous solution. Master thesis, University of Agriculture and Forestry – Thai Nguyen University

5.3 Application products

• Wastewater treatment model containing heavy metals and toxic organic substances having treated water meeting current QCVN 40 industrial wastewater standards.
• Process of manufacturing graphene/red mud complexes that handle some heavy metals and toxic organic wastes in the environment.
• Process of making graphene by electrochemical method.
• 200 grams of graphene fabricated by electrochemical methods for research.
• 5 kg of graphene/red mud material sufficient for testing model..

6. Transfer alternatives, application institution, impacts and benefits of research results

• Transferring method: The results of this study will be transferred through the documents (report, student thesis, master thesis, scientific papers).
• Address of application: The report will be transferred to Learning resource center – Thai Nguyen University.
• Impacts and benefits of the research results: The results of this study can be applied not only for the process of removing As and toxic organic wastes but also for the process of removing other metals as it is cost-effective and easy to implement.