TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu chế tạo vật liệu
Graphene từ nhựa thải và ứng
dụng xử lý Xanhmetylen trong
mơi trường nước
Ngành kỹ thuật hóa học
Chun ngành Công nghệ các chất vô cơ

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thị Hồng Phượng

Bộ môn:
Viện:

Công nghệ các chất vô cơ
Kỹ thuật hóa học

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 7/2021

TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


Viện Kỹ thuật Hóa học
------------o0o-----------

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
------------o0o-----------

NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU TỐT NGHIỆP
1. Thông tin về sinh viên
Họ và tên sinh viên:
Điện thoại liên lạc:
Lớp: KTHH06 – K61

Hệ đào tạo: Đại học chính quy.

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ
các chất Vơ cơ, Viện Kỹ thuật Hóa Học, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2. Mục đích nội dung của ĐATN:
Chế tạo vật liệu graphene từ nhựa thải và khảo sát khả năng hấp phụ
xanhmetylen trong môi trường nước của graphene được chế tạo.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN:
Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene terephthalate bằng phương
pháp nhiệt kết hợp với xúc tác bentonite và bentonite biến tính.
Khảo sát các ảnh hưởng thời gian hấp phụ, pH, nồng độ dung dịch
xanhmetylen đến hiệu quả hấp phụ của graphene.
4. Lời cam đoan của sinh viên:
Tôi – Nguyễn Thị Dung - cam kết ĐATN là cơng trình nghiên cứu của bản
thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Hồng Phượng.
Các kết quả nêu trong ĐATN là trung thực, khơng phải là sao chép tồn
văn của bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 23 tháng 7 năm 2021
Tác giả ĐATN
Nguyễn Thị Dung

5. Thời gian làm ĐATN: Từ tháng 3/2021 đến tháng 7/2021.
Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2021
Trưởng bộ môn

PGS.TS La Thế Vinh

Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Thị Hồng Phượng

2


Lời cảm ơn
Trong thời gian hồn thành khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được
sự hỗ trợ giúp đỡ của nhiều cơ quan tổ chức cá nhân. Trước hết em xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách khoa Hà Nội nói
chung, các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ các chất vô cơ - Viện Kỹ thuật Hóa
học nói riêng đã dạy cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các mơn
chun ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Thị Hồng
Phượng, Viện Kỹ thuật Hóa học, cùng TS. Lã Đức Dương, Viện Hóa học - Vật
liệu, đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành đề tài trong thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện,
quan tâm, động viên em trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt
nghiệp này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên
cứu của bản thân cịn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể cịn nhiều thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cơ giáo, các bạn

trong lớp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày để đồ án được
hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!


Tóm tắt nội dung đồ án
Xanhmetylen (Methylene Blue) là một phẩm nhuộm mang màu, khó phân
hủy, có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người, động vật và gây ô nhiêm đến
môi trường. Do đó việc xử lý hấp phụ xanhmetylen ra khỏi nước trước khi thải ra
ngồi mơi trường là rất cần thiết và thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà
khoa học trong và ngoài nước. Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để xử lý
xanhmetylen trong nước thải ví dụ như: phương pháp keo tụ, trao đổi ion, điện
phân, tách chiết, quang xúc tác, kết tủa hóa học và hấp phụ. Một trong những
hướng đi ưu tiên gần đây rất được quan tâm cả trong và ngoài nước là xử lý hấp
phụ thuốc nhuộm sử dụng các vật liệu dựa trên nền cacbon như cacbon nanotube
(CNT), than hoạt tính,... đặc biệt là nano graphene.
Bên cạnh đó, thế giới đang chứa lượng khổng lồ rác thải nhựa mỗi năm,
con người đang lạm dụng quá mức vật dụng bằng nhựa khó phân hủy. Với mục
đích có thể tái chế nhựa thải làm nguyên liệu cho ngành khoa học vật liệu năng
lượng mới, phương pháp hấp phụ nước thải chứa xanhmetylen sử dụng vật liệu
mới có nguồn gốc tái chế rác thải nhựa được quan tâm nghiên cứu bởi nguồn
nguyên liệu sẵn có, khả năng tái sử dụng cao, quy trình xử lý đơn giản.
Xuất phát từ những lý do trên, đồ án tốt nghiệp này thực hiện nghiên cứu
với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Graphene từ nhựa thải và ứng dụng xử
lý Xanhmetylen trong môi trường nước”, dưới sự hướng dẫn của TS. Lã Đức
Dương, Viện Hóa học - Vật liệu và TS. Nguyễn Thị Hồng Phượng, Viện Kỹ
thuật Hóa học.
Nhiệm vụ của đồ án là:
 Chế tạo graphene từ nhựa thải polyethylene terephthalate bằng
phương pháp nhiệt kết hợp với xúc tác bentonite và bentonite biến

tính.
 Ứng dụng Graphene chế tạo được xử lý chất màu Xanhmetylen
trong môi trường nước.

Hà Nội, tháng 07 năm 2021
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Dung


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................1
1.1. Xanhmetylen (MB)....................................................................................1
1.1.1. Đặc điểm của MB................................................................................1
1.1.2. Ứng dụng của MB...............................................................................2
1.1.3. Ảnh hưởng của MB tới môi trường sinh thái.......................................3
1.2. Nhựa Polyethylene Terephthalate (PET)....................................................3
1.2.1. Đặc điểm của PET...............................................................................3
1.2.2. Ảnh hưởng của nhựa thải PET tới môi trường.....................................5
1.3. Graphene....................................................................................................7
1.3.1. Đặc điểm của Graphene.......................................................................7
1.3.2. Các phương pháp tổng hợp Graphene.................................................8
1.3.3. Một số nghiên cứu chế tạo graphene từ nguyên liệu nhựa thải..........11
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM..........................................................................13
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu............................................13
2.1.1. Nguyên liệu.......................................................................................13
2.1.2. Hóa chất sử dụng nghiên cứu............................................................13
2.1.3. Thiết bị, dụng cụ sử dụng nghiên cứu................................................14
2.2. Quy trình thực hiện chế tạo graphen.........................................................14

2.3. Các phương pháp phân tích đánh giá tính chất đặc trưng của vật liệu......15
2.3.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM).......................................................15
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)..................................................16
2.3.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis bằng máy phổ
quang khả kiến (UV – Vis)..........................................................................17
2.3.4. Phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR........................................18
2.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ dung dịch MB của
VL................................................................................................................... 19
2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian.....................................................19
2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH...............................................................20
2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ.......................................................20
2.4.4. Xây dựng các đẳng nhiệt hấp phụ......................................................21
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................24
3.1. Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu của graphene.....................................24


3.1.1. Kết quả mẫu VL chụp bằng kính hiển vi điện tử quét SEM..............24
3.1.2. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu VL.............................................26
3.1.3. Kết quả mẫu VL bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR....27
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MB của VL.........29
3.2.1. Kết quả khảo sát bước sóng của MB đạt hấp thụ cực đại..................29
3.2.2. Xây dựng đường chuẩn của MB........................................................29
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ......................................................30
3.2.4. Ảnh hưởng của pH dung dịch MB.....................................................32
3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch MB.............................................33
KẾT LUẬN.........................................................................................................37
YÊU CẦU VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................39



DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Bảng số liệu xây dựng đường chuẩn của dung dịch MB.....................29
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ MB của VL1
............................................................................................................................ 31
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ MB của VL2
............................................................................................................................ 31
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ MB của VL3
............................................................................................................................ 31
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của pH dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ của VL......32
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ
của VL1............................................................................................................... 34
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ
của VL2............................................................................................................... 34
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ
của VL3............................................................................................................... 34
Bảng 3.9: Các thông số đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich đối với sự hấp thụ
MB của 2 mẫu vật liệu graphene.........................................................................36

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Số thứ tự
1
2
3
4
5

Từ viết tắt
MB
VL
PET

UV - Vis
FTIR

6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

SEM
XRD
GO
EPA
FAO
MMT
PPM
CNT
s
p

DANH MỤC HÌN

Từ đầy đủ
Xanhmetylen
Vật liệu

Nhựa Polyethylene Terephthalate
Ultraviolet Visible Spectroscopy (Quang phổ tử ngoại)
Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại
biến đổi Fourie)
Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)
X - ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)
Graphen oxit
Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ
Tổ chức Lương Nơng Liên Hiệp Quốc
Khống vật Montmorillonite biến tính
Part per million (mg/l)
Carbon Nanotube (ống nano cacbon)
giây
phút


Hình 1.0.1: Cơng thức cấu tạo của MB.................................................................1
Hình 1.0.2: MB dạng (a) tinh thể, (b) bột..............................................................1
Hình 1.0.3: Cơng thức cấu tạo cation MB+............................................................1
Hình 2.0.1: Nhựa PET lấy từ vỏ chai nước uống đóng chai đã qua sử dụng.......13
Hình 2.0.2: Nhựa PET đã được cắt nhỏ 2-4mm..................................................13
Hình 3.1: Hình ảnh chụp SEM của VL1.............................................................24
Hình 3.2: Hình ảnh đo SEM của VL2.................................................................25
Hình 3.3: Hình ảnh đo SEM của VL3.................................................................26
Hình 3.4: Giản đồ XRD của VL1........................................................................26
Hình 3.5: Giản đồ XRD của VL2........................................................................27
Hình 3.6: giản đồ XRD của VL3.........................................................................27
Hình 3.7: Phổ FTIR của VL1..............................................................................28
Hình 3.8: Phổ FTIR của VL2..............................................................................28
Hình 3.9: Phổ FTIR của VL3..............................................................................29

Hình 3.10: Độ hấp thụ (abs) và bước sóng (nm) của dung dịch MB 10ppm.......29
Hình 3.11: Xây dựng phương trình đường chuẩn của dung dịch MB..................30
Hình 3.12: Thể hiện phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian..........................32
Hình 3.13: Ảnh hưởng của pH dung dịch MB đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu
............................................................................................................................ 33
Hình 3.14: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu dung dịch MB tới hiệu suất hấp phụ
của 3 VL.............................................................................................................. 35
Hình 3.15: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (trái); Freundlich (phải) với MB
của VL2............................................................................................................... 35
Hình 3.16: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (trái); Freundlich (phải) với MB
của VL3............................................................................................................... 36


MỞ ĐẦU
Chai nhựa hiện đang là sản phẩm thông dụng, được sử dụng rất phổ biến
trong đời sống. Trong đó, chai nhựa được sử dụng chủ yếu để đựng: nước
khoáng, nước ngọt, các loại chai gia vị nấu ăn, mỹ phẩm, dược phẩm…Tổ chức
Lương Nông Liên Hiệp Quốc (FAO) cho biết, năm 2016 trên tồn thế giới đã có
480 tỷ chai nhựa được sản xuất và tiêu thụ, tức là mỗi phút sẽ có khoảng 1 triệu
chai nhựa được bán ra. Trong khi đó, ước tính phải mất tới 450 – 1.000 năm
trong mơi trường nước biển thì 1 chai nhựa mới bị phân hủy hoàn toàn. Đây quả
thực là một khoảng thời gian rất dài, trong suốt thời gian đó, rác thải chai nhựa sẽ
mang tới nhiều ảnh hưởng xấu tới con người, môi trường và cả sinh vật như: ngộ
độc cơ thể, ảnh hưởng đến thai nhi và trẻ nhỏ, nguy cơ gây ung thư; tắc nghẽn
cống rãnh, ơ nhiễm mơi trường, ngăn cản q trình oxy hóa của đất; động vật ăn
phải khơng tiêu hóa được và hoại tử;…Đã có nhiều chiến dịch chung tay phân
loại và xử lý đồ nhựa, tái chế đồ nhựa, sử dụng sản phẩm thân thiện với mơi
trường.
Xuất phát từ tính cấp bách của vấn đề xử lý nhựa thải nguy hại phân hủy
chậm trong tự nhiên, bài nghiên cứu quan tâm đến việc tận dụng nhựa thải là

nguyên liệu chính chế tạo vật liệu nano có tính ứng dụng cao: vật liệu nano
graphene. Cụ thể là loại nhựa PET polyethylene perephthalate là nguyên liệu
chứa hàm lượng cacbon lớn, đang được các nhà khoa học quan tâm khai thác,
thay thế nguyên liệu hóa thạch và ngun liệu sinh khối.
Một trong những tính chất của vật liệu nano graphene được khai thác là
loại vật liệu có tính hấp phụ ứng dụng xử lý một số chỉ tiêu ơ nhiễm mơi trường,
góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Xanhmetylen
– một trong những loại thuốc nhuộm sử dụng phổ biến gây ra ô nhiễm môi
trường nước, được lựa chọn là dung dịch thực hiện nghiên cứu độ hấp phụ của
vật liệu nano graphene cũng như khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp
phụ


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Xanhmetylen (MB)
1.1.1. Đặc điểm của MB
Xanhmetylen (MB) là một hợp chất dị vịng, có các tên gọi khác như
methylene blue, tetramethylthionine chlorhydrate, methythioninium chloride,
glutylene. Công thức phân tử của MB là C16H18N3SCl, trong đó có 3 vịng thơm
chứa nhóm màu –C=C, –C=N, –C=S và nhóm trợ màu N(CH3)2.

Hình 1.0.1: Cơng thức cấu tạo của MB

Hình 1.0.2: MB dạng (a) tinh thể, (b) bột

Hình 1.0.3: Cơng thức cấu tạo cation MB+

Tinh thể MB có màu xanh lá cây thẫm có ánh đồng đỏ. MB có đặc điểm là
khó tan trong nước lạnh và rượu etylic, khi đun nóng thì tan dễ hơn. Ở nhiệt độ
phịng, nó tồn tại dạng rắn có màu xanh đen, khơng mùi, khi được hịa tan vào

nước tạo thành dung dịch có màu xanh lam. MB có phân tử khối 319,85g/ mol,
1


nhiệt độ nóng chảy từ 100 - 110oC, cường độ màu tỷ lệ với nồng độ của chất
trong dung dịch [20].
MB là một chất màu thuộc họ thiozin, có khả năng phân ly dưới dạng
cation MB+ là C16H18N3S+.
1.1.2. Ứng dụng của MB

Hình 1.4: MB sử dụng làm thuốc giúp điều trị methemoglobin huyết mắc phải

Hình 1.5: MB sử dụng làm thuốc nhuộm cho ngành dệt, nhuộm

Xanh metylen là chất được sử dụng phổ biến trong các ngành nhuộm vải,
gỗ, da, sản xuất mực in, ... Trong hóa học, MB được sử dụng như một chỉ số oxy
hóa trong hóa học phân tích, nó chỉ ra sự xuất hiện hay vắng mặt của oxi. Trong
sinh học, MB được sử dụng như một loại thuốc nhuộm hỗ trợ xác định vi khuẩn,
dùng MB có thể ước tính nhanh về tỷ lệ phần trăm các tế bào khả thi trong một
mẫu nấm men. MB được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng y tế. Nó được sử
dụng như là một phương pháp điều trị methemoglobinemia, một rối loạn trong đó
mức độ methemoglobin (oxy hóa hemoglobin) tăng cao hơn một phần trăm bình
thường trong máu. Trong nuôi trồng thủy sản để điều trị nhiễm nấm, an toàn đối
với trứng nhiều loài cá người ta dùng MB [8], [10].
1.1.3. Ảnh hưởng của MB tới môi trường sinh thái
MB hấp thụ khá mạnh bởi những loại đất khác nhau. Trong môi trường
nước, MB bị hấp thụ vào vật chất lơ lửng, bùn đáy ao và không có khả năng bay
2



hơi ra ngồi mơi trường nước ở bề mặt nước. Khi ước lượng chỉ số tích lũy sinh
học, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) cho rằng MB khơng có sự tích
lũy sinh học trong thủy sinh vật. Nếu thải MB vào trong khơng khí, MB sẽ tồn tại
cả dạng hơi và bụi lơ lửng. Dạng hơi sẽ bị phân hủy do sự phản ứng quang phân
với các gốc oxy hóa [OH], thời gian bán hủy khoảng 2 giờ [4].

Hình 1.6: Các cơ sở dệt, nhuộm đang biến những con sông thành bể nước thải khổng lồ
tại Vạn Phúc, Hà Đông, Hà Nội

Nhận xét:
MB thải ra từ quá trình dệt nhuộm đang ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của
con người, động vật và gây ô nhiêm đến môi trường quang khu vực nhà xưởng
sản xuất. Do đó việc xử lý hấp phụ MB ra khỏi nước trước khi thải ra ngồi mơi
trường là rất cần thiết và thu hút sự quan tâm nghiên cứu.
Một trong những hướng đi ưu tiên gần đây được nhiều nhà khoa học quan
tâm cả trong và ngoài nước là xử lý hấp phụ thuốc nhuộm sử dụng các vật liệu
dựa trên nền cacbon như cacbon nanotube (CNT), than hoạt tính,... đặc biệt là
graphen.

 Tại đồ án này nghiên cứu xử lý chất màu MB trong môi trường
nước bằng vật liệu graphene mang ỹ nghĩa khoa học và thực tiễn.
1.2. Nhựa Polyethylene Terephthalate (PET)
1.2.1. Đặc điểm của PET
Nhựa PET (viết tắt của polyethylene terephthalate) là nhựa nhiệt dẻo,
thuộc loại nhựa polyester, một trong số những loại nhựa được dùng thịnh hành
cho các hàng hóa gia dụng, ví dụ như chai nước khống, nước ngọt, bia và bao bì
đóng gói, được sử dụng trong sợi may quần áo, hộp đựng thực phẩm, khuôn đúc
nhựa và kết hợp với sợi thủy tinh sản xuất nhựa kỹ thuật … Đây là loại nhựa chỉ
tận dụng duy nhất một lần, nên nếu sử dụng đi sử dụng lại rất có thể gia tăng rủi
3



ro làm hịa tan các kim loại nặng và hóa chất cấu tạo nên chúng. Các chất này
làm tác động đến sự cân bằng hóc-mơn trong cơ thể.[5]

Hình 1.7: Cấu trúc phân tử của PET

Hình 1.8: Các loại chai nhựa PET

PET được phát hiện ra vào năm 1941 bởi Calico Printer’ Association ở
thành phố Manchester. Chai nhựa PET được đưa vào sản xuất vào năm 1973.
Công thức phân tử: (C10H8O4)n
Tỷ trọng: PET vơ định hình: 1,370 g/cm3; PET tinh thể: 1,445 g/cm3
Độ co giãn dài: 50 – 150 %
Độ chịu va đập: 3.6 kJ/m2
Nhiệt độ nóng chảy: ~ 260 oC
-

Có khả năng chịu lực và chịu nhiệt cao. Khi gia tăng nhiệt ở 200 oC hay
làm lạnh ở -90oC thì cấu trúc hóa học của PET vẫn được giữ nguyên.
Có tính chống thấm khí (O2 và CO2) tốt hơn nhiều loại nhựa khác. Ở nhiệt
độ khoảng 100oC thì nhựa PET vẫn được tính chất này.
Bền cơ học cao, có khả năng chịu đựng lực xé và lực va chạm, chịu đựng
sự mài mịn cao, có độ cứng vững cao.
Trong suốt.
4


-


Bề mặt có rất nhiều lỗ rỗng, xốp, rất khó để có thể làm sạch.
Mức độ tái chế của nhựa PET cũng rất thấp (chỉ khoảng 20%).

1.2.2. Ảnh hưởng của nhựa thải PET tới môi trường
Giống như nhiều quốc gia khác, Việt Nam hiện đang phải đối mặt với rất
nhiều vấn đề mơi trường như: biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ô nhiễm rác thải
chai nhựa, túi nilon… [14]
Tổ chức FAO cho biết mỗi năm lượng rác thải nhựa tại Việt Nam tăng lên
khoảng 16 – 18% so với năm trước.
Tổ chức FAO cho biết, năm 2016 trên toàn thế giới đã có 480 tỷ chai nhựa
được sản xuất và tiêu thụ, tức là mỗi phút sẽ có khoảng 1 triệu chai nhựa được
bán ra.
Trong khi đó, ước tính phải mất tới 450 – 1.000 năm trong môi trường
nước biển thì 1 chai nhựa mới bị phân hủy hồn toàn. Đây quả thực là một
khoảng thời gian rất dài, trong suốt thời gian đó, rác thải chai nhựa sẽ mang tới
nhiều ảnh hưởng xấu tới con người, môi trường và cả sinh vật.
Việc sử dụng chai nhựa không đúng cách có thể mang đến nhiều ảnh
hưởng xấu tới sức khỏe con người. Cụ thể:
-

-

-

-

 Gây độc hại cho cơ thể:
Khi sử dụng không đúng cách, các chất phụ gia, tạo màu trong chai nhựa
có thể bị phơi ra, nhiễm vào thực phẩm và gây độc cho con người. Khi để
trong tủ lạnh, các hợp chất trong thành phần PET có thể bị rị rỉ và gây ảnh

hưởng đến sức khỏe.
Có thể gây ảnh hưởng đến thai nhi và trẻ nhỏ: Báo Xây dựng đăng tải:
Một nghiên cứu khoa học tại California, Mỹ cho thấy, việc tiếp xúc lâu dài
với chất Bisphenol A (BPA) có trong chai nhựa làm tác động tiêu cực đến
thai nhi và trẻ nhỏ. Trẻ có thể bị đột biến nhiễm sắc thể, khuyết tật bẩm
sinh, thậm chí là tổn thương não…
Tăng nguy cơ gây ung thư: Khi sử dụng chai nhựa để đựng nước ấm, nước
nóng thì sẽ làm tăng nguy cơ mắc ung thư. Bởi nhiệt độ cao có thể sẽ tạo
ra phản ứng giữa các thành phần của vỏ chai và nước, hoặc phơi nhiễm
chất độc hại ra nước.
 Gây ô nhiễm môi trường:
Chai nhựa khi bị chôn lấp sẽ làm đất không giữ được nước, dinh dưỡng và
ngăn cản q trình khí oxy đi qua đất, gây tác động xấu đến sự sinh trưởng
của cây trồng. Còn khi xử lý rác bằng cách đốt sẽ sinh ra chất độc đi-ôxin, furan gây ô nhiễm không khí, gây ngộ độc, ảnh hưởng tới sức khỏe
con người…

5


-

Gây tắc nghẽn cống rãnh, tăng nguy cơ ngập lụt: Những chiếc chai nhựa
bị vứt đi, mắc kẹt trong cống rãnh sẽ cản trở sự lưu thơng của dịng nước,
tạo nơi ở cho vi sinh vật độc hại phát triển và gây tắc nghẽn, ngập úng…

Hình 1.9: Rác thải nhựa

-

-


-

 Tác hại với sinh vật:
Sinh vật, đặc biệt là sinh vật biển cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi rác thải
chai nhựa:
Khiến sinh vật biển tưởng nhầm rác thải nhựa là thức ăn: Tổng cục Biển
và Hải đảo Việt Nam cho biết, có khoảng 267 lồi sinh vật biển (chim, rùa
biển, hải âu…) đã nhầm nhựa thành thức ăn của chúng và ăn phải. Điều
này có thể gây tổn hại thành ruột, gây tắc nghẽn, dẫn tới giảm khả năng
hấp thụ của sinh vật biển.
Gây ra cái chết cho sinh vật biển: Cục quản lý Đại dương và Khí quyển
quốc gia Mỹ cho biết, mỗi năm có khoảng 100.000 động vật có vú biển,
hàng triệu lồi cá, chim biển đã chết mắc kẹt vào rác thải nhựa hoặc do ăn
phải nhựa.
Làm phá hủy hoặc suy giảm đa dạng sinh học: Những cái chết của nhiều
loài sinh vật biển sẽ mang đến nguy cơ tuyệt chủng hoặc làm phá hủy, suy
giảm đa dạng sinh học.

Có thể nói, rác thải chai nhựa mang đến tác hại rất lớn cho sức khỏe con
người, mơi trường và cả sinh vật. Vì thế, chúng ta hãy chung tay chống rác thải
chai nhựa bằng cách:
-

Phân loại chai nhựa, đồ nhựa để có thể thu gom, tái chế nhanh chóng,
đúng quy trình.
Sử dụng bình đựng nước cá nhân bằng thủy tinh, sản phẩm sinh học phân
hủy hoàn tồn… thay vì dùng chai nhựa dùng một lần.
Có thể tái chế chai nhựa đã qua sử dụng vào các mục đích khác: làm bè
trơi sơng, đồ chơi, bàn ghế, thùng đựng rác, đồ trang trí…

Sử dụng sản phẩm thân thiện môi trường.
6


Nhận xét:
Nhựa thải PET ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống, chính con người
đang gánh chịu những tác động đó từng ngày, từng giờ.

 Việc nghiên cứu ra hướng xử lý nhựa PET là vấn đề đáng lưu tâm.
Nhận thấy nhựa PET có chứa hàm lượng cacbon phù hợp trong
việc tận dụng nhựa PET làm nguyên liệu cung cấp cacbon cho các
q trình sản xuất cơng nghiệp hay cho ngành khoa học vật liệu
tiên tiến. Đồ án này nghiên cứu sử dụng nhựa thải PET làm nguyên
liệu cho quá trình chế tạo vật liệu graphene.
1.3. Graphene
1.3.1. Đặc điểm của Graphene
Graphen là một lớp các nguyên tử cacbon được xắp xếp thành mạng lục
giác hai chiều (mạng hình tổ ong). Thông thường, graphen được chia làm 2 loại:
graphen đơn lớp và đa lớp.
Graphen đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cacbon, độ linh động
electron lớn và các tính chất vật lý tốt, khiến cho nó là vật liệu được quan tâm đối
với lĩnh vực điện tử và quang điện tử cỡ nano. Nhưng nó khơng có khe vùng (độ
rộng vùng cấm bằng 0), do đó dẫn đến hạn chế việc sử dụng graphen trong lĩnh
vực điện tử.
Graphen đa lớp gồm các lớp graphen xếp chồng lên nhau (lớn hơn 2 lớp,
thông thường 2 - 10 lớp graphen). Trong thực tế, đa số các ứng dụng đều sử
dụng graphen đa lớp do việc chế tạo đơn giản hơn và giá thành thấp hơn của nó
so với việc chế tạo graphen đơn lớp.
Ngoài 2 loại trên, các loại khác như graphen oxit - GO (thường có cấu trúc
đơn lớp chứa các nhóm chức oxy trên bề mặt và có độ dẫn điện kém), graphen

oxit bị khử (reduced graphen oxit - rGO, GO được loại bỏ các nhóm chức oxy),
graphen dạng dải băng - graphen ribbons, graphen dạng chấm lượng tử - graphen
dots, được gọi chung là họ vật liệu graphen.
Vật liệu graphen đã được dùng làm chất hấp phụ với hiệu suất tương đối
tốt trong quá trình loại bỏ các chất hữu cơ ô nhiễm như: thuốc nhuộm, thuốc
kháng sinh, thuốc trừ sâu, nước nhiễm dầu, và nhiều chất hữu cơ tự nhiên [22],
[23]. Cơ chế quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ và các chất hữu cơ phụ
thuộc vào tính chất và cấu trúc của chúng (cấu tạo phân tử, momen lưỡng cực,
sự xuất hiện của những nhóm chức trên bề mặt). Sự có mặt hay khơng có mặt
của các nhóm chức như: –NH 2, –OH, –COOH trong chất hấp phụ cũng sẽ xác
định cơ chế và hiệu quả hấp phụ [22]. Các cơ chế quá trình hấp phụ của vật liệu
cơ sở graphen chủ yếu đó là: lực hút tĩnh điện, hiệu ứng kỵ nước, tương tác π-π,
liên kết hiđro, liên kết cộng hóa trị [24], [23].
7


Hình 1.10: Cấu trúc hóa học của một vài loại graphen

(a) Graphen đơn lớp, (b) Graphen đa lớp, (c) Graphen oxit - nguyên tử
oxy kí hiệu bởi màu đỏ, (d) Graphen oxit bị khử [21]
1.3.2. Các phương pháp tổng hợp Graphene
Trong cấu trúc của graphite, các lớp graphene liên kết với nhau bằng lực
Vander Wall. Do khoảng cách giữa các lớp rất nhỏ (0,34nm) nên lực này tương
tác đáng kể khiến cho việc tách các lớp rất khó khăn. Các nhóm phương pháp
được tiến hành nhiều nhất là: phương pháp tách lớp vi cơ học của graphite
(micromechanical exfoliation of graphite), nhóm phương pháp hình thành
graphene từ các ngun tử và phương pháp chế tạo graphene từ dung dịch.
Như phương pháp tách lớp vi cơ có thể tạo ra các mẫu nhỏ graphene phục
vụ nghiên cứu cơ bản. Phương pháp này sử dụng các lực cơ học tác động từ bên
ngoài để tách vật liệu graphite dạng khối ban đầu thành các lớp graphene. Với

năng lượng tương tác Van der Waals giữa các lớp khoảng 2eV/nm 2, độ lớn lực
cần thiết để tách lớp graphite là khoảng 300nN/μmm 2, đây là lực khá yếu và dễ
dàng đạt được bằng cách cọ xát một mẫu graphite trên bề mặt của đế SiO 2 hoặc
Si, hoặc dùng băng keo dính. phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện, ít tốn
kém tuy nhiên phương pháp này địi hỏi tính tỉ mỉ cao, không phù hợp cho việc
sản xuất graphene với số lượng lớn [26].

8


Hình 1.11: Một số phương pháp chế tạo graphene [25]

Hình 1.12: Phương pháp bóc tách vi cơ bằng băng keo

Nhóm phương pháp hình thành graphene từ các nguyên tử bao gồm các
phương pháp như phương pháp epitaxy, phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý
(PVD), hóa học (CVD), các phương pháp bốc bay, phun xạ v.v.. Nhóm phương
pháp này có ưu điểm là chế tạo được màng graphene chất lượng cao với diện tích
lớn, độ đồng đều cao hơn các phương pháp khác. Tuy nhiên nhóm phương pháp
này địi hỏi các thiết bị hiện đại, phản ứng ở nhiệt độ cao trong mơi trường khí
trơ vì vậy sản phẩm tạo thành sẽ có giá thành cao và chỉ có thể đáp ứng cho một
số ứng dụng tiêu biểu, khơng thích hợp cho việc sản xuất với số lượng lớn để
phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp [25], [27].

9


Hình 1.13: Cơ chế tạo màng graphene bằng phương pháp bốc bay nhiệt trên đế SiC

Phương pháp bóc tách pha lỏng sử dụng năng lượng cơ học và hóa học để

tách các tấm graphite thành các tấm graphene đơn lẻ. Phương pháp này có thể tạo
ra graphene một cách gián tiếp từ graphene oxit (GO- graphene oxide) và
graphene khử oxit (rGO-reduced graphene oxide) hoặc trực tiếp tạo ra các loại
graphene đa lớp dạng tấm, dạng vảy [28]. Các phương pháp này có ưu điểm là
chế tạo đơn giản, rẻ tiền, không cần các thiết bị đặc biệt nên dễ dàng sản xuất với
quy mơ lớn.

Hình 1.14: Mơ hình khử graphene oxide tạo graphene

Nhận xét:
Từ việc phân tích các ưu và khuyết điểm của một số phương pháp đang
được sử dụng hiện nay để chế tạo màng graphene cho thấy: mặc dù các phương
pháp như epitaxi, PVD, CVD tổng hợp nên các lớp graphene chất lượng cao
nhưng không được tiến hành phổ biến vì hiệu suất thấp, nhiệt độ của quá trình
khá cao (>1000 oC), mơi trường sử dụng là mơi trường của khí hiếm, và đặc biệt
là cần phải sử dụng các thiết bị hiện đại với giá thành cao.

 Vì vậy, trong nghiên cứu này đã tiến hành tổng hợp vật liệu graphene
bằng phương pháp nhiệt kết hợp xúc tác, cụ thể là cabon hóa nhựa có
10


sự hỗ trợ của xúc tác để tạo thành các tấm graphene. Phương pháp này
có thể tạo ra lượng graphene lớn, chất lượng tương đối cao và đặc biệt
là giá thành sản xuất thấp nên có thể dễ dàng chấp nhận được cho
phần lớn các ứng dụng hiện nay.
1.3.3. Một số nghiên cứu chế tạo graphene từ nguyên liệu nhựa thải
Theo bài báo “Graphene nanosheets derived from plastic waste for the
application of DSSCs and supercapacitors” trên trang Scientific Reports, tác giả
đề cập tổng hợp thành công vật liệu graphene bằng ngun liệu nhựa thải, quy

trình tổng hợp được tóm tắt như sau: Nhựa phế thải được thu gom, phân loại
thành polypropylene (PP), polyethylene (PE) và polyethylene tetrathalate (PET),
cắt nhỏ nhựa (kích cỡ 10 mm × 5 mm) rửa sạch bằng NaOH và xà phòng loại bỏ
tất cả các mối liên kết bùn và dầu nhờn ra. Làm khô, trộn lớp nano bentonite (tỷ
lệ trộn 1000: 3) trong buồng trộn và trong thời gian 30 phút. Đưa mẫu vào gia
nhiệt sơ cấp trong mơi trường khí trơ của N 2, tốc độ khí 10 ml/ phút ở nhiệt độ
4500C trong 50 phút. Bước này của quá trình nhiệt phân để lại bộ xương carbon ở
dạng cặn than đen. Tiếp đến là tổng hợp tấm nano graphene ở nhiệt độ lò nung
7500C. Cặn sau đó được lọc rửa loại bỏ xúc tác còn dư [7].
Theo bài báo “Upcycling Waste Polypropylene into Graphene Flakes on
Organically Modified Montmorillonite” trên trang I&EC Research, tác giả đề cập
quy trình tổng hợp vật liệu graphene từ nhựa thải như sau: Nhựa thải
polypropylene (PP) trộn với khoáng vật montmorillonite biến tính (MMT) nung
ở 700oC khoảng 15 phút, có màng chắn mẫu. Sau đó cặn được làm nguội, đem đi
tinh chế: sử dụng axit HF hòa tan MMT và các chất phụ gia; HNO 3 oxy hóa
cacbon vơ định hình [19].
Theo bài báo “Bulk synthesis of graphene nanosheets from plastic waste:
An invincible method of solid waste management for better tomorrow” trên trang
ResearchGate tác giả đề cập quy trình tổng hợp vật liệu graphene từ nhựa thải
như sau: Nhựa thải được thu gom và phân loại, được cắt nhỏ (chiều dài 11,21
mm và chiều rộng 5,75 mm), rửa sạch bằng xà phòng loại dầu nhờn, tạp chất,
tiếp theo là làm khô. Nhựa được trộn kỹ trong máy trộn với bentonite nanoclay
(đường kính hạt trung bình 70 nm, pH khoảng 9,0 – 10,5). Đem mẫu sau trộn đi
xử lý sơ bộ ở 4000C, tốc độ gia nhiệt 50C/ phút ở môi trường khí trơ N2, thu được
cặn màu đen đem nghiền mịn rồi gia nhiệt thứ cấp ở 750 0C, tốc độ gia nhiệt
100C/ phút, mơi trường trơ của khí N2 20 ml/ phút. Cặn sau đó được xử lý bằng
axit nhẹ HCL5% [29].
Nhận xét:
Sản phẩm nhựa dùng một lần - vật liệu phế thải là vấn đề toàn cầu, nhu cầu
tái chế chúng tăng lên nhằm giảm thiểu tác động môi trường của nhựa phế thải.

Chất dẻo (VD: polypropylene và polyethylene) và cả chất thải sinh khối (VD:
11