Học phần hóa lý dược đề tài hệ phân tán keo

BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT Y-DƯỢC ĐÀ NẴNG KHOA DƯỢC - - Học phần: Hóa Lý Dược Đề tài: HỆ PHÂN TÁN KEO Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thị Mỹ Huệ Lớp: ĐH Dược 10B – Nhóm 5 Đà Nẵng - 2024 0 MỤC LỤC Lời mở đầu 2 I Hệ phân tán keo 3 1 Điều chế 3 1 1 Phương pháp phân tán 3 1.2.Phương pháp ngưng tụ 3 2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế hệ phân tán keo 4 2.a Phương pháp phân tán 4 2.b Phương pháp ngưng tụ 5 3 Hạt keo 6 a) Cấu tạo .6 b) Các yếu tố làm keo tụ 6 II Ứng dụng: Nano sắt 8 1 Định nghĩa Nano sắt 8 2 Điều chế 9 2.1 Các phương pháp điều chế hạt nano 9 2.1.1 Phương pháp Laser Ablation (từ trên xuống) 10 2.1.2 Hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion (từ dưới lên) 11 2.2 Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo hạt nano sắt hóa trị 0 12 a) Hóa chất và thiết bị 12 b) Quy trình điều chế .12 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế nano sắt trong xử lí nước thải .13 3 Ứng dụng nano sắt từ xử lý Cr (IV) trong nước thải công nghiệp 14 3.1 Cơ chế xử lý nước thải của nano sắt 14 3.2 Đối tượng 16 3.3 Cách xử lí 16 3.4 Nguyên tắc xử lý 17 3.5 Yếu tố ảnh hưởng 18 3.6 Kết quả 21 3.7 Một số ứng dụng khác 21 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong thế giới phức tạp và đa dạng của hóa học và vật lý, hệ keo hay còn được biết đến là hệ phân tán keo, một lĩnh vực đầy thách thức và hứa hẹn Được định nghĩa bởi sự tương tác giữa hai thể của vật chất, hệ keo mang đến những hiểu biết quan trọng về cách các chất phân tán tương tác và tồn tại trong môi trường đa dạng Ở cơ bản, hệ keo bao gồm một dạng hỗn hợp nằm giữa sự kết hợp của hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất Các phân tử hoặc hạt nhỏ của chất phân tán hiện diện trong một môi trường phân tán khác, tạo ra một tương tác động lực và cấu trúc độc đáo Chính điều này đã đưa ra nhiều câu hỏi và thách thức cho cộng đồng khoa học, đồng thời mở ra cánh cửa cho nhiều ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày Hệ phân tán keo không chỉ giới hạn trong các phòng thí nghiệm với những thí nghiệm hóa học phức tạp; ngược lại, chúng tồn tại xung quanh chúng ta mỗi ngày Từ bát bơ ngon lành trên bàn ăn hàng ngày đến sự mềm mại của kem sữa tại quán kem góc phố, hệ keo hiện diện trong mọi khoảnh khắc của cuộc sống Cuộc hành trình khám phá về hệ keo đã bắt đầu từ những ngày đầu của thế kỷ 19, khi nhà khoa học người Scotland Thomas Graham đặt nền móng cho một lĩnh vực nghiên cứu đầy triển vọng Trải qua thời gian và nỗ lực nghiên cứu, chúng ta ngày càng nhận thức rõ hơn về tính chất và ứng dụng của hệ phân tán keo, mở rộng cánh cửa cho sự đổi mới và tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tiểu luận này sẽ dẫn dắt chúng ta vào thế giới phức tạp của hệ keo, tìm hiểu về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày Một trong những ứng dụng tiêu biểu của hệ keo trong thực tế là sự kết hợp độc đáo của nano sắt trong xử lý nước thải Nano sắt, khi được tích hợp vào hệ keo, không chỉ tăng cường khả năng kết tụ các chất ô nhiễm mà còn mở ra những phương pháp xử lý nước thải hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường Chúng ta sẽ khám phá chi tiết về ứng dụng này trong bài tiểu luận.Hãy cùng nhau khám phá sự phong phú và đa dạng của hệ keo, nơi mà khoa học và thực tế gặp nhau để tạo ra những hiểu biết mới và tiến bộ không ngừng 2 I.Hệ phân tán keo 1.Điều chế Hệ keo là hệ phân tán có kích thước tiểu phân phân tán khoảng từ 1nm- 500nm Có 2 phương pháp điều chế: 1 1 Phương pháp phân tán Phân tán là quá trình dùng năng lượng để phá vỡ lực liên kết bên trong các hạt thô để tạo ra các hạt mới có kích thước của hạt keo - Phân tán bằng năng lượng cơ học: Thủ công: dùng cối chày Máy móc: máy nghiền bị, máy đồng hóa - Phân tán bằng năng lượng điện: Dùng hồ quang điện với điện cực chính là pha phân tán, thường dùng để điều chế keo kim loại, kim loại bay hơi do hồ quang điện phân tán vào môi trường nước -Phân tán bằng siêu âm: Dùng sóng siêu âm (tần số 10-30 nghìn lần/giây) → tạo hệ keo Đặc biệt thuận lợi để phân tán các khối dẻo ưa nước thành hỗn hợp loãng trong nước hoặc các mô mềm như các tổ chức gan, não, thận tạo thành dung dịch đồng thể động vật -Phân tán bằng tác nhân hóa học (peptit hoá): Là phương pháp chuyển 1 kết tủa trở lại trạng thái keo nhờ các tác nhân peptit hóa - thường là các tác nhân hóa học Nếu kết tủa là do hạt keo hấp phụ các ion điện ly tạo sự keo tụ chất peptit hóa phải tách được các ion đó ra khỏi tủa Nếu kết tủa là do các hạt của các chất phân tán không có các yếu tố bảo vệ (thiếu ion tạo thế, thiếu chất tạo vỏ solvat) → bổ sung thêm các yếu tố bảo vệ ví dụ: tạo keo xanh phổ → KFe[Fe ] + KCL Giai đoạn rửa tủa bằng nước: Nếu tủa đã hấp phụ ion hóa trị cao hoặc có bán kính lớn thì lực hấp phụ khá mạnh→ rửa tủa cho nhiều lần cho đến sạch Giai đoạn peptit hóa bằng chất điện lỵ khi nhỏ từ từ acid oxalic vào tủa KFe(Fe(CN)] dung dịch keo xanh phố vì ion oxalate CO, sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt keo hạt keo tích điện âm đẩy nhau Ví dụ: Cho FeCl3 vào ống nghiệm đựng keo thô Fe(OH)3 và lắc, một lúc sau dung dịch có màu đỏ thắm và kết tủa biến mất 1.2.Phương pháp ngưng tụ Có 3 phương pháp làm ngưng tụ các phân từ trong dung dịch tạo ra tiểu phân keo * Phương pháp ngưng tụ do phản ứng hóa học: chất mới tạo ra do phản ứng hoá học có độ tan nhỏ, kết tụ lại tạo tiểu phân keo 3 Ví dụ: tiểu phân keo lưu huỳnh được tạo thành từ phản ứng: 2H₂S+S+O2=2H₂S+O+2S Công thức tiểu phân keo: {[(mS,nHS-)(n-x)H+]xH+} Ví dụ: tiểu phân keo sắt hydroxyd tạo thành từ phản ứng: FeCl3+3H2O= Fe(OH)3 +3HCl Công thức tiểu phân keo: {[(mFe(OH)3nFe3+)(3n-x)CI-]xCI-} * Phương pháp ngưng tụ do thay đổi dung môi: khi thay đổi dung môi về độ phân cực, pH, nồng độ chất điện li, phân tử chất tan sẽ tập hợp lại thành tiểu phân keo Ví dụ: Điều chế keo lưu huỳnh trong nước, S tan trong rượu nhưng không tan trong nước Lấy một ít S hoà tan trong rượu sau đó cho dung dịch này vào bình đựng nước, lắc đều, do rượu ít, nước nhiều nên nước là dung môi, các phân tử S không tan trong nước, kết hợp lại thành keo S * Phương pháp ngưng tụ hơi: pha phân tán được làm bay hơi hoặc thăng hoa, hơi của pha phân tán in tán và môi trường được ngưng tụ trong buồng lạnh tạo ra hệ keo Về nguyên tắc ngưng tụ tạo hệ keo để có các tiểu phân nhỏ mịn (trong vùng kích thước hạt keo) cần pha loãng nồng độ, thay đổi dung môi từ từ, đồng thời liên tục khuấy trộn để tránh sự tập hợp tạo tiểu phân lớn thô đại 2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế hệ phân tán keo 2a Phương pháp phân tán: a.1 Bằng năng lượng cơ học: ● Kích thước hạt: Năng lượng cơ học cao hơn sẽ tạo ra các hạt keo nhỏ hơn ● Thời gian nghiền: Nghiền càng lâu, kích thước hạt keo càng nhỏ ● Loại máy nghiền: Máy nghiền khác nhau tạo ra các hạt keo có kích thước và hình dạng khác nhau ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ.Ví dụ: Thêm gelatin vào dung dịch keo sẽ giúp các hạt keo phân tán đều hơn và không bị kết tụ Ví dụ: Nghiền nhuyễn cao su trong nước bằng máy nghiền colloid để tạo ra nhũ tương cao su Dùng máy nghiền đĩa để nghiền mịn bột mì, tạo ra hệ keo lỏng a.2 Bằng năng lượng điện: ● Hiệu điện thế: Hiệu điện thế cao hơn sẽ tạo ra các hạt keo nhỏ hơn ● Thời gian điện phân: Điện phân càng lâu, kích thước hạt keo càng nhỏ ● Loại điện cực: Loại điện cực ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của các hạt keo ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ.Ví dụ: Thêm gelatin vào dung dịch keo điện phân sẽ giúp các hạt keo phân tán đều hơn và không bị kết tụ Ví dụ: Điện phân dung dịch muối bạc để tạo ra hệ keo Ag 4 Điện phân dung dịch axit sunfuric để tạo ra hệ keo SO3 a3 Bằng siêu âm: ● Cường độ âm thanh: Cường độ âm thanh cao hơn sẽ tạo ra các hạt keo nhỏ hơn ● Thời gian xử lý: Xử lý siêu âm càng lâu, kích thước hạt keo càng nhỏ ● Tần số sóng siêu âm: Tần số cao hơn tạo ra các hạt keo nhỏ hơn ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ.Ví dụ: Thêm gelatin vào dung dịch keo trước khi xử lý bằng sóng siêu âm sẽ giúp các hạt keo phân tán đều hơn và không bị kết tụ Ví dụ: Sử dụng sóng siêu âm để nhũ hóa dầu trong nước, tạo ra nhũ tương dầu-nước Sử dụng sóng siêu âm để phá vỡ các tế bào, giải phóng các protein nội bào a4 Bằng tác nhân hóa học: ● Loại tác nhân hóa học: Các tác nhân hóa học khác nhau tạo ra các loại keo khác nhau Ví dụ: Dùng axit để thủy phân tinh bột sẽ tạo ra keo tinh bột, dùng kiềm để thủy phân protein sẽ tạo ra keo protein ● Nồng độ tác nhân hóa học: Nồng độ cao hơn tạo ra các hạt keo nhỏ hơn Ví dụ: Dùng axit HCl với nồng độ 1M để thủy phân tinh bột sẽ tạo ra các hạt keo tinh bột nhỏ hơn so với dùng axit HCl với nồng độ 0.5M ● Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn có thể thúc đẩy phản ứng hóa học tạo ra keo ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ 2b Phương pháp ngưng tụ: 1 Do phản ứng hóa học: ● Loại phản ứng hóa học: Các phản ứng hóa học khác nhau tạo ra các loại keo khác nhau ● Nồng độ dung dịch: Nồng độ cao hơn tạo ra các hạt keo lớn hơn ● Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn có thể thúc đẩy phản ứng hóa học tạo ra keo ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ 2 Do thay đổi dung môi: ● Loại dung môi: Dung môi khác nhau có thể làm thay đổi độ tan của chất keo, dẫn đến sự hình thành keo ● Nồng độ dung môi: Nồng độ dung môi cao hơn có thể làm giảm độ tan của chất keo, dẫn đến sự hình thành keo ● Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn có thể làm thay đổi độ tan của chất keo, dẫn đến sự hình thành keo ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ 3 Ngưng tụ hơi: ● Nồng độ hơi: Nồng độ hơi cao hơn tạo ra các hạt keo lớn hơn ● Nhiệt độ: Nhiệt độ thấp hơn tạo ra các hạt keo lớn hơn 5 ● Áp suất: Áp suất cao hơn tạo ra các hạt keo nhỏ hơn ● Chất ổn định: Chất ổn định giúp ngăn cản các hạt keo kết tụ 3 Hạt keo: A Cấu tạo: Gồm 2 phần : Nhân keo và lớp ngoài Mỗi hạt keo có một nhân Lớp phần tử nằm phía ngoài của nhân phân li thành các ion và tạo ra các lớp ion quyết định điện - Nếu lớp này mang điện tích âm thì keo mang điện âm Nếu lớp này mang điện tích dương thì keo mang điện dương -Phần ngoài lớp ion quyết định điện là lớp ion bù (gồm 2 lớp: lớp ion bất động và lớp ion khuếch tán) mang điện trái dấu với lớp ion quyết định điện Micell keo bao gồm ba phần : + Nhân keo + Lớp hấp phụ +Lớp khuếch tán Như vậy, Micell keo trung hòa về điện * Trường hợp nhân keo tích điện dương: Cách viết công thức như sau:{[(mAgI, nAg+)(n-x)NO3-] xNO3-} * Trường hợp nhân keo tích điện âm: Cách viết công thức như sau:{[(mAgI, nI-)(n-x)K+] xK+} B Các yếu tố làm keo tụ: - Hiện tượng keo tụ: Các tiểu phân keo kết tụ lại thành tiểu phân lớn Trong một hệ keo không bền vững có thể xảy ra hiện tượng keo tụ - Độ bền vững của hệ keo phụ thuộc các loại tương tác: + Lực tương tác giữa hai tiểu phân (= tổng lực hút và lực đẩy của tĩnh điện) +Lực hút vander Waal: Hamaker là người đầu tiên thiết lập phương trình mô tả định lượng về lực hút van der Waals khi hai tiểu phân ở gần nhau - { + } Trong đó R là khoảng cách hai tâm tiểu phân, a- bán kính tiểu phân, A là hằng số Hamaker, R= H + 2a, H là khoảng cách hai mép tiểu phân Khi kích thước tiểu phân tương đối lớn, H/a nhỏ biểu thức trên trở thành: Fh=Aa/12H + Lực đẩy tĩnh điện: Lực này chỉ xuất hiện ở khoảng cách gần, khi lớp khuếch tán của các hạt micelle đã bắt đầu phủ nhau một phần 6 +Lực đẩy tĩnh điện: cũng giảm theo khoảng cách Khi các hạt tiến lại gần thì có sự phân bố lại những ion chất điện li trong môi trường phân tán ở khu vực giữa các hạt keo Sự phân bố đó làm xuất hiện một áp suất chẻ chống lại sự tiến gần các hạt đó Do đó, lực đẩy tĩnh điện phụ thuộc vào khoảng cách theo một hàm số phức tạp, nó phụ thuộc vào cả φ1và ζ của hệ.Tương ứng với lực đẩy tĩnh điện có năng lượng P phụ thuộc vào khoảng cách theo một hàm số mũ P = c ebx Trong đó, c và b là những hằng số phụ thuộc vào bản chất của hệ +Sự nén lớp điện kép: Khi cho thêm chất tan và các chất điện li với nồng độ cao các chất này sẽ khuếch tán di chuyển từ dung dịch vào bề mặt làm cho các ion của lớp khuếch tán bị di chuyển vào trong lớp khuếch tán bị nén, bề dày lớp khuếch tán sẽ giảm Bề dày lớp khuếch tán giảm làm hệ keo kém bền vững +Ảnh hưởng của chất điện li trơ: Chất điện li trơ không phản ứng với các chất trong hệ keo, không bị hấp phụ lên bề mặt của nhân keo, do đó không làm thay đổi thế bề mặt Lượng nhỏ chất điện li trơ cho thêm vào hệ ít tác động tới độ bền vững của hệ keo +Ảnh hưởng của chất điện li không trơ: Chất điện li không trơ có thể thâm nhập, liên kết với bề mặt rắn của nhân keo, tác động vào lớp bề mặt, lớp hấp phụ và lớp khuếch tán Lượng nhỏ chất điện li không trơ cùng dấu cho thêm vào hệ, làm tăng độ bền của hệ keo Khi thêm một lượng chất điện li ngược dấu với điện tích nhân keo tới mức có thể làm đổi dấu điện tích tiểu phân keo, hệ keo có thể được phân tán trở lại nhưng không được như ban đầu +Sự cản trở không gian: Khi các tiểu phân có lớp hấp thụ lên bề mặt tiểu phân góp phần làm bền hệ keo Khi các tiểu phân có lớp hấp phụ polyme hydrat hóa chạm nhau, sự phản hấp thụ có thể xảy ra ở điểm tiếp xúc Sự đẩy giữa các tiểu phân và độ ổn định của hệ keo được tăng lên nhờ hiệu ứng đàn hồi Tuy nhiên các tiểu phân đẩy hay hút nhau còn phụ thuộc vào tương tác giữa môi trường phân tán với polyme và tương tác giữa polyme với polyme +Lực đẩy do cản trở không gian: được tạo ra chịu ảnh hương của hai yếu tố: * Kích thước và cấu hình của các phân tử polyme hấp phụ trên bề mặt tiểu phân * Sự tăng áp suất thẩm thấu do nồng độ của mạch polyme tăng lên trong vùng xen phủ, sự giải phóng các phân tử nước hydrat hóa vào môi trường phân tán +Sự hydrat hóa: Về mặt nhiệt động học sự ổn định không gian có thể được giải thích bởi năng lượng tự do Gibbs ( ΔG = ΔH-G = ΔG = ΔH-H- TΔG = ΔH-S) Để hệ phân tán keo ổn định cần thiết ΔG = ΔH-G>0, ngược lại để gây keo tụ cần thiết ΔG = ΔH-G0 và ΔG = ΔH-S0 +Yếu tố môi trường phân tán: Dung môi hữu cơ có độ phân cực kém so với nước do đó khi thêm dung môi hữu cơ vào môi trường phân tán sẽ làm giảm sự phân li của các phân tử, giảm diện tích bề mặt từ đó độ bền của hệ keo kém hơn Trong môi trường pH không thích hợp các polyme có thể bị phân hủy làm giảm độ nhớt, làm giảm độ ổn định của hệ keo +Yếu tố nhiệt độ: Nhiệt độ tăng làm tăng quá trình phản hấp phụ, làm giảm điện thế Nhiệt độ tăng còn làm giảm độ nhớt môi trường, tăng tốc độ chuyển động tiểu phân do đó làm giảm ổn định của hệ keo => Khi hai hạt keo tiến lại gần nhau Có 2 loại lực xuất hiện: lực hút tĩnh điện và lực đẩy tĩnh điện Khi lực hút phân tử ưu thế, hạt keo bị hút lại với nhau -> sự keo tụ II Ứng dụng: Nano sắt 1 Định nghĩa Hạt sắt nano là những hạt sắt có kích thước siêu mịn (0-100 nm) Vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài) nên sắt nano có nhiều khả năng mà vật liệu sắt ở kích thước thông thường không thể làm được nhờ khả năng hấp phụ, khả năng thẩm thấu qua bề mặt, hoạt tính xúc tác của hạt nano mạnh hơn nhiều so với các hạt có kích thước lớn Do kích thước rất nhỏ (1- 100nm) trong khi đó kích thước của một số vi sinh vật điển hình khoảng 1000nm vì vậy các hạt sắt nano dễ dàng xâm nhập vào các nguồn nước ngầm với mật độ cao và số lượng hạt lớn được giữ lại trong bùn nước để tạo ra vùng xử lý tại chỗ a Cấu trúc hạt sắt nano Cấu trúc lõi - vỏ, cấu trúc điển hình này giúp sắt nano đóng vai trò quan trọng trong 8 việc xử lý môi trường Lõi bao gồm chủ yếu sắt kim loại hóa trị 0 trong khi vỏ là hỗn hợp hóa trị Fe(II) và Fe(III) oxit, được tạo thành như là kết quả của quá trình oxi hóa b Diện tích bề mặt riêng Cùng với kích thước vật liệu, cấu trúc lõi-vỏ, kết cấu và diện tích bề mặt riêng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật lý và tính chất hóa học của vật liệu nano Các nghiên cứu đã chỉ ra diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn 1-2 bậc so với vật liệu micro 2.Điều chế 2.1 Các phương pháp điều chế hạt nano: Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp là từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu gồm phương pháp nghiền, sử dụng các kỹ thuật lazer Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano, từ các ion hoặc các nguyên tử, phân tử kết hợp lại với nhau Các ion, nguyên tử, phân tử sau khi được xử lý bằng các tác nhân hóa học, vật lý sẽ kết hợp với nhau hình thành các hạt nano 9 Hình 1 Hai cách chế tạo hạt nano: từ trên xuống và từ dưới lên Hạt nano từ tính có thể được chế tạo theo hai phương pháp cơ bản: một là từ vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano, hai là hình thành hạt nano từ các nguyên tử Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay, ) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí) 2.1.1Phương pháp Laser Ablation (từ trên xuống): Vật liệu ban đầu ở dạng khối, dưới tác động của chùm laser, các nguyên tử, phân tử bứt ra khỏi vật liệu khối và đi vào dung dịch Tại bề mặt của mẫu, nơi được chiếu xạ bởi chùm laser và tại đây hình thành chùm plasma Quá trình hình thành mầm và phát triển mầm thành các hạt nano xảy ra chủ yếu trong chùm plasma, nơi có nhiệt độ và áp suất cao 10 Hình 2 Sơ đồ minh họa quá trình tạo hạt nano bằng phương pháp laser ablation [Klotz, M., et al., 1999] Các tác giả (Franzel, L 2012) đã sử dụng vật liệu khối Fe3C trong môi trường ethanol, nguồn laser Nd:YAG, bước sóng 1064 nm, bề rộng xung 750 ps, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung 12 mJ, tốc độ ăn mòn 0,3 mg/h và thu được các hạt nano có kích thước khoảng 1-20 nm, giá trị bão hòa từ Ms = 124 emu/g Các hạt nano thu được là sự pha trộn của các hạt Fe3C và Fe3O4 2.1.2 Hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion (từ dưới lên): a Phương pháp vật lý: thường dược dung để tạo các hạt nano, màng nano (ví dụ: ổ cứng máy tính) Hình thành vật liệu nano từ: - Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc hơi nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) - Chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để tthu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình – tinh thể (kết tinh), (phương pháp nguội nhanh) b Phương pháp hóa học: tạo vật liệu nano từ các ion, rất đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,… Hình thành vật liệu nano từ: - Pha lỏng + Phương pháp kết tủa + Phương pháp sol-gel: • Trong phương pháp này, các phân tử hoặc ion trong dung dịch hoặc gel tương tác với nhau để tạo thành các hạt nano sắt 11 • Quá trình này thường bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch chứa các phản ứng tiền tạo, polymerization, hydrolysis, và condensation Pha khí: (nhiệt phân,…) c Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên nguyên tác vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,… Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,… 2.2 Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo hạt nano sắt hóa trị 0 : -Vật liệu nZVI được điều chế bằng phương pháp khử pha lỏng thông qua sự khử muối Fe2SO4 bằng natri borohydrat (NaBH4) Hóa chất và thiết bị: - Hóa chất  Muối sắt Fe2(SO4)3  Borohydrit NaBH4  Cồn 92o  Axeton  Nước cất - Thiết bị sử dụng  Máy khuấy cơ  Mấy khuấy từ gia nhiệt  Cốc thủy tinh 250ml  Bình cầu 3 cổ 5000ml  Nam châm  Đũa thủy tinh  Lọ thủy tinh 25ml  Phễu nhỏ giọt 12 Quy trình điều chế: -Bước 1: Lắp hệ bao gồm máy khuấy cơ và bình cầu 3 cổ -Bước 2: Cân 4g Fe2(SO4)3 hòa tan trong 100ml nước cất trong cốc thủy tinh 250ml Đưa hệ trên lên máy khuấy từ gia nhiệt, khuấy với tốc độ 600 vòng/phút ta được dung dịch A Sau khi hỗn hợp tan hết, đổ dung dịch A vào bình cầu -Bước 3: Cân 1,2g NaBH, hòa tan vào trong 150ml nước cất trong cốc thủy tinh rồi đổ vào phễu nhỏ giọt, ta được dung dịch B -Bước 4: Nhỏ từ từ dung dịch B vào bình cầu chứa dung dịch A trên máy khuấy cơ với tốc độ nhỏ giọt khoảng 1 giọt/giây và tốc độ khuấy là 250 vòng/phút Kết tủa màu đen của FeO nano được hình thành, sử dụng các thanh nam châm để tách FeO nano ra và rửa sạch 3-4 lần bằng cồn Sau đó vật liệu Fe0 nano được đưa vào lọ đựng đã được sấy khô, đậy kín, bảo quản để xử lý các mẫu nước ô nhiễm Để phân tích cấu trúc vật liệu ta cần sấy khô sản phẩm trong tủ sấy chân không ở nhiệt độ 60°C trong 4 giờ 13 2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế nano sắt trong xử lí nước thải: 1 Phương pháp điều chế: * Phương pháp khử hóa: Loại và nồng độ chất khử (NaBH4, FeSO4, axit citric), pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của hạt nano sắt * Phương pháp đồng kết tủa: Loại và nồng độ chất tạo keo (NaOH, KOH), pH, nhiệt độ, tốc độ khuấy ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của hạt nano sắt * Phương pháp nhiệt hóa học: Loại tiền chất sắt, nhiệt độ, thời gian nung, môi trường nung ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của hạt nano sắt 2 Loại tiền chất: Loại muối sắt (FeCl2, FeCl3, FeSO4) ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của hạt nano sắt Khi sử dụng FeCl2 và FeCl3 để điều chế nano sắt, nano sắt từ FeCl3 có khả năng hấp phụ As(V) cao hơn nano sắt từ FeCl2 3 Chất ổn định: Loại và nồng độ chất ổn định (PVP, PVA, CTAB) ảnh hưởng đến sự ổn định và phân tán của hạt nano sắt trong dung dịch.Khi sử dụng PVP làm chất ổn định, nano sắt có thể phân tán tốt hơn trong dung dịch và có khả năng hấp phụ As(V) cao hơn 4 pH: pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của hạt nano sắt, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước thải 5 Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học và sự kết tụ của hạt nano sắt 6 Thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của hạt nano sắt Ví dụ: Phương pháp khử hóa: Khi sử dụng NaBH4 để khử FeSO4, nồng độ NaBH4 ảnh hưởng đến kích thước hạt nano sắt Nồng độ NaBH4 càng cao, kích thước hạt nano sắt càng nhỏ 3.Ứng dụng nano sắt từ xử lý Cr (IV) trong nước thải công nghiệp 3.1 Cơ chế xử lý nước thải của nano sắt: 3.1.1 Oxy hóa khử: ● Cơ chế: Nano sắt (Fe(0)) có khả năng khử các chất ô nhiễm, ví dụ như: ○ Hợp chất hữu cơ: 14 ■ Clo hữu cơ (như chloroform): Fe(0) + 2H2O + 2ClO- → Fe2O3 + 2Cl- +2H2 ■ Thuốc trừ sâu: Fe(0) + H2O + RX → Fe(II) + ROH + X- ■ Chất hữu cơ khó phân hủy (như phenol): Fe(0) + 6H2O + 2C6H5OH → Fe2O3 + 12H+ + 6CO2 + 6e- ○ Kim loại nặng: ■ Cr(VI) thành Cr(III): 3Fe(0) + Cr(VI) + 6H+ → 3Fe2++ Cr(III) + 3H2O ■ As(V) thành As(III): 2Fe(0) + As(V) + 3H2O → 2Fe2+ + As(III) + 6H+ ■ Hg(II) thành Hg(0): Fe(0) + Hg(II) → Fe(II) + Hg(0) ● Ví dụ: Xử lý nước thải nhiễm asen bằng nano sắt Nano sắt khử As(V) thành As(III) ít độc hại hơn Sau đó, As(III) được kết tủa hoặc hấp phụ vào các hạt nano sắt, giúp loại bỏ As khỏi nước 3.1.2 Hấp phụ: ● Cơ chế: Bề mặt nano sắt có diện tích lớn (khoảng 20-200 m2/g) do kích thước nano, giúp hấp phụ các chất ô nhiễm, bao gồm: ○ Chất hữu cơ ○ Kim loại nặng ○ Chất rắn lơ lửng ○ Phốt pho ● Ví dụ: Xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng bằng nano sắt Các ion kim loại nặng như Cr(VI), Pb(II), Cd(II) được hấp phụ vào bề mặt nano sắt, giúp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước 3.1.3 Lọc: ● Cơ chế: Các hạt nano sắt có thể tạo thành các bông cặn, giúp: ○ Lọc các chất rắn lơ lửng ○ Loại bỏ các vi sinh vật ● Ví dụ: Xử lý nước thải sinh hoạt bằng nano sắt Các bông cặn nano sắt giúp loại bỏ các chất rắn lơ lửng và vi sinh vật trong nước thải, giúp nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải 3.1.4 Khử trùng: 15 ● Cơ chế: Nano sắt có khả năng khử trùng, tiêu diệt vi khuẩn và virus thông qua: ○ Tạo ra các gốc hydroxyl (OH) có tính oxy hóa mạnh, phá hủy màng tế bào vi sinh vật ○ Gây tổn thương DNA của vi sinh vật ● Ví dụ: Xử lý nước thải y tế bằng nano sắt Nano sắt giúp khử trùng nước thải y tế, tiêu diệt các vi khuẩn và virus nguy hiểm 3.1.5 Tăng cường quá trình sinh học: ● Cơ chế: Nano sắt có thể kích thích sự phát triển của các vi sinh vật có lợi, giúp: ○ Phân hủy chất hữu cơ ○ Xử lý các chất ô nhiễm khác ● Ví dụ: Xử lý nước thải công nghiệp bằng nano sắt Nano sắt kích thích sự phát triển của các vi sinh vật có lợi, giúp phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải công nghiệp 3.2 Đối tượng: Crom(VI) là một trong những chất ô nhiễm có độc tính rất cao có trong môi trường nước Cr(VI) thường có trong nước thải của các nghành công nghiệp phổ biến như: luyện kim, mạ điện, dệt nhuộm, … ảnh hưởng đến chất lượng nước, môi trường sinh thái, sức khỏe con người Theo quy chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp, nồng độ Cr(VI) được thải ra môi trường là 0,05 - 1mg/l 3.3 Cách xử lí: Phun nhũ tương nano sắt hóa trị 0 nồng độ 10-30% vào nước thải theo tỉ lệ 1 lít nhũ tương/100m3 nước thải, sục thổi khí liên tục trong khoảng thời gian từ 1-12 giờ để cung cấp khí cho phản ứng giữa nước thải với nano sắt hóa trị 0, điều chỉnh pH trung tính nằm trong khoảng từ 7-7,5 và nhiệt độ nằm trong khoảng từ 15- 45oC Nước thải sau đó sẽ chuyển sang các bể lắng sơ cấp và thứ cấp để loại bỏ các 16 hợp chất lơ lửng, tách riêng phần bùn cặn và nước, phần bùn lắng sẽ được chôn lấp theo quy định còn phần nước sẽ được xả ra ngoài 3.4 Nguyên tắc xử lý: - Theo Zhanqiang Fang (2011), FeO nano xử lý Cr(VI) theo 3 bước:  Bước 1: Cr(VI) tiếp xúc với môi trường phản ứng của FeO nano và phản ứng khử xảy ra ở bề mặt rắn – lỏng Ở đó Cr6+ bị khử xuống Cr3+ và Fe0 bị oxi hoá thành Fe2+: Cr2O72- + 3FeO + 14H+ Þ 3Fe2+ + 2Cr3+ + 7H2O (1)  Bước 2: FeO phản ứng với H+ trong dung dịch tạo ra Fe2+, Fe2+ này lại tham gia vào phản ứng khử Sau đó Cr(VI) bị khử xuống Cr3+, Fe2+ bị oxi hoá thành Fe3+ như sau: 11Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ Þ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O (2)  Bước 3: Các sản phẩm Cr3+ và Fe3+ đều chuyển hoá thành (oxy) hydroxit Cr – Fe kết tủa và cố định ở trên bề mặt, thể hiện qua phương trình: (1-x)Fe3+ + xCr3+ + 3H2O Þ (CrxFe1-x)(OH)3 ↓ + 3H+ (3) (1-x)Fe2+ + xCr3+ + 3H2O Þ CrxFe1-xOOH ↓ + 3H+ (4) 17 - Theo Kunwar P Singh và cộng sự (2011), động học quá trình khử Cr(VI) phụ thuộc vào một số quá trình biến như: thời gian tiếp xúc, pH dung dịch, nồng độ Cr(VI), diện tích bề mặt hay liều lượng vật liệu khử 3.5 Yếu tố ảnh hưởng: 3.5.1 Ảnh hưởng của PH với hiệu suất xử lí Cr(VI) pH Thời gian Hàm Nồng độ Sắt nano dung phản ứng lượng Cr(VI) Nồng độ Hiệu dịch (giờ) nano (g) ban đầu Cr(VI) sau suất (%) (mg/l) phản ứng 2 10 0,025 30 26,982 10,06 4 10 0,025 30 13,857 53,81 6 10 0,025 30 8,625 71,25 8 10 0,025 30 11,772 60,76 Bảng 1: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý Cr(VI) Biểu đồ 1: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý Cr(VI) 18 Kết quả nghiên cứu cho thấy ở pHdd=2 sắt nano xử lý được 10,06% và tăng mạnh khi pHdd=4 (hiệu suất đạt 53,81%) và pHdd=6(hiệu suất đạt 71,25%); nhưng đến pHdd=8 hiệu suất giảm xuống 60,76% 3.5.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lí Cr(VI) Thời gian pH dung Hàm Nồng độ Sắt nano phản ứng dịch lượng Cr(VI) (phút) nano (g) ban đầu (mg/l) Nồng độ Hiệu suất Cr(VI) sau (%) phản ứng (mg/l) 10 6 0,025 30 8,625 71,25 8,145 72,85 30 6 0,025 30 7,509 74,92 5,331 82,23 60 6 0,025 30 240 6 0,025 30 Bảng 2: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI) Biểu đồ 2: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI) 19