Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu điều chế nano sắt hóa trị 0 bằng phương pháp hóa học...

Tài liệu Nghiên cứu điều chế nano sắt hóa trị 0 bằng phương pháp hóa học

.PDF
51
660
97

Mô tả:

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ 0 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC Giáo viên hướng dẫn : Ths. Vũ Văn Thủy Sinh viên thực hiện Lương Tuấn Anh : Nguyễn Trung Dũng Lớp : CNHH 12A Hà Nội, 2016 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ 0 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC Giáo viên hướng dẫn : Ths. Vũ Văn Thủy Sinh viên thực hiện : Lương Tuấn Anh Nguyễn Trung Dũng Lớp : CNHH 12A Hà Nội, 2016 MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ 1 DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ...................................................................... 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................ 3 LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 uy N hơ n CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 3 pl us .g oo gl e. c om /+ D ạy Kè m Q 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO VÀ VẬT LIỆU NANO ............................. 3 1.1.1. Công nghệ nano [5] ............................................................................ 3 1.1.2. Vật liệu nano ....................................................................................... 4 1.2. TỔNG QUAN VỀ NANO SẮT HÓA TRỊ 0 ...................................................... 10 1.2.1. Cấu trúc hạt sắt nano ........................................................................ 10 1.2.2. Diện tích bề mặt riêng ...................................................................... 11 1.2.3. Ứng dụng của nano sắt hóa trị 0 ...................................................... 11 1.3. TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI HỮU CƠ MANG MÀU TRONG NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM ............................................................................................................ 14 1.3.1. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm .............................................. 14 1.3.2. Đặc tính của nước thải dệt nhuộm .................................................... 15 1.3.3. Các chất ô nhiễm chính trong nước thải dệt nhuộm ......................... 15 1.3.4. Khái niệm chung về hợp chất màu azo ............................................. 16 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ ....................................... 19 1.4.1. Phương pháp hấp phụ [2,3]............................................................... 19 1.4.2. Phương pháp oxy hóa [2,3]............................................................... 20 1.4.3. Phương pháp oxi hoá nâng cao ......................................................... 20 1.4.4. Phương pháp khử bằng nano sắt hóa trị 0 (nZVI) ............................ 22 ed by CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................... 24 C ol le ct 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 24 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU............................................................................ 24 2.3. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ............................................................................ 24 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................... 25 2.4.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) .......................................... 25 2.4.2. Phương pháp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................ 26 2.4.3. Phương pháp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) .................................. 28 2.4.4. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp (BET) ............................... 29 2.5. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................................................................. 30 2.5.1. Phương pháp điều chế Fe0 nano ....................................................... 30 2.5.2. Quy trình điều chế ............................................................................ 30 2.6. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA NANO SẮT 0 ĐỐI VỚI METYL ĐỎ ....................................................................................... 31 2.6.1. Pha dung dịch metyl đỏ .................................................................... 31 2.6.2. Cơ chế phản ứng ............................................................................... 31 2.6.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ........................................................ 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 34 ạy Kè m Q uy N hơ n 3.1. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO SẮT HÓA TRỊ 0 ...... 34 3.1.1. Kết quả nghiên cứu phổ nhiễu xạ tia X của nano sắt hóa trị 0 ......... 34 3.1.2. Kết quả chụp ảnh SEM, TEM vật liệu nano sắt hóa trị 0 ................. 35 3.1.3. Kết quả xác định diện tích bề mặt .................................................... 36 3.2. Các điều kiện ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của Fe0 ........................... 37 3.2.1. Ảnh hưởng của pH............................................................................ 37 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ .................................................... 38 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian xử lý ......................................................... 39 3.2.4. Ảnh hưởng của khối lượng Fe0. ........................................................ 41 om /+ D KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 42 C ol le ct ed by pl us .g oo gl e. c TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 43 DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BET : Phương pháp đo hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt khí nitơ (Brunauer-EmmettTeller). BOD: Biochemical Oxygen Demand – nhu cầu oxy sinh học. CNT: Carbon nanotube - Các ống nano cacbon. uy N hơ n COD: Chemiscal Oxygen Demand – nhu cầu oxy hóa học. DO: Dissolved Oxygen – hàm lượng oxy hòa tan. Fe0 : Sắt hoá trị không. Q nZVI : Nano Fe0 (nano Zero Valent Iron). Kè m SEM : Scanning Electron Microscope - Hiển vi điện tử quét. ạy TEM : Transmission Electron Microscopy - Hiển vi điện tử truyền qua. C ol le ct ed by pl us .g oo gl e. c XRD : Nhiễu xạ tia X. om /+ D UV : Ultraviolet – tia tử ngoại. DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Bảng Bảng 1.1. Danh sách những hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể bị khử bởi nZVI. Trang 12 uy N hơ n Bảng 1.2. Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa mạnh trong môi 21 trường lỏng. C ol le ct ed by pl us .g oo gl e. c om /+ D ạy Kè m Q Bảng 3.1. Ảnh hưởng của pH tới khả năng xử lý metyl đỏ của Fe0. Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ tới khả năng xử lý của Fe0. Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian xử lý với lượng sắt là 0,02g. Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lý với lượng sắt là 0,03g. Bảng 3.5. Ảnh hưởng của khối lượng Fe0 tới hiệu quả xử lý. 37 38 39 40 41 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Trang 5 Hình 1.2. Cấu trúc ống nano cacbon 6 Hình 1.3. Dây nano ZnO 7 uy N hơ n Hình 1.1. Màng mỏng nano đa lớp Hình 1.4. Hạt nano ZnO 8 Hình 1.5. Các quá trình hình thành gốc hydroxyl 22 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy TEM Kè m Q Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của nhiễu xạ tia X. 26 27 28 Hình 2.4. Sơ đồ điều chế Fe0 nano 30 om /+ D ạy Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý phương pháp ảnh hiển vi điện tử quét 34 Hình 3.2. Ảnh nhiễu xạ TEM của Fe0 35 e. c Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ XRD của Fe0 nano .g oo gl Hình 3.3. Xác định diện tích bề mặt bằng phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp BET. 37 us Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý của Fe0 phụ thuộc vào độ pH 36 pl Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ tới hiệu quả xử lý của Fe0 38 39 Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu quả xử lý với 0,03g Fe0 40 ed by Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý với 0,02g Fe0 C ol le ct Hình 3.8. Ảnh hưởng của khối lượng Fe0 tới hiệu quả xử lý metyl đỏ. 41 1 LỜI MỞ ĐẦU Nước ta với nền kinh tế thị trường định hướng xã hội chủ nghĩa là động lực để phát triển kinh tế. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp nặng, trong những năm gần đây các ngành thuộc các lĩnh vực công nghiệp nhẹ như lương thực – thực phẩm, các ngành gia dụng, thủ công nghiệp, dệt may da giầy… uy N hơ n đang ngày càng phát triển, phục vụ tốt cho nhu cầu người sử dụng. Tuy nhiên mặt trái của nó là tạo ra một lượng lớn chất thải rắn, lỏng khí… Một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm môi trường lớn là ngành dệt nhuộm. Nhiều nhà Q máy chưa có hệ thống xử lý nước thải hoặc hệ thống xử lý chưa đạt chuẩn, ngoài Kè m ra còn có hàng ngàn cơ sở nhỏ lẻ, các làng nghề truyền thống, với quy mô sản ạy xuất nhỏ nên lượng nước thải sau sản xuất hầu như không được xử lý, mà được om /+ D thải trực tiếp ra hệ thống cống rãnh và đổ thẳng xuống hồ ao, sông, ngòi gây ô nhiễm nghiêm trọng tầng nước mặt, mạch nước ngầm và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Vì dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn e. c sản xuất khác nhau nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp .g oo gl chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm màu. Việc tẩy, nhuộm vải bằng các loại thuốc nhuộm khác nhau như thuốc nhuộm hoạt tính, us thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm phân tán… khiến pl cho lượng nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau (chất tạo màu, chất làm by bền màu...). Bên cạnh những lợi ích của chất tạo màu họ azo trong công nghiệp ed nhuộm, thì tác hại của nó là không nhỏ khi mà các chất này được thải ra môi le ct trường. Chính các yếu tố này đã làm cho môi trường ngày càng kiệt quệ và mức ol ô nhiễm ngày càng cao, làm cho vấn đề xử lý môi trường trở thành vấn đề tiên C phong cho bất kỳ quốc gia, tổ chức nào trên thế giới. Đứng trước hiện trạng ô nhiễm môi trường do nước thải của các ngành công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng các công trình xử lý nước thải vào các quy trình sản xuất trong các nhà máy là điều cần thiết. Hiện nay đã có rất nhiều đề tài đi vào lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế các hệ thống xử lý nước thải cho các ngành 2 công nghiệp. Trong đó có nhiều đề tài đã được ứng dụng vào thực tế và đem lại những kết quả khả quan. Với mục đích điều chế và thử nghiệm khả năng xử lý chất thải hữu cơ mang màu, đặc biệt là các hợp chất màu trong nước thải dệt nhuộm của nano sắt hoá trị 0, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu khoa học là: “Nghiên cứu điều chế nano uy N hơ n sắt hóa trị 0 bằng phương pháp hóa học”. Phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ bền, vòng thơm bằng sắt hóa trị 0 là phương pháp mới đã được ứng dụng ở một số nước trên thế giới. Đề tài thành Q công sẽ mở ra triển vọng ứng dụng vật liệu sắt hóa trị không vào xử lý các nguồn Kè m nước bị nhiễm hợp chất vòng thơm một cách hiệu quả và kinh tế. Hơn nữa đây là phương pháp mới, thân thiện với môi trường, phương pháp sử dụng sắt là một om /+ D ạy chất ít độc hại, nó biến đổi các hợp chất hữu cơ độc thành các hợp chất không độc, ít độc hại hơn hoặc dễ thu hồi hơn trong môi trường. Như vậy phương pháp này đã mở ra một hướng nghiên cứu mới ứng dụng sắt hóa trị 0 vào xử lý các nguồn e. c nước nhiễm các hợp chất hữu cơ bền. Đây là nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn .g oo gl lớn, góp phần bảo vệ sức khỏe con người và bảo vệ môi trường. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài us - Phát triển theo hướng nghiên cứu về công nghệ vật liệu của Bộ môn, Khoa. pl - Tạo môi trường nghiên cứu khoa học, phát triển năng lực cho sinh viên. by Các nội dung nghiên cứu chính của đề tài ed - Điều chế nano sắt hóa trị 0 bằng cách khử Fe2+ (Fe3+) bởi NaBH4. le ct - Đánh giá tính chất của sản phẩm thu được (thành phần, độ ổn định, kích thước ol hạt, diện tích bề mặt). C - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điều chế (tỷ lệ các tiền chất, môi trường phản ứng, thời gian sấy). - Thử nghiệm khả năng xử lý chất thải ô nhiễm của sản phẩm thu được (đối với chất màu trong nước thải dệt nhuộm). 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano 1.1.1. Công nghệ nano [5] Nanomet (nm) là một đơn vị đo độ dài, 1nm = 10-9 m , tức là gần đạt tới kích cỡ của một nguyên tử (nguyên tử Cezi có bán kính lớn nhất: r Cs = 0,262nm). uy N hơ n Thuật ngữ Nano dùng để thể hiện rằng: đây là công nghệ liên quan đến các vật thể, cấu trúc có kích thước khoảng từ 1 đến 100nm, gồm nhiều vấn đề như: nghiên cứu, chế tạo, điều khiển chúng… Do có kích thước nhỏ, nằm ở ranh giới tác động Q của cơ học cổ điển và cơ học lượng tử, nên vật chất ở thang nanomet thể hiện Kè m những tính chất hóa lý khác hẳn với vật chất ở kích cỡ lớn hơn như đã biết. ạy Theo hội đồng khoa học và công nghệ quốc gia Mỹ : “Công nghệ nano là om /+ D khả năng thực hiện việc nghiên cứu, chế tạo ở cấp phân tử dựa trên sự thao tác từng phân tử một để tạo ra các cấu trúc lớn, có tổ chức phân tử hoàn toàn mới. Mục đích của việc đó là để khai thác các tính chất của cấu trúc và vật liệu nhờ e. c kiểm soát chúng ở cấp nguyên tử, phân tử và để học cách chế tạo, sử dụng chúng .g oo gl một cách hiệu quả ”. Tức là công nghệ nano liên quan đến vấn đề chế tạo các sản phẩm vi mô và vĩ mô với cấp độ chính xác cấp phân tử, nghĩa là ở thang nanomet. us Các cấu trúc nano ( kích thước khoảng 1-100nm) chứa một tập hợp các nguyên pl tử, thậm chí có thể chỉ một nguyên tử, một phân tử, vì vậy việc ứng dụng các quy by luật vật lý và thiết kế bắt buộc phải vận dụng các nguyên lý lượng tử ở kích thước ed này, vật liệu có những tính chất khác biệt, hoặc tính chất mạnh hơn so với chính le ct tính chất của chúng ở kích thước lớn hơn. Hai nguyên nhân dẫn đến những tính C ol chất khác biệt đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. * Hiệu ứng kích thước Các vật liệu thường được đặc trưng bằng một số đại lượng vật lý không đổi, ví dụ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy…Nhưng các đại lượng đặc trưng này chỉ không đổi khi kích thước của vật đủ lớn và ở trên thang nano. Khi giảm kích thước của vật xuống đến thang nano, tức là vật trở thành cấu trúc nano thì các đại lượng đặc trưng nói trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ 4 thay đổi theo kích thước và gọi là hiệu ứng kích thước. Ví dụ khi bề dày của các lớp kim loại ở thang nano càng nhỏ thì độ dẫn điện sẽ càng giảm so với độ dẫn điện cùng của kim loại đó, nhưng ở các vật có kích thước lớn. Sự giảm theo kích thước này được giải thích bằng vai trò của tán xạ điện tử trên bề mặt càng tăng khi bề dày lớp nano càng giảm. uy N hơ n * Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu càng tăng lên. Ví dụ: xét vật liệu tạo thành từ Q các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số Kè m nguyên tử thì ns = 4n2/3 . Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính om /+ D ạy của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên e. c quan đến các nguyên tử bề mặt (hiệu ứng bề mặt) tăng lên, tỉ số f tăng. Khi kích .g oo gl thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi us về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Hiệu ứng bề mặt luôn pl có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn by và ngược lại. Ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng ed do hiệu ứng này nhỏ nên thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề C ol le ct mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. 1.1.2. Vật liệu nano 1.1.2.1. Khái niệm [9] Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,...có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nanômét đến 100 nanômét. 5 1.1.2.2. Phân loại vật liệu nano [1] Theo trạng thái của vật liệu, các nhà khoa học phân chia thành ba trạng thái vật liệu: Rắn, lỏng, khí trong đó vật liệu nano được tập trung nghiên cứu chủ yếu hiện nay là vật liệu rắn sau đó mới đến dạng lỏng và khí. Theo hình dáng vật liệu, các nhà khoa học phân ra thành các loại sau: uy N hơ n *Vật liệu nano một chiều: Là vật liệu có một chiều có kích thước nano, ví dụ như các màng mỏng và các bề mặt. Các vật liệu này đã được phát triển và sử dụng nhiều năm trong những Q lĩnh vực như chế tạo các linh kiện điện tử, hóa chất và kỹ thuật. Ở ngành công Kè m nghiệp mạch silic tích hợp, rất nhiều linh kiện hoạt động dựa trên các màng mỏng và độ dày của các màng đang giảm xuống tới cấp độ phân tử. Các màng một lớp om /+ D ạy (các lớp có độ dày một nguyên tử hoặc một phân tử) cũng thường được chế tạo và sử dụng trong ngành hóa chất. Các nhà khoa học đã nắm rõ sự hình thành và các tính chất của những lớp này từ cấp độ phân tử trở lên. Việc điều khiển thành e. c phần cấu tạo, độ phẳng của các bề mặt và phát triển các màng cũng đạt được nhiều .g oo gl tiến bộ. Những tính chất của các bề mặt nano như diện tích bề mặt lớn hơn hoặc độ phản ứng đặc trưng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng như pin nhiên C ol le ct ed by pl us liệu và các chất xúc tác. Hình 1.1. Màng mỏng nano đa lớp 6 *Vật liệu nano hai chiều: Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu có hai chiều có kích thước nano, ví dụ như các ống và các dây nano. Chúng đã tạo ra nhiều ích lợi cho nhiều ngành khoa học những năm gần đây. Đặc biệt, các tính chất cơ học và điện học mới lạ của chúng là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình. uy N hơ n - Các ống nano cacbon: Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lý người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991. Có hai dạng ống CNT: ống đơn vách (một Q ống) hoặc đa vách (các ống đồng tâm). Đặc thù của hai loại là có đường kính vài Kè m nm và dài từ vài micromet (1 micromet=10-6 m) tới vài cm. CNT giữ vai trò quan ạy trọng trong công nghệ nano do các tính chất vật lý và hóa học mới lạ của chúng. om /+ D Chúng rất cứng về mặt cơ học (Các mô-đun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1 terapascal, khiến cho chúng cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở trục của chúng) và có thể dẫn điện rất tốt (số đường xoắn ốc của các dải graphene e. c quyết định tính chất bán dẫn hay kim loại của ống CNT). .g oo gl Tất cả những tính chất đó làm cho CNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị cảm biến, các linh kiện điện tử nano và màn us hình. Hiện nay, CNT đã được tung ra thị trường nhưng với số lượng hạn chế. Có pl thể sử dụng một số kỹ thuật phát triển chúng như cắt bằng laze grafit có phụ gia by kim loại, phóng điện hồ quang cácbon và nhiệt phân hydrocácbon dùng xúc tác ed kim loại, tuy nhiên các nhà khoa học vẫn chưa đạt được việc sản xuất có chọn lọc C ol le ct và đồng đều các CNT với các chiều và các tính chất vật lý đặc trưng. Hình 1.2. Cấu trúc ống nano cacbon 7 - Các ống nano vô cơ: Các ống nano vô cơ và những vật liệu dạng fullerene vô cơ có cấu tạo từ các hợp chất có lớp ví dụ như molypđen đisulfua (MoS2) được phát hiện ngay sau CNT. Chúng có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tác động sóng va chạm, có phản ứng xúc tác và có khả năng chứa hyđrô và lithi cao, điều này hứa hẹn uy N hơ n mang lại rất nhiều ứng dụng. Các nhà khoa học đang khai thác ống nano oxit (ví dụ như titan dioxit) để ứng dụng làm chất xúc tác, chất xúc tác quang học và tích trữ năng lượng. Q - Các dây nano: Kè m Các dây nano là những dây cực mảnh hoặc dãy các chấm tuyến tính được hình thành qua quá trình tự lắp ráp. Chúng có thể được làm từ nhiều loại vật liệu. om /+ D ạy Các dây nano bán dẫn làm từ silic, gali nitrua và inđi photphua đã chứng tỏ có các tính chất từ tính, điện tính và quang học khác thường ( ví dụ các dây nano silic dioxit có thể uốn cong ánh sáng theo các góc rất nhỏ). Các dây nano có những e. c ứng dụng tiềm năng trong việc lưu giữ dữ liệu mật độ cao dưới dạng các đầu đọc .g oo gl từ tính, các thiết bị nano điện tử, điện tử quang học…Việc phát triển những dây nano này dựa trên những kỹ thuật phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp ráp, quá us trình lắng đọng ở thể hơi bằng phương pháp hoá học lên trên các chất nền theo C ol le ct ed by pl mẫu và quá trình mạ điện hay cấy ghép bằng chùm phân tử. Hình 1.3. Dây nano ZnO *Vật liệu nano ba chiều: 8 Vật liệu nano ba chiều là vật liệu mà ba chiều có kích thước nano, ví dụ các hạt nano, các đám nano… Các hạt nano có đường kính nhỏ, trong khoảng từ 1nm100 nm gồm hai loại: hạt nano do tự nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo Các hạt nano do tự nhiên tạo ra có rất nhiều trong môi trường: kết quả của hoạt động quang hóa, hoặc của núi lửa, hoặc do các loại thực vật và tảo tạo ra; kết uy N hơ n quả của việc đốt lửa hoặc nấu nướng thực phẩm và của cả khí thải của các phương tiện giao thông. Các hạt nano nhân tạo được tổng hợp chiếm thiểu số và được quan tâm bởi những tính chất mới lạ của nó(ví dụ như phản ứng hóa học và tính Q chất quang học). Các hạt nano không phải là các sản phẩm thành phẩm, mà thông Kè m thường giữ vai trò là thành phần hoặc chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn chỉnh khác. Các sản phẩm có chứa hạt nano đã xuất hiện trên thị trường như các sản by pl us .g oo gl e. c om /+ D ạy phẩm tiêu dùng, mỹ phẩm, thuốc… Hình 1.4. Hạt nano ZnO ed Ngoài ra còn có vật liệu nanocomposite: trong đó chỉ có một phần của vật le ct liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano một chiều, hai chiều, ba chiều C ol đan xen lẫn nhau. 1.1.2.2. Phương pháp tổng hợp Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên. Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử. 9 a) Phương pháp từ trên xuống Nguyên tắc: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở uy N hơ n dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ Q bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt Kè m nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ạy ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các om /+ D phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu e. c được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày .g oo gl nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano. us b) Phương pháp từ dưới lên pl Nguyên tắc: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương by pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của ed sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được le ct chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật C ol lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai. * Phương pháp vật lý: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh), (phương pháp 10 nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính. *Phương pháp hóa học: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ uy N hơ n thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phương pháp này có thể tạo các Q hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,... Kè m * Phương pháp kết hợp: Là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa om /+ D ạy học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...[6] e. c 1.2. Tổng quan về nano sắt hóa trị 0 .g oo gl Hạt sắt nano là những hạt sắt có kích thước siêu mịn (0-100 nm). Vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20- us 450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài) nên sắt nano pl có nhiều khả năng mà vật liệu sắt ở kích thước thông thường không thể làm được by nhờ khả năng hấp phụ, khả năng thẩm thấu qua bề mặt, hoạt tính xúc tác của hạt ed nano mạnh hơn nhiều so với các hạt có kích thước lớn. Do kích thước rất nhỏ (1- le ct 100nm) trong khi đó kích thước của một số vi sinh vật điển hình khoảng 1000nm ol vì vậy các hạt sắt nano dễ dàng xâm nhập vào các nguồn nước ngầm với mật độ C cao và số lượng hạt lớn được giữ lại trong bùn nước để tạo ra vùng xử lý tại chỗ. 1.2.1. Cấu trúc hạt sắt nano Cấu trúc lõi - vỏ, cấu trúc điển hình này giúp sắt nano đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý môi trường. Lõi bao gồm chủ yếu sắt kim loại hóa trị 0 11 trong khi vỏ là hỗn hợp hóa trị Fe(II) và Fe(III) oxit, được tạo thành như là kết quả của quá trình oxi hóa.[7] 1.2.2. Diện tích bề mặt riêng Cùng với kích thước vật liệu, cấu trúc lõi-vỏ, kết cấu và diện tích bề mặt uy N hơ n riêng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật lý và tính chất hóa học của vật liệu nano. Các nghiên cứu đã chỉ ra diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn 1-2 bậc so với vật liệu micro. Diện tích bề mặt lớn như vậy cho phép om /+ D ạy 1.2.3. Ứng dụng của nano sắt hóa trị 0 Kè m thể phản ứng với chất ô nhiễm ở tốc độ cao hơn. Q phản ứng xảy ra ở nhiều điểm, đây là 1 trong số những lí do làm hạt sắt nano có 1.2.4.1. Trong xử lý môi trường Do có đặc tính cho electron và khử nhiều chất ô nhiễm với tốc độ cao, e. c Fe0 nano được sử dụng để xử lý nhiều chất ô nhiễm trong môi trường. Fe 0 nano .g oo gl có thể đi vào trong đất bị ô nhiễm, trầm tích và tầng ngậm nước. Các chất ô nhiễm mà Fe0 nano có thể xử lý bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa clo, kim loại nặng us và các chất vô cơ khác. Wei-Xian Zhang là một trong những nhà khoa học đi đầu pl trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp nano sắt và ứng dụng để xử lý các hợp chất by clo hữu cơ như: TCE, PCBs, CCl4.... Ông cũng đã thành công trong việc xử lý các ed dẫn xuất clo của etylen bằng nano sắt và xử lý các hợp chất clo hữu cơ bằng nano le ct sắt phủ kim loại. Nano sắt được các nhà khoa học gọi là “thần dược vạn năng” C ol trong xử lý môi trường. Ngoài dạng tự do, sản phẩn hạt nano sắt từ Fe3O4, hay các dạng khác như CoFe2O4 … với đặc tính dễ bảo quản hơn cũng có khả năng dung để xử lý nước nhiễm bẩn. Người ta đã tổng kết danh sách (bảng 1.1) những hợp chất vô cơ và hữu cơ có thể bị khử khi dùng sắt hóa trị 0. Những hợp chất này trong đất và nước sẽ làm 12 ô nhiễm nước sinh hoạt, lương thực, thực phẩm như những tác nhân gây ra những bệnh ung thư hiểm nghèo. Hợp chất hữu cơ Acsen Cadmi Cobal Đồng Chì Kè m Mangan Q uy N hơ n Clo ạy Nickel om /+ D Selenium Uranium e. c Kẽm Nitrate Phostphate Sulphate pl us .g oo gl Tetrachlorometan Trichlorometan Dichlorometan Hexachloroetan Trichloroetan 1,1,2 - Trichloetan 1,1 - Dichloetan 1,2 - Dibromoetan Tetrachloeten Trichloroeten Cis - 1,2 - dichloroeten Trans - 1,2 - dichloroeten 1,1 - dichloroeten Vinylchlorua 1,2,3 - trichloropropan 1,2 - dichloropropan Benzen Hợp chất vô cơ by Bảng 1.1. Danh sách những hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể bị khử bởi nZVI ct ed 1.2.4.2. Ứng dụng trong y dược Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh C ol le *Phân tách và chọn lọc tế bào, DNA: học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô xít sắt. Các hạt này được 13 bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA)... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử uy N hơ n khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn Q dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi Kè m khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm om /+ D ạy nanô mét. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh *Dẫn truyền thuốc: e. c dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. .g oo gl Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung us nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế pl việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể by (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm ed 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai ct lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm ol le giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nanô từ tính C có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan