Tổng hợp vật liệu nano composite từ tính Fe3O4-MnO2. Xác định các đặc trưng và hiệu ứng oxy hoá
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
Më ®Çu
Ngµy nay c«ng nghÖ nano ®ang dÇn dÇn lµm thay ®æi cuéc sèng cña con
ng−êi. Víi kÝch th−íc nhá bÐ cì nanomet, vËt liÖu nano cã nh÷ng tÝnh chÊt v« cïng
®éc ®¸o mµ nh÷ng vËt liÖu d¹ng khèi kh¸c kh«ng thÓ cã ®−îc nh− ®é bÒn c¬ häc
cao, ho¹t tÝnh xóc t¸c m¹nh, kh¶ n¨ng hÊp phô v−ît tréi …ChÝnh nh÷ng tÝnh chÊt
míi nµy ®· më ra cho vËt liÖu nano nh÷ng øng dông v« cïng to lín trong nhiÒu lÜnh
vùc khoa häc c«ng nghÖ vµ ®êi sèng, vµ ®Æc biÖt lµ kh¶ n¨ng øng dông trong c«ng
nghÖ xö lý m«i tr−êng, khi mµ t×nh tr¹ng « nhiÔm m«i tr−êng ®ang ngµy mét trë
nªn trÇm träng t¹i nhiÒu n¬i trªn thÕ giíi.
Bªn c¹nh nh÷ng nguyªn nh©n do c¸c yÕu tè tù nhiªn nh− qu¸ tr×nh hßa tan
c¸c kho¸ng chÊt ë c¸c líp ®Êt ®¸, trÇm tÝch...th× nguyªn nh©n g©y ra t×nh tr¹ng «
nhiÔm kh«ng thÓ kh«ng kÓ ®Õn lµ do c¸c ho¹t ®éng cña con ng−êi. Cuéc sèng ph¸t
triÓn kÐo theo sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp, c¸c ngµnh s¶n xuÊt phôc vô
®êi sèng ®· t¹o ra mét l−îng lín chÊt th¶i, ®e däa nghiªm träng ®Õn m«i tr−êng ®Êt,
m«i tr−êng kh«ng khÝ, vµ ®Æc biÖt lµ m«i tr−êng n−íc. Thªm vµo ®ã sù bïng næ d©n
sè thÕ giíi lµm cho nhu cÇu n−íc s¹ch cho ¨n uèng nãi riªng vµ sinh ho¹t vµ s¶n
xuÊt nãi chung trªn thÕ giíi ngµy cµng gia t¨ng. RÊt nhiÒu c¸c quèc gia ®ang ®øng
tr−íc t×nh tr¹ng thiÕu hôt nguån n−íc s¹ch, ®¶m b¶o chÊt l−îng cho søc khoÎ con
ng−êi.
VÊn ®Ò « nhiÔm asen trong n−íc ngÇm ®· ®−îc thÕ giíi ®¸nh gi¸ lµ mét vÊn
®Ò mang tÝnh toµn cÇu. §· cã h¬n ba m−¬i quèc gia trªn thÕ giíi cã b¸o c¸o vÒ t×nh
tr¹ng « nhiÔm asen trong n−íc ngÇm trong ®ã cã ViÖt Nam. Theo ®¸nh gi¸ cña tæ
chøc y tÕ thÕ giíi (WHO), trªn thÕ giíi cã h¬n 100 triÖu ng−êi sÏ lµ n¹n nh©n cña sù
nhiÔm ®éc asen, vµ ë ViÖt Nam lµ h¬n 10 triÖu ng−êi. Ngoµi asen ra trong n−íc
ngÇm cßn cã sù hiÖn diÖn cña rÊt nhiÒu c¸c kim lo¹i nÆng kh¸c nh− Hg, Pb, Ni, Cr,
Mn, Fe…
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
ViÖc xö lý asen vµ cr«m trong n−íc ngÇm ®ang ®−îc giíi khoa häc rÊt quan
t©m nghiªn cøu, do ®éc tÝnh vµ nh÷ng ¶nh h−ëng nghiªm träng mµ chóng cã thÓ
g©y ra cho søc kháe con ng−êi. RÊt nhiÒu c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu ®· ®−îc ®−a ra
nh»m t×m kiÕm c¸c c«ng nghÖ vµ vËt liÖu lo¹i bá c¸c hîp chÊt cña asen vµ cr«m
trong n−íc. Trªn thùc tÕ cã rÊt nhiÒu vËt liÖu cã kh¶ n¨ng hÊp phô asen vµ cr«m, tuy
nhiªn hiÖn nay ng−êi ta chó ý nhiÒu ®Õn c¸c vËt liÖu xóc t¸c hÊp phô cã kÝch th−íc
nano do kh¶ n¨ng hÊp phô v−ît tréi vµ c¸c tÝnh chÊt míi cña chóng khi ë cÊp ®é
nano mÐt.
Dùa trªn mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu cña c¸c t¸c gi¶ trong vµ ngoµi n−íc vÒ
kh¶ n¨ng hÊp phô cña c¸c vËt liÖu mangan dioxit vµ vËt liÖu nano oxÝt s¾t tõ: VËt
liÖu nano oxÝt s¾t tõ cã kh¶ n¨ng hÊp phô tèt c¶ hai d¹ng As(III) vµ As(V) dung
l−îng hÊp phô cao vµ tèc ®é lín, cßn vËt liÖu MnO2 võa cã tÝnh n¨ng xóc t¸c oxy
ho¸ m¹nh võa cã kh¶ n¨ng hÊp phô tèt. C¶ hai lo¹i vËt liÖu ®Òu ®−îc chÕ t¹o tõ
nguån nguyªn liÖu dÔ kiÕm, rÎ tiÒn vµ th©n thiÖn víi m«i tr−êng. Nh»m môc tiªu kÕt
hîp c¸c ®Æc tÝnh quý cña hai lo¹i vËt liÖu nµy chóng t«i lùa chän ®Ò tµi “Tæng hîp
vËt liÖu nano composite tõ tÝnh Fe3O4/MnO2. X¸c ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng vµ hiÖu øng
oxy ho¸ hÊp phô Asen, Cr«m cña vËt liÖu”.
Môc tiªu cña ®Ò tµi lµ :
•
X©y dùng quy tr×nh c«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu bét xèp nano composite s¾t tõ
Fe3O4/ MnO2 trong ®ã Fe3O4 nh− lµ lâi ®−îc bäc bëi mµng MnO2 kÝch th−íc nano
b»ng ph−¬ng ph¸p ®ång kÕt tña.
•
§¸nh gi¸ c¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n cña vËt liÖu nano composite Fe3O4/ MnO2 chÕ
t¹o ®−îc.
•
§¸nh gi¸ s¬ bé kh¶ n¨ng hÊp phô cr«m, asen cña vËt liÖu nh»m ®Þnh h−íng
øng dông trong c«ng nghÖ xö lý n−íc.
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
Ch¦¬ng I
tæng quan tμi liÖu
I-Asen
Asen hay cßn gäi lµ th¹ch tÝn cã ký hiÖu hãa häc lµ As ®øng thø 33 b¶ng hÖ
thèng tuÇn hoµn Mendeleev, khèi l−îng nguyªn tö b»ng 74.92, lµ nguyªn tè rÊt ®éc
ph©n t¸n trong tù nhiªn. Ng−êi ta cã thÓ ph¸t hiÖn ra sù hiÖn diÖn cña asen trong tÊt
c¶ c¸c mÉu ®Êt ®¸, kho¸ng vËt, c¸c mÉu trÇm tÝch, trong c¸c mÉu ®éng thùc vËt,
trong n−íc biÓn, n−íc ngÇm… . Trong m«i tr−êng n−íc asen th−êng tån t¹i ë d¹ng
asen h÷u c¬ vµ asen v« c¬. Trong hai d¹ng asen h÷u c¬ vµ asen v« c¬, ng−êi ta quan
t©m nhiÒu ®Õn c¸c d¹ng asen v« c¬ do
®éc tÝnh cao còng nh− sù hiÖn diÖn phæ
biÕn cña chóng trong n−íc ngÇm. C¸c
d¹ng asen tån t¹i chñ yÕu trong n−íc
ngÇm bao gåm H2AsO4- (trong m«i
tr−êng pH gÇn axÝt ®Õn trung tÝnh),
HAsO42- (trong m«i tr−êng kiÒm). Hîp chÊt H3AsO3 ®−îc h×nh thµnh chñ yÕu trong
m«i tr−êng oxy ho¸ - khö yÕu trong ®ã d¹ng As(III) th−êng ®éc h¬n As(V).
I.1. Asen - HiÓm häa víi søc kháe con ng−êi
Tõ l©u con ng−êi ®· biÕt ®Õn sù nhiÔm ®éc asen qua ®−êng h« hÊp vµ qua
®−êng tiªu hãa. VÒ mÆt sinh häc, asen ¶nh h−ëng ®Õn thùc vËt nh− lµ mét chÊt ng¨n
c¶n qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt, lµm gi¶m n¨ng suÊt c©y trång, ®Æc biÖt trong m«i tr−êng
thiÕu phospho. §èi víi con ng−êi asen tô tËp trong gan, thËn, hång cÇu ®Æc biÖt tô
tËp trong n·o, da, x−¬ng, phæi vµ tãc.
Sù nhiÔm ®éc asen xuÊt hiÖn nh− mét th¶m häa m«i tr−êng ®èi víi søc kháe
con ng−êi. C¸c biÓu hiÖn ®Çu tiªn ®èi víi nhiÔm ®éc asen lµ chøng s¹m da, dÇy biÓu
b× sõng hãa da, tõ ®ã dÉn ®Õn ho¹i th− hay ung th− da. C¸c ®iÒu tra t¹i §µi Loan ®·
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
t×m thÊy mét lo¹t sù liªn quan gi÷a viÖc nhiÔm asen víi bÖnh t¾c nghÏn m¹ch m¸u
ngo¹i biªn (bÖnh ch©n ®en - c¸c chi bÞ chuyÓn thµnh mµu ®en do bÞ ho¹i th−). Asen
cßn lµ nguyªn nh©n cña rÊt nhiÒu c¸c c¨n bÖnh nguy hiÓm kh¸c nh− ung th− phæi,
thËn, bµng quang, ruét kÕt, mòi… . §iÓm ®Æc biÖt quan träng lµ c¶ hai d¹ng As(V)
vµ As(III) ®Òu lµ nh÷ng chÊt dÔ hßa tan trong trong nước và không màu không vị do
đó không thể phát hiện bằng trực giác ®−îc. Chính vì vËy c¸c nhµ khoa häc gäi
chóng lµ “S¸t thñ v« h×nh”. Mét sè h×nh ¶nh nhiÔm ®éc asen ®−a ra trªn h×nh 2.
H×nh2: (a, b) - H×nh ¶nh nhiÔm ®éc asen,(a) (b)
(c) - Ng−êi d©n sö dông n−íc ngÇm nhiÔm asen kh«ng qua xö lý
Trong h¬n 10 n¨m qua c¸c nhµ khoa häc trªn thÕ giíi ®· nhËn thÊy r»ng t×nh
tr¹ng ph¬i nhiÔm asen ngµy cµng gia t¨ng vµ ®· trë thµnh vÊn ®Ò mang tÝnh toµn
cÇu, ®Æc biÖt t¹i c¸c quèc gia nh− Ên §é, §µi Loan, Th¸i Lan, Mehico, Chile, Mü,
Campuchia, ViÖt Nam…[1,2].
ë ViÖt Nam, asen cã trong n−íc ngÇm ®−îc ph¸t hiÖn ®Çu tiªn n¨m 1993.
Sau ®ã tæ chøc y tÕ thÕ giíi WHO vµ UNICEF nhËn thÊy cÊu tróc ®Þa chÊt cña ViÖt
Nam cã ®Æc thï t−¬ng tù nh− Bangladesh nªn ®· khuyÕn c¸o vÒ kh¶ n¨ng cã thÓ cã
sù hiÖn diÖn cña asen trong n−íc ngÇm. Theo th«ng b¸o cña Bé tµi nguyªn M«i
tr−êng: c¸c tØnh ®ång b»ng B¾c Bé nh− Hµ Néi, Hµ Nam, H−ng Yªn, Hµ T©y, VÜnh
Phóc... ®Òu cã hiÖn t−îng « nhiÔm asen. Kh«ng chØ ®ång b»ng B¾c Bé, khu vùc
miÒn Trung còng cã biÓu hiÖn « nhiÔm víi møc ®é kh¸c nhau. Khu vùc ®ång b»ng
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
s«ng Cöu Long: møc ®é « nhiÔm t−¬ng ®èi nÆng nÒ. T¹i 4 tØnh Long An, §ång
Th¸p, An Giang, Kiªn Giang ®Òu nhiÔm asen trong n−íc ngÇm. Theo ®¸nh gi¸ cña
WHO, n−íc ta cã trªn 10 triÖu ng−êi cã thÓ ph¶i ®èi mÆt víi nguy c¬ tiÒm tµng vÒ
nhiÔm ®éc asen [2].
I.2. C¸c c«ng nghÖ lo¹i bá asen trong n−íc:[3]
C¸c c«ng nghÖ lo¹i bá asen trong n−íc chñ yÕu dùa trªn c¸c qu¸ tr×nh sau:
Qu¸ tr×nh oxi hãa khö: C¸c qu¸ tr×nh nµy kh«ng lo¹i bá ®−îc asen trong n−íc
nh−ng gãp phÇn lµm t¨ng thªm hiÖu qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh sau ®ã.
Qu¸ tr×nh kÕt tña: §−a asen vÒ d¹ng kh«ng tan vÝ dô nh− calcium arsenat.
ChÊt r¾n nµy ®−îc lo¹i bá ra khái n−íc nhê qu¶ tr×nh l¾ng vµ läc. C¸c chÊt keo tô
®−îc ®−a vµo trong n−íc, khi thñy ph©n chóng kÕt tña d−íi d¹ng b«ng cã kh¶ n¨ng
hÊp phô asen vµ ®−îc t¸ch ra khái n−íc nhê qu¸ tr×nh l¾ng vµ läc.
Qu¸ tr×nh mµng: Sù ph¸t triÓn cña c¸c mµng läc nano vµ mµng thÈm thÊu
ng−îc RO cã kh¶ n¨ng t¸ch ®Õn 99,8% c¸c d¹ng asen hßa tan trong n−íc. §©y lµ
mét b−íc ph¸t triÓn v−ît bËc trong xö lý n−íc sinh ho¹t còng nh− n−íc tinh khiÕt.
Tuy nhiªn c«ng nghÖ nµy rÊt ®¾t, ®ßi hái ph¶i chi phÝ cho mét hÖ thèng tiÒn xö lý
®¹t chÊt l−îng cao
Qu¸ tr×nh hÊp thô thùc vËt: Cã rÊt nhiÒu loµi thùc vËt cã kh¶ n¨ng hÊp thô
asen trong ®Êt, n−íc, ®iÓn h×nh lµ loµi c©y d−¬ng xØ ®−îc coi lµ thùc vËt siªu hÊp thô
asen. Qu¸ tr×nh nµy rÊt phï hîp víi viÖc c¶i t¹o ®Êt nhiÔm kim lo¹i nÆng [4].
Qu¸ tr×nh hÊp phô: RÊt nhiÒu c¸c vËt liÖu trªn c¬ së c¸c hîp chÊt cña Al, Fe,
Mn… cã ¸i lùc m¹nh víi asen ë tr¹ng th¸i hßa tan. Asen bÞ hÊp phô t¹i c¸c t©m hÊp
phô trªn bÒ mÆt vËt liÖu r¾n. C¸c ®¸nh gi¸ ®Òu cho r»ng chóng lµ vËt liÖu cã hiÖu
qu¶ cao trong viÖc lo¹i bá asen trong n−íc.
Qu¸ tr×nh trao ®æi ion: Lµ ph−¬ng ph¸p hiÖu qu¶ trong viÖc lo¹i bá c¸c asen
d¹ng hßa tan. §©y lµ qu¸ tr×nh trao ®æi gi÷a c¸c ion trong pha r¾n (nhùa trao ®æi
ion) vµ pha láng. Ph−¬ng ph¸p nµy t−¬ng ®èi phøc t¹p vµ ®¾t tiÒn.
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
Trªn c¬ së c¸c qu¸ tr×nh trªn trªn thÕ giíi ®· h×nh thµnh mét sè c«ng nghÖ ®Ó
xö lý asen trong n−íc [5] ®−îc ®−a ra trªn h×nh 3.
H×nh 3: C¸c c«ng nghÖ ®ang ®−îc sö dông ®Ó lo¹i bá asen
Trong c¸c c«ng nghÖ nµy ngo¹i trõ c«ng nghÖ mµng vµ c«ng nghÖ thùc vËt,
tÊt c¶ c¸c c«ng nghÖ cßn l¹i chØ hiÖu qu¶ ®èi víi d¹ng As(V) vµ kh«ng hiÖu qu¶ ®èi
víi As(III), do ®ã tÝnh an toµn kh«ng cao. Trong khi ®ã c«ng nghÖ mµng lµ c«ng
nghÖ cã thÓ t¸ch ®−îc trªn 99,8% c¸c d¹ng asen song l¹i rÊt ®¾t tiÒn vµ ®ßi hái ph¶i
cã mét hÖ tiÒn xö lý cã chÊt l−îng thÝch ®¸ng. Cßn c«ng nghÖ thùc vËt ®· ®−îc ®¸nh
gi¸ lµ c«ng nghÖ thÝch hîp víi c¸c n−íc ph¸t triÓn trong c¶i t¹o ®Êt vµ ch−a thÝch
hîp víi c¸c n−íc nghÌo.
II . Cr«m (Chromium)
Cr«m lµ mét nguyªn tè hãa häc cã ký hiÖu Cr thuéc nhãm 6, chu kú 4, khèi
l−îng nguyªn tö 51.996, trong b¶ng tuÇn hoµn. Cr«m lµ mét kim lo¹i cøng, mÆt
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
bãng, mµu x¸m thÐp vµ nhiÖt ®é nãng ch¶y cao (Tnc =2.180K). Cr«m kim lo¹i lµ
chÊt kh«ng mïi, kh«ng vÞ vµ dÔ rÌn. C¸c tr¹ng th¸i phæ biÕn cña cr«m trong n−íc lµ
d¹ng Cr(II), Cr(III), Cr(VI), trong ®ã d¹ng Cr(III) lµ æn ®Þnh nhÊt. C¸c hîp chÊt cña
cr«m d¹ng Cr(VI) lµ nh÷ng chÊt cã tÝnh «xi hãa rÊt m¹nh.
Cr«m ®−îc khai th¸c chñ yÕu tõ quÆng cromit (FeCr2O4). GÇn mét nöa quÆng
cromit trªn thÕ giíi ®−îc khai th¸c t¹i Nam Phi, Kazakhstan, Ên §é vµ Thæ NhÜ Kú
[20]. MÆc dï c¸c trÇm tÝch cr«m tù nhiªn (cr«m nguyªn chÊt) lµ kh¸ hiÕm, nh−ng
vÉn cã mét vµi má cr«m kim lo¹i tù nhiªn ®· ®−îc ph¸t hiÖn nh− má Udachnaya t¹i
Nga… .Trong tù nhiªn, cr«m tån t¹i chØ nh− lµ mét kim lo¹i vÕt. Tuy nhiªn ngµy
nay, l−îng cr«m ngµy mét gia t¨ng do c¸c ho¹t ®éng s¶n xuÊt cña con ng−êi ph¸t
t¸n c¸c chÊt th¶i vµo m«i tr−êng nh− cña cña mét sè ngµnh: khai th¸c quÆng, luyÖn
kim, m¹ cr«m, c«ng nghiÖp thuéc da, s¶n xuÊt thuèc nhuém…
II.1. ¶nh h−ëng cña Cr«m tíi søc kháe con ng−êi
Cr(III) lµ nguyªn tè vi l−îng rÊt cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt nhÊt lµ
sù chuyÓn ho¸ ®−êng trong c¬ thÓ ng−êi, khi c¬ thÓ thiÕu cr«m cã thÓ sinh ra bÖnh
gäi lµ bÖnh thiÕu hôt cr«m. Ng−îc l¹i, d¹ng Cr(VI) l¹i rÊt ®éc h¹i cã thÓ g©y ®ét
biÕn gen. NÕu cã nång ®é lín h¬n 0,1mg/l cã thÓ g©y sèc, n«n möa… Khi th©m
nhËp vµo c¬ thÓ Cr(VI) liªn kÕt víi c¸c nhãm - SH trong enzim vµ lµm mÊt ho¹t tÝnh
cña enzim g©y ra rÊt nhiÒu bÖnh ®èi víi con ng−êi:
- PhÇn lín c¸c hîp chÊt Cr(VI) g©y kÝch thÝch m¾t, da vµ mµng nhÇy. Khi da tiÕp
xóc trùc tiÕp vµo dung dÞch Cr(VI), chç tiÕp xóc dÔ bÞ phång rép lªn sau ®ã bÞ viªm
loÐt (cã thÓ bÞ loÐt ®Õn x−¬ng). Ph¬i nhiÔm kinh niªn tr−íc c¸c hîp chÊt cr«m (VI)
cã thÓ g©y ra tæn th−¬ng m¾t vÜnh viÔn, nÕu kh«ng ®−îc xö lý ®óng c¸ch. Cr«m
x©m nhËp theo ®−êng h« hÊp dÔ dÉn tíi bÖnh viªm yÕt hÇu, viªm phÕ qu¶n, viªm
thanh qu¶n do niªm m¹c bÞ kÝch thÝch (sinh ngøa mòi, h¾t h¬i, ch¶y n−íc mòi).
-
NhiÔm ®éc cr«m cã thÓ ®Én ®Õn bÖnh tiÓu ®−êng, ung th− phæi, ung th− gan, loÐt
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
da, viªm da, viªm gan, viªm thËn, ®au r¨ng, tiªu ho¸ kÐm, g©y ngé ®éc hÖ thÇn kinh
vµ hÖ tuÇn hoµn… . Tæ chøc y tÕ thÕ giíi khuyÕn c¸o hµm l−îng cho phÐp tèi ®a
cña Cr(VI) trong n−íc uèng lµ 0,05mg/l . Tiªu chuÈn n−íc ¨n uèng cña ViÖt Nam
(TCVN 5502-2003) còng quy ®Þnh hµm l−îng cr«m tèi ®a cho phÐp lµ 0,05 mg/l.
II.2. C¸c ph−¬ng ph¸p lo¹i bá cr«m trong n−íc.
Ph−¬ng ph¸p kÕt tña: Cr«m tån t¹i trong n−íc ë c¶ hai d¹ng Cr(III) vµ
Cr(IV). D¹ng Cr(IV) th−êng tan nhiÒu trong n−íc vµ kh«ng t¹o ®−îc kÕt tña
hydroxit. Do ®ã, ®Ó t¸ch lo¹i cr«m ra khái n−íc, ph¶i tiÕn hµnh khö Cr(VI) thµnh
Cr(III), sau ®ã kÕt tña Cr(III) b»ng c¸c dung dÞch Ca(OH)2 hoÆc NaOH vµ t¸ch lo¹i
kÕt tña b»ng ph−¬ng ph¸p l¾ng, läc.
Trao ®æi ion: ViÖc lo¹i bá cr«m trong n−íc còng cã thÓ ®−îc thùc hiÖn b»ng
ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion. So víi ph−¬ng ph¸p kÕt tña hãa häc, ph−¬ng ph¸p nµy ®¹t
hiÖu qu¶ cao, song ®ßi hái vèn ®Çu t− lín, kü thuËt vËn hµnh nghiªm ngÆt vµ chØ
thÝch hîp víi c¸c tr¹m xö lý quy m« nhá.
Ph−¬ng ph¸p mµng: ThÈm thÊu ng−îc vµ läc nano cã thÓ sö dông ®Ó lo¹i bá
cr«m víi kh¶ n¨ng t¸ch ®Õn 99,8% c¸c d¹ng cr«m trong n−íc. §©y lµ sù ph¸t triÓn
v−ît bËc trong xö lý n−íc sinh ho¹t còng nh− n−íc tinh khiÕt. Tuy nhiªn ph−¬ng
ph¸p nµy ®ßi hái ph¶i cã mét hÖ tiÒn sö lý ®¹t hiÖu qu¶ cao. Do ®ã chi phÝ l¾p ®Æt vµ
vËn hµnh lín, th−êng xuyªn ph¶i cã quan tr¾c vµ b¶o d−ìng, ngoµi ra pH, ¸p suÊt,
nhiÖt ®é ph¶i tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn kü thuËt mét c¸ch nghiªm ngÆt .
Ph−¬ng ph¸p ®iÖn hãa: Ph−¬ng ph¸p nµy sö dông hiÖu øng ®iÖn di cña c¸c
cation trong dung dÞch n−íc: d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng mét chiÒu cã ®iÖn thÕ
thÊp (50 - 150V), c¸c ion cña chÊt g©y « nhiÔm trong n−íc sÏ di chuyÓn vÒ phÝa
®iÖn cùc mang ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. Ph−¬ng ph¸p ®iÖn hãa rÊt thÝch hîp ®Ó xö lý cr«m.
Ph−¬ng ph¸p sinh häc: Cr«m cã thÓ lÊy ra khái n−íc b»ng qu¸ tr×nh khö sinh
häc. Mét sè c¸c chñng vi khuÈn kÞ khÝ nh− chñng vi khuÈn Pseudomonas cã kh¶
n¨ng xóc t¸c c¸c ph¶n øng khö trùc tiÕp Cr(VI) thµnh Cr(III). Qu¸ tr×nh khö Cr(VI)
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
b»ng vi sinh vËt cã thÓ ®−îc tiÕn hµnh bªn trong thµnh tÕ bµo hoÆc trong dung dÞch.
Nã cã thÓ lµ sù khö trùc tiÕp Cr(VI), hoÆc khö mét lo¹i kim lo¹i kh¸c, sau ®ã khö
cr«m b»ng kim lo¹i ®· bÞ khö. Bªn c¹nh ®ã, ng−êi ta cßn sö dông mét sè lo¹i c©y
trång ®Ó xö lý ®Êt vµ n−íc ngÇm nhiÔm hãa chÊt b»ng c¸ch hÊp phô kim lo¹i nÆng
qua th©n hoÆc rÔ. §©y lµ mét qu¸ tr×nh bao gåm c¸c b−íc hÊp thô, tÝch tô, t¸ch hoÆc
ph©n hñy hãa sinh. Ph−¬ng ph¸p sinh häc lµ ph−¬ng ph¸p t−¬ng ®èi rÎ tiÒn vµ rÊt
th©n thiÖn víi m«i tr−êng tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc ®¸nh gi¸ lµ chØ phï hîp
víi c¸c n−íc ph¸t triÓn trong c¶i t¹o ®Êt [11].
Ph−¬ng ph¸p hÊp phô: Cr«m cã thÓ lÊy ra ®−îc khái dung dÞch n−íc b»ng
ph−¬ng ph¸p hÊp phô cho c¶ hai d¹ng lµ Cr(III) vµ Cr(VI). Trong c¸c d¹ng tån t¹i
trong n−íc th× Cr(VI) cã kh¶ n¨ng hÊp phô dÔ dµng h¬n. Do vËy, ®Ó t¨ng hiÖu qu¶
cña qu¸ tr×nh hÊp phô, ng−êi ta th−êng ph¶i oxi hãa Cr(III) lªn Cr(VI).
C¸c nhµ khoa häc ®· chøng minh r»ng vËt liÖu MnO2 lµ vËt liÖu cã kh¶ n¨ng
xóc t¸c oxy ho¸ hÊp phô cao vµ cã thÓ sö dông vËt liÖu nµy ®Ó oxi hãa Cr(III) thµnh
Cr(VI) nh»m t¨ng hiÖu qu¶ hÊp phô. Bªn c¹nh ®ã, MnO2 cßn ®−îc sö dông réng r·i
trong viÖc oxy ho¸ c¸c hîp chÊt h÷u c¬ trong n−íc còng nh− lµm vËt liÖu trong xö
lý khÝ th¶i dÔ bay h¬i…
III - C«ng nghÖ nano vµ vËt liÖu nano.
III.1. C«ng nghÖ nano.
C«ng nghÖ nano lµ ngµnh c«ng nghÖ liªn quan ®Õn viÖc ph©n tÝch, thiªt kÕ,
chÕ t¹o vµ øng dông c¸c cÊu tróc, thiÕt bÞ vµ hÖ thèng b»ng viÖc ®iÒu khiÓn h×nh
d¸ng, kÝch th−íc trªn quy m« nano mÐt (1nm =10-9 m).
Theo s¸ng kiÕn quèc gia vÒ khoa häc vµ c«ng nghÖ nano (National Nanotechnology
Initiative -NNI) cña Mü [21], c«ng nghÖ nano ph¶i bao hµm c¸c lÜnh vùc sau:
• Nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn ë c«ng nghÖ ë cÊp ®é nano víi kÝch th−íc kho¶ng tõ
1nm ®Õn 100nm.
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
• T¹o ra vµ sö dông c¸c cÊu tróc, thiÕt bÞ vµ hÖ thèng cã c¸c ®Æc tÝnh vµ chøc
n¨ng míi do kÝch th−íc rÊt nhá cña chóng.
III. 2. VËt liÖu nano.
III.2.1. §Þnh nghÜa vµ ph©n lo¹i vËt liÖu nano [22].
VËt liÖu nano lµ vËt liÖu mµ trong cÊu tróc cña c¸c thµnh phÇn cÊu t¹o nªn nã
Ýt nhÊt ph¶i cã mét chiÒu ë kÝch th−íc nano mÐt.
VËt liÖu nano cã thÓ tån t¹i ë 3 tr¹ng th¸i: r¾n, láng, khÝ. Trong ®ã, vËt liÖu
nano r¾n ®ang ®−îc quan t©m nghiªn cøu nhiÒu nhÊt, sau ®ã ®Õn vËt liÖu láng vµ
khÝ.
Cã thÓ ph©n chia vËt liÖu nano thµnh 3 lo¹i (d¹ng) :
- VËt liÖu nano 3 chiÒu (cßn gäi lµ vËt liÖu nano kh«ng chiÒu) lµ vËt liÖu cã
c¶ 3 chiÒu ®Òu cã kÝch th−íc nano mÐt: vÝ dô nh− ®¸m nano, keo nano, h¹t nano…
- VËt liÖu nano hai chiÒu lµ vËt liÖu trong ®ã cã hai chiÒu cã kÝch th−íc nano
mÐt: vÝ dô nh− mµng nano…
- VËt liÖu nano mét chiÒu lµ vËt liÖu chØ cã mét chiÒu duy nhÊt cã kÝch th−íc
nano mÐt: vÝ dô nh− èng nano, d©y nano…
III.2.2. §Æc ®iÓm, tÝnh chÊt cña vËt liÖu nano.
Mét ®Æc ®iÓm v« cïng quan träng cña vËt liÖu nano lµ kÝch th−íc chØ ë cÊp
®é nano mÐt. ChÝnh v× vËy mµ tæng sè nguyªn tö ph©n bè trªn bÒ mÆt vËt liÖu nano
vµ tæng diÖn tÝch bÒ mÆt cña vËt liÖu lín h¬n nhiÒu so víi vËt liÖu th«ng th−êng.
§iÒu nµy ®· lµm xuÊt hiÖn ë vËt liÖu nano nhiÒu ®Æc tÝnh dÞ th−êng, ®Æc biÖt lµ kh¶
n¨ng xóc t¸c hÊp phô. Víi kÝch th−íc nhá ë cÊp ®é ph©n tö, vËt liÖu nano xuÊt hiÖn
ba hiÖu øng chÝnh: hiÖu øng l−îng tö, hiÖu øng bÒ mÆt, hiÖu øng kÝch th−íc.
• HiÖu øng l−îng tö [16, 22]
§èi víi c¸c vËt liÖu th«ng th−êng h×nh thµnh tõ rÊt nhiÒu nguyªn tö (1μm3
vËt liÖu cã kho¶ng 1012 nguyªn tö). C¸c hiÖu øng l−îng tö ®−îc trung b×nh hãa cho
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
tÊt c¶ c¸c nguyªn tö, v× thÕ mµ ta cã thÓ bá qua nh÷ng kh¸c biÖt ngÉu nhiªn cña
tõng nguyªn tö mµ chØ xÐt gi¸ trÞ trung b×nh cña chóng. Nh−ng ®èi víi vËt liÖu
nano, do kÝch th−íc cña vËt liÖu nhá, hÖ cã rÊt Ýt nguyªn tö nªn c¸c tÝnh chÊt l−îng
tö thÓ hiÖn râ h¬n vµ kh«ng thÓ bá qua. §iÒu nµy lµm xuÊt hiÖn ë vËt liÖu nano c¸c
hiÖu øng l−îng tö nh− hiÖu øng ®−êng ngÇm…
•
HiÖu øng bÒ mÆt [16, 22].
ë vËt liÖu nano, tû sè c¸c nguyªn tö n»m trªn bÒ mÆt trªn tæng sè c¸c nguyªn
tö cña vËt liÖu lín h¬n nhiÒu so víi vËt liÖu d¹ng khèi nªn sè c¸c t©m ho¹t ho¸ vµ
diÖn tÝch bÒ mÆt cña vËt liÖu còng t¨ng lªn rÊt nhiÒu so víi c¸c vËt liÖu d¹ng khèi.
V× thÕ, c¸c hiÖu øng cã liªn quan ®Õn bÒ mÆt nh−: kh¶ n¨ng hÊp phô, ®é ho¹t ®éng
bÒ mÆt… cña vËt liÖu nano sÏ lín h¬n nhiÒu. §iÒu ®ã ®· më ra nh÷ng øng dông míi
trong lÜnh vùc xóc t¸c, hÊp phô vµ nhiÒu hiÖu øng kh¸c mµ c¸c nhµ khoa häc ®ang
quan t©m nghiªn cøu.
•
HiÖu øng kÝch th−íc [22]
C¸c vËt liÖu truyÒn thèng th−êng ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét sè c¸c ®¹i l−îng vËt
lý, hãa häc kh«ng ®æi nh− ®é dÉn ®iÖn cña kim lo¹i, nhiÖt ®é nãng ch¶y, nhiÖt ®é
s«i, tÝnh axit…Tuy nhiªn, c¸c ®¹i l−îng vËt lý vµ hãa häc nµy chØ lµ bÊt biÕn nÕu
kÝch th−íc vËt liÖu ®ñ lín (th−êng lµ lín h¬n 100nm). Khi gi¶m kÝch th−íc cña vËt
liÖu xuèng ®Õn cÊp ®é nano mÐt (nhá h¬n 100nm), th× c¸c ®¹i l−îng lý, hãa ë trªn
kh«ng cßn lµ bÊt biÕn n÷a, ng−îc l¹i chóng sÏ thay ®æi. HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ
hiÖu øng kÝch th−íc [2]. KÝch th−íc mµ ë ®ã, vËt liÖu b¾t ®Çu cã sù thay ®æi c¸c tÝnh
chÊt ®−îc gäi lµ kÝch th−íc tíi h¹n. VÝ dô nh−: §iÖn trë cña mét kim lo¹i ë kÝch
th−íc vÜ m« mµ ta thÊy hµng ngµy sÏ tu©n theo ®Þnh luËt Ω. NÕu ta gi¶m kÝch th−íc
cña vËt liÖu xuèng nhá h¬n qu·ng ®−êng tù do trung b×nh cña ®iÖn tö trong kim lo¹i
(th−êng lµ vµi nano mÐt ®Õn vµi tr¨m nano mÐt) th× ®Þnh luËt Ω kh«ng cßn ®óng
n÷a. Lóc ®ã ®iÖn trë cña vËt liÖu cã kÝch th−íc nano sÏ tu©n theo c¸c quy t¾c l−îng
tö.
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
C¸c nghiªn cøu cho thÊy c¸c tÝnh chÊt ®iÖn, tõ, quang, hãa häc… cña c¸c vËt
liÖu ®Òu cã kÝch th−íc tíi h¹n trong kho¶ng tõ 1nm ®Õn 100 nm nªn ë vËt liÖu nano
c¸c tÝnh chÊt nµy ®Òu cã biÓu hiÖn kh¸c th−êng so víi c¸c vËt liÖu truyÒn thèng.
[22]
III.2.3. VËt liÖu nano composite. [22]
ThuËt ng÷ “nano compotsite” m« t¶ mét nhãm vËt liÖu compotsite ë ®ã pha
t¨ng c−êng chØ cã kÝch th−íc ë møc nano mÐt. Sù cã mÆt cña pha t¨ng c−êng nµy ®·
t¹o ra nh÷ng c¶i tiÕn lín vÒ b¶n chÊt vËt lý vµ c¬ häc cña vËt liÖu nanocomposite.
VËt liÖu nano composite võa kÕt hîp ®−îc nh÷ng tÝnh chÊt quý dÞ th−êng cña vËt
liÖu nano, võa cã nh÷ng tÝnh chÊt riªng cña tõng cÊu tö hîp thµnh. Trong vËt liÖu
composite dùa vµo môc tiªu chÕ t¹o mµ ng−êi ta sö dông nh÷ng nguyªn liÖu kh¸c
nhau. Sù cã mÆt cña pha t¨ng c−êng t¹o ra cho s¶n phÈm nh÷ng tÝnh chÊt mµ b¶n
th©n c¸c thµnh phÇn ban ®Çu kh«ng cã. VËt liÖu nanocomposite lµ mét vËt liÖu cã
nhiÒu øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc. Do vËy nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu nano
composite lµ mét h−íng quan träng ®ang ®−îc ph¸t triÓn m¹nh mÏ. Pha t¨ng c−êng
trong vËt liÖu nano composite th−êng lµ c¸c h¹t nano, c¸c h¹t keo nano, mµng nano,
sîi…ChÊt mang trong vËt liÖu nano composite th−êng lµ c¸c polyme, sîi cacbon,
c¸c muèi, zeolit vµ silica, bentonite…[12]
III.3 C¸c ph−¬ng ph¸p tæng hîp vËt liÖu nano vµ nano composite. [17, 22]
Hai ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó tæng hîp v©t liÖu nano lµ ph−¬ng ph¸p ®i tõ trªn
xuèng (top-down) vµ ph−¬ng ph¸p ®i tõ d−íi lªn (bottom-up). Ph−¬ng ph¸p ®i tõ
trªn xuèng lµ ph−¬ng ph¸p t¹o h¹t kÝch th−íc nano tõ c¸c h¹t cã kÝch th−íc lín h¬n.
Ph−¬ng ph¸p tõ d−íi lªn lµ ph−¬ng ph¸p h×nh thµnh h¹t nano tõ c¸c nguyªn tö hoÆc
ion.
III.3.1 Ph−¬ng ph¸p tõ trªn xuèng
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
Ph−¬ng ph¸p tõ trªn xuèng lµ ph−¬ng ph¸p dïng kÜ thuËt nghiÒn vµ biÕn d¹ng ®Ó
biÕn vËt liÖu cã kÝch th−íc lín vÒ kÝch th−íc nano.
•
Ph−¬ng ph¸p nghiÒn: VËt liÖu ë d¹ng bét ®−îc nghiÒn trong m¸y nghiÒn víi
nh÷ng viªn bi ®−îc lµm tõ c¸c vËt liÖu siªu cøng ®Æt trong cèi nghiÒn. M¸y nghiÒn
cã thÓ lµ nghiÒn l¾c, nghiÒn rung, hoÆc nghiÒn quay. C¸c viªn bi cøng va ch¹m vµo
nhau vµ ph¸ vì bét ®Õn kÝch th−íc nano. KÕt qu¶ thu ®−îc lµ vËt liÖu nano kh«ng
chiÒu.
•
Ph−¬ng ph¸p biÕn d¹ng: Ph−¬ng ph¸p biÕn d¹ng cã thÓ lµ ®ïn thñy lùc, tuèt,
c¸n Ðp. NhiÖt ®é cã thÓ ®iÒu chØnh tïy thuéc vµo tõng tr−êng hîp cô thÓ. NÕu nhiÖt
®é lín h¬n nhiÖt ®é phßng th× gäi lµ biÕn d¹ng nãng, cßn nhiÖt ®é nhá h¬n nhiÖt ®é
phßng th× gäi lµ biÕn d¹ng nguéi. KÕt qu¶ thu ®−îc lµ c¸c h¹t nano mét chiÒu hoÆc
hai chiÒu.
Nh×n chung, ph−¬ng ph¸p tõ trªn xuèng lµ ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n, rÎ tiÒn, cã
thÓ chÕ t¹o ®−îc mét l−îng lín vËt liÖu. Tuy nhiªn, tÝnh ®ång nhÊt cña vËt liÖu
kh«ng cao vµ khã ®iÒu khiÓn kÝch th−íc cña vËt liÖu do vËy ph−¬ng ph¸p tõ trªn
xuèng Ýt dïng ®Ó ®iÒu chÕ vËt liÖu nano so víi ph−¬ng ph¸p tõ d−íi lªn.
III.3.2. Ph−¬ng ph¸p tõ d−íi lªn (bottom-up)
Ng−îc l¹i ph−¬ng ph¸p tõ trªn xuèng, ph−¬ng ph¸p tõ d−íi lªn h×nh thµnh vËt
liÖu nano tõ c¸c thµnh phÇn ë cÊp ®é nguyªn tö hoÆc ion. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p
nµy lµ tæng hîp ®−îc vËt liÖu nano kÝch th−íc nhá, ®ång ®Òu theo mong muèn.
PhÇn lín c¸c vËt liÖu nano hiÖn nay ®iÒu chÕ tõ ph−¬ng ph¸p nµy. Nã cã thÓ lµ
ph−¬ng ph¸p vËt lý, hãa häc hoÆc kÕt hîp c¶ hai ph−¬ng ph¸p.
•
Ph−¬ng ph¸p vËt lý:
§©y lµ ph−¬ng ph¸p t¹o vËt liÖu nano tõ nguyªn tö hoÆc chuyÓn pha.
-
Ph−¬ng ph¸p chuyÓn pha: VËt liÖu gia nhiÖt sau ®ã lµm nguéi víi tèc ®é nhanh
®Ó thu ®−îc tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh. Qu¸ tr×nh tiÕp theo lµ tiÕn hµnh xö lý nhiÖt
nh»m thu ®−îc vËt liÖu ë tr¹ng th¸i tinh thÓ.
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
- Ph−¬ng ph¸p bèc bay nhiÖt: Nguyªn tö ®Ó h×nh thµnh vËt liÖu nano ®−îc t¹o ra
b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p vËt lý nh− bèc bay ch©n kh«ng, phón x¹, hå quang. VËt liÖu
nano thu ®−îc tõ ph−¬ng ph¸p nµy th−êng lµ c¸c mµng nano.
• Ph−¬ng ph¸p hãa häc
§©y lµ ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o vËt liÖu nano tõ c¸c ion hoÆc nguyªn tö. Ph−¬ng
ph¸p nµy rÊt phæ biÕn ®Ó tæng hîp vËt liÖu nano vµ nanocomposite. ¦u ®iÓm cña nã
lµ cã thÓ tæng hîp ®−îc tÊt c¶ c¸c d¹ng cña vËt liÖu nano nh− d©y nano, èng nano,
thËm chÝ c¶ c¸c cÊu tróc nano phøc t¹p ®Ó m« pháng sinh häc. H¬n n÷a, ph−¬ng
ph¸p nµy cßn cho phÐp can thiÖp ®Ó t¹o ra c¸c vËt liÖu nano víi kÝch th−íc nhá nh−
mong muèn víi ®é ®ång ®Òu cao. Ng−êi ta chia ph−¬ng ph¸p ho¸ häc thµnh c¸c
ph−¬ng ph¸p sau ®©y:
-
Ph−¬ng ph¸p khö hãa häc: ë ph−¬ng ph¸p khö hãa häc, muèi cña kim lo¹i
t−¬ng øng ®−îc khö víi sù cã mÆt cña c¸c t¸c nh©n lµm bÒn ®Ó khèng chÕ sù lín lªn
cña c¸c h¹t vµ ng¨n c¶n sù keo tô cña chóng. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ quy
tr×nh thùc hiÖn ®¬n gi¶n, kh«ng ®ßi hái c¸c thiÕt bÞ ®¾t tiÒn, cã thÓ ®iÒu khiÓn kÝch
th−íc nh− mong muèn vµ cho phÐp tæng hîp vËt liÖu víi mét l−îng lín. Ph−¬ng
ph¸p nµy chñ yÕu ®Ó chÕ t¹o c¸c h¹t nano kim lo¹i.
- Ph−¬ng ph¸p sö dông nguyªn liÖu cã s½n trong tù nhiªn cã cÊu tróc nano: C¸c
nguyªn liÖu cã s½n trong tù nhiªn nh− zeolit, c¸c h¹t sÐt, c¸c ph©n tö sinh häc… cã
ph©n bè lç xèp hoÆc cÊu tróc lç cã kÝch th−íc nano mÐt. C¸c nguyªn liÖu nµy v× thÕ
cã thÓ lµm khu«n ph¶n øng tæng hîp vËt liÖu nano vµ nano composite.
-
Ph−¬ng ph¸p sö dông mµng chÊt ®a ®iÖn ly: Mét sè mµng c¸c chÊt ®a ®iÖn ly
th−êng ®−îc dïng ®Ó tæng hîp vËt liÖu nano vµ nano composite lµ polyacrylic
(PAA), polyanlyamin hidroclorua (PHA), plyetylenimit (PEI). C¸c mµng nµy cã c¸c
nhãm cacbonyl hoÆc c¸c nguyªn tö nit¬ mang ®iÖn tÝch ©m nªn sÏ hÊp thô víi c¸c
ion kim lo¹i c¸c phøc chÊt bÒn trªn mµng polyme ®ã. Sau ®ã c¸c chÊt khö thÝch hîp
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
sÏ ®−îc sö dông ®Ó khö c¸c ion kim lo¹i. S¶n phÈm thu ®−îc lµ c¸c mµng cÊu tróc
nano ®¬n líp hoÆc ®a líp.
- Ph−¬ng ph¸p sol-gel [10, 20]: Ph−¬ng ph¸p sol-gel do R.Roy ®Ò xuÊt n¨m 1956.
Ph−¬ng ph¸p sol-gel th−êng ®−îc dïng ®Ó tæng hîp c¸c vËt liÖu nano d¹ng bét, sîi
mµng, gèm…¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ dÔ ®iÒu khiÓn ®−îc kÝch th−íc h¹t
nªn h¹t thu ®−îc cã ph©n bè kÝch th−íc h¹t nhá nh− mong muèn, thiÕt bÞ ®¬n gi¶n,
tiÕt kiÖm ®−îc nhiÒu n¨ng l−îng, mang tÝnh kinh tÕ h¬n so víi c¸c ph−¬ng ph¸p
kh¸c. Ph−¬ng ph¸p sol-gel nh÷ng n¨m gÇn ®©y ph¸t triÓn rÊt ®a d¹ng, nh−ng cã thÓ
quy tô thµnh mét sè h−íng chÝnh sau:
¾
Ph−¬ng ph¸p sol-gel theo con ®−êng thñy ph©n c¸c alkoxit: Trong
ph−¬ng ph¸p nµy, c¸c hîp chÊt alkoxit th−êng ®−îc hßa tan vµo dung m«i h÷u c¬
khan vµ thñy ph©n b»ng c¸ch cho thªm mét l−îng n−íc. Sù t¹o thµnh sol - gel rÊt
phøc t¹p nh−ng cã thÓ tãm t¾t b»ng ba qu¸ tr×nh sau:
- Thñy ph©n alkoxit kim lo¹i M(OR)n
- Qu¸ tr×nh trïng ng−ng
+ Ph¶n øng lo¹i n−íc:
+ Ph¶n øng lo¹i r−îu:
+ Qu¸ tr×nh gel hãa: C¸c ®o¹n polyme liªn kÕt víi nhau thµnh khung ba chiÒu. §Õn
mét lóc nµo ®ã, toµn bé hÖ biÕn thµnh gel, n−íc vµ dung m«i n»m trong c¸c lç cña
gel. Ph¶n øng ph©n hñy cña gel sÏ x¶y ra ë nhiÖt ®é thÊp, cho s¶n phÈm cã ®é ®ång
nhÊt vµ ®é tinh khiÕt hãa häc cao, bÒ mÆt riªng lín. B»ng c¸ch ®iÒu chØnh tèc ®é
thñy ph©n vµ tèc ®é ng−ng tô, cã thÓ khèng chÕ ®−îc kÝch th−íc h¹t vµ h×nh d¸ng
cña h¹t còng nh− cã thÓ chÕ t¹o mµng máng hoÆc v« ®Þnh h×nh. Ph−¬ng ph¸p nµy
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
®Æc biÖt thuËn lîi trong viÖc chÕ t¹o vËt liÖu oxit kim lo¹i.
¾
Ph−¬ng ph¸p sol-gel theo con ®−êng thñy ph©n c¸c muèi: Ph−¬ng
ph¸p nµy xuÊt ph¸t tõ chÊt ®Çu lµ c¸c muèi nitrat, clorua…C¸c ion kim lo¹i trong
m«i tr−êng n−íc t¹o phøc aquo bÞ thñy ph©n t¹o thµnh aquohidroxo
C¸c phøc aquohidroxo ®¬n nh©n ng−ng tô thµnh phøc ®a nh©n råi tiÕp tôc ph¸t triÓn
thµnh c¸c m¹ch polymer.
III.4 T×nh h×nh nghiªn cøu vµ øng dông vËt liÖu nano vµ vËt liÖu nano
composite [10]:
HiÖn nay trªn thÕ giíi viÖc nghiªn cøu vµ øng dông c«ng nghÖ nano ®ang
®−îc rÊt nhiÒu c¸c quèc gia quan t©m. Cã thÓ kÓ ®Õn mèt sè c−êng quèc ®ang
chiÕm lÜnh thÞ tr−êng c«ng nghÖ nµy hiÖn nay nh−: Hoa Kú, NhËt B¶n, Trung Quèc,
§øc, Nga vµ mét sè n−íc Ch©u ¢u…ë nh÷ng quèc gia trªn, chÝnh phñ dµnh mét
kho¶n ng©n s¸ch ®¸ng kÓ hæ trî cho viÖc nghiªn cøu vµ øng dông thùc tiÔn cña
ngµnh c«ng nghÖ nano. Kh«ng chØ c¸c tr−êng §¹i häc cã c¸c phßng thÝ nghiÖm víi
c¸c thiÕt bÞ nghiªn cøu quy m« mµ c¶ c¸c tËp ®oµn s¶n xuÊt còng tiÕn hµnh nghiªn
cøu vµ ph¸t triÓn c«ng nghÖ nano víi c¸c phßng thÝ nghiÖm víi tæng chi phÝ nghiªn
cøu t−¬ng ®−¬ng víi ng©n s¸ch chÝnh phñ dµnh cho c«ng nghÖ nano.
ë ViÖt Nam, xu h−íng tiÕp cËn víi c«ng nghÖ nano trong nh÷ng n¨m gÇn
®©y ®· t¹o ra nh÷ng chuyÓn biÕn cã søc l«i cuèn ®èi víi lÜnh vùc nµy. Nhµ n−íc
còng ®· dµnh mét kho¶n ng©n s¸ch kh¸ lín cho ch−¬ng tr×nh nghiªn cøu c«ng nghÖ
nano cÊp quèc gia víi sù tham gia cña nhiÒu tr−êng §¹i häc vµ ViÖn nghiªn cøu
trong c¶ n−íc. B−íc ®Çu ®· thu ®−îc nhiÒu kÕt qu¶ ®¸ng khÝch lÖ. Së dÜ mµ c«ng
nghÖ nano ®−îc chó träng ph¸t triÓn nh− vËy lµ do nh÷ng øng dông kú diÖu mµ
c«ng nghÖ nano ®· vµ ®ang ®¹t ®−îc trong c¸c lÜnh vùc cña khoa häc vµ c«ng nghÖ.
Sau ®©y lµ c¸c lÜnh vùc mµ c«ng nghÖ nano cã −u thÕ :
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
III.4.1. C«ng nghÖ ®iÖn tö, c«ng nghÖ th«ng tin.
Trong c«ng nghÖ th«ng tin nhu cÇu sö dông bé nhí cã dung l−îng lín ngµy
cµng cao. C¸c nhµ khoa häc ®· nghiªn cøu vµ chÕ t¹o ra c¸c chip m¸y tÝnh víi chÊm
l−îng tö gäi lµ c¸c chip nano (nano chip) cã ®é tÝch hîp rÊt cao, cho phÐp t¨ng dung
l−îng bé nhí cña m¸y tÝnh. C«ng nghÖ nano còng ®−îc øng dông trong chÕ t¹o c¸c
linh kiÖn quang ®iÖn tö trong c¸c mµn h×nh tinh thÓ láng, thiÕt bÞ ph¸t tia laze... víi
®é chÝnh x¸c cì vµi nano mÐt. [19]
III.4.2. C«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y, c«ng nghiÖp nhÑ.
C¸c vËt liÖu nano cã nhiÒu øng dông trong thùc tÕ. Do cã cÊu tróc ®Æc biÖt
nªn èng nano cacbon (cacbon nanotubes) hoÆc c¸c tæ hîp composite cña chóng cã
®é bÒn c¬ häc cao gÊp 10 lÇn thÐp, tÝnh bÒn nhiÖt cao, v× vËy, c¸c èng cacbon lµ
nguyªn liÖu rÊt thÝch hîp ®Ó s¶n xuÊt c¸c thiÕt bÞ cho ngµnh s¶n xuÊt xe h¬i, m¸y
bay, tµu vò trô…
C¸c
vËt liÖu nano ®−îc ®iÒu chÕ d−íi d¹ng aerogel cã cÊu tróc xèp vµ ®é xèp
cao thÓ lµm vËt liÖu c¸ch nhiÖt, khö tiÕng ån, c¸ch nhiÖt …[20]
III.4.3. Y sinh häc.
- Ph©n t¸ch vµ chän läc tÕ bµo: Dùa vµo ®Æc tr−ng siªu thuËn tõ cña c¸c h¹t nano
s¾t tõ c¸c nhµ nghiªn cøu ®· sö dông nã ®Ó tiÕn hµnh ph©n t¸ch tÕ bµo. Qu¸ tr×nh
ph©n t¸ch ®−îc chia lµm hai giai ®o¹n: §¸nh dÊu thùc thÕ sinh häc cÇn nghiªn cøu
th«ng qua c¸c h¹t nano s¾t tõ. Sau ®ã t¸ch c¸c thùc thÓ ®−îc ®¸nh dÊu ra khái m«i
tr−êng b»ng tõ tr−êng ngoµi.
-
DÉn truyÒn thuèc: Khi x©m nhËp vµo trong c¬ thÓ, thuèc ch÷a bÖnh th−êng bÞ
ph©n t¸n vµ kh«ng tËp trung g©y ¶nh h−ëng cho c¸c tÕ bµo khoÎ m¹nh, sinh ra c¸c
t¸c dông phô. Do ®ã ng−êi ta sö dông c¸c h¹t tõ tÝnh nh− lµ h¹t mang thuèc ®Õn vÞ
trÝ mong muèn trªn c¬ thÓ (c¸c khèi u, ung th−…) b»ng tõ tr−êng ngoµi.
- T¨ng th©n nhiÖt côc bé: Ph−¬ng ph¸p nµy dïng trong ch÷a trÞ ung th−. C¸c h¹t
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
nano tõ tÝnh ®−îc ph©n t¸n trong c¸c m« bÞ bÖnh, sau ®ã sö dông mét tõ tr−êng
xoay chiÒu bªn ngoµi ®ñ lín vÒ c−êng ®é vµ tÇn sè t¸c dông lªn c¸c h¹t nano s¾t tõ,
lµm cho c¸c h¹t nano h−ëng øng vµ t¹o ra nhiÖt côc bé nung nãng tÕ bµo ung th−
(cì 42oC). T¹i nhiÖt ®é côc bé nµy cã thÓ giÕt chÕt c¸c tÕ bµo ung th−. [26]
III.4.4. N¨ng l−îng míi.
Víi c«ng nghÖ nano, ng−êi ta cã thÓ t¹o ra nh÷ng lo¹i pin míi cã kh¶ n¨ng
quang hîp nh©n t¹o, gióp con ng−êi s¶n xuÊt ra n¨ng l−îng s¹ch, hay t¹o ra nh÷ng
thiÕt bÞ Ýt tiªu tèn n¨ng l−îng do sö dông nh÷ng lo¹i vËt liÖu nhá nhÑ. C¸c mµng
nano (víi chi phÝ s¶n xuÊt thÊp) høa hÑn cã thÓ hÊp thô ®−îc nhiÒu n¨ng l−îng mÆt
trêi h¬n c¸c vËt liÖu quang ®iÖn hiÖn nay. §©y lµ khëi ®Çu cho mét cuéc c¸ch m¹ng
trong viÖc sö dông n¨ng l−îng mÆt trêi.[19]
III.4.5. C«ng nghÖ xö lý M«i tr−êng
C¸c vËt liÖu xö lý m«i tr−êng ®ang lµ vÊn ®Ò ®ang ®−îc quan t©m, ®Æc biÖt lµ
vËt liÖu dïng trong c«ng nghÖ lµm s¹ch n−íc. C¸c m¸y läc ®−îc t¹o ra bëi c«ng
nghÖ nano víi c¸c mµng läc cã ®−êng kÝnh lç chØ vµi nano nh− mµng läc thÈm thÊu
ng−îc (RO), c¸c mµng vi läc…cã thÓ läc ®−îc c¸c vi khuÈn vµ virus trong n−íc vµ
cã thÓ t¸ch lo¹i ®−îc trªn 99,8% c¸c chÊt tan trong n−íc[13].
Míi ®©y nhµ khoa häc ng−êi NhËt ®· ph¸t hiÖn ra mét lo¹i vi khuÈn chuyªn
¨n c¸c chÊt l¬ löng trong n−íc vµ c¸c h¹t nano tõ tÝnh. Khi c¸c vi sinh vËt ®· ¨n no
(chÊt bÈn lÉn c¸c h¹t nano tõ tÝnh), chóng sÏ ®−îc l¾ng vµ t¸ch ra khái n−íc nhê tõ
tr−êng ngoµi.
VËt liÖu nano cã diÖn tÝch vµ sè ®iÖn tö ph©n bè trªn bÒ mÆt lín h¬n rÊt nhiÒu
so víi c¸c vËt liÖu d¹ng khèi. Do ®ã ë vËt liÖu nano xuÊt hiÖn nhiÒu ®Æc tÝnh næi
tréi, ®Æc biÖt lµ kh¶ n¨ng xóc t¸c, hÊp phô... Lîi dông c¸c −u thÕ ®ã c¸c nhµ khoa
häc ®· vµ ®ang ®i s©u nghiªn cøu t×m tßi chÕ t¹o c¸c vËt liÖu hiÖu n¨ng cao, sö dông
trong lÜnh vùc xö lý m«i tr−êng: vËt liÖu hÊp phô, c¸c vËt liÖu cã kh¶ n¨ng xóc t¸c,
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
xö lý c¸c hîp chÊt v« c¬, h÷u c¬, c¸c lo¹i khÝ th¶i dÔ bay h¬i (VOCs)…
Ch−¬ng II
VËt liÖu vμ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu:
I- VËt liÖu nano oxit s¾t tõ Fe3O4:
I.1. CÊu tróc tinh thÓ Fe3O4:
Oxit s¾t tõ Fe3O4 ®−îc xÕp vµo
nhãm vËt liÖu ferit cã c«ng thøc tæng qu¸t
MO.Fe2O3 (M lµ kim lo¹i hãa trÞ 2 nh− Fe,
Ni, Co, Mn, Mg hoÆc Cu). Trong lo¹i vËt
liÖu ferit c¸c ion oxi cã b¸n kÝnh kho¶ng
1,32Ao lín h¬n rÊt nhiÒu b¸n kÝnh ion kim
lo¹i (0,6 ÷ 0,8 A) nªn chóng n»m rÊt s¸t nhau vµ s¾p xÕp thµnh mét m¹ng l−íi cã
cÊu tróc lËp ph−¬ng t©m mÆt. Oxit s¾t tõ Fe3O4 lµ mét ferit cã cÊu tróc spinel ®¶o.
Nã cã mét nöa sè ion Fe3+ chiÕm hèc b¸t diÖn, nöa cßn l¹i chiÕm hèc tø diÖn, c¸c
ion Fe2+ ®Òu chiÕm hèc b¸t diÖn. ChÝnh cÊu tróc spinel ®¶o ®· quyÕt ®Þnh tÝnh chÊt
tõ cña Fe3O4, ®ã lµ tÝnh chÊt feri tõ.
B¶ng 1. Sù ph©n bè c¸c momen tõ spin cña c¸c ion Fe2+ vµ Fe3+
Cation
Fe3+
Fe2+
Hèc b¸t diÖn
Hèc tø diÖn
(nhãm B)
(nhãm A)
↑↑↑↑
↓↓↓↓
↑↑↑↑
↓↓↓↓
Momen tõ riªng
TriÖt tiªu hoµn toµn
↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
↑↑↑↑
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
§å ¸n tèt nghiÖp
Khoa CNSH & MT
Trong oxit s¾t tõ, v× ion Fe3+ cã mÆt ë c¶ hai ph©n m¹ng víi sè l−îng nh−
nhau nªn momem tõ chØ do Fe2+ quyÕt ®Þnh.
Trong m«i tr−êng kh«ng khÝ Fe3O4 dÔ bÞ oxy hãa vµ chuyÓn vÒ d¹ng
γ-Fe2O3.Fe3O4. γ-Fe2O3 vµ Fe3O4 cã cÊu tinh thÓ vµ tÝnh chÊt vËt lý t−¬ng tù nh−
nhau γ-Fe2O3 còng lµ chÊt feri tõ nh−ng cã Ms nhá h¬n Fe3O4 .
Trªn thùc tÕ, khi ®iÒu chÕ h¹t nano s¾t tõ, ng−êi ta thÊy xuÊt hiÖn mét l−îng
nhá γ-Fe2O3 do Fe3O4 dÔ bÞ oxy ho¸ khi cã mÆt oxy kÓ c¶ trong m«i tr−êng láng.
I.2. TÝnh chÊt tõ cña vËt liÖu:
VËt liÖu Fe3O4 kÝch th−íc < 20nm lµ vËt liÖu siªu thuËn tõ. HiÖn t−îng nµy
chØ x¶y ra ®èi víi s¾t tõ cã cÊu t¹o bëi c¸c h¹t tinh thÓ nhá. Khi kÝch th−íc h¹t lín,
hÖ ë tr¹ng th¸i ®a ®«men (tøc lµ mçi h¹t sÏ cÊu t¹o bëi nhiÒu ®«men tõ). Khi kÝch
th−íc h¹t gi¶m dÇn, chÊt sÏ chuyÓn sang tr¹ng th¸i ®¬n ®«men (mçi h¹t sÏ lµ mét
®«men). HiÖn t−îng siªu thuËn tõ x¶y ra khi kÝch th−íc h¹t gi¶m qu¸ nhá, n¨ng
l−îng ®Þnh h−íng (mµ chi phèi chñ yÕu ë ®©y lµ n¨ng l−îng dÞ h−íng tõ tinh thÓ)
nhá h¬n nhiÒu so víi n¨ng l−îng nhiÖt, khi ®ã n¨ng l−îng nhiÖt sÏ ph¸ vì sù ®Þnh
h−íng song song cña c¸c m«men tõ, vµ m«men tõ cña hÖ h¹t sÏ ®Þnh h−íng hçn
lo¹n nh− trong chÊt thuËn tõ [4].
I.3. øng dông cña nano s¾t tõ
VËt liÖu nano s¾t tõ ngµy cµng ®−îc nghiªn cøu kü l−ìng nh»m ph¸t hiÖn ra
nh÷ng hiÖu øng míi ®Þnh h−íng cho c¸c øng dông míi trong s¶n xuÊt còng nh− ®êi
sèng. §Æc biÖt trong lÜnh vùc xö lý m«i tr−êng nano s¾t tõ kÝch th−íc cì 20 nm cã
kh¶ n¨ng hÊp phô c¶ hai d¹ng arsenate - As(III) vµ arsenite - As(V), dung l−îng hÊp
phô cao gÊp 200 lÇn so víi vËt liÖu d¹ng khèi. Khi c©n b»ng hÊp phô hµm l−îng
asen trong n−íc cã thÓ ®¹t d−íi møc 10 ppb (lµ nång ®é asen cho phÐp theo tiªu
chuÈn cña WHO) chØ trong vµi phót [2]. Ngoµi ra rÊt nhiÒu nghiªn cøu ®· chøng tá
r»ng nano s¾t tõ ngoµi kh¶ n¨ng hÊp phô asen cßn cã kh¶ n¨ng hÊp phô c¸c kim lo¹i
Qu¶n ThÞ Thu Trang
MSSV: 505303065
- Xem thêm -