Nghiên cứu và chế tạo lớp phủ kẽm bằng phương pháp kết tủa điện hóa có đặc tính siêu kỵ nước ứng dụng làm lớp phủ bề mặt lưới tách dầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo lớp phủ kẽm phương pháp kết tủa điện hố có đặc tính siêu kỵ nước ứng dụng làm lớp phủ bề mặt lưới tách dầu PHẠM ĐỨC NGHIỆP Nghiep.PD202867M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Hoá Học Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Thị Thu Hằng Viện: Kỹ Thuật Hoá Học Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 04/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Phạm Đức Nghiệp Đề tài luận văn: Kỹ thuật Hoá Học Chuyên ngành: Nghiên cứu chế tạo lớp phủ kẽm phương pháp kết tủa điện hố có đặc tính siêu kỵ nước ứng dụng làm lớp phủ bề mặt lưới tách dầu Mã số SV: 20202867M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/04/2023 với nội dung sau: - Hình thức luận văn; - Trích dẫn thêm TLTK; - Bổ sung thêm phương pháp chế tạo lớp phủ kẽm siêu kỵ nước - Bổ sung thêm chế tạo nên hình thái bề mặt lớp phủ Ngày 12 tháng năm 2023 Tác giả luận văn Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ii Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo lớp phủ kẽm phương pháp kết tủa điện hố có đặc tính siêu kỵ nước ứng dụng làm lớp phủ bề mặt lưới tách dầu Mã đề tài: 2020BKTHH-KH08 Ngành: Kỹ thuật Hoá Học Người hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS Lê Thị Thu Hằng iii Lời cảm ơn Lời cho em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô mơn Cơng nghệ Điện Hố Bảo Vệ Kim Loại, Viện kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Thị Thu Hằng giao đề tài tận tình hướng dẫn suốt trình thực luận văn Vấn đề nghiên cứu có khả ứng dụng thực tiễn rộng rãi, phát triển nhiều nhánh định hướng nghiên cứu Do thời gian thực luận văn có giới hạn nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót Kính mong thầy giúp đỡ góp ý để luận văn hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! iv Tóm tắt nội dung luận văn a) Lý chọn đề tài mục tiêu đề tài Ngày tình trạng nhiễm môi trường mức báo động, đặc biệt môi trường nước Nền công nghiệp ngày phát triển kéo theo lượng lớn dầu thải môi trường gây ô nhiễm dầu Hiện nay, ô nhiễm dầu xem loại ô nhiễm phức tạp dầu hỗn hợp gồm nhiều chất khác nhau: chất vòng thơm, chất mạch thẳng ngắn dài Do vậy, xử lý ô nhiễm dầu vơ vùng khó khăn, nguy hiểm gây tốn nhiều công sức, tiền bạc Hiện nay, kỹ thuật xử lý ô nhiễm dầu thông thường tách dầu khỏi nước bị ô nhiễm Các phương pháp tách dầu thải khỏi nước đa dạng hấp phụ, tách ly tâm, phân tách trọng lực Thực tế, phương pháp có ưu nhược điểm riêng nên trình xử lý nước thải thường kết hợp nhiều phương pháp để xử lý triệt để Trong năm gần xử lý nước thải bị ô nhiễm dầu cách sử dụng lưới phân tách dầu-nước hướng Các lưới sử dụng trình phân tách dầu-nước cần phải có đặc tính siêu kỵ nước Có nhiều phương pháp để chế tạo lớp phủ siêu kỵ nước, chế tạo phương pháp kết tủa điện hố hay cịn gọi điện kết tủa quan tâm nghiên có nhiều đặc tính ưu việt Ưu điểm phương pháp kết tủa điện hoá sử dụng thiết bị đơn giản, không yêu cầu điều kiện phức tạp, dễ dàng điều chỉnh hình thái lớp kết tủa thơng qua việc điều chỉnh thông số điện kết tủa Tuy nhiên nhược điểm tạo lớp phủ không đồng đều, dung dịch điện phân thường sử dụng phụ gia Trong số lớp phủ siêu kỵ nước nghiên cứu, lớp phủ kẽm trội hẳn giá thành rẻ, dung dịch điện kết tủa độc hại Việc sử dụng lớp phủ kẽm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt lưới tách dầu hướng tiềm năng, cần nghiên cứu cách có hệ thống Mỗi loại lớp phủ kẽm từ loại dung dịch điện phân khác lại có đặc tính riêng biệt khác Trên giới, có số nhóm nghiên cứu chế tạo bề mặt kẽm siêu kỵ nước nhằm phục vụ cho nhiều mục đích ứng dụng khác Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo bề mặt siêu kỵ nước, phần nghiên cứu ứng dụng việc phân tách dầu-nước hạn chế Chính vậy, luận văn lựa chọn lớp phủ kẽm làm đối tượng nghiên cứu Mục đích luận văn nghiên cứu chế tạo lớp phủ kẽm có đặc tính siêu kỵ nước phương pháp điện hoá nhằm ứng dụng làm lưới lớp phủ siêu kỵ nước có khả phân tách dầu- nước tốt b) Phương pháp nghiên cứu − Tổng hợp, chế tạo lớp phủ kẽm: Chế tạo lớp phủ kẽm phương pháp điện kết tủa kim loại bề mặt vật liệu; xác định chế độ dịng điện thích hợp, ảnh hưởng đến cấu trúc bề mặt lớp phủ, chế độ hoạt hóa bề mặt, tiền xử lý trước mạ điện; xác định thành phần dung dịch ngâm tẩm sau mạ tối ưu để hình thành lớp phủ nano kẽm có tính siêu kỵ nước v − Nghiên cứu đặc tính thấm ướt lớp phủ: Xác định góc thấm ướt, góc trượt lớp phủ − Chế tạo lưới phân tách dầu – nước: Chế tạo lưới tách dầu-nước cách điện kết tủa kẽm lên vật liệu nền, biến tính bề mặt lớp phủ để thu bề mặt siêu kỵ nước − Nghiên cứu đặc tính học lưới phân tách dầu-nước: khảo sát độ bám dính lớp phủ, độ bền lớp phủ môi trường làm việc khác nhau, khả tách hỗn hợp dầu – nước đánh giá suy giảm khả phân tách theo số chu kỳ hoạt động c) Phương pháp phân tích Đánh giá hình thái, cấu trúc lớp phủ kẽm chế độ tối ưu phương pháp phân tích: kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) d) Kết nghiên cứu − Bằng phương pháp điện kết tủa, chế tạo thành công lớp phủ kẽm/kẽm stearate có đặc tính siêu kỵ nước Đã đánh giá ảnh hưởng số thông số điện kết tủa đến đặc tính kỵ nước lớp phủ Kết thu cho thấy, tăng thời gian mạ tăng mật độ dịng mạ điện đặc tính kỵ nước đánh giá thơng qua góc tiếp xúc tăng Tuy nhiên, góc tiếp xúc tăng đến giới hạn định − Ứng dụng thành công lưới thép có phủ lớp siêu kỵ nước vào việc phân tách hỗn hợp hexane (dầu) – nước − Đánh giá khả chống ăn mòn, cho thấy tiềm ứng dụng bề mặt siêu kỵ nước thực tiễn − Qua nghiên cứu này, nhận thấy với chế độ mạ mật độ dòng điện 7A/dm2, thời gian mạ khoảng 20 phút, sau đem biến tính dung dịch acid stearic 24h chế độ tối ưu để tạo lớp phủ có bề mặt siêu kỵ nước − Từ kết mở tương lai hứa hẹn cho vật liệu kẽm đóng vai trị quan trọng làm lớp phủ siêu kỵ nước ứng dụng công việc xử lý môi trường ô nhiễm dầu e) Hướng phát triển đề tài nghiên cứu − Nghiên cứu ảnh hưởng dung dịch biến tính khác như: axit oleic, axit palmitic, đến đặc tính siêu kỵ nước lớp phủ kẽm − Nghiên cứu giải pháp kết hợp trình kết tủa điện hố biến tính bề mặt thành quy trình bước kết tủa – biến tính − Đánh giá khả phân tách hỗn hợp dầu mỏ khác với nước lớp phủ HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên vi MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện tượng kỵ nước 1.2 Cơ sở tượng siêu kỵ nước 1.2.1 Phương trình Young góc tiếp xúc 1.2.2 Các thuyết cổ điển bề mặt siêu kỵ nước 1.2.3 Các mơ hình đại 1.3 Các phương pháp chế tạo lớp phủ siêu kỵ nước 1.3.1 Phương pháp tiếp cận từ xuống 1.3.2 Phương pháp tiếp cận từ lên 1.3.3 Phương pháp kết hợp 12 1.4 Ứng dụng lớp phủ siêu kỵ nước 12 1.4.1 Khả chống đóng băng 12 1.4.2 Khả tự làm 13 1.4.3 Khả chống ăn mòn 13 1.4.4 Khả tách dầu – nước 14 1.4.5 Khả chống sương mù 15 1.5 Ứng dụng vật liệu siêu kỵ nước để tách hỗn hợp dầu – nước 16 1.5.1 Các phương pháp phân tách dầu truyền thống 17 1.5.2 Phương pháp phân tách sử dụng lưới màng lọc 18 1.6 Lớp phủ kẽm có đặc tính siêu kỵ nước 19 1.6.1 Phương pháp thủy nhiệt 19 1.6.2 Phương pháp oxi hóa nhiệt 20 1.6.3 Phương pháp ăn mịn hóa học 20 1.6.4 Phương pháp kết tủa điện hóa 21 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 23 2.1 Dụng cụ, hố chất thí nghiệm 23 2.2 Quy trình thực nghiệm 24 2.2.1 Chuẩn bị mẫu hóa chất 24 vii 2.2.2 Phương pháp xác định diện tích vật mạ 25 2.2.3 Quy trình mạ 27 2.2.4 Quy trình biến tính mẫu 27 2.2.5 Phương pháp đo góc tiếp xúc tĩnh 27 2.2.6 Phương pháp đo góc trượt 28 2.2.7 Phương pháp đo tốc độ ăn mòn 28 2.2.8 Quy trình phương pháp tách hỗn hợp dầu – nước 30 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Xác định diện tích bề mặt lưới thép inox 304 31 3.1.1 Phương pháp tính tốn mơ hình 31 3.1.2 Phương pháp quét vol – ampe vòng (cyclic voltammetry) 31 3.2 Ảnh hưởng chế độ mạ đến đặc tính thấm ướt 33 3.2.1 Mẫu mạ với mật độ dòng 5A/dm2 34 3.2.2 Mẫu mạ với mật độ dòng A/dm2 37 3.2.3 Mẫu mạ với mật độ dòng A/dm2 40 3.2.4 Mẫu mạ với mật độ dòng A/dm2 43 3.2.5 Mẫu mạ với mật độ dòng A/dm2 46 3.3 Kết hình thái cấu trúc lớp phủ 49 3.4 Ứng dụng phân tách dầu nước 52 3.5 Đánh giá khả chống ăn mòn lớp phủ siêu kỵ nước 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hiện tượng kỵ nước sen: (a) Hình ảnh giọt nước sen, (b) Hình ảnh mơ cấu trúc bề mặt sen Hình 1.2 Mơ hình Young Hình 1.3 Mơ hình góc tiếp xúc trễ: (a) góc tiếp xúc tiến lùi, (b) góc tiếp xúc tiến lùi thêm rút chất lỏng khỏi giọt chất lỏng Hình 1.4 Mơ hình Wenzel: (a) giọt nước rơi bề mặt theo mơ hình Wenzel, (b) cách tính góc tiếp xúc theo mơ hình Wenzel Hình 1.5 Mơ hình Cassie – Baxter: (a) giọt nước rơi bề mặt theo mơ hình Cassie – Baxter, (b) cách tính góc tiếp xúc theo mơ hình Cassie – Baxter Hình 1.6 Mơ hình cấu trúc phân cấp (Hierarchical model) Hình 1.7 Mơ hình mơ hình thái bề mặt sen: (a) Mơ hình lý thuyết độ nhám bề mặt (b) Đường cong Koch Hình 1.8 Các cách chế tạo lớp phủ siêu kỵ nước Hình 1.9 bước trình điện kết tủa: (a) pha phân tán, (b) sạc điện hoá, 10 Hình 1.10 Quá trình chế tạo lớp phủ siêu kỵ nước chống cháy vải cotton phương pháp sol-gel [20] 12 Hình 1.11 Minh hoạ chế làm bề mặt: (a) bề mặt thơng thường, 13 Hình 1.12 Mơ hình thấm ướt chất lỏng cấu trúc lưới nano phụ thuộc vào chênh lệch áp suất ΔP [28] 15 Hình 1.13 Góc tiếp xúc lưới thép không gỉ: (a) lưới thép chưa xử lý bề mặt, (b) lưới xử lý tạo bề mặt siêu thấm nước, (c) lưới xử lý tạo bề mặt siêu kỵ nước 20 Hình 1.14 Minh họa hóa học việc chế tạo bề mặt Zn siêu kỵ nước có cấu trúc vi mơ nano cách xử lý ăn mịn hóa học hỗ trợ ion kim loại: (a) Tấm Zn có lớp oxit, (b) Tấm Zn nguyên chất sau loại bỏ lớp oxit, (c ) Các bề mặt Zn nhám phân cấp chuẩn bị cách ăn mịn hóa học có hỗ trợ kim loại, (d) Kẽm ưa nước, (e) kẽm kỵ nước sau biến tính FAS [34] 21 Hình 1.15 Ảnh SEM bề mặt Zn trước sau xử lý điện hóa ảnh chụp giọt bề mặt Zn: (a) (b) bề mặt chưa xử lý; bề mặt siêu kỵ nước (c) – ( f) 22 Hình 2.1 Quy trình chế tạo lớp phủ kẽm siêu kỵ nước lưới thép phương pháp điện hóa 24 Hình 2.2 Mơ hình lưới thép khơng gỉ 304: d đường kính sợi; b kích thước khoảng trống; n kích thước lưới (số mắt lưới inch) 25 Hình 2.3 Mơ hình đường cong Tafel [38] 28 Hình 3.1 Mẫu lưới thép 304 100mesh 31 ix Hình 3.2 Đường cong CV mẫu thép inox 304 dung dịch K4Fe(CN)6 với tốc độ quét 10 mV/s: a) chu kỳ 3; b) giá trị ip chu kỳ 32 Hình 3.3 Mơ hình hồi quy tuyến tính 33 Hình 3.4 Hình ảnh bề mặt mẫu lưới thép mạ kẽm mật độ dòng 5A/dm2 thời gian khác 34 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện A/dm2 36 Hình 3.6 Hình ảnh bề mặt mẫu lưới thép mạ kẽm mật độ dòng 6A/dm2 thời gian khác 37 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện A/dm2 39 Hình 3.8 Hình ảnh bề mặt mẫu lưới thép mạ kẽm mật độ dòng A/dm2 thời gian khác 40 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện 7A/dm2 42 Hình 3.10 Hình ảnh bề mặt mẫu lưới thép mạ kẽm mật độ dòng 8A/dm2 thời gian khác 43 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện 8A/dm2 45 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện 9A/dm2 46 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện 9A/dm2 48 Hình 3.14 Ảnh chụp SEM bề mặt kẽm mạ lưới thép inox trước biến tính chế độ tối ưu: a) độ phóng đại ×100; b) độ phóng đại ×1000; c) độ phóng đại ×2000; d) độ phóng đại ×5000 49 Hình 3.15 Ảnh chụp SEM bề mặt kẽm mạ lưới thép inox sau biến tính chế độ tối ưu: a) độ phóng đại ×100; b) độ phóng đại ×1000; c) độ phóng đại ×2000 ; d) độ phóng đại ×5000 50 Hình 3.16 Giản đồ XRD lớp phủ sau biến tính: ◆: Zn, ▼: ZnO 51 Hình 3.17 Phổ FTIR lớp phủ kẽm siêu kỵ nước với chế độ tối ưu 51 Hình 3.18 Hình ảnh phân tách hệ Hexane – nước: a) hỗn hợp trước phân tách; b) phân tách hỗn hợp; c) hỗn hợp sau tách 52 Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất tách hệ hexane – nước 53 Hình 3.20 Đường cong phân cực lưới siêu kỵ nước dung dịch NaCl 3.5% với chế độ khác 54 x Từ bảng 3.10 đồ thị 3.11 cho thấy, kết tuân theo quy luật, góc tiếp xúc giảm dần từ 12,5 phút đến 15 phút, sau tăng dần đạt đỉnh mốc thời gian 20 phút sau góc tiếp xúc giảm dần Tại thời điểm 20 phút giá trị trung bình góc tiếp xúc đạt cao 152,2o/151,0o góc trượt nhỏ 5o Như vậy, mẫu lưới thép inox 304 mạ kẽm chế tạo với điều kiện mạ A/dm2, thời gian mạ 20 phút, ngâm biến tính 24h dung dịch axit stearic 0,2M đạt tính chất siêu kỵ nước tốt 3.2.5 Mẫu mạ với mật độ dòng A/dm2 Dưới hình ảnh mẫu mạ mật độ dòng A/dm2 với thời gian mạ khác sau biến tính dung dịch axit stearic 24h: Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện 9A/dm2 Bảng 3.11 Kết đo góc tiếp xúc mẫu lưới SS304/Zn mạ mật độ dòng A/dm2 với mốc thời gian khác Thời gian mạ (phút) Hình ảnh chụp giọt nước (kích thước giọt nước 3µm) Hình ảnh đo góc tiếp xúc phần mềm ImageJ 12,5 46 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 47 27,5 Bảng 3.12 Giá trị trung bình góc tiếp xúc góc trượt mẫu lưới SS304/Zn mạ mật độ dòng 8A/dm2 với thời gian khác ngâm biến tính 24h axit stearic 0,2 M Thời gian mạ (phút) Giá trị trung bình góc tiếp xúc (o) Góc tiếp xúc trái Góc tiếp xúc phải Giá trị góc trượt 12,5 142,3 ± 149,0 ± > 5o 15,0 150,2 ± 148,1 ± > 5o 17,5 152,4 ± 150,9 ± < 5o 20,0 148,3 ± 150,0 ± > 5o 22,5 147,3 ± 149 ± > 5o 25,0 142,7 ± 141,8 ± > 5o 27,5 147,1 ± 146,1 ± > 5o Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc góc tiếp xúc theo thời gian lưới thép inox 304 với mật độ dòng điện 9A/dm2 Từ bảng 3.12 đồ thị 3.13 cho thấy, kết tuân theo quy luật định Tuy nhiên, mốc thời gian 17,5 phút lại đạt đỉnh góc tiếp xúc khơng 48 phải mốc 20 phút Giá trị trung bình góc tiếp xúc đạt cao 152,4o với góc tiếp xúc trái 150,9 o với góc tiếp xúc phải giá trị góc trượt nhỏ 5o Như vậy, mẫu lưới thép inox 304 mạ kẽm chế tạo với điều kiện mạ A/dm2, thời gian mạ 17,5 phút, ngâm biến tính 24h dung dịch axit stearic 0,2 M đạt tính chất siêu kỵ nước 3.3 Kết hình thái cấu trúc lớp phủ Độ nhám bề mặt mẫu yếu tố quan trọng để đánh giá mức độ bề mặt có đặc tính kỵ nước tốt hay khơng Vì vậy, hình thái bề mặt mẫu quan sát sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hình 3.14 hình 3.15 cho thấy hình thái bề mặt lớp phủ kẽm trước ngâm biến tính sau ngâm biến tính chế độ tối ưu Hình 3.14 Ảnh chụp SEM bề mặt kẽm mạ lưới thép inox trước biến tính chế độ tối ưu: a) độ phóng đại ×100; b) độ phóng đại ×1000; c) độ phóng đại ×2000; d) độ phóng đại ×5000 Hình ảnh SEM (hình 3.14) cho thấy mẫu lưới thép sau mạ kẽm có bề mặt gồ ghề Khi phóng đại độ phân giải cao 2000 lần 5000 lần cho thấy kẽm mạ thép có dạng hình gai cây, bề mặt lớp mạ không mịn Tuy nhiên sau mẫu ngâm vào dung dịch biến tính 0,2 M axit stearic 24h bề mặt thay đổi rõ rệt (hình 3.15) Trên bề mặt lưới thép, cấu trúc gai biến đổi thành lớp vảy xếp chồng lên có độ dày khoảng 50 - 100 nm tạo thành rãnh, kết hợp kẽm với axit stearate 49 Do đó, suy luận lớp đệm khơng khí dễ dàng lưu giữ lại rãnh Điều thể bề mặt mẫu sau biến tính trở nên nhám Các rãnh hình thành kết hợp với mắt lưới tạo thành cấu trúc phân cấp, có lượng bề mặt thấp khiến cho mẫu có đặc tính siêu kỵ nước [40] Sự phát triển cấu trúc dạng vảy xếp lớp phụ thuộc vào nống độ ion Cl- dung dịch mạ Trong báo cáo trước Xu [41] đồng nhận thấy tăng nồng độ ion Cl- cấu trúc dạng ZnO xuất nhiều Điều lý giải hấp phụ ion Cl- tốt mặt phẳng (0001), cản trở phát triển tinh thể dọc theo trục C mạng lưới tinh thể, kết tạo thành tinh thể có hình dạng tấm, vảy [42] Hình 3.15 Ảnh chụp SEM bề mặt kẽm mạ lưới thép inox sau biến tính chế độ tối ưu: a) độ phóng đại × 100; b) độ phóng đại × 1000; c) độ phóng đại × 2000 ; d) độ phóng đại ×5000 Bên cạnh đó, cấu trúc pha vật liệu siêu kỵ nước nghiên cứu giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) thể hình 3.16 Có thể quan sát rõ ràng đỉnh nhiễu xạ đặc trưng kim loại kẽm xuất góc nhiễu xạ 2θ = 36,3o ; 39,0o; 43.2o; 54.3 o; 70,1o 70,7o Trong đó, số đỉnh nhiễu xạ tia X có cường độ nhỏ quan sát thấy Ví dụ góc nhiễu xạ xuất khoảng góc nhiễu xạ 2θ từ 20o đến 25 o Theo tài liệu tham khảo [40] đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho muối kẽm stearate (JCPDS Card No 50079) Các đỉnh lại cho khơng xác định 50 Hình 3.16 Giản đồ XRD lớp phủ sau biến tính: ◆: Zn, ▼: ZnO Để nghiên cứu đặc tính hóa học bề mặt mẫu lưới thép sau biến tính, cụ thể để xác xác định nhóm chức liên kết xuất thành phần hợp chất màng siêu kỵ nước, mẫu đem chụp phổ hồng ngoại FTIR Kết FTIR thể hình 3.17 Hình 3.17 Phổ FTIR lớp phủ kẽm siêu kỵ nước với chế độ tối ưu Theo phổ FTIR thu hình 3.17, đỉnh hấp thụ bước sóng 2847 2915 cm-1 tương ứng với liên kết C-H mơ hình đối xứng bất xứng gốc methyl (-C-H) [43] Ở phổ tần sóng thấp, đỉnh hấp thụ bước sóng 1701 cm-1 gốc cacboxyl (-COO ) [44] biến mất, thể không tồn axit stearic chưa phản ứng bề mặt lớp phủ Tuy nhiên, đỉnh hấp phụ xuất bước sóng 1536 cm-1 cho thấy xuất nhóm chức Cacboxylate (muối axit cacboxylic RCOO ) [45] Các đỉnh hấp thụ khác nghiên cứu xuất tương tự với báo cáo trước [46] Điều xảy phản ứng hố học gốc cacboxyl axit stearic với kẽm bề mặt Theo kết 51 bề mặt mẫu, axit stearic không tồn dạng hấp phụ vật lý túy mà có liên kết hóa học axit stearic với kẽm Từ đó, hình thành nên giả thuyết chế hình thành màng siêu kỵ nước bề mặt kẽm: Phản ứng sau xảy ngâm lưới thép mạ kẽm vào dung dịch biến tính axit stearic: 2𝑍𝑍𝑍𝑍 + 𝑂𝑂2 + 2𝐻𝐻 + → 2𝑍𝑍𝑍𝑍2+ + 2𝐻𝐻2 𝑂𝑂 PT 3.3 Phản ứng sau xảy Zn2+ ZnO với axit stearic để tạo thành kẽm stearate – dạng muối không ưu nước: 𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍 + 2𝐶𝐶𝐶𝐶3 (𝐶𝐶𝐶𝐶2)16 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 → [𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶3 (𝐶𝐶𝐶𝐶2)16 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶]2 𝑍𝑍𝑍𝑍 + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 𝑍𝑍𝑍𝑍2+ + 2𝐶𝐶𝐶𝐶3 (𝐶𝐶𝐶𝐶2)16 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 → [𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶3 (𝐶𝐶𝐶𝐶2)16 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶]2 𝑍𝑍𝑍𝑍 + 2𝐻𝐻 + PT 3.4 PT 3.5 3.4 Ứng dụng phân tách dầu nước Để đánh giá khả ứng dụng thực thực tiễn lưới thép inox mạ kẽm biến tính để đạt đến tính chất siêu kỵ nước, nội dung nghiên cứu dùng lưới chế tạo tối ưu điều kiện mạ mật độ dòng A/dm2 khoảng thời gian 20 phút ngâm biến tính 24h dung dịch axit stearic 0,2 M để phân tách hệ hỗn hợp hexane (dầu) nước Đồng thời để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ môi trường hệ hỗn hợp dầu – nước đến khả phân tách lưới, mẫu tiến hành đánh giá hiệu suất phân tách nhiệt độ khác gồm 25oC, 40oC 55oC Hình 3.18 cho thấy số hình ảnh thí nghiệm việc phân tách dầu nước luận văn Hình 3.18 Hình ảnh phân tách hệ Hexane – nước: a) hỗn hợp trước phân tách; b) phân tách hỗn hợp; c) hỗn hợp sau tách Dựa theo cơng thức tính hiệu suất phân tách PT 1.11, luận văn tính hiệu suất phân tách hexan-nước điều kiện làm việc khác Đáng ý, hexan dễ bay hơi, khiến cho khối lượng thay đổi nhiều 52 sau phân tách khỏi hỗn hợp hexan nước, nên để có kết đánh giá có độ xác cao, luận văn hiệu suất phân tách tính theo nước thay tính theo hexan (dầu) PT 1.11 Kết thu được, thể bảng 3.13 Bảng 3.13 Hiệu suất phân tách hexane – nước nhiệt độ khác Nhiệt độ (oC) Lần tách Hiệu suất phân tách tính theo nước(%) 25oC 40oC 55oC 99,90 99,60 99,54 99,71 99,42 99,22 99,62 99,23 99,13 99,45 99,05 99,04 99,24 98,91 98,89 99,12 98,78 98,72 99,01 98,64 98,60 98,94 98,52 98,35 98,84 98,40 98,21 10 98,72 98,32 98,14 Từ kết thu bảng 3.13, ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất phân tách thể hình 3.19: Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất tách hệ hexane – nước Từ kết cho thấy, ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất phân tách không đáng kể Ở mốc nhiệt độ khác nhau, chênh lệch hiệu suất phân tách 53 không nhiều tương ứng với số lần phân tách Cụ thể, nhiệt độ tăng lên từ 25oC đến 55 oC, hiệu suất phân tách đạt giá trị lớn 99,5% Và hiệu suất tách giảm dần theo số lần phân tách lần phân tách thứ 10, hiệu suất phân tách dầu-nước đạt 98% điều kiện nhiệt độ khảo sát Ở đây, thấy hiệu suất phân tách giảm dần sau lần phân tách điều giải thích sau lần phân tách, lớp phủ bột trắng bám bề mặt lưới bị bào mòn dần, làm lộ lớp bề mặt chưa biến tính, làm giảm tính kỵ nước bề mặt hexan tác dụng với số chất bề mặt lưới làm bị thay đổi tính chất khơng cịn đặc tính kỵ nước tốt 3.5 Đánh giá khả chống ăn mòn lớp phủ siêu kỵ nước Hình 3.20 Đường cong phân cực lưới siêu kỵ nước dung dịch NaCl 3.5% với chế độ khác Một ứng dụng khác bề mặt siêu kỵ nước khả chống ăn mòn Trong luận văn này, để đánh giá khả chống ăn mòn mẫu lưới siêu siêu kỵ nước, sử dụng bốn mẫu lưới bao gồm mẫu lưới thép mạ kẽm chưa biến tính, ba mẫu lưới thép mạ kẽm biến tính với chế độ tối ưu Luận văn sử dụng máy đo Autolab PGSTAT302N để khảo sát tốc độ ăn mòn dung dịch NaCl 3,5% Số liệu đo thể hình 3.20 Hình 3.20 cho thấy khác biệt rõ mẫu lưới thép mạ kẽm trước biến tính dung dịch axit stearic mẫu biến tính, có mặt axit stearic, giá trị ECor dịch chuyển phía dương (chênh lệch 100 mV đến 170 mV) 54 Từ đồ thị ta thu được, sử dụng phương pháp ngoại suy Tafel từ đường cong phân cực phần mềm Nova 2.1.5, thu thơng số q trình ăn mòn lớp phủ kẽm lưới thép bảng 3.14 Bảng 3.14 Các thơng số q trình ăn mòn dung dịch NaCl 3,5% STT Tên mẫu Ecor (V.vs SCE) Icor (A/cm2) -1,0118 Rp (Ω) CR (mm/năm) 5,0177 × 10-5 167,34 0,7480 Mẫu trước biến tính Mẫu sau biến tính với chế độ: 7A/dm2, 17,5 phút -0,9324 2,7466 × 10-5 106,64 0,4094 Mẫu sau biến tính với chế độ: 7A/dm2, 20 phút -0,9936 2,0473 × 10-5 108,29 0,3086 Mẫu sau biến tính với chế độ: 7A/dm2, 22,5 phút -0,9556 2,7499 × 10-5 43,159 0,4138 Các kết cho thấy, lưới thép mạ kẽm chưa biến tính bề mặt có tốc độ ăn mịn lớn từ 1,7 – 2,5 lần so với mẫu biến tính chế độ tối ưu Kết đường cong phân cực cho thấy dung dịch biến tính tác động lên lớp kẽm, tạo lớp phủ bao bọc giúp hạn chế khả tiếp xúc dung dịch với kẽm KẾT LUẬN - Bằng phương pháp điện kết tủa, chế tạo thành cơng lớp phủ kẽm/kẽm stearate có đặc tính siêu kỵ nước Kết thu cho thấy, tăng thời gian mạ mật độ dịng điện góc tiếp xúc lớn, có giới hạn định 55 - - Ứng dụng thành cơng lưới thép inox có phủ lớp siêu kỵ nước vào việc phân tách hỗn hợp hexan (dầu) – nước Đánh giá khả chống ăn mòn, cho thấy tiềm ứng dụng bề mặt siêu kỵ nước thực tiễn Qua nghiên cứu này, nhận thấy với chế độ mạ mật độ dòng điện 7A/dm2, thời gian mạ khoảng 20 phút, sau đem biến tính dung dịch acid stearic 24h chế độ tối ưu để tạo lớp phủ có bề mặt siêu kỵ nước Từ kết mở tương lai hứa hẹn cho vật liệu kẽm đóng vai trị quan trọng làm lớp phủ siêu kỵ nước ứng dụng công việc xử lý môi trường ô nhiễm dầu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R J Good, "Contact angle, wetting, and adhesion: a critical review," Journal of Adhesion Science and Technology, vol 6, no 12, pp 1269-1302, 1992/01/01 1992 56 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] S Parvate, P Dixit, and S Chattopadhyay, "Superhydrophobic Surfaces: Insights from Theory and Experiment," The Journal of Physical Chemistry B, vol 124, no 8, pp 1323-1360, 2020/02/27 2020 T Young, "III An essay on the cohesion of fluids," Philosophical transactions of the royal society of London, no 95, pp 65-87, 1805 S Das, S Kumar, S K Samal, S Mohanty, and S K Nayak, "A Review on Superhydrophobic Polymer Nanocoatings: Recent Development and Applications," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol 57, no 8, pp 2727-2745, 2018/02/28 2018 C G L Furmidge, "Studies at phase interfaces I The sliding of liquid drops on solid surfaces and a theory for spray retention," Journal of Colloid Science, vol 17, no 4, pp 309-324, 1962/04/01/ 1962 A B D Cassie, "Contact angles," Discussions of the Faraday Society, 10.1039/DF9480300011 vol 3, no 0, pp 11-16, 1948 D Quéré, M.-J Azzopardi, and L Delattre, "Drops at Rest on a Tilted Plane," Langmuir, vol 14, no 8, pp 2213-2216, 1998/04/01 1998 G McHale, N J Shirtcliffe, and M I Newton, "Contact-Angle Hysteresis on Super-Hydrophobic Surfaces," Langmuir, vol 20, no 23, pp 1014610149, 2004/11/01 2004 R N Wenzel, "RESISTANCE OF SOLID SURFACES TO WETTING BY WATER," Industrial & Engineering Chemistry, vol 28, no 8, pp 988-994, 1936/08/01 1936 A B D Cassie and S Baxter, "Wettability of porous surfaces," Transactions of the Faraday Society, 10.1039/TF9444000546 vol 40, no 0, pp 546-551, 1944 N A Patankar, "Mimicking the Lotus Effect:  Influence of Double Roughness Structures and Slender Pillars," Langmuir, vol 20, no 19, pp 8209-8213, 2004/09/01 2004 B Mandelbrot, "How Long Is the Coast of Britain? Statistical SelfSimilarity and Fractional Dimension," Science, vol 156, no 3775, p 636, 1967 S Shibuichi, T Onda, N Satoh, and K Tsujii, "Super Water-Repellent Surfaces Resulting from Fractal Structure," The Journal of Physical Chemistry, vol 100, no 50, pp 19512-19517, 1996/01/01 1996 B Bhushan, Y C Jung, and K Koch, "Micro-, nano-and hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion," Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol 367, no 1894, pp 1631-1672, 2009 I Sas, R E Gorga, J A Joines, and K A Thoney, "Literature review on superhydrophobic self‐cleaning surfaces produced by electrospinning," Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, vol 50, no 12, pp 824-845, 2012 E Hosono, S Fujihara, I Honma, and H Zhou, "Superhydrophobic perpendicular nanopin film by the bottom-up process," Journal of the American Chemical Society, vol 127, no 39, pp 13458-13459, 2005 J E Crowell, "Chemical methods of thin film deposition: Chemical vapor deposition, atomic layer deposition, and related technologies," Journal of 57 [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, vol 21, no 5, pp S88-S95, 2003 P Amrollahi, J S Krasinski, R Vaidyanathan, L Tayebi, and D Vashaee, "Electrophoretic deposition (EPD): Fundamentals and applications from nano-to micro-scale structures," Handbook of Nanoelectrochemistry, Springer International Publishing Switzerland, 2015 J J Van Tassel and C A Randall, "Mechanisms of electrophoretic deposition," vol 314, pp 167-174: Trans Tech Publ D Lin, X Zeng, H Li, X Lai, and T Wu, "One-pot fabrication of superhydrophobic and flame-retardant coatings on cotton fabrics via sol-gel reaction," Journal of colloid and interface science, vol 533, pp 198-206, 2019 L B Boinovich, A M Emelyanenko, V K Ivanov, and A S Pashinin, "Durable icephobic coating for stainless steel," ACS applied materials & interfaces, vol 5, no 7, pp 2549-2554, 2013 M He, H Li, J Wang, and Y Song, "Superhydrophobic surface at low surface temperature," Applied Physics Letters, vol 98, no 9, p 093118, 2011 S A Kulinich, S Farhadi, K Nose, and X W Du, "Superhydrophobic surfaces: are they really ice-repellent?," Langmuir, vol 27, no 1, pp 2529, 2011 Y.-B Park, H Im, M Im, and Y.-K Choi, "Self-cleaning effect of highly water-repellent microshell structures for solar cell applications," Journal of Materials Chemistry, vol 21, no 3, pp 633-636, 2011 T Darmanin and F Guittard, "Recent advances in the potential applications of bioinspired superhydrophobic materials," Journal of Materials Chemistry A, vol 2, no 39, pp 16319-16359, 2014 J Ou, W Hu, M Xue, F Wang, and W Li, "Superhydrophobic surfaces on light alloy substrates fabricated by a versatile process and their corrosion protection," ACS applied materials & interfaces, vol 5, no 8, pp 31013107, 2013 H Li, M Zheng, L Ma, C Zhu, and S Lu, "Two-dimensional ZnO nanoflakes coated mesh for the separation of water and oil," Materials Research Bulletin, vol 48, no 1, pp 25-29, 2013/01/01/ 2013 D Tian, X Zhang, X Wang, J Zhai, and L Jiang, "Micro/nanoscale hierarchical structured ZnO mesh film for separation of water and oil," Physical Chemistry Chemical Physics, vol 13, no 32, pp 14606-14610, 2011 J Howarter, Youngblood, JP, "Self-Cleaning and Next Generation Anti-fog Surfaces and Coatings.," Macromolecular Rapid Communications, vol 29, pp 455–466, 2008 Y Chen et al., "Transparent superhydrophobic/superhydrophilic coatings for self-cleaning and anti-fogging," Applied Physics Letters, vol 101, no 3, 2012 R Ou, J Wei, L Jiang, G P Simon, and H Wang, "Robust Thermoresponsive Polymer Composite Membrane with Switchable Superhydrophilicity and Superhydrophobicity for Efficient Oil–Water 58 [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] Separation," Environmental Science & Technology, vol 50, no 2, pp 906914, 2016/01/19 2016 C Mondal, M Ganguly, A K Sinha, J Pal, and T Pal, "Fabrication of a ZnO nanocolumnar thin film on a glass slide and its reversible switching from a superhydrophobic to a superhydrophilic state," RSC Advances, 10.1039/C3RA40312B vol 3, no 17, pp 5937-5944, 2013 J Wu, J Chen, J Xia, W Lei, and B.-p Wang, "A Brief Review on Bioinspired ZnO Superhydrophobic Surfaces: Theory, Synthesis, and Applications," Advances in Materials Science and Engineering, vol 2013, p 232681, 2013/12/30 2013 Y Qi, Z Cui, B Liang, R S Parnas, and H Lu, "A fast method to fabricate superhydrophobic surfaces on zinc substrate with ion assisted chemical etching," Applied Surface Science, vol 305, pp 716-724, 2014/06/30/ 2014 J Sun et al., "Electrochemical fabrication of superhydrophobic Zn surfaces," Applied Surface Science, vol 315, pp 346-352, 2014/10/01/ 2014 Y Zhang, "The use and optimization of stainless steel mesh cathodes in microbial electrolysis cells " College of Engineering, Civil and Environmental Engineering, The Pennsylvania State University 2010 L R F Allen J Bard, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications New York: Wiley, 1982 Getting Started with Electrochemical Corrosion Measurement Review of the Electrochemical Basis of Corrosion Available: https://www.gamry.com/application-notes/corrosion-coatings/basics-ofelectrochemical-corrosion-measurements/ P Seeharaj, P Pasupong, E Detsri, and P Damrongsak, "Superhydrophobilization of SiO2 surface with two alkylsilanes for an application in oil/water separation," Journal of Materials Science, vol 53, no 7, pp 4828-4839, 2018/04/01 2018 C A E Richard, and S T Aruna, "Fabrication of superhydrophobic zinc stearate hierarchical surfaces from different precursors," Materials and Manufacturing Processes, vol 31, pp 1171–1176, 2015 L Xu, Y Guo, Q Liao, J Zhang, and D Xu, "Morphological Control of ZnO Nanostructures by Electrodeposition," The Journal of Physical Chemistry B, vol 109, no 28, pp 13519-13522, 2005/07/01 2005 R Jain and R Pitchumani, "Fabrication and characterization of zinc-based superhydrophobic coatings," Surface and Coatings Technology, vol 337, pp 223-231, 2018/03/15/ 2018 Z F Lin, P Wang, D Zhang, and Y Wang, "A ZnO/Chitosan Composite Film: Fabrication and Anticorrosion Characterization," Advanced Materials Research, vol 152-153, pp 1199-1202, 2011 A B D Nandiyanto, R Oktiani, R J I J o S Ragadhita, and Technology, "How to Read and Interpret FTIR Spectroscope of Organic Material," 2019 F S Cansen Liu, Jizhao Liang, Ping Huang, "Facile fabrication of superhydrophobic cerium coating with micro-nano flower-like structure and excellent corrosion resistance," Surface and Coatings Technology, vol 258, pp 580-586, 2014 59 [46] R P S K Chakradhar, V.D, "Water-repellent coatings prepared by modification of ZnO nanoparticles.," Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol 94, pp 352 - 356, 2012 60