LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS LÊ THỊ DUY HẠNH ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÁCH CHIẾT NANOSIL[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÁCH CHIẾT NANOSILICA TỪ VỎ TRẤU GVHD: TS Lê Thị Duy Hạnh SVTH: Võ Tất Vinh MSSV: V1204572 Tp.HCM, tháng 12/2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -Số: /BKĐT KHOA: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BỘ MÔN: VẬT LIỆU SILICATE NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: VÕ TẤT VINH MSSV: V1204572 Đầu đề luận văn : TÁCH CHIẾT NANOSILICA TỪ VỎ TRẤU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dụng số liệu ban đầu) - Xử lý nhiệt vỏ trấu khảo sát khả hòa tan tro trấu mô trƣờng kiềm - Tạo hạt silica có kích thƣớc nanomet từ phƣơng pháp sol-gel - Khảo sát khả phân tán hạt silica dung mơi - Khảo sát khả hịa tan hạt silica dung mơi từ đánh khả ứng dụng nano silica vào thực tế Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 1/9/2016 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31/12/2016 Họ tên ngƣời hƣớng dẫn: TS Lê Thị Duy Hạnh Phần hƣớng dẫn: 100% Nội dung yêu cầu LVTN đƣợc thông qua môn Ngày ……… tháng ……… năm 2016 CHỦ NHIỆM BỘ MƠN NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) TS Lê Thi Duy Hạnh PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lƣu trữ luận văn: TRƢỜNG ĐH BÁCH KHOA NAM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho ngƣời hƣớng dẫn/phản biện) Họ tên sinh viên:……………………………………………………………… MSSV:…………………Ngành (chuyên ngành):………………………………… Họ tên ngƣời hƣớng dẫn/phản biện:…………………………………….…… Tổng quát thuyết trình:…………………………………………………… - Số trang : Số chƣơng : ……………………… - Số bảng số liệu : …………… Số hình vẽ : ……………………… - Số tài liệu tham khảo : …………… Phần mềm tính tốn : ……………… - Hiện vật (sản phẩm) : ……………… Tổng quát vẽ: - Số vẽ: ………bản A1:……… A2:………….khổ khác:……… - Số vẽ tay:………………… Số vẽ máy tính:…………… Những ƣu điểm LVTN: ……………………………………………… ……………………………………………….………………………………… Những thiếu sót LVTN:……………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đề nghị: Đƣợc bảo vệ: Bổ sung thêm để bảo vệ : Không đƣợc bảo vệ: Câu hỏi sinh viên phải trả lời trƣớc hội đồng (CBPB 02 câu): 1.………………………………………………………………………………… 2.………………………………………………………………………………… Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, trung bình): Điểm:………./10 Ngày …… tháng …… năm 2016 Ký tên (ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Đề tài mang tính điều kiện nghiên cứu Việt Nam Cả lý thuyết nghiên cứu chủ yếu đƣợc công bố tiếng Anh Tuy nhiên, sinh viên Võ Tất Vinh thể kỹ tiếp cận tài liệu tốt Trong suốt trình thực luận văn, anh Võ Tất Vinh nỗ lực khắc phục tình hình thiếu thiết bị tạo mẫu nhiều hình thức khác nhƣ kết hợp thiết bị nhiều phịng thí nghiệm khác Anh Võ Tất Vinh chăm chỉ, nỗ lực suốt thời gian làm luận văn để đến kết cuối Dù cịn vài hạn chế mặt trình bày nhƣ kiến thức, nhiên luận văn anh Võ Tất Vinh đƣợc trình bày hợp lí logic Anh Võ Tất Vinh cố gắng giải thích kết thực nghiệm thu đƣợc khả hiểu biết Giáo viên hƣớng dẫn TS Lê Thi Duy Hạnh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Giáo viên phản biện LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH LỜI CẢM ƠN Em xin cám cô Lê Thị Duy Hạnh hƣớng dẫn cách tận tình, nhiệt huyết , cung cấp cho em kiến thức quan trọng trình thực đề tài Tách chiết nano silica từ vỏ trấu Em xin cám ơn đến quý thầy cô Bộ môn Silicat, khoa Công nghệ Vật Liệu nhƣ trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện, mơi trƣờng học tập thuận lợi, giúp em bổ sung kiến thức quan trọng, hữu ích, làm tảng cho đề tài luận văn nhƣ cho công việc sống sau Em xin cảm ơn thầy Trần Văn Khải, giảng viên thuộc Bộ môn Vật liệu Kim loại Hợp kim, tận tình hỗ trợ sở vật chất, trang thiết bị cho em thực đề tài này, xin cám ơn thầy Nguyễn Học Thắng, giảng viên trƣờng Đại học Công nghệ Thực phẩm hỗ trợ phân tích em đề tài này, xin cám ơn thầy Nguyễn Trần Hà, giảng viên Bộ môn Vật liệu Năng lƣợng hỗ trợ máy móc đại q trình thực Cám ơn gia đình ln hỗ trợ, động viên em trình thực đề tài Xin gửi lời cám ơn đến tập thể lớp VL12SI giúp đỡ em trình thực Do sở vật chất thiếu thốn, vốn kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót q trình thực thực luận văn, mong nhận đƣợc đóng góp từ thầy bạn Em xin chân thành cám ơn Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực i LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH TÓM TẮT LUẬN VĂN Silica, cơng thức hóa học SiO2, hợp chất tồn phổ biến Trái Đất Trong tự nhiên, silica có mặt nhiều loại vật liệu nhƣ cát,opal, vỏ trấu … Ngày nay, silica, đặc biệt silica kích thƣớc nano (dạng hạt) đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ điện-điện tử, y sinh … nhờ vào diện tích bề mặt riêng lớn, hoạt tính cao không độc hại cho thể ngƣời ( với hàm lƣợng phù hợp) Đề tài Tách chiết nanosilica từ vỏ trấu tổng hợp thành cơng hạt nanosilica có kích thƣớc khoảng từ 10 đến 20 nm Cấu trúc, kích thƣớc hạt hình dạng hạt đƣợc kiểm tra phƣơng pháp phân tích XRD, XRF, FTIR, TEM Đề tài khảo sát sơ khả tƣơng thích sinh học hạt nanosilica qua thí nghiệm xác định khả hịa tan hạt nanosilica dung môi nƣớc cất ii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình thực tế 1.2.1 Tình hình quốc tế 1.2.2 Tình hình nƣớc 1.3 Mục tiêu 1.4 Nhiệm vụ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Các thuật ngữ 2.2 Giới thiệu vỏ trấu tro trấu 2.3 Silica 2.3.1 Cấu trúc silica 2.3.2 Quá trình tạo hạt silica từ monomer (silicic acid) 2.3.3 Quá trình tạo silicagel từ silica dạng rắn 2.3.4 Phân loại silica 11 2.3.4 Các đặc tính silica (dạng hạt) 12 2.3.3.1 Đặc tính vật lý hạt silica 12 2.3.3.2 Đặc tính hóa bề mặt silica 13 iii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH 2.3.3.3 Ứng dụng hạt nano silica 14 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 16 3.1 Lựa chọn phƣơng pháp 16 3.1.1 Phƣơng pháp sol-gel 16 3.1.2 Cơ sở lựa chọn 18 3.2 Nguyên liệu hóa chất 18 3.3 Trình từ thí nghiệm 18 3.3.1 Xử lý nhiệt vỏ trấu xử lý sản phẩm sau nung 18 3.3.2 Hòa tan tro 18 3.3.3 Trung hòa dung dịch sodium silicate 19 3.3.4 Ly tâm thu sản phẩm gel, xử lý nhiệt gel phân tán 19 3.4 Lựa chọn phƣơng pháp phân tích 20 3.4.1 Phƣơng pháp phân tích thành phần khống, thành phần hóa 20 3.4.2 Phƣơng pháp phân tích hình dạng kích thƣớc hạt silica 20 3.4.3 Phƣơng pháp phân tích dao động liên kết đặc trƣng tồn sản phẩm 20 3.4.4 Phƣơng pháp xác định khả hòa tan hạt silica nƣớc cất 20 3.5 Kết quả, nhận xét bàn luận 21 3.5.1 Kết xử lý phân tích nguyên liệu 21 3.5.1.1 Xác định hàm lƣợng tro vỏ trấu 21 3.5.1.2 Kết phân tích thành phần hóa tro 21 3.5.1.3 Kết phân tích thành phần pha tro 22 3.5.2 Kết thí nghiệm tách chiết silica từ vỏ trấu 23 3.5.2.1 Kết q trình hịa tan tro dung dịch NaOH 23 3.5.2.2 Kết thí nghiệm trung hịa dung dịch sodium silicate 25 iv LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH 3.5.3 Kết sản phẩm 26 3.5.3.1 Đánh giá khả tạo nano mắt 26 3.5.3.2 Kết phân tích liên kết sản phẩm FTIR 28 3.5.3.3 Kết phân tích hình dạng kích thƣớc hạt TEM 29 3.5.3.4 Kết thí nghiệm kiểm tra độ hòa tan hạt nano silica nƣớc cất 31 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33 4.1 Kết luận 33 4.2 Kiến nghị 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC 36 v LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH chứa liên kết Si-O, liên kết bền vững so với liên kết S-X, có chiều dài liên kết 0.162 nm, ngắn so với bán kính nguyên từ nguyên tố silicon (0.192 nm) Cấu trúc kiểu tứ diện [SiO4]4- phổ biến silica hợp chất silicate, nhƣng tồn số chất mà tồn kiểu cấu trúc [SiO6]8-[8] Trong tự nhiên, silica tồn cát, thạch anh, đất sét, quartzite … Silica tồn dạng tinh thể vơ định hình Các dạng biến đổi cấu trúc (pha) thù hình silica đƣợc thể hình 2.2 Hình 2.2: Các dạng biến đổi thù hình SiO2 [3] Dãy biến đổi: α-quartzα-tridimiteα-critoballiteDạng lỏng xảy tƣơng đối chậm có biến đổi mạnh cấu trúc, liên kết xếp lại tứ diện [SiO4]4biến đổi, cần lƣợng hoạt hóa cao Dạng thù hình α-quartz dạng thù hình tƣơng đối bền nhiệt động Các dạng biết đổi α--- xảy tƣơng đối nhanh khơng có biến đổi mạnh cấu trúc tinh thể Nung nóng chậm 573oC: -quartzα-quartz, α-quartz bền tới 1023oC khơng có tạp chất, sau chuyển thành -cristoballite Nếu hàm lƣợng tạp chất lớn tạo với SiO2 xảy trình: α-quartzα-tridimitα-critoballite Khi làm nguội biến đổi khác Tridimit cristoballite thƣờng khó biến thành α-quartz Ta thấy α-quartz α-critoballite chuyển đổi trƣợc tiếp cho nhau, cịn tridimit xuất có mặt tạp chất [7] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH 2.3.2 Quá trình tạo hạt silica từ monomer (silicic acid) Quá trình tạo silicagel hạt silica từ monomer chuỗi phức hợp trình bao gồm polymer hóa, kết tụ nƣớc Một cách ngắn gọn, trình bắt đầu từ: - Phản ứng phân cực silicic acid Si(OH)4 nƣớc hay dung môi thơng qua q trình bẻ gãy liên kết Si-O-Si hình thành liên kết Si-OH (silanol) dung dịch Phản ứng trình: Si-O-Si +H2O Si-OH + OH-Si - Q trình diễn với chế phản ứng bề mặt hạt silica với nhóm OH- - Quá trình trùng hợp ngƣng tụ thành chuỗi polymer SiO2 bắt đầu xảy bề mặt nhóm silanol nhƣ đƣợc thể hình 2.3 Hình 2.3: Cơ chế ngưng tụ monomer thành polymer[4] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH - Q trình polymer hóa từ monomer kết tụ thành hạt silica phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt pH dung dịch có mặt muối hay chất hoạt động bề mặt - Quá trình diễn theo phản ứng: (SiO2)x + 2H2O = Si(OH)4 + (SiO2)x-1 Si(OH)4 + OH- = Si(OH)5Trong giai đoạn trung hịa, có xuất chất hoạt động bề mặt Cất hoạt động bề mặt thƣờng có dạng mạch dài, chất có tác dụng tạo thành tƣờng mỏng bao quanh hạt silica tồn bền vững dung dịch Các chất hoạt động bề mặt liên kết với hạt silica gây hiệu ứng cản trở khơng gian, qua sản phẩm đạt kích thƣớc hạt nhỏ hơn[9] nhƣ mơ tả hình hình 2.4 Hình 2.4: Cơ chế hoạt động chất hoạt động bề mặt[9] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH 2.3.3 Quá trình tạo silicagel từ silica dạng rắn Từ pH 10.7 trở lên, pha rắn silica vơ định hình tăng mạnh khả hịa tan Q trình hịa tan phụ thụ vào nhiệt độ Hình 2.5 thể ảnh hƣởng pH nhiệt độ đến trình hịa tan[4] Hình 2.5: Ảnh hưởng nhiệt độ pH đến khả hịa tan silica vơ định hình[4] Khi lƣợng silica hịa tan dung mơi bão hòa, tiếp tục tăng nồng độ, silica bị hòa tan dung mơi tái kết tinh[4] Hình 2.6 thể khả hòa tan silica dung mơi có pH khác theo thời gian Hình 2.6: Khả hịa tan silica dung mơi pH khác nhau[4] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH Trong trƣờng hợp tổng hợp SiNP từ muối sodium silicate, chế trình trùng hợp monomers tạo gel đucợ thể hình 2.7 Hình 2.7: Cơ chế trung ngưng monomers thành polymer[11] Dung dịch sodium silicate có tính kiềm mạnh, pH từ 13 đến 14 Để silica dạng gel hình thành dung dịch, pH dung dịch cần giảm đến môi trƣờng acid (pH gần 4) pH từ đến 10 mơi trƣờng có mặt muối Trong mơi trƣờng trên, hạt silica tái hình thành liên kết với tạo thành gel việc giảm gốc hydroxyl xung quanh monomer silicate[4] Ta dùng hydrochloric acid pH đạt đến môi trƣờng cần thiết Khi giảm pH dung dịch hình thành hạt gel, thời gian phản ứng kéo dài lƣợng gel hình thành nhiều hạt gel ban đầu phát triển kích thƣớc to hơn[2] Khi gel đƣợc hình thành, xung quanh silica dạng gel tồn bề mặt gốc silanol, chất gốc hydroxyl[4] Phản ứng mononers tạo liên kết với gel dung dịch sodium silicate đƣợc thể qua hình 2.8 Hình 2.8: Phản ứng monomers phát triển thành gel dung dịch sodium silicate[8] 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH 2.3.4 Phân loại silica Phân loại theo mức độ tƣơng tác với dung môi Dựa theo mức độ tƣơng tác với dung môi dung môi silica, ta chia silica thành nhóm nhƣ sau: - Silica hòa tan hay silicic dung dịch mà silica tồn trạng thái dung dịch tạo liên kết với nƣớc dung mơi - Silica sol: dạng silica sol thƣờng đƣợc hình thành pH dung dịch mà silica bị hòa tan có giá trị đạt đến ( điều chỉnh acid ) Trong dung dịch này, hình thành hạt keo có kích thƣớc từ đến 100 m phân tán dung dịch Đặc tính silica sol tồn hạt silica dạng cầu khơng có lỗ xốp có cấu trúc vơ định hình - Silica hydrogel: pH tiếp tục giảm, hạt silica xuất ngày nhiều hạt keo liên kết với thơng qua liên kết nhóm silanols Các q trình bao gồm: bắt đầu tạo gel, đơng lại, keo tụ tạo dạng gel hoàn chỉnh Trong trình bắt đầu tạo gel, hạt keo bắt đầu liên kết với thay thể tích pha lỏng dạng gel dung dịch Các liên kết hình thành ngày nhiều phá vỡ trạng thái keo dung dịch tạo dạng gel tồn thể tích dung dịch - Silica xerogel: sau rửa hydrogel, nƣớc đƣợc loại bỏ cách sấy silica hydrogel tạo xerogel chứa hạt silica vơ định hình Trong q trình xử lý nhiệt, hạt silica bị co lại tạo hình cầu hạt silica kết khối lại với tạo to Tính chất sủa silica xerogel có khác biệt lớn so với silica hydrogel - Silica aerogel: nung sản phẩm silica nhiệt độ cao tạo aerogel, gồm hạt silica có kích thƣớc từ đến 50 nm Silica aerogel cịn có tên thƣơng mại Aerosil hay Cabosil[12] 11 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH Phân loại theo liên kết bề mặt Silica cịn đƣợc phân loại theo thành phần chất liên kết với bề mặt Tùy theo dạng liên kết, thành phần làm tăng khối lƣợng hạt silica lên 30%[4] Silica (dạng vơ định hình) tồn bốn kiểu liên kết sau: - Liên kết tạo nhóm silanols (Si-OH) liên kết tạo nhóm siloxanes (Si-O-Si) - Liên kết tạo nhóm lƣỡng cực (Si-O-C) - Liên kết tạo nhóm carbics (Si-C) - Liên kết tạo nhóm nitrits (Si-N=) Phân loại theo độ xốp Theo cách phân loại này, silica đƣợc chia làm hai loại silica có lỗ xốp silica khơng có lỗ xốp Dựa quan điểm này, silica khơng có lỗ xốp silica hydrogel, cịn silica có lỗ xốp silica qua trình xử lý nhiệt nhƣ silica xerogel silica aerogel[12] 2.3.4 Các đặc tính silica (dạng hạt) 2.3.3.1 Đặc tính vật lý hạt silica Silica đƣợc xem không dẫn điện, lƣợng vùng cấm lớn khơng có electron dẫn, có khả khúc xạ hấp thụ ánh sáng lớn nhiệt độ cao Silica khó hịa tan nƣớc dung môi hữu cơ[13] Hạt nanosilica mang đặc tính vật lý SiO2 nhƣ dạng bột màu trắng, độ 2.4 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1600oC, nhiệt độ sơi 2230 oC[14], hạt silica có khả phân tán trƣớc với tỉ lệ tối đá 1% khối lƣợng, thông thƣờng silica đƣợc phân thán nƣớc với tỉ lệ 0.1% khối lƣợng[4] Hạt silica đƣợc tổng hợp qua trình sol-gel có tính chất quan trọng tồn nhiều lỗ xốp Đặc tính hệ thống lỗ xốp silica bao gồm kích thƣớc, hình dạng cấu trúc (kín hay hở) Kích thƣớc lỗ xốp hạt silica nằm khoảng đến 10000 nm Việc có nhiều lỗ xốp bề mặt làm cho silica có 12 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH diện tích bề mặt lớn kéo theo khả hấp phụ phân tán hạt silica cao Các hạt silica xốp có kích thƣớc dƣới m có khả phân tán tốt loại dung mơi Lỗ xốp có kiểu cấu trúc sáu phƣơng thƣờng song song với nhau[15] Tính chất đƣợc phát thơng qua kính phƣơng pháp phân tích kính hiển vi điện tử xuyên thấu (Transmission Electron Microscopy – TEM) Phụ thuộc vào kích thƣớc hạt, diện tích bề mặt hạt silica kích thƣớc nanomet vào khoảng 900 đến 1500 cm2/g thể tích lỗ xốp lớn, vào khoảng 0.5 đến 1.5 cm3/g, thƣờng đƣợc xác định phƣơng pháp hấp phụ nitrogen Silica dạng hạt tồn số hạt khơng có lỗ xốp hay hạt có kích thƣớc tƣơng đối lớn (cỡ 0.5 m), hạt silica đƣợc bao quang nhiều cation hữu cơ, nhơm anion chloride, yếu tố giúp hạt silica dễ dàng tạo liên kết với ion nƣớc dung môi hữu cơ[15] 2.3.3.2 Đặc tính hóa bề mặt silica Các nhóm silanol tập trung bề mặt hạt silica, sở thuận tiện cho việc liên kết với nhƣ aminos, mercaptos carboxyls Hoạt tính hạt nanosilica phụ thuộc vào số lƣợng nhóm silanol bám bền mặt hạt Đây đặc tính quan trọng giúp cho silica đƣợc ứng dụng lĩnh vực y sinh, giúp hạt silica liên kết với tế bào sinh học thể Silicon chất cần thiết cho thể ngƣời, môi ngày nhu cầu tể cần khoảng 20 đến 50 mg từ rau củ, bia nƣớc khoáng, silicon loại thực phẩm thƣờng tồn dạng phytoithic silica Trong nƣớc, hạt silica xảy phản ứng: SiO2 + 2H2O Si(OH)4 Một đặc tính hạt silica bề mặt hạt silica có khả hoạt động cao silica có khả trao đổi ion tốt Hạt silica kích thƣớc nanomet cịn có khả liên kết tốt với nƣớc Việc đƣợc tạo thành từ trình đa trùng ngƣng cho phép hạt silica kích thƣớc nanomet có khả liên kết cộng hóa trị với nhiều nhóm chức Bằng phƣơng pháp khác nhau, ngƣời ta kiểm sốt đƣợc nhóm chức liên kết với hạt silica để có ứng dụng cụ thể[15] 13 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH Khi hạt nanosilica đƣợc đƣa vào thể ngƣời, phản ứng thể xảy với hạt nanosilica Nhờ tính chất mà hạt nanosilica có khả hoạt tính sinh học Khi tế bào xƣơng ngƣời tiếp xúc với hạt nanosilica, xƣơng hình thành nhanh hơn[3] Tuy nhiên, vai trò hạt nanosilica tăng tốc độ tái tạo xƣơng mới, xƣơng đƣợc tạo tuân theo chế sinh học thông thƣờng thể[3] 2.3.3.3 Ứng dụng hạt nano silica Một ứng dụng bật hạt nanosilica (SiNP) đƣợc sử dụng lĩnh vực y sinh Một cách cụ thể, SiNP đƣợc hoạt hóa bề mặt nhận biết, tiếp xúc tái tạo hình ảnh tế bào khu vực đƣợc nghiên cứu Thông qua việc ghi nhân hình ảnh, việc phân tán hạt silica vào thể trợ giúp cho trình nghiên cứu tổng hợp protein tế bào chế hình thành bệnh thể sinh vật chí ngƣời[16] Cảm biến sinh học ứng dụng quan trọng hạt silica Các cảm biến sinh học đƣợc tạo nên từ hạt silica có kích thƣớc nanomet có độ nhạy cao, có tính chọn lọc với kích thƣớc cực nhỏ, tốc độ phản hồi cao giá thành thấp Hiện có nhiều nghiên cứu tế bào tƣơng thích với hạt silica ứng dụng[16] Do có diện tích bề mặt riêng lớn, có nhiều lỗ xốp có khả liên kết, trao đổi ion nên hạt siica đƣợc sử dụng nhƣ loại chất mang thuốc Dung dịch thuốc đƣợc hạt silica hấp phụ vận chuyển trực tiếp đến tế bào[16] Cơ chế mang thuốc hạt silica: thông thƣờng thuốc đƣợc đƣa vào thể dạng dung dịch, hạt silica sau đƣợc tổng hợp thành công đƣợc khuếch tán vào dung dịch thuốc phân tử thuốc liên kết trực tiếp vớ hạt silica, cách phổ biến Ngồi cịn có phƣơng pháp để hạt silica mang thuốc ngƣời ta cho trực tiếp dung dịch thuốc vào trình tổng hợp hạt silica Tuy nhiên, phƣơng pháp đƣợc sử dụng làm thay đổi mơi trƣờng tổng hợp làm giảm tính bền silica dung dịch Có ba chế 14 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH để thuốc liên kết với hạt silica là: liên kết cộng hóa trị, liên kết nhờ tác nhân vật lý hiệu ứng không gian[9] Silica đƣợc xem nhƣ thành phần vi lƣợng việc tăng khả tái tạo xƣơng nhờ vào khả hoạt tính sinh học hạt nanosilica Quá trình tái tạo xƣơng xảy theo q trình: - Trong mơi trƣờng q bão hịa Ca2+ PO43- đƣợc hình thành nhờ q trình chuyển hóa protein tế bào xƣơng, chuyển dịch nhóm Ca2+ PO43- có xu hƣớng chuyển đến khu vực có mặt hạt silica Lúc này, silica đƣợc xem nhƣ tâm kết tinh hydroxyl apatite dạng vơ định hình - Tiếp theo, hydroxyl apaptite vơ định hình tiếp tục phát triển xung quanh hạt silica / silicic acid để phát triển thành tinh thể[16] - Cho ứng dụng này, hạt silica – HCA đƣợc đƣa vào dạng kết hợp với gốc thuốc đƣợc đƣa vào thể nhƣ transforming growth factor beta (TGF), bone morphogenetic protein (BMP)[3] Hạt silica cịn có nhiều ứng dụng khác nhƣ liên kiện điện tử, cảm biến, pin lƣợng …[1] Ngồi ra, silica cịn làm chất cho composite ứng dụng lĩnh vực y sinh nhƣ biotin-avidin, antigen-anibodies, peptides, protein DNA[16] Bề mặt hạt silica có khả tạo liên kết với nhiều nhóm chức khác nhau, điều đem lại cho hạt silica khả hấp phụ trao đổi ion Ngƣời ta tận dụng tính chất silica để ứng dụng lĩnh vực sơn phủ, mực in, khả liên kết với nƣớc giúp hạt silica đƣợc ứng dụng để chống ăn mòn hay hút ẩm[16] 15 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Lựa chọn phƣơng pháp 3.1.1 Phƣơng pháp sol-gel Hạt nanosilica đƣợc tổng hợp phƣơng pháp sol-gel bao gồm q trình là: - Xử lí nhiệt vỏ trấu - Nghiền, sàng, loại bỏ tạp chất kim loại tro trấu - Hòa tan tro dung dịch NaOH để tạo dung dịch sodium silicate - Trung hòa dung dịch sodium silicate acid để tạo silica gel - Xử lý nhiệt silica gel tạo hạt nanosilica - Phân tán lại hạt nanosilica vào dung môi kiểm tra khả phân tán hịa tanc hạt silica Các biển đổi hóa lý phản ứng trình sol-gel: - Để tiến hành sol-gel từ vỏ trấu ta cần có tiền chất tro trấu Mục đích việc xử lí nhiệt 800oC vỏ trấu để phân hủy hợp chất hữu đồng thời lƣợng silica thu đƣợc dạng vơ định hình, thuận lợi cho q trình hịa tan tro NaOH, điều đƣợc chứng minh kết phân tích XRD đƣợc trình bày chƣơng Loại tạp chất kim loại cách rửa tro acid HCl sau lọc bỏ phân lỏng rửa lại nƣớc cất - Bƣớc trình tạo dung dịch sodium silicate Silica chất khơng bị hịa tan dung dịch acid nhƣng bị hòa tan dung dịch base đậm đặc dƣới tác dụng nhiệt độ Trong trƣờng hợp này, ngƣời ta thƣờng dùng lƣợng dƣ dung dịch xút NaOH bể khuấy từ để hòa tan tro trấu tạo dung dịch sodium silicate Phần tro dƣ đƣợc lọc bỏ thu dung dịch sodium silicate - Sản phẩm gel từ q trình trung hịa đƣợc ly tâm loại bỏ phần lỏng nhẳm loại bỏ muối dung dịch sau đƣợc rử nƣớc cất ba lần 16 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH - Trong sản phẩm dạng gel hình thành hạt SiO2 liên kết với nhờ liên kết hình thành có mặt gốc silanol Q trình sấy nung khiến liên kết bị phá hủy, sản phẩm thu đƣợc silica dạng bột[4] - Hạt silica đƣợc phân tán dung môi nƣớc cất để đánh giá khả tạo nano mắt phân tích TEM, FTIR \ Hình 3.1: Qui trình thực thí nghiệm 17 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH Sơ đồ quy trình tổng hợp hạt nanosilica đƣợc trình bày hình 3.1 với nhiệt độ nung T 450 650oC 3.1.2 Cơ sở lựa chọn Phƣơng pháp tổng hợp hạt silica phổ biến giới phƣơng pháp sol-gel Đây phƣơng pháp dễ thực linh hoạt, khơng địi hỏi nhiều máy móc thiết bị phức tạp, phù hợp với qui mơ phịng thí nghiệm dụng cụ có Bộ mơn vật liệu Silicate, Bộ mông Vật liệu Năng lƣợng Bộ môn Kim loại Hợp kim, Khoa Công nghệ Vật liệu, trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Với dự định ban đầu ứng dụng hạt nanosilica làm phụ gia cho xƣơng ngƣời, dựa đặc tính hóa học, sinh học vật lý nêu trên, việc tổng hợp nanosilica phƣơng pháp sol-gel phù hợp với sở lý thuyết 3.2 Nguyên liệu hóa chất - Vỏ trấu lấy từ Đồng sông Cửu Long (Long An) - NaOH, HCl, Tri-ethanol amine (TEA) có nguồn gốc Trung Quốc - Nƣớc cất chƣng cất hai lần 3.3 Trình từ thí nghiệm Tải FULL (61 trang): https://bit.ly/3fupd64 Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net 3.3.1 Xử lý nhiệt vỏ trấu xử lý sản phẩm sau nung Vỏ trấu đƣợc rửa nƣớc sau đƣợc phơi khơ tự nhiên đƣợc xử lí nhiệt lò Nabertherm Germany 800oC Sau xử lí nhiệt, sản phẩm thu đƣợc tro có màu trắng xám Tro tiếp tục đƣợc nghiền cho qua sàng 90 m Tro qua sàng đƣợc rửa dung dịch HCl có nồng độ 1M để loại bỏ oxide kim loại có tro 3.3.2 Hòa tan tro Tro sau đƣợc rửa đƣợc cân hịa tan dung dịch NaOH có nồng độ 3M (tỉ lệ tro/NaOH đƣợc khảo sát g/5 ml g/12 ml, đƣợc khuấy bể khuấy từ ( nhiệt độ đƣợc khảo sát từ 60oC đến 80oC), thời gian khuấy từ đến 18 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH Sản phẩm sau hòa tan đƣợc cho qua giấy lọc thu lấy dung dịch sodium silicate đồng thời tính tốn hiệu suất q trình hịa tan dung dịch NaOH 3M 3.3.3 Trung hòa dung dịch sodium silicate Dung dịch sodium silicate tiếp tục đƣợc trung hịa dung dịch hydrochloric acid có nộng đồ 1M bể khuấy từ 60oC Ở giai đoạn trung hòa, pH dung dịch đƣợc giữ khoảng pH từ đến khoảng pH để khảo sát khả tạo silica gel trình trung hịa Sản phẩm cuối q trình trung hòa hỗn hợp dạng gel phần pha lỏng 3.3.4 Ly tâm thu sản phẩm gel, xử lý nhiệt gel phân tán Hỗn hợp sau trung hòa đƣợc cho vào ống nghiệm có nắp ly tâm với tốc độ 5000 rpm 10 phút để tách phần rắn (gel) Gel sau đƣợc rửa nƣớc cất ba lần cách sục nƣớc cất vào ống nghiệm Sau đó, gel đƣợc sấy tủ sấy 80oC nƣớc hoàn toàn Sản phẩm sau đƣợc xử lý nhiệt nhiệt độ 300oC, 450oC 650oC lò nung Nabertherm P330 với tốc độ nâng nhiệt 1oC/phút Sản phẩm silica đƣợc thử phân tán vào dung môi nƣớc cất cách sử dụng bể siêu âm Tải FULL (61 trang): https://bit.ly/3fupd64 Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net Trình tự thứ nghiệm đƣợc mơ tả qua hình 3.2 Hình 3.2: Trình tự thí nghiệm tổng hợp nanosilica 19 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH 3.4 Lựa chọn phƣơng pháp phân tích 3.4.1 Phƣơng pháp phân tích thành phần khống, thành phần hóa Thành phần hóa tro sau nung đƣợc xác định phƣơng pháp phân tích huỳnh quang tia X (X-Ray fluorescence - XRF) Mẫu đƣợc phân tích dạng bột qua sàng 90 m Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X ( X-Ray diffraction – XRD) đƣợc sử dụng để làm rõ cấu trúc pha tro trấu.Mẫu đƣợc sử dụng cho q trình phân tích giống nhƣ phân tích thành phần hóa, dạng bột Mẫu đƣợc phân tích dƣới góc qt 2 từ 10 đến 80o sử dụng λ= 0.154 nm 3.4.2 Phƣơng pháp phân tích hình dạng kích thƣớc hạt silica Hình dạng kích thƣớc hạt silica đƣợc quan sát kính hiển vi điện tự xuyên thấu (Transmission Electron Microscopy – TEM).Mẫu chuẩn bị cho phân tích dạng huyền phù nƣớc cất với nồng độ 400 g/ml Trƣớc phân tích, mẫu đƣợc siêu âm để tránh hạt kết tụ Mẫu đƣợc quan sát độ phóng đại khác để làm rõ hình dạng đặc trƣng nhƣ dự đốn phân bố kích thƣớc hạt 3.4.3 Phƣơng pháp phân tích dao động liên kết đặc trƣng tồn sản phẩm Phƣơng pháp quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (Fourier Transformation InfaRed – FTIR) vùng dao động bƣớc sóng từ ( bƣớc sóng 4000 cm-1 đến 500 cm-1) để xác định liên kết đặc trƣng sản phẩm (hạt silica) nhƣ tro trấu Mẫu phân tích dạng bột cho sản phẩm lẫn tiền chất 3.4.4 Phƣơng pháp xác định khả hòa tan hạt silica nƣớc cất Hạt nanosilica đƣợc hòa tan nƣớc ngày để bão hòa nƣớc, sau hạt nanosilica đƣợc sấy khơ để loại bỏ nƣớc liên kết bề mặt cân khối lƣợng Chia lƣợng silica bão hòa nƣớc đƣợc chia khối lƣợng bốn ống nghiệm nhựa phân tán nƣớc cất nồng độ 100 g/ml Các ống nghiệm đƣợc ủ ấm tủ sấy 37oC một, hai, ba bảy ngày Khi lƣu đủ thời gian, 20 4858938 ... văn : TÁCH CHIẾT NANOSILICA TỪ VỎ TRẤU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dụng số liệu ban đầu) - Xử lý nhiệt vỏ trấu khảo sát khả hòa tan tro trấu mô trƣờng kiềm - Tạo hạt silica có kích thƣớc nanomet từ phƣơng... độc hại cho thể ngƣời ( với hàm lƣợng phù hợp) Đề tài Tách chiết nanosilica từ vỏ trấu tổng hợp thành cơng hạt nanosilica có kích thƣớc khoảng từ 10 đến 20 nm Cấu trúc, kích thƣớc hạt hình dạng... định hàm lƣợng tro vỏ trấu 21 3.5.1.2 Kết phân tích thành phần hóa tro 21 3.5.1.3 Kết phân tích thành phần pha tro 22 3.5.2 Kết thí nghiệm tách chiết silica từ vỏ trấu 23 3.5.2.1