Báo cáo thí nghiệm phân tích Hóa Lý

TÓM TẮT Báo cáo này tập trung vào việc tổng hợp nano oxit kẽm (ZnO) và tạo màng polyvinyl alcohol (PVA) kết hợp với ZnO, nhằm nghiên cứu các đặc tính hóa lý và ứng dụng tiềm năng của chúng. Nano ZnO là một vật liệu có nhiều tính chất quý như khả năng chống tia UV, tính kháng khuẩn, và hoạt tính quang xúc tác, trong khi PVA là một polymer có tính bền cơ học và khả năng tạo màng tốt. Báo cáo trình bày chi tiết các bước thực nghiệm, từ việc chuẩn bị hóa chất, thiết lập điều kiện phản ứng, cho đến quá trình tổng hợp và phân tích kết quả. Quy trình thực hiện thí nghiệm được thiết kế cẩn thận để đảm bảo tạo ra sản phẩm có tính chất tối ưu, đặc biệt là trong việc tạo ra màng PVA/ZnO có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải và phân hủy chất ô nhiễm, như methylene blue (một loại thuốc nhuộm tổng hợp).. Các kết quả thu được cho thấy sự phối hợp giữa PVA và ZnO giúp cải thiện đáng kể các đặc tính vật lý, hóa học của màng vật liệu, mở ra nhiều hướng phát triển trong công nghệ vật liệu.

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

Tổng quan về nano oxit ZnO

Nghiên cứu trong lĩnh vực phương pháp tổng hợp vật liệu nano chủ yếu được định hướng trong việc kiểm soát hình dạng, kích thước và thành phần của chúng [1] Mỗi yếu tố này là một yếu tố quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu dẫn đến các ứng dụng công nghệ khác nhau

Oxit kẽm là một hợp chất vô cơ có công thức phân tử ZnO và xuất hiện dưới dạng bột màu trắng và gần như không hòa tan trong nước Trong vỏ Trái đất, ZnO tồn tại dưới dạng khoáng zincite nhưng phần lớn ZnO được sử dụng cho mục đích thương mại được sản xuất tổng hợp ZnO thường được gọi là chất bán dẫn II-VI trong khoa học vật liệu vì kẽm và oxy thuộc nhóm thứ 2 và thứ 6 của bảng tuần hoàn [2] Với những cải tiến gần đây trong chất lượng và kiểm soát độ dẫn điện ở dạng khối và ZnO epiticular đã làm tăng sự quan tâm đến sử dụng vật liệu này cho các bộ phát ánh sáng bước sóng ngắn và các thiết bị điện tử trong suốt ZnO là chất bán dẫn có vùng cấm rộng, trực tiếp có tiềm năng ứng dụng trong quang tử tử ngoại và điện tử trong suốt Đối với điện tử học spin, các dự đoán lý thuyết cho thấy rằng hiện tượng sắt từ qua trung gian chất mang ở nhiệt độ phòng có thể xảy ra ở ZnO, mặc dù đối với vật liệu loại p Do đó ZnO là ứng cử viên cho trạng thái rắn quang điện tử từ xanh đến UV, bao gồm cả phát triển laser

ZnO là chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp có Eg = 3,37 eV Các dải cấm của ZnO có thể được điều chỉnh thông qua sự thay thế hóa trị hai trên vị trí cation thay thế cd dẫn đến giảm vùng cấm xuống ∼ 3,0 eV Trong khi độ linh động của điện tử hơi thấp hơn GaN, ZnO có tốc độ bão hòa cao hơn ZnO thường hình thành ở cấu trúc tinh thể lục giác (wurtzite) với a = b = 3,249 Å và c = 5,207 Å [2] Các nguyên tử Zn là phối hợp tứ diện với bốn nguyên tử O, trong đó các electron d Zn lai với các electron O p Các lớp có nguyên tử kẽm xen kẽ với các lớp có nguyên tử oxy Mức độ khiếm khuyết nội tại dẫn đến doping loại n nằm trong khoảng 0,01 – 0,05 eV dưới vùng dẫn Tính chất quang của ZnO nghiên cứu sử dụng quang phát quang, quang dẫn và hấp thụ, phản ánh bản chất vùng cấm trực tiếp, trạng thái kích thích liên kết mạnh và trạng thái khe hở do khuyết điểm Nhiệt độ phòng cao gần đỉnh phát quang UV ở biên dải ở ∼ 3,2 eV được cho là do trạng thái exciton, vì năng lượng liên kết của exciton vào khoảng 60 meV

Việc có các tính chất vật lý và hóa học độc đáo, chẳng hạn như độ ổn định hóa học cao, hệ số khớp nối điện hóa cao, phạm vi hấp thụ bức xạ rộng và độ bền quang cao, là một vật liệu đa chức năng Các hạt nano ZnO được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Người ta xác nhận rằng các ứng dụng khác nhau của hạt nano ZnO phụ thuộc vào việc kiểm soát cả tính chất vật lý và hóa học như kích thước, kích thước, độ phân tán, hình dạng, trạng thái bề mặt, cấu trúc tinh thể, tổ chức vào một giá đỡ và khả năng phân phối Điều này đã dẫn đến sự phát triển của một loạt các kỹ thuật để tổng hợp hợp chất

1.1.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất của ZnO

Các tinh thể nano oxit kẽm (ZnO) thường phát triển theo hướng đặc trưng của tinh thể cực Hơn nữa, việc thay đổi các điều kiện phản ứng có thể tạo ra các tinh thể oxit kẽm kích thước nano với những hình dạng khác biệt Tinh thể ZnO có cấu trúc tinh thể wurtzite (B4), có ô đơn vị lục giác với hai tham số mạng tinh thể a và c Trong cấu trúc lục giác wurtzite này, mỗi anion được bao quanh bởi bốn cation ở các góc của tứ diện, điều này thể hiện sự phối trí tứ diện và do đó thể hiện liên kết cộng hóa trị sp3 Cấu hình tứ diện của ZnO dẫn đến cấu trúc không đối xứng vì có sự khác biệt trong phân bố điện tích ở mức độ nguyên tử (Hình 1.1)[2] Các bề mặt phổ biến nhất của cấu trúc wurtzite ZnO bao gồm các mặt cực kết thúc bởi Zn (0001) và O (0001) (định hướng theo trục c), cũng như các mặt không phân cực (1120) (trục a) và (1010), với cả hai mặt không phân cực có số nguyên tử

Zn và O bằng nhau Các mặt cực thể hiện sự khác biệt về tính chất vật lý và hóa học, trong đó bề mặt kết thúc O có cấu trúc điện tử hơi khác so với ba bề mặt còn lại Ngoài ra, các mặt cực và mặt (1010) được cho là ổn định, trong khi mặt (1120) kém ổn định hơn và thường có độ nhám bề mặt cao hơn Mặt phẳng (0001) cũng được xem là mặt phẳng cơ bản trong cấu trúc ZnO

Hình 1.1 Cấu trúc tứ diện của ZnO[2]

1.1.1.2 Tính chất vật lý Độ cứng: với giá trị khoảng 4 – 5 trên thang độ cứng Mohs Điều này đặt kẽm oxit vào khoảng giữa độ cứng của thép và đá

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

11 Độ dẻo: có khả năng uốn cong hoặc uốn cong mà không gãy Điều này là do cấu trúc tinh thể của nó và liên kết giữa các nguyên tử Độ bền kéo: độ bền kéo tương đối cao, với khả năng chịu lực kéo một cách tương đối tốt trước khi bị déo móc hoặc gãy Điều này làm cho nó hữu ích trong các ứng dụng cần độ bền và khả năng chịu lực Độ bền nén: có khả năng chịu lực nén tương đối tốt Nó có thể chịu đựng áp lực nén trước khi bị biến dạng hoặc vỡ Độ co giãn: độ co giãn thấp, tức là khả năng thay đổi kích thước dưới tác động của lực căng hoặc lực ép là rất ít Điều này làm cho nó ít co giãn và ổn định trong quá trình sử dụng Điểm nóng chảy: ở khoảng 1.975°C Điều này có ý nghĩa trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao, nơi kẽm oxit có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị phân hủy

1.1.1.3 Tính chất hóa học của ZnO a Tính chất điện quang

Năng lượng liên kết của exiton là 60 meV ở 300 K, và là một trong những lý do khiến ZnO hấp dẫn đối với quang điện tử ứng dụng thiết bị, khối lượng hiệu dụng của electron là 0,24m0 và khối lượng hiệu dụng của lỗ là 0,59m0 Hall điện tử tương ứng độ linh động ở 300 K đối với độ dẫn loại n thấp là à = 200 cm 2 V1 s1 và đối với độ dẫn loại p thấp là 5 – 50 cm 2 Tính chất quang của ZnO bị ảnh hưởng nặng nề bởi cấu trúc vùng năng lượng và động lực học mạng Để có cái nhìn toàn diện về các tính chất quang học của sự tái hợp kích thích ở dạng khối, ZnO loại n.[2] b Tính kháng khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano ZnO đã được thực hiện trên 10 vi khuẩn thu được từ các mẫu bệnh phẩm bao gồm Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas Serratia marcescens, Salmonella typhi, aeruginosa, Acinetobacter baumannii, Citrobacter freundii, Proteus mirabilis, Staphylococcus aureus và Bacillus cereus Các chủng thuần khiết được nhân giống trên Nutrient Agar (Merck, Đức) ở 37°C và duy trì ở 4°C cho các nghiên cứu tiếp theo Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano ZnO Hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano ZnO được thử nghiệm bằng phương pháp khuếch tán giếng Agar Các chủng vi khuẩn phân lập được nuôi cấy trên môi trường môi trường dinh dưỡng (Merck, Đức) ở 37°C qua đêm Sau khi ủ, chủng cấy tiêu chuẩn của từng chủng vi khuẩn được chuẩn bị trong nước muối thông thường vô trùng đến nồng độ 1,5 × 108 CFU/mL và được so sánh với dung dịch chuẩn McFarland 0,5 Một miếng gạc vô trùng được nhúng vào huyền phù rồi cấy lên đĩa thạch Muller-Hinton (Merck, Đức) để tạo ra sự bao phủ đồng đều vi khuẩn trên bề mặt đĩa 13-15 Nồng độ khác nhau của các hạt

12 nano ZnO tổng hợp trong dimethyl sulfoxide (DMSO): Metanol (1:1 V/V) (Merck, Đức) đã được điều chế Các giếng có đường kính 6 mm được chọc thủng trong môi trường bằng cách sử dụng đục nút chai vô trùng và được lấp đầy bằng 20 μL huyền phù hạt nano ZnO Sau đó, các đĩa được ủ ở 37°C trong 24 giờ Sau khi ủ, hoạt tính kháng khuẩn được xác định bằng cách đo vùng ức chế xung quanh giếng tính bằng mm DMSO: dung môi metanol (1:1 V/V) được coi là đối chứng âm Để xác định MIC, 2 dãy pha loãng (160, 80, 40, 20,

10, 5, 2,5, 1,25, 0,62, 0,31, 0,15 và 0,075 mg/mL) huyền phù hạt nano ZnO đã được chuẩn bị và phân tích sinh học như đã đề cập ở trên 24 giờ ở 37°C và sau đó ghi kết quả.[2]

Hình 1.2 Ảnh SEM của hạt ZnO

Kết quả cho thấy bề mặt hạt nano có độ phân tán tương đối tốt Đối với tất cả các vi khuẩn, hạt nano ZnO cho thấy tác dụng ức chế tăng trưởng cao ngay cả ở nồng độ thấp và có tác dụng ức chế có ý nghĩa thống kê so với đối chứng (kháng sinh thông thường) trong tình trạng này Ngoài ra, không có hoạt tính kháng khuẩn trong dung dịch DMSO: metanol (1:1 v/v) không có hạt nano ZnO được sử dụng làm chất kiểm soát phương tiện, phản ánh rằng tác dụng kháng khuẩn có liên quan trực tiếp đến hạt nano ZnO.[2]

Tóm lại người ta đã chứng minh rằng các hạt nano ZnO thể hiện tiềm năng kháng khuẩn tuyệt vời Trong nghiên cứu này, việc pha loãng hạt nano ZnO dễ dàng ngăn chặn sự phát triển của tất cả các vi khuẩn được kiểm tra Tính nhạy cảm với sự pha loãng hạt nano ZnO phụ thuộc vào nồng độ Tất cả các chủng phân lập đều nhạy cảm với hơn MIC của hạt nano ZnO so với khả năng kháng cao với nhiều nhóm kháng sinh thông thường Trong một

13 nghiên cứu khác, người ta đã báo cáo rằng chất lỏng nano ZnO có hoạt tính kìm khuẩn chống lại E coli O157:H7 và phân tích SEM của vi khuẩn trước và sau khi xử lý bằng chất lỏng nano ZnO cho thấy rằng sự hiện diện của hạt nano ZnO có liên quan đến sự phá hủy màng tế bào của vi khuẩn Ngoài ra còn có các nghiên cứu khác xác nhận hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả của hạt nano ZnO trong đó các hạt nano có thể phân giải hoàn toàn Salmonella typhimurium và tụ cầu vàng gây ra ngộ độc thực phẩm Trong một nghiên cứu khác, hạt nano ZnO (12 nm) cho thấy hoạt động kháng khuẩn chống lại L monocytogenes và S enteritidis trong lòng trắng trứng lỏng và môi trường nuôi cấy Các phát hiện của họ đã chứng minh một số cách tiếp cận (bột, phủ PVP, màng và lớp phủ) để kết hợp ZnO trong hệ thống thực phẩm và sử dụng hạt nano ZnO trong an toàn thực phẩm Những phát hiện trên và kết quả của chúng tôi trong nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng hạt nano ZnO có thể được sử dụng trong hệ thống thực phẩm và có thể được sử dụng để ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh Một số cơ chế về đặc tính kháng khuẩn của hạt nano ZnO đã được đề xuất Việc tạo ra hydrogen peroxide và giải phóng các ion Zn 2+ có thể làm hỏng màng tế bào và tương tác với các chất nội bào Mặt khác, với việc giảm kích thước hạt của hạt nano và tăng diện tích bề mặt, đặc tính kháng khuẩn của ZnO sẽ tăng lên Việc sử dụng hạt nano vô cơ có nhiều ưu điểm so với các chất chống vi trùng và kháng sinh hiện nay Vấn đề quan trọng nhất đối với các chất chống vi trùng hiện nay là sự phổ biến của vi khuẩn kháng thuốc

Do đó, cần có một phương pháp thay thế để khắc phục tình trạng kháng thuốc của nhiều vi sinh vật

1.1.2 Ứng dụng của nano kẽm oxit (ZnO)

Hạt nano ZnO (oxit kẽm) đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ tính chất đặc biệt của chúng Với kích thước nhỏ, tính chất bán dẫn và khả năng tương tác với ánh sáng và chất khí, hạt nano ZnO đang trở thành một vật liệu quan trọng trong các lĩnh vực môi trường, công nghệ năng lượng, y tế và vật liệu thông minh

1.1.2.1 Ứng dụng trong sản xuất pin mặt trời Dye-Sensitized (DSSC)

Các tính chất cơ bản của ZnO có thể được cải thiện bằng cách thay đổi bề mặt hoặc pha tạp các Nanorod ZnO với các thực thể khác nhau Những tính chất được cải thiện này dẫn đến việc cải thiện các tính chất của thiết bị dựa trên Nanorod Các tính chất quang hóa của các Nanorod ZnO bị ảnh hưởng bởi việc nhạy hóa các nanorod với các hạt nano chì sulfide (PbS)[3] Các Nanorod ZnO được tổng hợp trên các đế kính phủ Soda lime và FTO (Oxide thiếc pha tạp fluor), và quá trình tổng hợp được thực hiện thông qua phương pháp reflux Các màng mỏng PbS được lắng đọng bằng phương pháp SILAR (hấp thụ và phản ứng lớp ion kế tiếp)[4] Pin mặt trời có mối nối lỏng dựa trên ZnO/Al:ZnO/ZnS hoặc ZnSe/CZTS (sulfide đồng-kẽm-thiếc), giúp hấp thụ photon hiệu quả và có các đường dẫn ngắn hơn cho quá trình vận chuyển điện tích[5] Một dãy nano một chiều của

Tổng quan về màng PVA

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một loại polymer tổng hợp được tạo thành từ quá trình thủy phân polyvinyl acetate (PVAc) Đặc điểm nổi bật của PVA là khả năng hòa tan trong nước và tính chất thân thiện với môi trường, nhờ vào đặc điểm phân hủy sinh học Do đó, PVA thường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất màng, bao bì, keo dán, và sợi

Ngoài ra, PVA có khả năng tạo màng tốt, giá thành thấp và có khả năng kết nối hóa học (crosslinking) dễ dàng, làm tăng thêm tính bền vững của vật liệu khi được sử dụng trong các ứng dụng tiếp xúc với nước Điều này làm cho màng PVA trở thành một vật liệu lý tưởng trong các quy trình màng lọc, tách, hoặc hấp thụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ xử lý nước, y tế, và đóng gói thực phẩm

1.2.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất của màng PVA

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một loại polymer tổng hợp được tạo thành từ quá trình thủy phân polyvinyl acetate (PVAc) Đặc điểm nổi bật của PVA là khả năng hòa tan trong nước và tính chất thân thiện với môi trường, nhờ vào đặc điểm phân hủy sinh học Do đó, PVA thường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất màng, bao bì, keo dán, và sợi

Ngoài ra, PVA có khả năng tạo màng tốt, giá thành thấp và có khả năng kết nối hóa học (crosslinking) dễ dàng, làm tăng thêm tính bền vững của vật liệu khi được sử dụng trong các ứng dụng tiếp xúc với nước Điều này làm cho màng PVA trở thành một vật liệu lý tưởng trong các quy trình màng lọc, tách, hoặc hấp thụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ xử lý nước, y tế, và đóng gói thực phẩm

PVA là một polymer bán tinh thể, bao gồm chuỗi cacbon chính liên kết với nhóm hydroxyl (-OH) chức năng Trong cấu trúc polymer, nhóm hydroxyl này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành liên kết hydro giữa các phân tử PVA, tạo ra sự ổn định và khả năng liên kết mạng lưới (crosslinking) của vật liệu Tùy thuộc vào mức độ thủy phân của polyvinyl acetate, PVA có thể tồn tại ở hai dạng: thủy phân hoàn toàn và thủy phân không hoàn toàn

PVA thủy phân hoàn toàn: Tất cả các nhóm acetat (CH3COO - ) từ PVAc được thay thế bằng nhóm hydroxyl Loại PVA này có khả năng hút ẩm cao, dễ hòa tan trong nước, và thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ hòa tan tốt.[14]

PVA thủy phân không hoàn toàn: Một phần các nhóm acetat vẫn còn lại, làm cho polymer ít thấm nước hơn, độ bền cơ học cao hơn và có khả năng chống ẩm tốt hơn so với PVA thủy phân hoàn toàn.[14]

Hình 1.3 (a) Cấu trúc phân tử của PVA thủy phân hoàn toàn và (b) không hoàn toàn; Chỉ số dưới n và m biểu thị mức độ trùng hợp tương ứng.[14]

PVA là một polymer có độ phân cực cao nhờ vào sự hiện diện của nhóm hydroxyl trong cấu trúc Điều này giúp cho PVA có khả năng tương tác tốt với nước và các dung môi phân cực khác, nhưng lại làm giảm tính bền cơ học và nhiệt khi gặp nước Tuy nhiên, bằng cách tạo liên kết mạng lưới (crosslinking), tính chất cơ học và độ ổn định nhiệt của màng PVA có thể được cải thiện đáng kể, giúp nó phù hợp với các ứng dụng cần độ bền cao

PVA cũng có khả năng kết tinh một phần, điều này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý như độ hòa tan và độ dẻo Sự kết tinh có thể bị kiểm soát thông qua việc điều chỉnh mức độ thủy phân và điều kiện tổng hợp

1.2.1.3 Tinh chất hóa học của màng PVA

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer tuyến tính có tính chất bán tinh thể, với cấu trúc gồm chuỗi cacbon và các nhóm hydroxyl (-OH) dọc theo mạch polymer Điều này giúp màng PVA có những đặc tính đáng chú ý, nhất là khả năng tương tác với nước, khả năng liên kết chéo (crosslinking), và tính chất phân hủy sinh học.[14] a Tính chất hòa tan và độ hút ẩm

Tính hòa tan của PVA phụ thuộc chủ yếu vào mức độ thủy phân và trọng lượng phân tử PVA thủy phân hoàn toàn tan tốt trong nước nóng và có thể tạo ra dung dịch có độ nhớt cao Trong khi đó, PVA thủy phân một phần có tính chất bán hòa tan, không tan trong nước lạnh và có khả năng hòa tan trong một số dung môi hữu cơ như ethanol.Tính hút ẩm cao của PVA là do sự hiện diện của nhóm hydroxyl, cho phép polymer này tạo liên kết hydro

19 với các phân tử nước Khả năng hút ẩm của PVA có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng các chất tạo liên kết chéo, như glutaraldehyde hoặc các dẫn xuất dialdehyde khác, giúp giảm độ hút nước và tăng tính ổn định trong môi trường ẩm b Liên kết chéo và tính ổn định

Quá trình liên kết chéo giúp giảm khả năng tan trong nước và cải thiện độ bền cơ học cũng như tính ổn định nhiệt Các phương pháp tạo liên kết chéo bao gồm sử dụng các tác nhân hóa học như glutaraldehyde hoặc các phương pháp vật lý như xử lý nhiệt, chiếu xạ Điều này tạo ra các màng có độ bền cơ học cao và khả năng chống thấm tốt, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng của PVA trong công nghiệp

Ví dụ, khi sử dụng glutaraldehyde, các nhóm -OH của PVA phản ứng với nhóm aldehyde để tạo thành cầu nối giữa các chuỗi polymer Sự liên kết chéo này làm tăng tính kháng nước của PVA, giúp màng duy trì cấu trúc trong môi trường ẩm ướt, và giảm độ thấm nước Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng màng PVA trong tách lọc hoặc thẩm thấu ngược c Tính kháng hóa chất

Tổng quan về màng PVA/ZnO

Màng PVA/ZnO (polyvinyl alcohol và oxit kẽm) là một loại màng tổng hợp có sự kết hợp của hai vật liệu chính: PVA, một polymer có tính năng hình thành màng, độ phân hủy sinh học tốt và an toàn môi trường, cùng với ZnO, một chất bán dẫn với tính chất quang điện và khả năng kháng khuẩn Sự kết hợp này đã tạo ra một loại màng có đặc tính vượt trội, tạo ra màng có tính dẫn điện cao, đồng thời có khả năng chống tia UV và vi khuẩn, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh, điện tử và xử lý môi trường

PVA có tính tương thích sinh học cao, độ hòa tan tốt trong nước, và khả năng kết dính tuyệt vời, giúp nó dễ dàng liên kết với các vật liệu khác Khi kết hợp với ZnO, màng PVA/ZnO có thêm khả năng chống lại vi khuẩn, tia UV, và có tính chất dẫn điện tốt, mở rộng phạm vi ứng dụng trong các thiết bị quang học, vật liệu kháng khuẩn và màng lọc Màng PVA/ZnO được tổng hợp chủ yếu bằng phương pháp casting từ dung dịch, trong đó các hạt nano ZnO được phân tán vào trong PVA để tạo thành lớp màng mỏng có độ đồng nhất cao

1.3.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất của màng PVA/ZnO

Màng PVA/ZnO có cấu trúc bán kết tinh, với các đỉnh nhiễu xạ XRD của ZnO cho thấy cấu trúc lục giác wurtzite Khi nồng độ ZnO tăng, độ kết tinh của màng cũng tăng theo, nhờ vào sự tương tác giữa ZnO và chuỗi polymer PVA

1.3.1.2 Tính chất quang học màng PVA/ZnO

Quang học: Màng PVA/ZnO cho thấy sự dịch chuyển xanh trong dải năng lượng băng cấm so với ZnO kích thước lớn (bulk ZnO), nhờ vào hiệu ứng giam cầm lượng tử Khi ZnO được tích hợp vào PVA, có sự chuyển dịch đỏ so với nano ZnO Điều này được giải thích bởi sự phát triển các trạng thái khiếm khuyết và biến dạng trong màng composite.[19][20]

Phổ hấp thụ UV-Vis: Màng composite PVA/ZnO có dải hấp thụ quang ở khoảng 356-

363 nm, cho thấy sự tăng cường hấp thụ bức xạ UV.[20]

Tính chất phát quang: Các nghiên cứu về phát quang cho thấy cường độ phát xạ màu xanh (blue emission) ở bước sóng 470 nm thay đổi theo nồng độ ZnO, với cường độ tối ưu ở mức 10 mol% ZnO [19]

1.3.1.3 Tính chất điện môi Điện môi: Màng PVA/ZnO có độ dẫn điện tăng dần khi tần số tăng, đặc biệt là khi có sự tăng mật độ hạt nano ZnO trong nền polymer Ở tần số thấp, các màng có hiện tượng phân cực lưỡng cực do sự tương tác giữa các hạt nano ZnO và mạng polymer PVA, nhưng ở tần số cao hơn (trên 10⁶ Hz), màng composite hoạt động như một vật liệu không tổn thất.[21]

Tính dẫn điện: Điện trở khối của vật liệu giảm dần theo tần số, cho thấy khả năng vận chuyển điện tích cải thiện khi tăng nồng độ ZnO.[21]

Hình thái bề mặt: Ảnh SEM cho thấy các hạt ZnO phân tán đồng đều trong nền PVA Tùy theo nồng độ, có thể xuất hiện sự kết tụ của các hạt ZnO, điều này ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện và cơ học của màng.[19, 20]

1.3.2 Ứng dụng của màng PVA/ZnO

Màng PVA/ZnO có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhờ tính chất vượt trội của nó:

- Y sinh: Nhờ tính tương thích sinh học và khả năng kháng khuẩn, màng PVA/ZnO được sử dụng trong các thiết bị y tế như băng vết thương, vật liệu cấy ghép và màng lọc

25 sinh học ZnO có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, giúp giảm nguy cơ nhiễm trùng, trong khi PVA có thể tạo màng bảo vệ và giúp vết thương nhanh lành

- Công nghiệp điện tử: ZnO là một chất bán dẫn có khả năng dẫn điện và quang dẫn, do đó màng PVA/ZnO được ứng dụng trong các thiết bị quang điện như cảm biến ánh sáng, pin mặt trời, và các thiết bị lưu trữ năng lượng

- Xử lý môi trường: Với tính chất kháng khuẩn và khả năng phân hủy sinh học của PVA, màng PVA/ZnO còn được sử dụng trong hệ thống lọc nước và khí, loại bỏ các chất ô nhiễm và vi sinh vật có hại từ môi trường

Màng PVA/ZnO có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành vật liệu năng lượng nhờ các tính chất độc đáo của nó:

- Pin mặt trời: làm lớp chuyển đổi năng lượng trong pin mặt trời hữu cơ, cải thiện hiệu suất thu năng lượng ánh sáng và tăng độ bền và tuổi thọ của pin

- Siêu tụ điện: làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện, tăng diện tích bề mặt và khả năng lưu trữ điện tích

- Pin nhiên liệu: sử dụng làm màng trao đổi proton trong pin nhiên liệu, cải thiện độ dẫn proton và độ bền cơ học

- Thu hoạch năng lượng áp điện: tạo ra các thiết bị thu hoạch năng lượng từ chuyển động cơ học và ứng dụng trong cảm biến tự cấp nguồn

- Lưu trữ hydro: cải thiện khả năng hấp thụ và giải phóng hydro trong vật liệu lưu trữ

- Cửa sổ thông minh: điều chỉnh độ trong suốt dựa trên điều kiện ánh sáng và tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà

- Cảm biến năng lượng: phát hiện và đo lường các dạng năng lượng khác nhau (ánh sáng, nhiệt, cơ học)

- Vật liệu chống ăn mòn: bảo vệ các thiết bị năng lượng khỏi sự ăn mòn môi trường

- Tản nhiệt: cải thiện quá trình tản nhiệt trong các thiết bị điện tử và năng lượng

1.3.3 Các phương pháp tổng hợp màng PVA/ZnO

Phương pháp đúc dung dịch: bắt đầu bằng cách chuẩn bị dung dịch polyvinyl alcohol (PVA) PVA được hòa tan trong nước cất dưới nhiệt độ đun nóng nhẹ, thường ở khoảng 80–90°C, để đạt được dung dịch đồng nhất và đồng nhất Các hạt nano ZnO, được tổng hợp trước hoặc thu được trên thị trường, sau đó được phân tán vào dung dịch PVA Cần khuấy mạnh để đảm bảo phân phối đồng đều các hạt nano ZnO, giúp cải thiện các đặc tính cơ học và quang học của nanocomposite Khi hỗn hợp ZnO/PVA đồng nhất, hỗn hợp này được đổ vào khuôn phẳng hoặc lên bề mặt nhẵn để tạo thành lớp màng mỏng Quá trình sấy khô cho phép dung môi bay hơi, tạo thành màng nanocomposite rắn, linh hoạt Phương pháp này tiết kiệm chi phí và thường được sử dụng do tính đơn giản, khả năng mở rộng và kiểm soát được sự phân tán ZnO bên trong màng [22]

Kỹ thuật sol-gel: Kỹ thuật sol-gel tổng hợp các hạt nano ZnO trực tiếp trong dung dịch tiền chất, thường liên quan đến kẽm axetat trong dung môi gốc cồn Quá trình này bao gồm bắt đầu bằng cách chuẩn bị dung dịch PVA từ bột PVA hoà tan trong nước, được duy trì khuấy liên tục ở 80°C cho đến khi dung dịch trở nên đồng nhất Sau đó, bột nano ZnO (kích thước khoảng 30-70 nm) được thêm từ từ vào dung dịch PVA, đồng thời khuấy đều để đảm bảo sự phân tán đồng đều của ZnO trong nền polymer Sau khi đã đạt được hỗn hợp đồng nhất, dung dịch PVA/ZnO này được đổ lên bề mặt phẳng và sấy ở nhiệt độ thấp từ 60- 80°C để hình thành màng Màng PVA/ZnO thu được có sự phân tán đồng đều của ZnO, đảm bảo độ trong suốt tốt và các đặc tính cơ học, quang học, cũng như khả năng kháng khuẩn vượt trội Phương pháp sol-gel có lợi thế trong việc kiểm soát kích thước, hình dạng và chất lượng tinh thể của hạt nano, có thể tăng cường độ ổn định nhiệt và đặc tính kháng khuẩn của nanocomposite [23] Đây là phương pháp sử dụng tạo màng PVA/ZnO trong thí nghiệm phân tích hoá lý

Trùng hợp tại chỗ (In-Situ Polymerization): trong phương pháp trùng hợp tại chỗ, các hạt nano ZnO ban đầu được phân tán trong dung dịch monome vinyl axetat Sau đó, quá trình trùng hợp được thực hiện, thường thông qua các chất khởi tạo nhiệt hoặc hóa học, chuyển đổi monome thành polyvinyl alcohol trong khi kết hợp các hạt nano ZnO Phương pháp này cho phép các hạt nano ZnO tích hợp hiệu quả hơn trong ma trận polyme, có khả năng tăng cường độ bền cơ học và khả năng tương thích giữa ZnO và PVA Sau khi trùng hợp, dung dịch ZnO/PVA được đúc trong khuôn và để khô, tạo thành màng [24]

QUY TRÌNH TỔNG HỢP NANO OXIT KẼM (ZnO)

Mục đích thí nghiệm

Quá trình tổng hợp các hạt nano ZnO nhằm mục đích khám phá và tận dụng các đặc tính nano độc đáo của chúng, chẳng hạn như độ ổn định hóa học được tăng cường, khả năng hấp thụ bức xạ rộng, đặc tính kháng khuẩn và hiệu quả quang xúc tác vượt trội Vì ZnO không đắt, thân thiện với môi trường và tương đối dễ sản xuất, nên nghiên cứu tập trung vào việc tinh chỉnh các phương pháp tổng hợp để điều chỉnh các hạt này cho các ứng dụng cụ thể trong nhiều ngành công nghiệp

Thông qua quy trình kỹ thuật sol-gel nhằm hướng đến mục tiêu kiểm soát hình thái, kích thước và độ kết tinh của các hạt nano ZnO, những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của chúng trong các ứng dụng mục tiêu Tính linh hoạt của ZnO như một chất bán dẫn và khả năng chặn tia UV hoặc hoạt động như một cảm biến khí làm nổi bật tầm quan trọng của nó trong nhiều ngành công nghiệp Các nghiên cứu sâu hơn nhằm cải thiện các đặc tính cảm biến khí, hoạt động quang xúc tác và các đặc tính chức năng khác thông qua các chiến lược tổng hợp được tối ưu hóa, cho phép ZnO đáp ứng các nhu cầu đang thay đổi trong chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp và công nghệp.

Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

2.1.1 Hóa chất dùng cho thí nghiệm

Bảng 2.1 Hoá chất dùng trong thí nghiệm tổng hợp nano oxit kẽm ZnO

STT Tên hoá chất Hình ảnh

1 Zinc Acetate Dihydrate – Zn(CH3COO)2.2H2O

(AR, Xilong, Cas 5970-45-6, Trung Quốc) 99%

2 Natri Hydoride – NaOH (AR, Xilong, Cas 1310-

3 Ethanol Absolute – C2H5OH (Chemsol, Việt Nam)

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH TỔNG HỢP NANO OXIT KẼM (ZnO)

5 SDS 7% (Sodium Dodecyl Sulphate): Biosharp -

Bảng 2.2 Tỉ lệ hoá chất trong thí nghiệm tổng hợp nano oxit ZnO

STT Hóa chất Tỉ lệ Hình ảnh

Với tỉ lệ Zn(CH3COO)2.2H2O và NaOH 0.5M là 1:2

2.1.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Dụng cụ thực nghiệm bao gồm: cốc thí nghiệm (200ml và 500ml), bình định mức (25ml và 100ml), đũa thủy tinh, pipette, giấy cân khối lượng mẫu, giấy lọc, giấy quỳ tím, chày và cối giã, bình lọc hút chân không, chén nung không nắp, và các dụng cụ lưu trữ (ống nghiệm, đĩa petri, túi zip, v.v), bình erlen, ống nghiệm,v.v

Thiết bị sử dụng trong thực nghiệm: cân điện tử, lò nung, lò sấy, bếp khuấy từ có gia nhiệt, cá từ (điều kiện bình thường)

Bảng 2.1 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm quy trình tổng hợp nano ZnO

STT Tên thiết bị và dụng cụ thí nghiệm Ảnh

1 Bếp sấy (nồi + máy gia nhiệt)

Becher, ống đong nước, bình lọc hút chân không, pipette, đũa thuỷ tinh,…

8 Bếp khuấy từ, cá từ

9 Giấy cân, giấy lọc, giấy quỳ tím, túi zip,…

Trình tự thí nghiệm

2.3 Điều kiện phản ứng của thí nghiệm

- Đối với dung dịch Zn(CH3COO)2.2H2O: khuấy hòa tan ở nhiệt độ phòng

- Đối với hỗn hợp Zn(CH3COO)2.2H2O và NaOH 0.5M : khuấy đều ở pH = 9

- Đối với nước lọc từ kết tủa: pH = 7

- Đối với kết tủa Zn(OH) 2 : sấy ở 70℃, và nung ở 500°C

2.4 Trình tự thí nghiệm

Bảng 2.3 Quy trình tổng hợp nano oxit kẽm ZnO [27]

STT Các bước tiến hành Hình ảnh

Cho 8g Zn(CH3COO)2.2H2O vào 50ml nước cất và khuấy đến khi tan hoàn toàn ở nhiệt độ phòng trên máy khuấy từ

Tiếp tục cho vào dung dịch 7% SDS (Sodium

Dodecyl Sulphate) (0.5g) vào và khuấy trên máy khuấy từ cho đến khi hóa chất tan hết trong dung dịch

3 Chuẩn bị dung dịch NaOH

Sau đó, bắt đầu nhỏ từng giọt dd NaOH vào dung dịch kẽm acetate (vừa nhỏ vừa khuấy), cho đến khi đạt pH = 9 thì tiếp tục khuấy đều thêm 90 phút

Dùng màng thực phẩm bịt kín bình becher trong quá trình gia nhiệt sẽ giúp: tăng độ tinh khiết của nano kẽm oxit, đảm bảo quá trình tổng hợp đúng tỷ lệ

Lọc rửa kết tủa qua nước cất và ethanol nguyên chất cho đến khi đo pH phần nước lọc ra đạt ~7 thì ngưng

Kết tủa được mang đi sấy ở nhiệt độ 70°C đến khối lượng không đổi

Nghiền mẫu thật mịn rồi tiến hành nung ở 500°C trong 4 giờ

Bảo quản mẫu đã nung trong khay gốm bịt kín bằng màng bọc thực phẩm để tránh mẫu hút hơi nước từ môi trường và sử dụng các phương pháp phân tích để đánh giá chất lượng mẫu Lấy 1 lượng nhỏ cho thí nghiệm tạo màng PVA/ZnO Sau cùng bảo quản trong túi zip

Sơ đồ quy trình thí nghiệm

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp nano oxit kẽm ZnO

Nano oxit kẽm ZnO Đong

Tan hoàn toàn ở nhiệt độ phòng

Tan hết mới cho tiếp

Ngưng khi pH = 7 Đến khối lượng không đổi

2.4.2 Độ giảm khối lượng và hiệu suất quá trình nung ZnO

Bảng 2.4 Độ giảm khối lượng ZnO do quá trình nung Ảnh Đặc điểm Khay nung không chứa mẫu

Khây chứa mẫu trước nung

Khây chứa mẫu sau nung + sấy đến khối lượng không đổi Khối lượng

Khối lượng mẫu (g) 2.658 2.554 Độ giảm khối lượng:

∆m = m 1 − m 2 Trong đó, m1 là khối lượng trước khi nung mẫu m2 là khối lượng sau khi nung mẫu đến khối lượng không đổi

∆m = m 1 − m 2 = 2.658 − 2.554 = 0.104 g Vậy sau khi nung mẫu khối lượng giảm 0.104g do độ ẩm trong mẫu đã được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình nung

Hiệu suất quá trình nung mẫu:

H = m thực tế × 100% m lý thuyết Trong đó, m thực tế: khối lượng thực tế (g)

41 m lý thuyết: khối lượng lý thuyết (tính theo phương trình) (g)

- Khối lượng thực tế là khối lượng sau khi nung và sấy mẫu đến khối lượng không đổi: m thực tế = 2.554 g (1)

- Khối lượng lý thuyết của ZnO được tính từ ban đầu

Phương trình phản ứng kẽm acetat và NaOH:

Zn(CH3COO)2 + 2NaOH → Zn(OH)2(r) + 2CH3COONa Sau khi nung:

Zn(CH3COO)2 → M (g/mol) = 65 + (2×12) + (3×2) + (12×2) + (32×2) = 183 (g/mol) Lấy 8 g kẽm acetat → n Zn(CH 3 COO) 2 = m

→ Phương trình phản ứng dư lượng Zn(CH3COO)2 → lấy số mol của NaOH đem đi phản ứng

→ n Zn(OH) 2 : n ZnO = 1:1 → n ZnO = 0.0375 mol

➯ Khối lượng ZnO tính toán lý thuyết là: m lý thuyết = 0.0375× (65+16) ≈ 3.038 g (2)

Từ (1) và (2) ta có phương trình:

Kết luận

Đầu tiên, việc sử dụng SDS trong quá trình tổng hợp hạt nano ZnO do ZnO là một loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cao su, vật liệu phủ, chất xúc tác, cảm biến,… Trong một số ứng dụng, vật liệu ZnO không chỉ phụ thuộc tính chất hóa học mà còn chịu ảnh hưởng bởi hình thái của cấu trúc vật liệu Điều này có nghĩa là nhiều ứng dụng có liên quan đến tính chất của hạt nano ZnO như độ ổn định, độ phân tán, kích thước và hình thái Trong những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc sử dụng chất hoạt động bề mặt có sự tác động đáng kể đến hình thái và kích thước của hạt ZnO Việc bổ sung chất hoạt động bề mặt sẽ làm giảm sức căng bề mặt và năng lượng bề

42 mặt của các hạt chất lỏng, do đó làm giảm sự kết tụ của chúng, cuối cùng kiểm soát kích thước và hình thái của hạt nano một cách hiệu quả [28, 29]

Sodium dodecyl sulfate (SDS) là chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong quá trình tổng hợp hạt nano ZnO Việc bổ sung chất hoạt động bề mặt sẽ làm giảm sức căng bề mặt và năng lượng bề mặt của các hạt nano ZnO Từ đó giúp làm giảm sự kết tụ của các hạt lại với nhau Ngoài ra, việc sử dụng SDS còn góp phần giúp dung dịch bền hơn và có thể kiểm soát kích thước cũng như hình thái của hạt nano ZnO một cách hiệu quả [28, 30]

Ngoài ra, Yu và các cộng sự đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt lên cấu trúc nano ZnO Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khi thêm chất hoạt động bề mặt (SDS, CTAB, PEG-400 và PVP) vào dung dịch phản ứng, sẽ thu được ZnO có hình thái khác nhau Điều này chỉ ra rằng chất hoạt động bề mặt đóng vai trò chính trong việc thay đổi hình thái của ZnO [31]

Cuối cùng, hiệu suất quá trình nung mẫu (ZnO) khá cao (84.068%) Vì:

- Hiệu suất từ 60% đến 80% thường được coi là hiệu suất trung bình của nhiều phản ứng → Hiệu suất 84.068% cho thấy quy trình đã được tối ưu hóa và kiểm soát tốt

- Khối lượng bị mất thấp trong các bước thực hiện như lọc, rửa, và nung, mất mát một phần

- Nhiều phản ứng hóa học có phản ứng xảy ra hoàn toàn.

QUY TRÌNH TẠO MÀNG PVA

Thí nghiệm màng PVA được thiết kế để nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách polyvinyl alcohol (PVA) có thể được điều chỉnh để sử dụng trong các ứng dụng tách hiệu suất cao Nhờ các đặc tính vốn có của PVA như tính ưa nước, khả năng tương thích sinh học và khả năng tạo màng, màng này đóng vai trò là vật liệu thích ứng để phát triển các màng phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực lọc nước, pin nhiên liệu và y sinh Trong các quy trình tách, chẳng hạn như thẩm thấu hơi và siêu lọc, màng PVA cung cấp các rào cản chọn lọc cho phép các phân tử cụ thể đi qua có kiểm soát, rất quan trọng đối với quá trình tinh chế và lọc hiệu quả Hơn nữa, liên kết ngang PVA với các tác nhân như glutaraldehyde làm tăng tính toàn vẹn về mặt cấu trúc và khả năng chống nước của nó, cải thiện hiệu suất trong môi trường nước

Thí nghiệm này thường liên quan đến việc biến đổi PVA bằng nhiều chất liên kết ngang khác nhau hoặc kết hợp nó với các polyme khác để tối ưu hóa độ thấm, độ bền cơ học và tính chọn lọc Bằng cách điều chỉnh thành phần và cấu trúc của màng PVA hướng đến mục tiêu khắc phục những hạn chế như độ phồng do nước gây ra, do đó mở rộng ứng dụng của màng PVA trong các quy trình công nghiệp phức tạp Những tiến bộ này cũng hỗ trợ các phương pháp tiếp cận thân thiện với môi trường trong công nghệ màng bằng cách sử dụng PVA, một loại polyme không độc hại, hòa tan trong nước, trong các ứng dụng lọc và năng lượng thiết yếu.

3.2.1 Hoá chất dùng trong thí nghiệm

Bảng 3.1 Hoá chất dùng trong thí nghiệm tạo màng PVA

Bảng 3.2 Tỉ lệ hoá chất trong thí nghiệm tạo màng PVA

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH TẠO MÀNG PVA

Bảng 3.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm tạo màng PVA

2 Becher, ống đong nước, đũa thuỷ tinh,…

- Dung dịch PVA: khuấy hòa tan ở 80-85 o C

- Làm nguội dung dịch PVA để tạo thành màng ở nhiệt độ phòng khoảng 3 tuần

Bảng 3.4 Quy trình chế tạo màng PVA[26]

1 Cho 60 ml H2O vào becher gia nhiệt trên máy khuấy từ đến 80-85 o C

Tiếp tục cho từ từ 3g PVA vào cốc becher đã gia nhiệt cho đến khi tan đều (khoảng 2 giờ) Trong quá trình gia nhiệt bịt kín cốc becher bằng màng bọc thực phẩm để cho dung dịch không bị lẫn tạp chất từ bên ngoài đồng thời giúp cho tỉ lệ tạo màng chính xác hơn

Lúc PVA tan hoàn toàn

Khi PVA đã tan hoàn toàn tiến hành cân

Lưu ý khi cân do cốc becher đã gia nhiệt nên có nhiệt độ nóng vì vậy khi cân cần chêm đĩa petri thuỷ tinh nguội lên cân điện tử rồi mới đặt cốc becher chứa PVA lên cân

4 Tiến hành rót hỗn hợp trên ra 3 đĩa petri và làm nguội ở nhiệt độ phòng trong 3 tuần

Sau khi mẫu khô hoàn toàn tách mẫu ra khỏi đĩa petri

Bảo quản 1 mẫu trong túi zip và 2 mẫu dùng cho thí nghiệm đo pH và phân huỷ trong môi trường methylene blue

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình tạo màng PVA

Cân khối lượng sau khuấy

Làm nguội ở nhiệt độ phòng

3 tuần Đến khi đồng nhất, trong suốt

3.4.2 Mất khối lượng do bay hơi nước của màng PVA

Bảng 3.5 Mất khối lượng do bay hơi nước của màng PVA

STT Đĩa petri 1 Đĩa petri 2 Đĩa petri 3

Khối lượng dung dịch + đĩa petri (g)

Kết luận

Khi chế tạo màng PVA để đạt được chất lượng màng tốt nhất cần biết rõ nhiệt độ phân huỷ của PVA để thực hiện nung chảy ở nhiệt độ phù hợp tránh nung chảy ở nhiệt độ cao (150-170 o C) và đặc biệt quan tâm đến ba yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng là: nhiệt độ phân huỷ chất tan, nhiệt độ sôi của dung môi và nồng độ hoà tan

Nhiệt độ nóng chảy của PVA thủy phân hoàn toàn là khoảng 220 o C và PVA thủy phân một phần là khoảng 180 o C Nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) trong khoảng 65-90 o C và nhiệt độ phân hủy trong khoảng 220-260 o C.[14]

Hình 3.2 Thủy phân PVA trong nước khi khuấy và đun nóng ở 70 o C[14]

Các phối tử OH và kết tinh ở dạng đơn tà (Hình 1(a)) Khi khuấy với nước, độ hòa tan của các phôi tử này phụ thuộc vào việc hình thành liên kết hidro giữa phân tử PVA và phân tử nước Vì vậy, quá trình hòa tan PVA vào nước cần phải khuấy gia nhiệt (Hình 1(b)) Nhóm phân cực (-OH) của PVA có xu hướng liên kết với phân tử nước phân cực, trong đó, mỗi liên kết -OH liên kết với hai phân tử nước phân cực thông qua liên kết -H yếu Theo cách này, nước liên kết trục tiếp với PVA và tạo thành một lớp hydrat Quá trình này giúp phân tử PVA phân tán tốt hơn nhờ vào sự phá vỡ các liên kết giữa các chuỗi polyme với nhau (Hình 1(c)) [32]

Yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy của PVA:

Nhiệt độ phân hủy chất tan: PVA có nhiệt độ phân hủy khá cao (220-260 o C) Khi hòa tan PVA ở khoảng nhiệt độ này, các chuỗi polyme bị phá vỡ, làm thay đổi cấu trúc phân tử và tính chất của vật liệu

Nhiệt độ sôi của dung môi (nước): Nhiệt độ cao có thể giúp đẩy nhanh qua trình hào tan PVA Tuy nhiên, khi gia nhiệt nước ở nhiệt độ quá cao có thể gây khó khăn trong quá trình kiểm soát nhiệt độ của nước và làm tăng khả năng PVA bị phân hủy Bên cạnh đó, nước ở nhiệt độ cao sẽ bốc hơi nhanh hơn dẫn đến bị mất nhiều dung môi hơn

Nồng độ hòa tan: Nồng độ PVA càng nhiều sẽ làm tăng độ nhớt của dung dịch, khiến cho các phân tử nước khó xâm nhập và phá vỡ chuỗi polymer Dẫn đến quá trình hòa tan PVA sẽ lâu hơn Vì vậy, khi hòa tan một lượng lớn PVA, cần chia nhỏ thành từng phần nhỏ để quá trình hòa tan đạt hiệu quả hơn

Từ những yếu tố ảnh hưởng trên, có thể thấy việc phân hủy PVA ở 150-170 o C là không cần thiết vì sẽ gây hao tổn dung môi, tăng khả năng PVA bị phân hủy và làm ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.

QUY TRÌNH TẠO MÀNG PVA/ZNO

Thí nghiệm chế tạo màng polyvinyl alcohol (PVA) chứa các hạt nano kẽm oxit (ZnO) là nhằm tạo ra vật liệu composite có khả năng quang phân hủy mạnh mẽ trong các ứng dụng xử lý môi trường Việc thêm các hạt nano ZnO vào màng PVA giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu do kẽm oxit (ZnO) đóng vai trò hoạt động như chất xúc tác quang khi tiếp xúc với ánh sáng UV, tạo ra các gốc tự do mạnh như OH* và O₂⁻, có khả năng phá vỡ các liên kết hóa học phức tạp trong các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa chúng thành các sản phẩm đơn giản, ít độc hại như H₂O và CO₂ Những gốc tự do này sẽ phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và vi khuẩn trên bề mặt vật liệu, làm sạch môi trường một cách hiệu quả Phương pháp quang phân hủy này không chỉ giúp loại bỏ màu mà còn xử lý các chất độc hại trong nước thải, bảo vệ môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn sinh thái.

Bảng 4.1 Hoá chất dùng trong thí nghiệm tạo màng PVA/ZnO

Do mục đích tạo màng PVA/ZnO theo hướng của màng quang xử lý phân huỷ chất màu hữu cơ nên chọn 5%wt ZnO:

- Nano-composite được tạo thành từ 5% ZnO cho thấy các hạt nanoflake phân tán đều trong ma trận của màng PVA cũng như trên bề mặt

- Độ hấp thụ của màng này tăng lên khi lượng ZnO tăng lên Khi so sánh với các chiết xuất khác (5, 9, 13 và 16% ZnO), nồng độ 5% cho thấy hoạt tính kháng khuẩn tuyệt vời nhờ sự phân bố đồng đều của các hạt nano oxit kẽm trong ma trận PVA

- Nồng độ tối ưu để phân hủy xanh methylene (MB) trong số các nồng độ khác nhau được kiểm tra là 5% ZnO/PVA

- Hơn nữa, một nghiên cứu về hiệu quả y sinh của ZnO không pha tạp và ZnO/PVA cho thấy rằng 5% ZnO/PVA có hiệu quả lớn nhất

- Nồng độ 5% cho thấy hoạt tính kháng khuẩn tuyệt vời nhờ sự phân bố đồng đều của các hạt nano oxit kẽm trong ma trận PVA [33]

Hình 4.1 FE-SEM (a) PVA tinh khiết, (b) ZnO/PVA 5% [34]

Hình 4.1 cho thấy cấu trúc bên ngoài của màng polyme PVA chưa pha tạp được thể hiện trong hình a bên dưới, không thấy hạt nào phân tán trong ma trận PVA Tuy nhiên, hình b hiển thị hình thái FE-SEM của NC ZnO/PVA pha tạp 5% ZnO được sản xuất theo

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH TẠO MÀNG PVA/ZNO

57 tỷ lệ 1:1 ở độ pH là 10,5 Nó xác minh rằng ZnO hình que được phân bố đồng đều trên khắp ma trận PVA [34]

- Hoạt tính quang xúc tác giảm khi mức PVA tăng trên 5% Do nồng độ PVA cao, tốc độ tái hợp electron-lỗ trống đã tăng lên

- Hơn nữa, hiệu suất phân hủy quang học của màng composite PVA/ZnO có 5% hạt nano ZnO có giá trị cao

Hình 4.2 Hoạt động kháng khuẩn của 5% PVA/ZnO[33] Ở hình 4.2: bên dưới là các vi khuẩn gây bệnh ( Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli) Nghiên cứu cấu trúc vi mô của kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường đã hỗ trợ việc tải thành công các các hạt nano ZnO lên bên ngoài và ma trận của polyme polyvinyl alcohol ở tỷ lệ oxit thấp Các hoạt động kháng khuẩn cao đã được chứng minh bởi nanocomposite ZnO/PVA 5% đối với S pyogenes, S aureus, P aeruginosa và E coli [33]

Hình 4.3 Sự phân hủy quang học của (a) ZnO, (b) 5% ZnO/PVA, (c) 9% ZnO/PVA và (d)

Hình 4.3 cho thấy ảnh hưởng của ZnO trong việc làm giảm tốc độ kết hợp và tạo ra mức năng lượng mới hơn trong PVA, PVA/5% ZnO nổi lên là chất xúc tác có mức độ pha tạp tốt nhất và hoạt tính quang xúc tác cao nhất Ngoài ra, người ta phát hiện ra rằng khi nồng độ ZnO tăng trên 5%, hoạt tính quang xúc tác giảm xuống [35]

Bảng 4.2 Tỉ lệ hoá chất trong thí nghiệm tạo màng PVA/ZnO

Bảng 4.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm tạo màng PVA/ZnO

2 Becher, ống đong nước, đũa thuỷ tinh,…

- Dung dịch PVA: dùng máy khuấy từ khuấy hòa tan ở 80-85 o C trong khoảng 20 phút Khi tan hoàn toàn thêm bột ZnO vào khuấy tiếp khoảng 1 giờ cho đến khi dung dịch đồng nhất (trong lúc gia nhiệt khi thêm ZnO vào không bịn kín becher bằng màng bọc thực phẩm để cô cạn nước giúp cho quá trình khô màng nhanh hơn)

- Làm nguội dung dịch PVA để tạo thành màng ở nhiệt độ phòng khoảng 1 tuần và sấy 70 o C nếu màng chưa khô hoàn toàn

Bảng 4.4 Trình tự thí nghiệm tạo màng PVA/ZnO[36]

1 Cho 80 ml H2O vào becher gia nhiệt trên máy khuấy từ đến 80-85 o C

Tiếp tục cho từ từ 3.8 g PVA vào cốc becher đã gia nhiệt cho đến khi tan đều

(khoảng 20 phút) Trong quá trình gia nhiệt bịch kín cốc becher bằng màng bọc thực phẩm để cho dung dịch không bị lẫn tạp chất từ bên ngoài đồng thời giúp cho tỉ lệ tạo màng chính xác hơn

Lúc PVA tan hoàn toàn

Khi PVA đã tan hoàn toàn cho 0.2 g bột

ZnO (5%wt) tiếp tục khuấy từ 80-85 o C cho đến khi hỗn hợp đồng nhất

Khi hỗn hợp đã đồng nhất đổ ra đĩa petri tiến hành cân Lưu ý khi cân do hỗn hợp nóng nên khi cân cần chêm đĩa petri thuỷ tinh ngụi lên cân điện tử rồi mới đặt đĩa petri chứa hỗn hợp lên cân

Làm nguội ở nhiệt độ phòng trong 1 tuần

(có thể sấy khoảng 70 o C nếu màng chưa khô)

Sau khi mẫu khô hoàn toàn tách mẫu ra khỏi đĩa petri

Bảo quản 1 mẫu trong túi zip và 1 mẫu dùng cho thí nghiệm phân huỷ trong môi trường methylene blue

Hình 4.4 Sơ đồ quy trình tạo màng PVA/ZnO

Làm nguội ở nhiệt độ phòng

1 tuần Đến khi đồng nhất

4.4.2 Mất khối lượng do bay hơi nước của màng PVA/ZnO

Bảng 4.5 Mất khối lượng do bay hơi nước của màng PVA/ZnO

STT Đĩa petri 1 Đĩa petri 1

Khối lượng dung dịch + đĩa petri (g) (Do chiều dày của đĩa petri không đồng đều nên khi đổ hỗn hợp vào đĩa không tránh đỏi thiếu sự đồng đều dẫn đến bề dày của 2 tấm màng không được đồng đều)

Khối lượng màng (g) sẽ bị giảm rất nhiều do sau 1 tuần lấy mẫu thì đĩa có dấu hiệu bị bể làm cho hỗn hợp bị tràn ra ngoài rất nhiều, do quá trình bay hơi nước nhiều hơn trong giai đoạn gia nhiệt đã cô cạn nước 0.198 1.483 Độ giảm khối lượng (g) 16.057 39.069

Kết luận

Qua thí nghiệm tạo màng PVA có bổ sung nano ZnO bằng phương pháp Sol-Gel, màng PVA/ZnO thu được có độ đục nhất định, do sự phân tán của các hạt nano ZnO trong nền PVA Sự có mặt của ZnO làm thay đổi tính chất bề mặt của màng, tạo ra bề mặt hơi nhám và không đồng đều do kích thước các hạt nano ZnO phân bố trong màng PVA Đặc điểm này có thể hỗ trợ cải thiện độ bám dính, nhưng cần được điều chỉnh để đạt mức phân tán đồng đều hơn Bên cạnh đó, màng PVA được pha với 5% khối lượng nano ZnO mang lại tiềm năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực nhờ các đặc tính cơ học, quang học và khả năng kháng khuẩn mà ZnO cung cấp Các yếu tố như nồng độ ZnO, tỷ lệ pha trộn, và nhiệt độ phản ứng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa các đặc điểm cơ lý, quang học và tính kháng khuẩn của màng, giúp sản phẩm đáp ứng yêu cầu cho các ứng dụng như trong màng lọc, xúc tác quang học và vật liệu kháng khuẩn

Nhìn chung, nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở mức độ thí nghiệm mà còn gợi mở nhiều hướng đi cho các nghiên cứu sâu hơn nhằm cải tiến chất lượng màng PVA/ZnO, tối ưu hóa quy trình chế tạo, và khám phá thêm các ứng dụng đa dạng của màng trong thực tiễn công nghệ hiện nay Với những kết quả này, nhóm hy vọng bài nghiên cứu sẽ đóng góp một phần nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu tiên tiến.

NGÂM MẪU TRONG MÔI TRƯỜNG PH VÀ METHYLENE BLUE

5.1.1 Mục đích ngâm màng PVA và màng PVA/ZnO trong môi trường pH

Mục đích: Việc ngâm màng trong các môi trường pH khác nhau giúp kiểm tra tính ổn định và khả năng chịu đựng của màng trong các điều kiện hóa học khác nhau Điều này rất quan trọng để đánh giá độ bền và độ ổn định của màng trong các môi trường thực tế, nơi pH có thể thay đổi (ví dụ, nước thải có thể có pH khác nhau)

Cơ chế: Khi ở các mức pH khác nhau, các nhóm chức trên màng (như -OH trong PVA) có thể bị ion hóa hoặc biến đổi, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Trong môi trường pH thấp (axit), các nhóm -OH có thể bị proton hóa, làm giảm khả năng hấp phụ của màng đối với một số chất mang điện tích dương Ngược lại, trong môi trường pH cao (kiềm), nhóm -OH có thể tạo ra các ion -O⁻, tăng cường tương tác tĩnh điện với các phân tử mang điện tích dương như methylene blue Với màng PVA/ZnO, ZnO có tính chất xúc tác và khả năng thay đổi tính chất bề mặt dưới các điều kiện pH khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng.[37]

5.1.2 Mục đích ngâm màng PVA và màng PVA/ZnO trong môi trường methylene blue

Mục đích: Methylene blue (MB) là một loại thuốc nhuộm thường dùng để mô phỏng chất ô nhiễm hữu cơ trong nước Bằng cách ngâm màng PVA và PVA/ZnO trong dung dịch

MB, người ta có thể đo khả năng hấp phụ của màng đối với các chất nhuộm hữu cơ, qua đó đánh giá hiệu quả của màng trong việc lọc và xử lý nước

Cơ chế: Khi màng PVA và PVA/ZnO tiếp xúc với dung dịch MB, các phân tử MB sẽ bị hấp phụ lên bề mặt của màng do các tương tác như lực van der Waals, tương tác tĩnh điện, hoặc liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl (-OH) của PVA và các nhóm mang điện tích trên phân tử MB Trong trường hợp của màng PVA/ZnO, các hạt ZnO có thể tăng cường khả năng hấp phụ nhờ diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng tương tác mạnh với thuốc nhuộm.[37]

CHƯƠNG 5: PHÂN HUỶ TRONG MÔI TRƯỜNG METHYLENE BLUE

Hoá chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Bảng 5.1 Hoá chất dùng trong thí nghiệm ngâm mẫu trong môi trường pH và methylene blue

5.2.2.1 Cách pha pH Để tính toán khối lượng hóa chất và lượng dung môi cần dùng để pha dung dịch có môi trường pH bằng 4, 7 và 10 Nhóm sử dụng một số công thức sau đây:

Công thức (1): Pha chất lỏng có nồng độ C% thành dung dịch có nồng độ CM

- V1(mL): Thể tích cần dùng để pha dung dịch có nồng độ CM

- CM (M): nồng độ mol dung dịch cần pha

- M (g/mol): khối lượng phân tử

- V (ml): thể tích dung dịch cần pha

Công thức (2): Tính nồng độ CM của dung dịch từ nồng độ C%

Công thức (3): Nồng độ - Thể tích

- C1 (M): nồng độ mol dung dịch cần dùng để pha

- C2 (M): nồng độ mol dung dịch cần pha

- V1 (ml): thể tích dung dịch cần dùng để pha

- V2 (ml): thể tích dung dịch cần pha

Công thức (4): Pha chất rắn thành dung dịch có nồng độ CM m 0 × M × V × C M

- m (g): khối lượng chất rắn cần dùng để pha dung dịch có nồng độ CM

- V (ml): thể tích dung dịch có nồng độ CM cần pha

- p: độ tinh khiết a) Pha 100 mL dung dịch HCl có pH = 4

Khối lượng phân tử của HCl: MHCl = 36,5 (g/mol)

Nồng độ phần trăm của HCl: C%HCl = 37%

Khối lượng riêng của HCl: dHCl = 1,18 (g/cm 3 )

Với pH = 4 → [H + ] = 10 -4 Vậy cần pha 100 ml dung dịch HCl có nồng độ 0,0001 (M) Thay vào công thức (1), ta có:

Vì thể tích HCl cần dùng để pha rất nhỏ, không phù hợp với thiết bị và dụng cụ tại phòng thí nghiệm Vì vậy, nhóm đưa ra phương án là pha loãng từng bước nhằm mục đích giảm dần nồng độ HCl đến khi thu được dung dịch HCl có nồng độ mong muốn Để pha được

100 (ml) dung dịch HCl 0,0001 (M) Nhóm thực hiện qua 3 bước:

Bước 1: Tính nồng độ mol C M của dung dịch HCl từ nồng độ phần trăm C% = 37%

Thay vào công thức (2), ta có:

Bước 2: Dùng dung dịch HCl 11,96 (M) để pha 10 (ml) dung dịch HCl 0,1 (M)

Vậy cần dùng 0.08 (ml) HCl 11,96 (M) và 9,92 (ml) nước cất để pha 10 (ml) dung dịch HCl 0,1 (M)

Bước 3: Dùng dung dịch HCl 6 (M) để pha 100 (ml) dung dịch HCl 0.0001 (M)

Vậy cần dùng 0,1 (ml) HCl 0,1 (M) và 99,9 (ml) nước cất để pha 100 (ml) dung dịch HCl 0,0001 (M) b) Pha dung dịch NaOH có pH = 10

Khối lượng phân tử của NaOH: MNaOH = 40 (g/mol) Độ tinh khiết của NaOH: p = 100%

Với pH = 10 pOH = 4 → [OH - ] = 10 -4 Vậy cần pha 100 ml dung dịch NaOH có nồng độ 0,0001 (M)

Thay vào công thức (4), ta có: m 0 × M × V × C M

Vì khối lượng NaOH cần dùng để pha rất nhỏ, không phù hợp với thiết bị và dụng cụ tại phòng thí nghiệm Vì vậy, nhóm đưa ra phương án là pha loãng từng bước nhằm mục đích giảm dần nồng độ NaOH đến khi thu được dung dịch NaOH có nồng độ mong muốn Để pha được 100 (ml) dung dịch NaOH 0,0001 (M) Nhóm thực hiện qua 2 bước:

Bước 1: Pha 10 (mL) dung dịch NaOH 0,1 (M)

Thay vào công thức (4), ta có: m 0 × M × V × C M

Bước 2: Pha 100 (mL) dung dịch NaOH 0,0001 (M)

Vậy cần dùng 0,1 (ml) NaOH 0,1 (M) và 99,9 (ml) nước cất để pha 100 (ml) dung dịch NaOH 0,0001 (M) c) Dung dịch có pH = 7 → sử dụng nước cất

Sử dụng bình định mức để pha 250 mL dung dịch methylene blue 15mg/l Sau đó pha loãng thành 60 ml dung dịch methylene blue 10 mg/l

75 Để pha 250 (ml) dung dịch blue methylene có nồng độ 15 (mg/l), cần sử dụng khối lượng blue methylene:

250 (ml) × 15 (mg l ) = 3.75 (mg) ≈ 0.004(g) Vậy cần dùng 0.004 (g) methylene blue và 250 (mL) nước cất để pha dung dịch blue methylene

Hình 5.1 Cách pha methylene blue

Sau đó, thay vào công thức (3) để pha loãng thành 60 (ml) dung dịch blue methylene có nồng độ 10 (mg/l)

Vậy cần dùng 40 (ml) dung dịch blue methylene có nồng độ 15 (mg/l) và 20 (ml) nước cất để pha 60 (ml) dung dịch có nồng độ 10 (mg/l)

Tỉ lệ hóa chất cần dùng được liệt kê ở bảng sau:

Bảng 5.2 Tỉ lệ hoá chất trong thí nghiệm ngâm mẫu trong môi trường pH và mehylene blue

1 Màng PVA Cắt nhỏ thành 7 miếng đều nhau

(mỗi nồng độ pH chia đều cho

2 cốc) pH = 4 → 0,1 (ml) HCl 0,1 (M) + 99,9 (ml) nước cất pH = 7 → nước cất pH = 10 → 0,1 (ml) NaOH 0,1 (M) + 99,9 (ml) nước cất

60ml: 40 (ml) dung dịch blue methylene có nồng độ 15 (mg/l) + 20 (ml) nước cất

2 Becher, ống đong nước, bình định mức, …

5 Lọ thủy tinh đựng dung dịch methylene blue

7 Giấy quỳ tím, túi zip

Điều kiện phản ứng của thí nghiệm

- Môi trường pH=4: chia thành 2 cốc, mỗi cốc chứa 50ml dung dịch HCl Sau đó cho mỗi màng PVA vào một cốc và ngâm ở điều kiện nhiệt độ phòng trong 45 phút

- Môi trường pH=7: chia thành 2 cốc, mỗi cốc chứa 50ml nước Sau đó cho mỗi màng PVA vào một cốc và ngâm ở điều kiện nhiệt độ phòng trong 45 phút

- Môi trường pH: chia thành 2 cốc, mỗi cốc chứa 50ml dung dịch NaOH Sau đó cho mỗi màng PVA vào một cốc và ngâm ở điều kiện nhiệt độ phòng trong 45 phút

- Dung dịch blue methylene có nồng độ 15mg/l: chia thành 3 cốc, mỗi cốc chứa 20ml dung dịch Sau đó cho màng PVA vào cốc thứ nhất, màng PVA/ZnO vào cốc thứ hai và cốc còn lại không cho màng Tiếp theo, dùng đèn UV chiếu vào 3 cốc với điều kiện cốc cách đèn 5cm và chiếu trong 1 giờ

- Đèn UV chiếu 2 cốc ngâm mẫu trong 1 giờ

- Cốc được đặt cách đèn 5 cm.

Bảng 5.3 Trình tự thí nghiệm ngâm mẫu trong môi trường pH và methylene blue

Cắt nhỏ màng PVA và màng PVA/ZnO theo khối lượng gần bằng nhau

Pha dung dịch methylene blue 250ml của

15mg/l, sau đó pha loãng ra 60ml của

Rót pH ra 6 cốc nhựa, mỗi nồng độ là 2 cốc.( pH=4,7,10) và tiến hành ngâm màng PVA trong 45 phút

Rót dung dịch methylene blue đã pha loãng ra 3 lọ thủy tinh Chia đều cho 3 lọ:

- Chỉ chứa dung dịch methylene blue

- Chứa dung dịch methylene blue + màng PVA

Chứa dung dịch methylene blue + màng PVA/ZnO

5 Đem 2 lọ chứa màng PVA và PVA/ZnO chiếu đèn UV trong 1h

6 Lấy mẫu ngâm ở môi trường pH ra, lau khô bề mặt mẫu cân khối lượng và so sánh

Lấy mẫu ngâm ở môi trường methylene blue ra và so sánh màu giữa 3 lọ thủy tinh: không chứa màng, chứa màng PVA, chứa màng PVA/ZnO

Hình 5.2 Sơ đồ quy trình ngâm mẫu trong môi trường pH và methylene blue

5.4.2 Độ giảm khối lượng của mẫu khi ngâm trong môi trường pH và môi trường methylene blue

Công thức tính phần trăm tăng/ giảm khối lượng:

Bảng 5.4 Ngâm mẫu trong môi trường pH pH pH=4 pH=4 pH=7 pH=7 pH pH

→ 𝑃ℎầ𝑛 𝑡𝑟ă𝑚 𝑡ă𝑛𝑔 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑚à𝑛𝑔 𝑃𝑉𝐴 𝑛𝑔â𝑚 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑚ô𝑖 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 𝑝𝐻: pH = 10 > pH = 4 > pH = 7

Khi ngâm màng polyvinyl alcohol (PVA) trong môi trường pH khác nhau, màng hấp thụ nước và các phân tử khác từ môi trường, làm cho khối lượng của màng tăng lên

- pH = 4: phần trăm tăng khối lượng là 1.062%, mức tăng khối lượng cao nhất (1.187%), có thể do các nhóm hydroxyl (-OH) của PVA dễ bị ion hóa ở pH cao, làm tăng độ ưa nước và khả năng hấp thụ nước

- pH = 7: phần trăm tăng khối lượng là 1.053%, mức tăng khối lượng thấp hơn một chút so với các giá trị ở pH axit (4) và kiềm (10) Điều này có thể do pH trung tính không gây biến đổi cấu trúc của màng PVA nhiều, nên khả năng hấp thụ nước ít hơn

- pH = 10: phần trăm tăng khối lượng là 1.187%, cao hơn so với pH trung tính, vì môi trường axit có thể làm thay đổi cấu trúc polymer, giúp màng hấp thụ nước nhiều hơn so với pH trung tính nhưng ít hơn pH kiềm

Bảng 5.5 Mẫu sau khi ngâm trong môi trường pH và methylene blue Đặc điểm PVA/ZnO PVA

Màng bị vỡ nhuyễn do cấu trúc lúc đầu quá mỏng

Khi ngâm vào dung dịch methylene blue màng PVA sẽ tăng khối lượng do sự bám dính của methylene blue

Màng PVA/ZnO tăng khối lượng do sự bám dính của methylene blue, sự tăng khối lượng có thể cao hơn màng PVA do sự hiện diện của ZnO và trong thí nghiệm do nhóm sử dụng màng PVA/ZnO quá mỏng nên dẫn đến việc màng bị phá vỡ cấu trúc.

Kết luận

Màng PVA và PVA/ZnO được thử nghiệm trong dung dịch methylene blue và môi trường pH để đánh giá:

- Khả năng hấp phụ chất ô nhiễm (methylene blue), thể hiện tiềm năng xử lý nước ô nhiễm

- Độ bền hóa học trong các môi trường pH khác nhau, đảm bảo hiệu quả lâu dài khi áp dụng vào thực tế

Bảng 5.6 So sánh mẫu ngâm trong môi trường pH và methylene blue

Ngâm màng PVA vào nước (pH = 4)

Ngâm màng PVA vào methylene blue

Ngâm màng PVA/ZnO vào methylene blue

Quá trình Hấp thụ Hấp thụ Hấp thụ Hấp phụ Hấp phụ

Các phân tử nước tương tác và đi vào cấu trúc màng.

Các phân tử methylene blue tương tác và bám vào bề mặt màng PVA.

Các phân tử methylene blue tương tác và bám vào bề mặt màng PVA/ZnO, có thể xảy ra tương tác hóa học với ZnO.

Tăng khối lượng do nước được hấp thụ (có thể cao hơn do pH axit).

Tăng khối lượng do nước được hấp thụ (thấp nhất pH trung tính).

Tăng khối lượng do nước được hấp thụ (cao nhất do pH kiềm).

Tăng khối lượng do sự bám dính của methylene blue.

Tăng khối lượng do sự bám dính của methylene blue, có thể cao hơn do sự hiện diện của ZnO.

Tương tác giữa nước và cấu trúc polymer PVA.

Tương tác giữa methylene blue và bề mặt PVA (có thể bao gồm lực Van der Waals,

Tương tác giữa methylene blue và bề mặt PVA/ZnO, có thể bao gồm các

87 tương tác tĩnh điện, và liên kết hydro). phản ứng hóa học với ZnO, làm tăng khả năng hấp phụ.

Màng PVA trở nên ẩm ướt và tăng khối lượng do hấp thụ nước.

Màng PVA có màu xanh do sự bám dính của methylene blue trên bề mặt.

Màng PVA/ZnO có màu xanh do sự bám dính của methylene blue, có thể có tính chất quang học và xúc tác tốt hơn nhờ ZnO.

Tiêu đề	Thí nghiệm Phân tích Hóa Lý
Tác giả	Đặng Quang Giang, Nguyễn Hoàng Phúc, Nguyễn Lê Trường Giang, Nguyễn Sỹ Huy, Nguyễn Thị Quỳnh Như, Nguyễn Thị Thanh Thảo
Người hướng dẫn	Th.S Bùi Thị Thảo Nguyên
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa
Chuyên ngành	Thí nghiệm Phân tích Hóa Lý
Thể loại	Bài tập nhóm
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	4,69 MB