TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN ĐỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thị Ánh Nga Sinh viên thực hiện. Vật liệu nano được hiểu là vật liệu có kích thước nanomet với phân tử hay nguyên tử có kích thước từ 0,1 100 nanomet (109 m). Vật liệu nano khác biệt hoàn toàn so với các vật liệu khác về tính chất vật lý do kích thước ở dạng nanomet của nó. Vật liệu nano kim loại là các hạt được tổng hợp từ kim loại. Các hạt nano kim loại có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Nếu ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng hình khối sẽ có cùng màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua đó có màu xanh hoặc có thể chuyển sang màu cam khi kích thước của hạt nano kim loại thay đổi. Các điện tử tự do hấp thụ ánh sáng ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho các hạt nano kim loại có hiện tượng quang học như trên.
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUN ĐỀ VẬT LIỆU VƠ CƠ Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Ánh Nga Sinh viên thực - MSSV: Đinh Hoàng Kim Cương - 61900723 Tơ Hồng Thùy Dung - 61900727 Phạm Thị Như Ngọc - 61900143 Lưu Khánh Vy - 61900810 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM HỌC 2022 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH Phần 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG Giới thiệu vật liệu nano 1.1 Các khái niệm liên quan đến nano 1.1.1 Khoa học nano 1.1.2 Cơ sở khoa học 1.1.3 Công nghệ nano 10 1.1.4 Hóa học nano 10 1.1.5 Hạt nano kim loại .11 Phân loại 11 Tổng hợp vật liệu nano 12 3.1 Phương pháp hóa ướt 12 3.2 Phương pháp khí nano 12 3.3 Phương pháp từ xuống (top - down) 12 3.4 Phương pháp từ lên (bottom - up) 13 3.5 Phương pháp bay nhiệt 14 3.6 Phương pháp pha khí 15 3.7 Phương pháp hóa học 15 Các phương pháp phân tích mẫu 15 4.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 15 4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 17 4.3 Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) 17 4.4 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 18 4.5 Quang phổ hồng ngoại (FT-IR) 18 4.6 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 18 Ứng dụng công nghệ nano 19 a Trong công nghệ thông tin 19 b Trong nông nghiệp 19 c Trong gốm sứ 19 d Trong sức khỏe y tế 19 e Trong xây dựng 20 f Năng lượng môi trường 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 Phần 2: CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÔ CƠ 24 Bài 1: Tổng hợp nano Đồng 24 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24 1.1 Đồng kim loại .24 1.2 Nano đồng 25 1.2.1 Tính kháng khuẩn 25 1.2.2 Cơ chế kháng khuẩn 26 1.3 Phương pháp tổng hợp 28 1.3.1 Phương pháp hóa ướt 28 1.3.2 Phương pháp phân hủy nhiệt 28 1.3.3 Phương pháp vi nhũ 28 1.3.4 Phương pháp có hỗ trợ nhiệt vi sóng 29 1.4 Ứng dụng 29 1.4.1 Trong nông nghiệp 29 1.4.2 Trong y học 29 1.4.3 Trong công nghiệp 29 THỰC NGHIỆM 30 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp 30 2.2 Hóa chất, dụng cụ .31 2.3 Tiến hành thí nghiệm 31 2.4 Kết tính tốn 32 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 Bài 2: Tổng hợp nano Fe3O4 34 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 34 1.1 Fe3O4 34 1.2 Hạt nano oxide sắt 35 1.2.1 Khái niệm 35 1.2.2 Tính chất 36 1.2.3 Các phương pháp tổng hợp 38 1.2.4 Ứng dụng 42 THỰC NGHIỆM 45 2.1 Mục tiêu thí nghiệm 45 2.2 Sơ đồ quy trình tổng hợp 45 2.3 Hóa chất, dụng cụ .46 2.4 Tiến hành thí nghiệm 47 2.5 Kết tính tốn 49 2.6 Cơ chế phản ứng 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Bài 3: Điều chế Mg(OH)2 phương pháp sữa vôi 52 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 52 1.1 Magnesium Hydroxide .52 1.1.1 Khái niệm 52 1.1.2 Đặc điểm tính chất 52 1.1.3 Cấu trúc tinh thể .55 1.1.4 Ứng dụng 57 1.1.5 Quá trình phân hủy Mg(OH)2 thành MgO .58 1.2 Đá vôi, vôi sống vôi sữa 59 1.2.1 Đá vôi .59 1.2.2 Vôi sống 60 1.3 Phương pháp tạo tủa hydroxide sữa vôi 64 1.3.1 Phương trình, thơng số vật lý 64 1.3.2 Cơ chế phản ứng 65 THỰC NGHIỆM 67 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp 67 2.2 Thuyết minh quy trình tổng hợp 68 2.2.1 Chế tạo tủa 68 2.2.2 Lọc - rửa kết tủa .68 2.2.3 Sấy kết tủa 68 2.2.4 Đánh giá chất lượng sản phẩm thu 68 2.3 Hóa chất, dụng cụ .68 2.4 Tiến hành thí nghiệm 69 2.4.1 Điều chế Mg(OH)2 69 2.4.2 Xác định thành phần cấu trúc Mg(OH)2 71 2.5 Kết tính tốn 74 2.5.1 Xác định thành phần cấu trúc Mg(OH)2 74 KẾT LUẬN 75 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tinh khiết Mg(OH)2 75 3.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ 75 3.1.2 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn 76 3.1.3 Ảnh hưởng nồng độ - tỷ lệ tác chất 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC BẢNG Phần 1: Cơ sở lý thuyết chung Bảng 1.1 Giá trị độ dài đặc trưng số tính chất vật liệu [3] .8 Bảng 1.2 Số nguyên tử lượng bề mặt hạt nano hình cầu [3] 10 Bài 1: Tổng hợp nano đồng Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng tổng hợp nano đồng 31 Bài 2: Tổng hợp nano Fe3O4 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng 46 Bảng 2.2 Danh mục dụng cụ thiết bị sử dụng 47 Bài 3: Điều chế Mg(OH)2 phương pháp sữa vôi Bảng 1.1 Các thông số vật lý Mg(OH)2 54 Bảng 2.1 Hóa chất, dụng cụ dùng điều chế Mg(OH)2 69 Bảng 2.2 Thể tích EDTA dùng chuẩn độ 74 Bảng 2.3 Thể tích EDTA dùng chuẩn độ hàm lượng Ca2+ 75 DANH MỤC HÌNH Phần 1: Cơ sở lý thuyết chung Hình 1.1 Các loại vật liệu nano Hình 2.1 Phân loại vật liệu nano 11 Hình 3.1 Phương pháp (a) từ lên (b) từ xuống 13 Hình 3.2 Phương pháp quang khắc 15 Hình 4.1 Cấu tạo khác TEM SEM 16 Hình 4.2 Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động DLS 18 Hình 5.1 Pin mặt trời chất màu nhạy quang có sử dụng vật liệu nano composite sở graphene làm điện cực cathode anode .21 Bài 1: Tổng hợp nano đồng Hình 1.1 Một khối đồng quặng tự nhiên 24 Hình 1.2 Tượng nữ thần tự trước (bên trái) sau bị oxi hóa (bên phải) 25 Hình 1.3 Hình chụp hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng tế bào vi khuẩn tiêu diệt chúng 27 Hình 1.4 Cơ chế kháng khuẩn nano đồng 27 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp nano đồng 30 Hình 2.1 Khuấy hỗn hợp PVP Glycerine bếp khuấy từ 31 Hình 2.2 Dung dịch keo nano đồng 32 Hình 3.1 Kết chụp UV-Vis nano đồng 32 Bài 2: Tổng hợp nano Fe3O4 Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể ferrite thường gặp 34 Hình 1.2 Sự xếp spin phân tử Fe3O4 35 Hình 1.3 Ảnh chụp TEM nano Fe3O4 35 Hình 1.4 Minh họa chất siêu thuận từ, (trái) nhiệt độ thấp nhiệt độ hãm Tb (phải) nhiệt độ cao nhiệt độ hãm Tb 37 Hình 1.5 Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản 43 Hình 1.6 Nguyên lý dẫn thuốc hạt nano từ tính 44 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp nano Fe3O4 .46 Hình 2.2 Cân nguyên liệu .47 Hình 2.3 Hỗn hợp bọc màng bọc khuấy từ 48 Hình 2.4 Dung dịch sau để nguội lọc chân khơng .48 Hình 2.5 Sản phẩm sau sấy 49 Hình 2.6 Mẫu thu 49 Hình 2.7 Cơ chế hình thành hạt nano Fe3O4 50 Bài 3: Điều chế Mg(OH)2 phương pháp sữa vơi Hình 1.1 Cấu trúc phân tử Mg(OH)2 .52 Hình 1.2 Mg(OH)2 chất rắn màu trắng 53 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể Mg(OH)2 55 Hình 1.4 Cấu trúc brucite Mg(OH)2 56 Hình 1.5 Nhiệt độ khống vật brucite 58 Hình 1.6 Nhiệt độ calcite 60 Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể CaO .61 Hình 1.8 Dây chuyền sản xuất đá vơi 62 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp Mg(OH)2 .67 Hình 2.2 Cân MgCl2.6H2O .70 Hình 2.3 Cân CaO 70 Hình 2.4 Hệ thống lọc chân khơng 71 Hình 2.5 Lọc rửa sản phẩm phễu lọc 71 Hình 2.6 Khối lượng thực tế Mg(OH)2 72 Hình 2.7 Dung dịch trước chuẩn độ có màu tím 73 Hình 2.8 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu Mg(OH)2 73 Hình 2.9 Phổ nhiễu xạ Rưntgen mẫu vôi sau nung 74 Phần 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG Giới thiệu vật liệu nano Vật liệu nano hiểu vật liệu có kích thước nanomet với phân tử hay ngun tử có kích thước từ 0,1 - 100 nanomet (10-9 m) Vật liệu nano khác biệt hoàn toàn so với vật liệu khác tính chất vật lý kích thước dạng nanomet Vật liệu nano kim loại hạt tổng hợp từ kim loại Các hạt nano kim loại có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt Nếu ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng dạng hình khối có màu vàng Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua có màu xanh chuyển sang màu cam kích thước hạt nano kim loại thay đổi Các điện tử tự hấp thụ ánh sáng vùng ánh sáng khả kiến làm cho hạt nano kim loại có tượng quang học Hình 1.1 Các loại vật liệu nano Vật liệu nano đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải dài khoảng rộng từ vài nm đến vài trăm nm Vật liệu nano tồn dạng trạng thái rắn, lỏng khí Hiện người ta tập trung nghiên cứu trạng thái vật liệu rắn 1.1 Các khái niệm liên quan đến nano 1.1.1 Khoa học nano Khoa học nano ngành nghiên cứu cấu trúc vật liệu quy mô siêu nhỏ Quy mơ tương ứng với kích thước vào cỡ vài nanomet đến vài trăm nanomet [1] Công nghệ nano điều khiển vật chất cấp độ phân tử nguyên tử để tạo vật liệu thiết bị có đặc tính đặc biệt có liên kết chặt chẽ với khoa học nano (1 nm = 10-9 m) Ở kích thước nano, vật liệu có tính đặc biệt mà vật liệu truyền thống khơng có thu nhỏ kích thước việc tăng diện tích mặt ngồi [2] 1.1.2 Cơ sở khoa học Cơng nghệ nano nghiên cứu dựa ba sở khoa học chính: Chuyển tiếp từ tính chất cố điển đến tính chất lượng tử, hiệu ứng bề mặt kích thước tới hạn a Chuyển tiếp từ tính chất cố điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu gồm nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử trung bình hóa với nhiều ngun tử bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Đối với cấu trúc nano có ngun tử hơn, tính chất lượng tử thể rõ Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước vật liệu nano làm cho vật liệu trở nên kì lạ nhiều so với vật liệu truyền thống Đối với vật liệu, tính chất vật liệu có độ dài đặc trưng Độ dài đặc trưng nhiều tính chất vật liệu rơi vào kích thước nm Chính điều làm nên tên "vật liệu nano" mà ta thường nghe đến ngày Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn nhiều lần độ dài đặc trưng dẫn đến tính chất vật lý biết Nhưng kích thước vật liệu so sánh với độ dài đặc trưng tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất biết trước Ở khơng có chuyển tiếp cách liên tục tính chất từ vật liệu khối đến vật liệu nano Chính vậy, nói đến vật liệu nano, phải nhắc đến tính chất kèm vật liệu Cùng vật liệu, kích thước, xem xét tính chất thấy khác lạ so với vật liệu khối xem xét tính chất khác lại khơng có khác biệt Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt ln thể dù kích thước Ví dụ, kim loại, quãng đường tự trung bình điện tử có giá trị vài chục nm Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại, kích thước dây lớn so với quãng đường tự trung bình điện tử kim loại có định luật Ohm cho dây dẫn Định luật cho thấy tỉ lệ tuyến tính dịng đặt hai đầu sợi dây Bây giờ, ta thu nhỏ kích thước sợi dây nhỏ độ dài quãng đường tự trung bình điện tử kim loại tỉ lệ liên tục dịng khơng cịn mà tỉ lệ gián đoạn với lượng tử độ dẫn e2/ħ, e điện tích điện tử, ħ số Planck Lúc hiệu ứng lượng tử xuất Có nhiều tính chất bị thay đổi độ dẫn, tức bị lượng tử hóa kích thước giảm Hiện tượng gọi hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển - lượng tử vật liệu nano việc giam hãm vật thể không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử) [3] Bảng 1.1 Giá trị độ dài đặc trưng số tính chất vật liệu [3] Tính chất Điện Từ Quang Thơng số Độ dài đặc trưng (nm) Bước sóng điện tử 10 - 100 Qng đường tự trung bình khơng đàn hồi - 100 Hiệu ứng đường ngầm - 10 Vách đô men, tương tác trao đổi 10 - 100 Quãng đường tán xạ spin - 100 Giới hạn siêu thuận từ - 100 Hố lượng tử (bán kính Bohr) - 100 Độ dài suy giảm 10 - 100 Độ sâu bề mặt kim loại 10 - 100 Hấp thụ Plasmon bề mặt 10 - 500 Siêu dẫn Cơ Xúc tác Siêu phân tử Miễn dịch Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1 - 100 Độ thẩm thấu Meisner - 100 Tương tác bất định xứ - 1000 Biên hạt - 10 Bán kính khởi động đứt vỡ - 100 Sai hỏng mầm 0,1 - 10 Độ nhăn bề mặt - 10 Hình học topo bề mặt - 10 Độ dài Kuhn - 100 Cấu trúc nhị cấp - 10 Cấu trúc tam cấp 10 - 1000 Nhận biết phân tử - 10 b Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có cấu trúc nano, số nguyên tử bề mặt chiếm nhiều so với tổng số nguyên tử Do đó, hiệu ứng bề mặt làm cho tính chất vật liệu có kích thước nano khác biệt với vật liệu dạng khối Khi vật liệu có kích thước nhỏ tỉ số số ngun tử bề mặt tổng số nguyên tử vật liệu gia tăng Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ hạt nano hình cầu Nếu gọi ns số nguyên tử nằm bề mặt, n tổng số nguyên tử mối liên hệ hai số ns = 4n2/3 Tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, r0 bán kính ngun tử r bán kính hạt nano Như vậy, kích thước vật liệu giảm (r giảm) tỉ số f tăng lên Do nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất nguyên tử bên lòng vật liệu nên kích thước vật liệu giảm hiệu ứng có liên quan đến nguyên tử bề mặt, hay gọi hiệu ứng bề mặt tăng lên tỉ số f tăng Khi kích thước vật liệu giảm đến nm giá trị f tăng lên đáng kể Sự thay đổi tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt khơng có tính đột biến theo thay đổi kích thước f tỉ lệ nghịch với r theo hàm liên tục Chúng ta cần lưu ý đặc điểm nghiên cứu ứng dụng Calcium oxide sử dụng rộng rãi thuốc thuốc trừ sâu Do kiềm có sẵn với số lượng phải chăng, nên calcium oxide thành phần thiết yếu để sản xuất xút Nó sử dụng sản xuất thép, giấy xi măng Việc sử dụng calcium oxide quan trọng thiết bị kiểm soát nhiễm Khói tỏa từ lị khói ngành công nghiệp chứa lượng lớn lưu huỳnh nitrogen Khi lưu huỳnh nitrogen kết hợp với nước, biến đổi thành chất mới, chẳng hạn nitric acid sulfuric acid Để ngăn chặn thành phần hóa học có hại tiếp xúc với thiên nhiên, người ta lắp đặt máy lọc nước Các thiết bị có hợp chất calcium oxide lớn giúp trung hịa lượng có nhiều nitric acid sulfuric acid 1.3 Phương pháp tạo tủa hydroxide sữa vơi 1.3.1 Phương trình, thơng số vật lý Phương pháp sử dụng vôi để xử lý ion kim loại dung dịch phương pháp sử dụng phổ biến Nguyên nhân vơi có giá thành thấp, hiệu cao Thuận lợi lớn q trình sử dụng vơi lượng lớn lượng huyền phù hình thành sớm Vơi có giá trị có chứa dạng CaO hay CaO.MgO, nhiên dạng hợp nước CaO có hoạt tính cao Mặc dù vơi cho vào dạng khan nghiên cứu cho thấy huyền phù sữa vôi mang lại hiệu cao Để thu huyền phù tốt cần vơi tơi nhiệt độ từ 82 ÷ 99oC, khoảng 10 ÷ 30 phút Sau vơi tơi thêm nước để huyền phù đạt 10 ÷35% Điểm cần lưu ý vơi sống CaO hay vôi Ca(OH)2 bị biến đổi có mặt CO2 H2O Vơi cần chứa container kín nên dử dụng vịng tuần Vơi sấy khơ bảo quản lâu vôi sống dễ chuyển dạng carbonate hóa có mặt CO2 làm hoạt tính hóa học vơi, gây vón cục nên khó bơm dễ gây nghẹt đường ống Phương pháp tủa hydroxide dùng vôi làm tác chất sử dụng phổ biến điều kiện áp suất khí nhiệt độ phịng 64 Vì: MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 Mg2+ + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + Ca2+; ∆H° = -1,6 kcal/mol TMg(OH)2 =10-9,22 TCa(OH)2 = 10-5,26 → TMg(OH)2 = 10-9,22 > TCa(OH)2 = 10-5,26 Hằng số cân bằng: Kcb = Thế đẳng áp tiêu chuẩn: TCa(OH)2 TMg(OH)2 = 10−5,26 10−9,22 = 103,96 ∆G0298 = − R T lnK = − 1,987.2,303.298.3,96 = − 5400 cal = − 5,4 kcal −10 kcal < ∆G0298 < 10 kcal Về mặt nhiệt động phản ứng thuận nghịch Tuy nhiên phản ứng xảy hồn tồn theo chiều thuận lớn có khác biệt tích số tan hai kết tủa đáng kể 1.3.2 Cơ chế phản ứng Mg2+ + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + Ca2+ Đây phản ứng trao đổi ion Tuy nhiên phản ứng trao đổi không xảy ion với mà xảy ion Mg2+ với Ca(OH)2 Do chế phản ứng diễn hai chiều hướng: Hướng 1: Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH- Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2↓ Trong dung dịch, sữa vôi điện ly cho ion OH-, ion kết hợp với Mg2+ tạo kết tủa Mg(OH)2↓ Cơ chế: Ca(OH)2 (r) → Ca(OH)2 (dd) → Ca2+ (dd) + 2OH- (dd) Mg2+ (dd) + 2OH- (dd) → Mg(OH)2 (dd) Hướng 2: Mg(OH)2 (dd) → Mg(OH)2 (r) Cơ chế dựa vào trao đổi trình hấp phụ Mg2+ hạt Ca(OH)2 65 Trong thực tế chế đồng thời xảy q trình tách loại Vì biểu diễn chế phản ứng sau: Các hạt Ca(OH)2 xem tâm kết tinh Vì dung dịch Mg(OH)2 đạt đến trạng thái bão hịa tinh thể Mg(OH)2 phát triển tâm kết tinh Ca(OH)2 Ion Mg2+ dung dịch khuếch tán đến bề mặt Ca(OH)2 rắn thực trình hấp phụ trao đổi ion với Ca2+ Do độ tan Mg(OH)2 bé độ tan Ca(OH)2 nhiều nên cân dịch chuyển theo chiều hướng tạo thành ion Ca2+ Sau ion khuếch tán ngồi Q trình xảy tồn bề mặt hạt sữa vơi hạt có cấu trúc xốp bề mặt hoạt hóa lớn Bên cạnh q trình hấp phụ trao đổi ion Mg2+ bề mặt hạt rắn Ca(OH)2, mầm tinh thể lớn lên kết hợp ion Mg2+ OH- dung dịch khuếch tán đến bề mặt hạt mầm Mg(OH)2 Tốc độ lớn lên tủa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: - Tốc độ phân ly Ca(OH)2 - Tốc độ phản ứng bề mặt - Tốc độ khuếch tán ion từ dung dịch vào sâu hạt rắn khuếch tán ion trao đổi từ hạt rắn dung dịch Tủa Mg(OH)2 dễ nhiễm bẩn hấp phụ ion Ca2+, Cl- Ngun nhân tủa Mg(OH)2 có kích thước nhỏ, tồn dung dịch trạng thái keo Ngoài tủa lẫn tạp chất tượng hấp phụ tăng Tuy nhiên ion Ca2+ không tham gia vào mạng tinh thể Mg(OH)2 kích thước ion Ca2+ Mg2+ không tương đồng, chúng không tạo dung dịch rắn Vì giảm thiểu nhiễm bẩn thao tác lọc rửa kết tủa chuẩn 66 THỰC NGHIỆM 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp Mg(OH)2 67 2.2 Thuyết minh quy trình tổng hợp 2.2.1 Chế tạo tủa Tạo điều kiện cho kết tủa lớn lên cách khống chế điều kiện phản ứng hợp lý giúp cho q trình phát triển tinh thể hồn chỉnh, cần hạn chế trình sinh mầm Trong thao tác cần cho chậm sữa vơi vào nước ót thực khuấy trộn tốt tránh bão hòa cục bộ, đồng thời điều chỉnh pH phù hợp, khơng để pH q lớn điều dẫn đến tạo mầm chiếm ưu thế, kết tủa thu có kích thước nhỏ Thực phản ứng nhiệt độ cao để tăng độ bão hịa dung dịch Sau phản ứng cần có giai đoạn làm già tủa thích hợp 2.2.2 Lọc - rửa kết tủa Kết tủa thu cần lọc rửa lượng nước cất thích hợp nhằm giảm thiểu lượng tạp chất bám vào sản phẩm Kết tủa dạng hạt keo nên dễ bị nhiễm bẩn tạp chất Ca2+, Cl-, Ca(OH)2… Chúng bị hấp phụ Mg(OH)2 Ca(OH)2 chưa phản ứng hết Ngồi ra, tạp chất phần nước bị giữ lại lỗ xốp tinh thể tinh thể lớn nhanh khơng cho nước ngồi Các tạp chất giảm bớt nhờ chế độ rửa làm già tủa thích hợp Tiến hành lọc rửa hỗn hợp sau phản ứng rửa nước cất Sử dụng máy lọc chân không Sản phẩm sau thu tính thời gian từ lúc giọt chất lỏng rơi vào bình chân khơng đến kết thúc giọt cuối 2.2.3 Sấy kết tủa Kết tủa sau lọc rửa có độ ẩm lớn Để tồn trữ, bảo quản sử dụng, ta cần sấy để loại lượng ẩm Sấy sản phẩm 120oC đến sản phẩm không thay đổi khối lượng 2.2.4 Đánh giá chất lượng sản phẩm thu Sản phẩm thu sau trình sấy tiến hành xác định hàm lượng Ca2+, Mg2+, Cl- Từ đánh giá độ tinh khiết sản phẩm Mẫu Mg(OH)2 điểm tối ưu xác định thành phần pha phương pháp nhiễu xạ tia X DTA 2.3 Hóa chất, dụng cụ 68 Bảng 2.1 Hóa chất, dụng cụ dùng điều chế Mg(OH)2 phương pháp sữa vôi STT Hóa chất Dụng cụ MgCl2.6H2O Erlen 250mL CaO Becher 100mL HCl Becher 500mL Chất chuẩn EDTA 0,01N Bình định mức 100mL Dung dịch pH 10 Phễu lọc Dung dịch pH 12 Giấy lọc Chỉ thị NET Cá từ Chỉ thị Calcon Đũa khuấy Pipet 10mL 10 Pipet 25mL 11 Bếp từ 12 Cân phân tích 13 Tủ sấy 14 Nhiệt kế 15 Bình lọc áp suất 2.4 Tiến hành thí nghiệm 2.4.1 Điều chế Mg(OH)2 2.4.1.1 Chuẩn bị dung dịch MgCl2 m m n MMgCl2 6H2O CM = = ⇔ 0,5 = 95 + 6.18 ⇔ mMgCl2 6H2O cần dùng = 10,15g V V 0,1 2.4.1.2 Hịa chế sữa vơi nMgCl2.6H2 O = m MMgCl2 6H2 O = 10,15 = 0,05 mol 95 + 6.18 nCaO = nMgCl2.6H2 O 0,9 = 0,05.0,9 = 0,045 mol → mCaO = nCaO MCaO = 0,045.56 = 2,52 g Tính lượng nước cần dùng để pha CaO nồng độ 100gCaO/1000gH2O 69 100g CaO → 1000g H2O 2,52g CaO → ? H2O Dùng tam suất để tính lượng nước cần dùng: mH2O cần dùng = 2.4.1.3 Tiến hành phản ứng 2,52.1000 = 25,2g ≈ 25,2mL 100 Đong 25,2 mL nước đun nước đến 70 - 80oC Cân MgCl2.6H2O (mthực tế = 10,4014g) cho vào becher 100mL, cho nước vào dùng đũa khuấy tan hồn tồn MgCl2.6H2O Hình 2.2 Cân MgCl2.6H2O Sau chuyển tồn dung dịch vào dùng bình định mức 100mL, tráng rửa becher nước cất lần Sau thêm nước cất đến vạch Đậy nắp lắc để dung dịch hòa tan hết Hình 2.3 Cân CaO Tiếp theo cân CaO (mthực tế = 2,5566g) Dùng lượng nước đun 70 – 80oC hịa tan CaO Để n cho sữa vơi lắng gạn bỏ phần cặn Đun dung dịch MgCl2.6H2O đến 70 – 80oC, vừa đun vừa khuấy sau thêm từ từ dung dịch sữa vôi pha vào, vừa thêm vừa khuấy bếp từ khoảng 30 – 60 phút Thu kết tủa Mg(OH)2, để nguội lắng sản phẩm Lọc sản phẩm áp suất thấp rửa sản phẩm vài lần phễu lọc Cho sản phẩm vào tủ sấy Sấy nhiệt độ khoảng 120oC đến khối lượng không đổi 70 2.4.1.4 Lọc - rửa sản phẩm Hình 2.4 Hệ thống lọc chân khơng Hình 2.5 Lọc rửa sản phẩm phễu lọc 2.4.2 Xác định thành phần cấu trúc Mg(OH)2 2.4.2.1 Xác định thành phần sản phẩm a Chuẩn bị mẫu - Cân xác khoảng 0,3g Mg(OH)2 vào cốc 100mL - Thêm HCl (1:1) vào mẫu Mg(OH)2 tan hoàn tồn Chuyển hết dung dịch vào bình định mức 500mL Tráng lại dụng cụ đựng hóa chất lần định mức thành 500mL dung dịch - Thực tế cân 0,3086g Mg(OH)2 71 Hình 2.6 Khối lượng thực tế Mg(OH)2 b Xác định hàm lượng tổng cộng Ca2+ Mg2+ Trong môi trường pH = 10, dung dịch không chứa Ca2+: H2Y2- + Mg2+ → MgY2- + 2H+ βMgY = 1010,6 Đặc điểm: Dung dịch chuẩn độ có nồng độ [Mg2+] < 10-1,5 M Phương pháp áp dụng dung dịch khơng có Ca2+ Nếu có Ca2+ ta có cân phụ: H2Y2- + Ca2+ → CaY2- + 2H+ βCaY = 1010,6 Kết chuẩn độ định tổng lượng calcium magnesium Với hàm lượng Ca2+ xác định theo phương pháp ta suy hàm lượng Mg2+ Xác định điểm cuối: Dùng thị NET, điểm tương đương hệ chuyển từ màu đỏ sang màu xanh - Lắp giá treo, kẹp buret lên giá treo - Lấy dung dịch EDTA 0,05N tráng qua buret Cho dung dịch chuẩn EDTA vào buret Bỏ phần dung dịch thừa: Mở khóa đóng khóa liên tục lần để đảm bảo phần khóa làm tráng Chỉnh đến vạch (mặt dung dịch cong bên chạm vạch 0) - Đổ dung dịch vừa pha từ bình định mức dùng pipet bầu (tay không cầm bầu pipet) hút 10,00mL dung dịch vào erlen 250mL Thêm 5mL dung dịch pH 10 vào erlen Sau cho thêm chất thị Erio - BlackT (NET) dung dịch chuyển sang màu tím 72 Hình 2.7 Dung dịch trước chuẩn độ có màu tím sau chuẩn độ chuyển thành xanh lam - Chuẩn độ đến điểm cuối dung dịch chuyển thành lam khơng cịn ánh tím - Lặp lại lần ghi thể tích EDTA dùng c Xác định hàm lượng Ca2+ Các bước thí nghiệm tương tự thí nghiệm thay 5mL dung dịch pH 12 chất thị calcon 2.4.2.2 Phân tích nhiệt vi sai DTA, XRD Hình 2.8 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu Mg(OH)2 73 Hình 2.9 Phổ nhiễu xạ Rưntgen mẫu vơi sau nung 2.5 Kết tính tốn 2.5.1 Xác định thành phần cấu trúc Mg(OH)2 2.5.1.1 Xác định hàm lượng tổng cộng Ca2+ Mg2+ 2+ (CN V)Mg(OH)2 = (CN V)EDTA → n2+ Mg + nCa = 0,05 VEDTA mol 10 Bảng 2.2 Thể tích EDTA dùng chuẩn độ hàm lượng tổng cộng Ca2+ Mg2+ LẦN VEDTA (mL) nMg2+ + nCa2+ (mol) 1,800 0,009000 1,700 0,008500 1,800 0,009000 1,800 0,009000 Trung bình 1,775 0,008875 2+ → n2+ Mg + nCa = 0,008875 mol 2.5.1.2 Xác định hàm lượng Ca2+ (CN V)Mg(OH)2 = (CN V)EDTA → n2+ Ca = 74 0,05.VEDTA 10 mol Bảng 2.3 Thể tích EDTA dùng chuẩn độ hàm lượng Ca2+ LẦN VEDTA (mL) nCa2+ (mol) 0,4000 0,002000 0,4000 0,002500 0,3000 0,001500 0,3500 0,001750 Trung bình 0,3625 0,001813 → n2+ Ca = 0,001813 mol 2.5.1.3 Xác định hàm lượng Mg(OH)2 CaO có sản phẩm điều chế Từ kết chuẩn độ, xác định hàm lượng Mg(OH)2 CaO có sản phẩm điều chế Hàm lượng Mg(OH)2: nMg2+ + nCa2+ = = 0,05 VEDTA 0,05 VEDTA ⇔ nMg2+ = − nCa2+ 10 10 0,05.1,775 − 0,001813 = 0,00763 mol = nMg(OH)2 10 Hàm lượng CaO: nCa2+ = 0,001813 = nCaO → %mCaO = nCaO M m 100 = 0,001813.56 0,3086 100 = 32,89% → %mMg(OH)2 = 100 − %mCaO = 100 − 32,89 = 66,11% KẾT LUẬN 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tinh khiết Mg(OH)2 3.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến phản ứng nghiên cứu qua nhiều phương diện khác Trước hết, nhiệt độ ảnh hưởng tới miền động học phản ứng Theo Arrhenius, tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng Do thời gian thực q trình cơng nghệ giảm đáng kể, suất thiết bị tăng Hấp phụ q trình tỏa nhiệt Chính tăng nhiệt độ hệ dẫn đến trình giải hấp Có nghĩa tiến hành phản ứng nhiệt độ cao giúp cho trình giải hấp chất bị hấp phụ lên bề mặt sản phẩm diễn thuận lợi, sản phẩm thu nhờ lẫn tạp chất 75 Tuy nhiên, nhiệt độ tiến hành phản ứng tăng dẫn đến hệ không mong muốn Nhiệt độ tăng đồng nghĩa chi phí lượng, chi phí chế tạo, vận hành bảo dưỡng thiết bị tăng làm giảm hiệu kinh tế q trình sản xuất Tóm lại, việc tăng hay giảm nhiệt độ phản ứng gây ảnh hưởng mong muốn lẫn khơng mong muốn Chính thế, ta cần tìm nhiệt độ mà tối ưu hóa hàm đáp ứng 3.1.2 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn Khuấy trộn vấn đề quan trọng trình tách loại Vì trước hết phản ứng tách loại magnesium hydroxide, giai đoạn đầu phản ứng dị thể: MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 Vì phản ứng dị thể nên yếu tố định bề mặt tiếp xúc pha Việc khuấy trộn làm tăng cường bề mặt tiếp xúc pha làm tăng cường hiệu phản ứng Để phản ứng xảy tốt cần đảm bảo việc khuấy trộn hỗn hợp bên thiết bị đạt độ đồng cao Trong suốt trình phản ứng thiết không để sinh vùng tù vùng chảy tắt Bên cạnh đó, theo thời gian, độ nhớt hỗn hợp tăng dần Nếu độ nhớt cao trở lực cánh khuấy tăng, khả đồng hỗn hợp giảm Đồng thời vôi cho vào tập trung bề mặt khuếch tán xuống lớp bên Như phản ứng sau đòi hỏi phải khuấy trộn tốt Không việc khuấy trộn lại trực tiếp ảnh hưởng lên sản phẩm phương diện kích thước hạt Mg(OH)2 Quá trình tạo Mg(OH)2 trải qua ba giai đoạn sinh mầm, phát triển mầm làm già Chính khuấy trộn ảnh hưởng trực tiếp lên ba trình 3.1.3 Ảnh hưởng nồng độ - tỷ lệ tác chất 3.1.3.1 Ảnh hưởng nồng độ Mg2+ Nồng độ Mg2+ dung dịch ảnh hưởng nhiều đến trình Sự tăng hay giảm nồng độ nước ót làm thay đổi điện ξ, thay đổi bề dày lớp điện tích kép ảnh hưởng đến tạo thành, lớn lên, keo tụ nhiễm bẩn tủa 76 Nếu dung dịch có nồng độ Mg2+ cao tốc độ tạo mầm lớn, hạt Mg(OH)2 sinh dạng keo nên khó lắng lọc Mặt khác, nồng độ Mg2+ cao độ nhớt tăng làm giảm khả khuếch tán ion nên làm giảm tốc độ phản ứng lẫn nhiều tạp chất hấp thụ Ca(OH)2 không phản ứng hết Nếu nồng độ Mg2+ thấp sản phẩm thu có hàm lượng Ca2+ giảm lại hấp phụ tạp chất khác 3.1.3.2 Ảnh hưởng hàm lượng sữa vôi: Hàm lượng sữa vơi thấp dung dịch dễ tạo đồng nhất, hạn chế tăng pH cục bộ, giảm độ bão hòa cục dung dịch Sữa vơi lỗng có độ nhớt thấp, tạo điều kiện cho trình khuếch tán trình tiếp xúc pha diễn thuận lợi Tuy nhiên, sữa vơi q lỗng thiết bị phản ứng cồng kềnh tốn nhiều thời gian rót sữa vơi Mặt khác, sữa vơi q lỗng dễ bị sa lắng nên dung dịch tính đồng không khuấy trộn tốt Nếu hàm lượng sữa vôi cao dù để thời gian phản ứng kéo dài hàm lượng Ca sản phẩm cao 3.1.3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ tác chất Mg2+/CaO Phản ứng tách Mg(OH)2 từ magnesium chloride sữa vôi phản ứng trao đổi, diễn với tốc độ nhanh Về lý thuyết, xem xảy với tỷ lệ 1:1 Tuy nhiên chất phức tạp nên yếu tố cần quan tâm 3.1.3.4 Ảnh hưởng độ pH pH có ảnh hưởng tới độ bão hịa dung dịch pH nhỏ khơng hình thành mầm tinh thể kết tủa hình thành khơng có tâm kết tinh lạ pH dung dịch suốt trình phản ứng phụ thuộc nhiều vào tốc độ rót sữa vôi Thứ tự cho tác chất vào ảnh hưởng đến pH môi trường phản ứng Để thuận lợi cho q trình kết tủa nên cho sữa vơi vào dung dịch magnesium chloride TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] BYJUS Magnesium Hydroxide - Mg(OH)2 Truy cập 13/09/2022 từ https://byjus.com/chemistry/magnesium-hydroxide/ 77 [2] Hồng Nhâm (2001) Hóa học vơ Nhà xuất Giáo dục [3] Nguyễn Đình Soa (2012) Hóa vơ Nhà xuất Đại học Quốc Gia [4] Lê Minh Tâm (2005) Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng độ Mg(OH)2 điêìu chế từ nước ót phương pháp sữa vôi Trường đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP HCM [5] CALCH The Chemistry of Lime Truy cập 14/09/2022 từ https://dyfedarchaeology.org.uk/calch/chemistry.html [6] SÀI GÒN CMC (2020) Đá vơi gì? Đặc điểm ứng dụng đá vôi Truy cập 14/09/2022 từ https://catdaxaydungcmc.com/da- voi/#:~:text=%C4%90%C3%A1%20v%C3%B4i%20c%C3%B3%20m%C3% A0u%20s%E1%BA%AFc,2%20%C3%B7%200%2C5%25 [7] LABVIETCHEM (2020) Giải đáp thắc mắc vôi sống tính ứng dụng thực tế Truy cập 12/09/2022, từ https://labvietchem.com.vn/tintuc/voi-song-la-gi.html [8] HDPro Land (2020) Những điều bạn chưa biết đá vôi Truy cập 13/09/2022, từ https://hdproland.com/posts/nhung-dieu-ban-chua-biet-ve-davoi#:~:text=%C4%90%C3%A1%20v%C3%B4i%20c%C3%B3%20r%E1%B A%A5t%20nhi%E1%BB%81u,l%C3%A0m%20v%E1%BA%ADt%20li%E1 %BB%87u%20x%C3%A2y%20d%E1%BB%B1ng [9] Ximang.vn (2013) Ảnh hưởng đặc tính kỹ thuật đá vơi nhiệt độ nung đến chất lượng vôi (Phần 2) Truy cập 12/09/2022, từ https://ximang.vn/nguyen-nhien-lieu/anh-huong-cua-dac-tinh-ky-thuat-da-voiva-nhiet-do-nung-den-chat-luong-voi-phan-2 4214.htm 78 ... trình phân hủy Mg(OH)2 thành MgO .58 1.2 Đá vôi, vôi sống vôi sữa 59 1.2.1 Đá vôi .59 1.2.2 Vôi sống 60 1.3 Phương pháp tạo tủa hydroxide sữa vôi ... cuối Phần lớn vật liệu nano mà dùng chế tạo từ phương pháp b Phương pháp chế tạo: Phương pháp tạo vật liệu nano từ ion Phương pháp hóa học có đặc điểm đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà... Giới thiệu vật liệu nano Vật liệu nano hiểu vật liệu có kích thước nanomet với phân tử hay ngun tử có kích thước từ 0,1 - 100 nanomet (10-9 m) Vật liệu nano khác biệt hồn tồn so với vật liệu khác