Nghiên cứu phát triển các vật liệu cấu trúc nano tiên tiến trên nền praphit Ứng dụng xử lý dầu và kim loại nặng trong nước thải

Hiệu quả hấp phụ của vật liệu và các điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng Pb2+, Cd2+, Ni2+, CrO42- đã được đánh giá bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân t

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ Nghiên cứu phát triển các vật liệu cấu trúc nano tiên tiến trên nền graphit ứng dụng

xử lý dầu và kim loại nặng trong nước thải

VÕ QUANG LINH

Linh.VQ212439M@sis.hust.edu.vn

Ngành Hóa học

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Vũ Anh Tuấn

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 10/2023

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN

THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: ……… ………

Đề tài luận văn: ……… ……… …

Chuyên ngành:……… ……… …

Mã số HV :……… ……… …

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày với các nội dung sau: ……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ……… Ngày tháng năm 2023

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

PGS TS Vũ Anh Tuấn Võ Quang Linh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển các vật liệu cấu trúc nano tiên tiến trên nền graphit ứng dụng xử lý dầu và kim loại nặng trong nước thải

Lời cảm ơn

Trong suốt hành trình học tập và nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội,

em đã được gặp những người thầy mẫu mực tận tâm, những người bạn tốt đã cùng

em trưởng thành, những người anh, người chị đáng quý Với em, Bách Khoa là một trong những môi trường học tập dù khắc nghiệt nhưng cũng rất tuyệt vời

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS TS Vũ Anh Tuấn, Bộ môn Hoá Phân tích cùng thầy PGS TS Trần Vĩnh Hoàng, Bộ môn Hoá

Vô cơ, Viện Kỹ thuật Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội, cảm ơn các thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn Thạc Sĩ

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn với tất cả các giảng viên của Bộ môn Hóa phân tích, Viện Kỹ thuật Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tối

đa giúp em hoàn thành luận văn Thạc sĩ của mình Cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của các anh chị và các bạn trên phòng lab C1-425 và C1-415 Đặc biệt, con muốn gửi lời cảm ơn đến bố mẹ và gia đình mình, những người luôn tin tưởng, ủng hộ và động viên con trên hành trình này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã đóng góp và ủng hộ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn thạc sĩ này, cảm ơn sự hỗ trợ

đề tài kinh phí từ Bộ Khoa học và Công nghệ

Tóm tắt nội dung luận văn

Luận văn này nghiên cứu về vật liệu hấp phụ GO/Fe3O4/CS nhằm ứng dụng trong xử lí kim loại nặng và dầu trong nước thải Đầu tiên, vật liệu GO cấu trúc dạng tấm được tổng hợp bằng phương pháp Hummer và các hạt nano từ tính Fe3O4

bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản Sau đó, vật liệu cải tiến GO/Fe3O4/CS (GFC) được tổng hợp thành công thông qua phương pháp đồng kết tủa và có tính chất từ Đặc trưng vật liệu GFCđược nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích hiện đại như SEM-EDS, XRD, Raman, VSM và BET Hiệu quả hấp phụ của vật liệu và các điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng

Pb2+, Cd2+, Ni2+, CrO42- đã được đánh giá bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Tiếp theo đó, nghiên cứu khả năng hấp thu dầu (dầu thải từ xe máy) của vật liệu tổ hợp GFC được thực hiện trong luận văn Độ bền của vật liệu được đánh giá thông qua bốn chu kỳ tái sử dụng hấp phụ Pb(II)

Kết quả chỉ ra sự tồn tại của 3 thành phần GO, Fe3O4 và CS trong hệ vật liệu composit Nano composit GFC thể hiện tính siêu thuận từ với độ từ hóa bão hòa là 42,8 emu/g Diện tích bề mặt GO giảm sau khi cải tiến với Fe3O4 và CS (134,36 m2/g) Vật liệu GFC thể hiện khả năng hấp phụ vượt trội trong thời gian

ngắn đối với sự hấp phụ các ion kim loại nặng Pb2+, Cd2+, Ni2+, CrO42- từ các mẫu

nước Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng hấp phụ ion kim loại nặng phụ thuộc

vào pH dung dịch và pH tối ưu cho Pb2+, Ni2+, Cd2+, CrO42- lần lượt là 5,0; 5,0;

6,0; 3,5 với thời gian cân bằng hấp phụ là 50 phút trong điều kiện: nồng độ ion kim

loại nặng ban đầu là 30 mg/L (Ni2+ là 10 mg/L), liều lượng hấp phụ 0,5 g/L và ở

27oC Các nghiên cứu động học chỉ ra rằng sự hấp phụ ion KLN lên GFC tuân theo

mô hình động học bậc hai Ngoài ra, khi so sánh với mô hình đẳng nhiệt

Freundlich, mô hình Langmuir phù hợp hơn cho quá trình hấp phụ với dung lượng

hấp phụ cực đại cho Pb2+, Ni2+, Cd2+, CrO42- tương ứng là qmax = 63,45; 8,123;

30,96; 40 mg/g Nghiên cứu nhiệt động lực học đối với Pb(II) cho thấy hiệu suất

hấp phụ thuận lợi hơn ở nhiệt độ thấp hơn và tốt nhất là ở nhiệt độ phòng (27oC)

Giá trị ∆H° âm (22,119 kJ/mol) khẳng định bản chất tỏa nhiệt của quá trình hấp

phụ Hiệu suất loại bỏ Pb(II) chỉ giảm khoảng 10% sau bốn chu kỳ hấp phụ-giải

hấp, hơn nữa lượng vật liệu giảm không đáng kể sau các lần tái sử dụng Khả năng

hấp phụ và kéo dầu của vật liệu tốt, quy trình hấp phụ dầu thao tác bằng nam châm

rất nhanh chóng, tiết kiệm thời gian Bên cạnh đó, quá trình thu hồi dầu cũng đơn

giản bằng cách gia nhiệt, với 0,5 gam vật liệu ta thu được hiệu suất hấp thu dầu là

khoảng 14% Có thể nói vật liệu GFC có khả năng và triển vọng hấp thu dầu khá

tốt

Các kết quả cho thấy vật liệu cải tiến GFC có khả năng hấp phụ kim loại

nặng, dầu đều cho kết quả tốt và khả năng tái sinh, ổn định cao Điều này cho thấy

tiềm năng lớn của nó trong các ứng dụng thực tế về hấp phụ kim loại nặng và dầu

trong công nghiêp

HỌC VIÊN

Võ Quang Linh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 3

3 Nội dung nghiên cứu của đề tài 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về vật liệu graphen oxit (GO) 5

1.1.1 Đặc tính, cấu trúc 5

1.1.2 Một số phương pháp tổng hợp graphene oxit: 7

1.1.3 Ứng dụng 10

1.2 Tổng quan về vật liệu nano từ tính Fe3O4 11

1.2.1 Đặc tính, cấu trúc 11

1.2.2 Phương pháp tổng hợp 14

1.2.3 Ứng dụng 15

1.3 Tổng quan về vật liệu chitosan (CS) 15

1.3.1 Đặc tính, cấu trúc 15

1.3.2 Ứng dụng 17

1.4 Cải tiến vật liệu GO/Fe3O4/CS 17

1.5 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước 18

1.5.1 Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng 19

1.5.2 Tổng quan về nước thải nhiễm dầu 25

1.5.3 Tổng quan về chất màu Tatrazin: 29

1.6 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 30

1.6.1 Các khái niệm 30

1.6.2 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ 31

1.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 33

1.6.4 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước 33

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 35

2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 35

2.1.1 Hóa chất 35

2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 35

2.2 Các quy trình chuẩn bị, tổng hợp mẫu vật liệu 36

2.2.1 Tổng hợp Graphen oxit (GO) 36

2.2.2 Tổng hợp Fe3O4 37

2.2.3 Chuẩn bị dung dịch Chitosan (CS) 39

2.2.4 Tổng hợp vật liệu GO/ Fe3O4/CS 40

2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 41

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét – SEM (Scanning Electron Microscope) 41

2.3.2 Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X – EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 42

2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen – XRD (X-Ray Diffraction) 42

2.3.4 Phương pháp quang phổ tán xạ Raman: 44

2.3.5 Các phép đo từ tính: 44

2.3.6 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ/nhả hấp phụ N2 45

2.4 Phương pháp đánh giá khả năng xử lý ion kim loại nặng: 46

2.4.1 Giới thiệu phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 46

2.4.2 Đánh giá khả năng xử lý ion kim loại nặng bằng phương pháp UV-VIS 46

2.5 Phương pháp đánh giá sự hấp thu dầu của vật liệu: 48

2.5.1 Quá trình định tính: 48

2.5.2 Quá trình định lượng: 49

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 50

3.1 Kết quả phân tích đặc trưng của vật liệu 50

3.1.1 Kết quả phân tích SEM và EDS 50

3.1.2 Kết quả phân tích XRD 51

3.1.3 Kết quả phân tích từ tính VSM 52

3.1.4 Kết quả phân tích phổ Raman 53

3.1.5 Kết quả phân tích đẳng nhiệt hấp phụ/nhả hấp phụ N2: 54

3.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của vật liệu 55

3.2.1 Đánh giá khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu GFC 55

3.2.2 Đánh giá khả năng hấp phụ các kim loại nặng Cd2+, Ni2+, CrO42- của vật liệu 64

3.2.3 So sánh khả năng hấp phụ chất màu Tatrazine của vật liệu GO/Fe3O4/CS (GFC) và vật liệu Au/ZnO/Fe3O4 (AZF) 71

3.2.4 Khả năng tái sử dụng của vật liệu 71

3.3 Đánh giá khả năng hấp phụ dầu của vật liệu 72

3.3.1 Kết quả đánh giá định tính 72

3.3.2 Kết quả đánh giá định lượng 73

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Các cấu trúc GO được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu khác nhau 5

Hình 1 2 Cơ chế hình thành GO [35] 9

Hình 1 3 Magnetite trong tự nhiên 12

Hình 1 4 Cấu trúc spinel của Fe3O4 (Fe2,5+ là Fe2+ và Fe3+ ở vị trí B) 13

Hình 1 5 Cấu hình spin của Fe3O4 ( là phần spin tổng cộng) 13

Hình 1 6 Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan [53] 16

Hình 1 7 Chito-oligome (n: 0 – 4) 16

Hình 1 8 Phản ứng tạo phức giữa CS và Ni2+ 17

Hình 1 9 Vài hình ảnh về hậu quả của nước thải nhiễm dầu 27

Hình 1 10 Chất màu tartrazin 29

Hình 2 1 Sơ đồ tổng hợp GO 36

Hình 2 2 Quy trình tổng hợp GO 37

Hình 2 3 Sơ đồ tổng hợp Fe3O4 38

Hình 2 4 Quy trình tổng hợp Fe3O4 38

Hình 2 5 Sơ đồ pha dung dịch CS 10 mg/mL 39

Hình 2 6 Quy trình pha dung dịch CS 10 mg/mL 39

Hình 2 7 Sơ đồ tổng hợp GO/ Fe3O4/CS 40

Hình 2 8 Quy trình tổng hợp GO/ Fe3O4/CS 40

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét SEM 41

Hình 2 10 Sự tán xạ tia X trên bề mặt tinh thể 43

Hình 2 11 Hệ đo PPSM 600 44

Hình 2 12 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ [60] 46

Hình 2 14 Đường chuẩn xác định nồng độ của Pb2+, Cd2+ , Ni2+, CrO42- 48

Hình 2 15 Quá trình định tính hấp thu dầu 49

Hình 3 1 Ảnh SEM của (a-c) GO, (d-f) Fe3O4, (g-k) GFC ở các độ phân giải khác nhau 50

Hình 3 2 (a) Hình ảnh ánh xạ EDS và (b) Phổ EDS của GFC 51

Hình 3 3 Phổ XRD của vật liệu GO, Fe3O4, GFC 52

Hình 3 4 Phổ VSM của vật liệu Fe3O4, GFC 52

Hình 3 5 Phổ Raman của vật liệu GO, Fe3O4, GFC 53

Hình 3 6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ/nhả hấp phụ N2 của các mẫu tổng hợp (a) GO, (b) GFC và (c) Phân bố kích thước lỗ của GO, (d) GFC 54

Hình 3 7 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 56

Hình 3 8 Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần composite GFC đến hiệu quả hấp phụ Pb2+ 56

Hình 3 9 (a) Ảnh hưởng của pH dung dịch; (b) Đồ thị xác định pHPZC; (c) Giản đồ các dạng tồn tại của Pb(II) theo pH; (d) Hình ảnh của vật liệu GFC trong dung dịch Pb(II) ở pH = 3 và pH = 5 57

Hình 3 10 Ảnh hưởng của liều lượng GFC đến hiệu suất loại bỏ Pb(II) (Re) và khả năng hấp phụ (qe) đối với Pb(II) 59Hình 3 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb(II) 60Hình 3 12 (a) Đồ thị động học hấp phụ bậc một, (b) Đồ thị động học hấp phụ bậc hai 61Hình 3 13 Đồ thị Van’t Hoff cho sự hấp phụ Pb(II) của GFC 62Hình 3 14 (a) Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và (b) Freundlich của Pb2+

trên vật liệu GFC 63Hình 3 15 Ảnh hưởng của pH dung dịch KLN ban đầu đến hiệu quả hấp phụ của GFC 64Hình 3 16 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ ion kim loại của vật liệu GFC 65Hình 3 17 (a) Đồ thị động học bậc nhất và (b) đồ thi động học bậc hai 66Hình 3 18 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (a), (c), (e) và Freundlich (b), (d), (f) của Ni2+, Cd2+, CrO42- trên vật liệu GFC 67Hình 3 19 Sự chuyển dịch proton của các kim loại hóa trị II (pH ban đầu = 6,5) 69Hình 3 20 So sánh khả năng hấp phụ TA của GFC và AZF 71Hình 3 21 (a) Thử nghiệm tính chất từ của GFC, (b) Phục hồi chất hấp phụ nano GFC sau quá trình hấp phụ bằng cách sử dụng phương pháp tách từ (c) Các chu trình tái sử dụng của GFC 72Hình 3 22 Khả năng hấp thu dầu của GFC 73Hình 3 23 Kết quả hấp thu dầu 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 So sánh các phương pháp chế tạo graphit thành GO 10

Bảng 1 2 Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp 22

Bảng 1 3 Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 32

Bảng 3 1 Các thông số của GO và GFC theo phương pháp BET 54

Bảng 3 2 Các thông số động học cho quá trình hấp phụ Pb(II) trên GFC 61

Bảng 3 3 Các thông số nhiệt động 62

Bảng 3 4 Các thông số về đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ lên vật liệu GFC 64

Bảng 3 5 Các thông số động học của quá trình hấp phụ KLN trên vật liệu GFC 66

Bảng 3 6 Các thông số về đẳng nhiệt hấp phụ các ion Ni2+, Cd2+, CrO42- lên vật liệu GFC 68

Bảng 3 7 Dung lượng hấp phụ Pb(II), Cd(II), Ni(II), Cr(VI) của vật liệu tổng hợp và của một số vật liệu khác 69

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BET Brunauer-Emmett-Teller Brunauer-Emmett-Teller

spectroscopy rGO Graphen oxit dạng khử Reduced graphene oxide SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron

Microscopy UV-vis Phổ tử ngoại khả kiến Ultraviolet - Visible

magnetometry

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước thải sinh hoạt được tạo ra từ các quá trình sinh hoạt của con người, chúng thường được thải ra từ các căn hộ, khu dân cư, trường học, bệnh viện và các công trình công cộng, Nước thải sinh hoạt là một trong những nguyên nhân lớn dẫn đến ô nhiễm môi trường do thành phần gây ô nhiễm đa dạng, chúng chứa vi

khuẩn (Coliform, E.coli), kim loại nặng (Cr, Fe, Pb, ) và chất hữu cơ bao gồm

hydrocacon, protein, các chất hoạt động bề mặt, và các hợp chất hữu cơ khác khó phân hủy, chất rắn hòa tan, các anion vô cơ Bên cạnh đó, nước thải cũng có thể nhiễm dầu do các hoạt động sản xuất (vận hành máy, vệ sinh thiết bị, sửa chữa thiết bị), từ các hoạt động của các kho chứa xăng dầu (rửa bồn chứa, vệ sinh máy móc đường ống, rơi vãi do vận chuyển) Mà các thành phần ô nhiễm như kim loại nặng và dầu, chúng không thể phân hủy sinh học, rất khó xử lý và có thể gây ung thư cho con người Trong bối cảnh tốc độ phát triển kinh tế nhanh, sự đô thị hóa diễn ra mạnh ở nhiều nơi thì lượng nước thải sinh hoạt lại phát thải ra hàng ngày

là rất lớn nếu không được xử lý sẽ gây ra nhiều hậu quả xấu cho sức khỏe của con người và môi trường xung quanh.Vì vậy, việc loại bỏ hoàn toàn hoặc giảm thiểu hàm lượng ion kim kim loại nặng và dầu trong nước thải là rất cần thiết Theo thống kê, chỉ khoảng 10% (700.000 m3/ngày) nước thải sinh hoạt ở Việt Nam được

xử lý trong các nhà máy tập trung [1]

Trong những thập kỷ qua, có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để giảm nồng độ các ion kim loại nặng tự do trong nước bao gồm phương pháp kết tủa, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, xử lý điện hóa, tách màng, bay hơi, đông tụ, tuyển nổi, oxy hóa và hấp thụ sinh học [2-11].Và để xử lý sự cố tràn dầu, cũng có nhiều biện pháp khắc phục đã được đưa ra trên thế giới như cơ học, sinh học, hóa học Tuy nhiên mỗi phương pháp trên đề có một nhược điểm nhất định như khó điều chỉnh được thể tích và khó thay đổi chất lượng, chi phí quản lý và vận hành cao Để xử lý hiệu quả, thời gian tiến hành nhanh, quy trình tiến hành đơn giản, chi phí sản xuất/thực hiện thấp, có thể tiến hành với lượng mẫu phẩm lớn thì phương pháp hóa lý dựa trên quá trình hấp phụ có thể khắc phục được những nhược điểm trên.Rất nhiều loại chất hấp phụ khác nhau đã được nghiên cứu

và sử dụng

Hiện nay, trên thế giới đã và đang nghiên cứu nhiều loai ̣ vật liệu mới có đóng góp mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống, trong đó có ứng dun ̣g hấp phụ kim loại nặng và tách dầu ra khỏi nước Một trong số đó là vật liệu tiềm năng dưa ̣ trên carbon: ống nano carbon, graphite, kim cương, fullerene, graphene, graphene oxit Với diện tích bề mặt lớn và tính chất vật lý, tính chất hóa học đặc biệt, graphene oxide được coi là chất hấp phụ các ion kim loại nặng vượt trội so với các chất hấp phụ khác Graphen oxit (GO) được

tạo thành từ quá trình oxi hóa graphit, diện tích bề mặt riêng lớn (a2630 m2/g) [12],

bề mặt GO tích điện âm, có nhiều nhóm chức chứa oxi hoạt động nên dễ dàng tạo các bẫy hút điện tử, tạo điều kiện cho quá trình hấp phụ cation kim loại nặng GO

có tính phân tán, có tác dụng làm giảm lực căng bề mặt ranh giới giữa dầu và nước, tạo ra những giọt dầu nhỏ để tạo điều kiện cho việc phân hủy sinh học và phân tán dầu vào nước xảy ra nhanh hơn, từ đó có thể ứng dụng hấp phụ dầu Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là chi phí chế tạo khá tốn kém, kích thước hạt của GO rất nhỏ, khả năng thu hồi sau sử dụng còn phức tạp, vô hình dễ tạo nên các ô nhiễm thứ cấp khó xử lý hơn.Bên cạnh đó, tương tác π-π giữa các lớp GO liền kề dẫn đến

sự tích tụ graphene, dẫn đến giảm diện tích bề mặt hiệu dụng, do đó làm giảm khả năng hấp phụ Do đó, sử dụng kết hợp GO với các hạt nano từ tính Fe3O4 là một cách hiểu quả để đạt được hiểu quả phân tách tốt hơn, cải thiện độ xốp, độ ổn định

và có thể tái sử dụng nhiều lần chất hấp phụ.Việc kết hợp các vật liệu GO, Fe3O4

này với polyme chức năng thích hợp, có khả năng kết dính cao và chứa các nguyên

tử có khả năng tạo phức với các kim loại tăng cường khả năng hấp phụ và xúc tác, tạo hệ compozit là một xu hướng tiên tiến và nhóm nghiên cứu đã bước đầu thu được nhiều kết quả khả quan Ngoài tác dụng làm giảm giá thành của chất hấp phụ đơn thuần, hệ vật liệu compozit còn cho hiệu quả hấp phụ cao hơn nhờ sự hỗ trợ

bổ sung của các nhóm chức thích hợp có trong thành phần polyme Chitosan (CS),

là một aminopolysaccharide thu được bằng cách deacetyl hóa Chitin, đó là một trong các polyme tự nhiên phong phú nhất và có sẵn chủ yếu ở lớp vỏ của giáp xác như tôm, cua Do đó, Chitosan là nguyên liệu khá rẻ nhưng lại có nhiều tính chất quý giá nên rất được quan tâm CS bao gồm các nhóm chức phong phú (như –NH2

và –OH) có thể tương tác với ion kim loại bằng các phản ứng trao đổi ion và tạo phức Ngoài ra, các nhóm amin được proton hóa hình thành ở điều kiện axit có thể thu giữ các chất ô nhiễm anion thông qua lực hút tĩnh điện [13-15] hoặc thông qua lực hấp dẫn Van der Waals [16] Theo nhiều nghiên cứu, CS là vật liệu ưa dầu, hấp phụ dầu tốt do sự tương tác của các nhóm amin, amit, acetamide và acetyl của phân

tử Chitosan với dầu [17-20] Bên cạnh đó, CS cũng được sử dụng như một chất kết dính để cố định các hạt oxit Fe3O4 lên bề mặt GO, tạo ra một vật liệu hấp phụ hiệu quả có cấu trúc 3D

Sự kết hợp các vật liệu cấu trúc nano tổ hợp có dung lượng hấp phụ và xúc tác cao dựa trên vật liệu cơ sở carbon và polyme chức năng hứa hẹn đem lại khả năng dễ dàng thu hồi sau sử dụng và tái sử dụng nhiều lần để ứng dụng trong loại

bỏ ion kim loại nặng, xử lý dầu trong nước

Xuất phát từ những lý do trên, hướng nghiên cứu với đề tài: “Nghiên cứu phát triển các vật liệu cấu trúc nano tiên tiến trên nền graphit ứng dụng xử lý dầu

và kim loại nặng trong nước thải” được lựa chọn, không chỉ có ý nghĩa về khoa học mà còn mang lại các ứng dụng thực tế

2 Mục tiêu của đề tài

(i) Tổng hợp thành công vật liệu GO cấu trúc dạng tấm bằng phương pháp Hummer và các hạt nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản Vật liệu cải tiến GO/Fe3O4/CS (GFC) được tổng hợp thành công thông qua phương pháp đồng kết tủa và có tính chất từ tốt

(ii) Nghiên cứu và đánh giá khả năng hấp phụ, hướng tới các ứng dụng thực tiễn của vật liệu vào xử kim loại nặng và dầu trong nước thải

(iii) Đánh giá hiệu suất hấp phụ, khả năng tái sử dụng của vật liệu GO/Fe3O4/CS

3 Nội dung nghiên cứu của đề tài

(i) Tổng hợp thành công vật liệu GO cấu trúc dạng tấm bằng phương pháp Hummer và các hạt nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản Vật liệu cải tiến GO/Fe3O4/CS (GFC) được tổng hợp thành công thông qua phương pháp đồng kết tủa và có tính chất từ tốt

(ii) Nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu;

(iii) Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng Pb2+, Cd2+, Ni2+, CrO42- của GO/Fe3O4/CS (GFC), đồng thời xác định các điều kiện tối ưu ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình hấp phụ như thời gian cân bằng hấp phụ, pH dung dịch ban đầu, nhiệt độ, hàm lượng chất hấp phụ, nồng độ dung dịch ban đầu…

(iv) Đánh giá khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng thông qua các mô hình động học hấp phụ, đẳng nhiệt hấp phụ, nhiệt động hấp phụ

(v) Đánh giá khả năng hấp phụ dầu và thu hồi dầu của vật liệu

(vi) Nghiên cứu khả năng tái sử dụng của vật liệu đối với Pb(II)

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài chủ yếu dựa trên thực nghiệm, các thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội:

(i) Tổng hợp vật liệu GO cấu trúc dạng tấm bằng phương pháp Hummer và các hạt nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản Sau đó, vật liệu cải tiến GO/Fe3O4/CS (GFC) được tổng hợp thông qua phương pháp đồng kết tủa

(ii) Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại: SEM, EDS, XRD, VSM, Raman, BET

(iii) Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng Pb2+, Cd2+, Ni2+, CrO4 của vật liệu GFC; xác định các điều kiện hấp phụ tối ưu ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình hấp phụ

(iv) Nghiên cứu khả năng hấp phụ và thu hồi dầu

(v) Nghiên cứu khả năng tái sử dụng của vật liệu đối với Pb(II).

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

(i) Vật liệu hấp phụ GO cấu trúc dạng tấm, nano từ tính Fe3O4, chitosnan

CS và vật liệu cải tiến GO/Fe3O4/CS

(ii) Các ion kim loại nặng nghiên cứu: Pb2+, Cd2+, Ni2+, CrO4

2-(iii) Dầu thải từ xe máy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về vật liệu graphen oxit (GO)

1.1.1 Đặc tính, cấu trúc

1.1.1.1 Cấu trúc của vật liệu graphene oxit:

Graphit (GE) là than chì đơn lớp được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng hay còn gọi là cấu trúc tổ ong GE được hai nhà khoa học Geim và Novoselov tìm ra bằng phương pháp bóc tách (scotch tape) Theo đó, các lớp graphit được tách ra bằng băng dính và được

ổn định trên một chất nền SiO2 Trong đó, mỗi nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử carbon gần nhất bằng liên kết V tạo thành bởi các orbital lai hóa sp2 Tất

cả các độ dài liên kết trong GE là bằng 1,42 Å [21]

Graphen oxit (GO) được tạo thành từ quá trình oxi hóa graphit Cấu trúc của GO phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp và được đưa ra bởi nhiều nhà nghiên cứu khác nhau thể hiện trong hình 1.1

Hình 1 1 Các cấu trúc GO được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu khác

nhau

Trong đó, mô hình của Lerf – Klinowski là phổ biến nhất Graphit sau khi

bị oxi hóa, trên bề mặt nằm ngang và cạnh của các lớp có các nhóm chứa oxy, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là: hydroxyl (OH), epoxy (-O-) đính ở trên bề mặt, và nhóm cacboxyl (-COOH), cacbonyl (-CO-) đính ở mép của các đơn lớp Nhờ có các nhóm chức chứa oxi trên đã làm tăng lên khả năng phản ứng của GO

và đồng thời làm tăng khoảng cách giữa các lớp GO và tăng tính ưa nước của GO

và có thể bị tách lớp trong nhiều loại dung môi Cấu trúc và tính chất của GO phụ

thuộc vào phương pháp tổng hợp cụ thể và mức độ oxy hóa Nó vẫn giữ cấu trúc lớp của graphen, nhưng các lớp bị vênh và khoảng cách giữa các lớp lớn hơn khoảng hai lần khoảng 0,7 nm so với graphen [22, 23] Các vòng thơm, các nối đôi, các nhóm epoxy được cho là nằm trên mạng lưới cacbon gần như phẳng, trong khi cacbon nối với nhóm –OH hơi lệch so với cấu trúc tứ diện dẫn đến cấu trúc lớp hơi cong Các nhóm chức được cho là nằm cả trên lẫn dưới các lớp GO Vì mỗi lớp đều chứa các nhóm chức có oxi mang điện tích âm, do đó có lực đẩy xuất hiện giữa các lớp, đồng thời làm cho GO thể hiện tính ưa nước và trương được trong nước Hơn nữa, việc tạo liên kết hydro giữa các lớp graphit oxit thông qua các nhóm hydroxyl, epoxy và nước khiến các khoảng cách giữa các tấm GO được nới rộng đáng kể hơn so với graphit (0,65 - 0,75 nm so với 0,34 nm, được xác định thông qua giản đồ XRD [24] Điện tích bề mặt GO trong nước mang điện tích

âm và GO là chất ưa nước [25]

1.1.1.2 Một số tính chất của graphene oxit:

a Tính dẫn điện:

Độ dẫn điện của graphen oxit thường được mô tả như một chất cách điện,

do sự hình thành của các nhóm chức có chứa oxi mà một phần liên kết sp2 trong mạng tinh thể đã bị suy thoái và trở thành liên kết sp3, và chính các điện tích âm của các nhóm chức này đã làm xuất hiện lực đẩy tĩnh điện làm cho tính dẫn điện của graphen oxit giảm dần theo quá trình oxi hóa làm giảm đáng kể số lượng liên kết π cũng như các điện tử tự do trên bề mặt của nó

b Tính hấp phụ:

Hấp phụ là quá trình chất thải/chất độc (chất cần thải loại) bị giữ lại bởi các vật liệu nano (chất hấp phụ) thông qua các tương tác hóa lý Gần đây, GO thu hút được sự quan tâm đáng kể trong các ứng dụng về hấp phụ do có ưu điểm diện tích

bề mặt riêng lớn, chứa các nhóm chức trên bề tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình hấp phụ hay phản ứng trên bề mặt Với khả năng hấp phụ vượt trội các ion kim loại khỏi môi trường nước, vì vậy GO được lựa chọn trong nghiên cứu này

Cơ chế hấp phụ của vật liệu hấp phụ phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc của chúng (cấu tạo phân tử, momen lưỡng cực, sự hiện diện của các nhóm chức trên bề mặt)

Sự có mặt hay vắng mặt của các nhóm chức như: NH2, OH, COOH trong chất hấp phụ cũng sẽ xác định cơ chế và hiệu quả của quá trình hấp phụ Các cơ chế hấp phụ trên vật liệu cơ sở GO chủ yếu đó là: lực hút tĩnh điện, hiệu ứng kỵ nước, tương tác π- π, liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị [26] Trong khi đó, GO có tính axit rất cao do đó nó có thể dễ dàng hấp phụ các phân tử bazơ và các cation Sự hiện diện của các nhóm chức hoạt động như cacbonyl, epoxy, hydroxyl trên bề mặt của GO cho phép nó tương tác với rất nhiều các phân tử trải dài trên bề mặt biến tính Hơn nữa, những nhóm hoạt động này của GO cũng có thể liên kết với các ion

kim loại nặng có mặt trong dung dịch thông qua phức bề mặt, do đó nó cũng có thể sử dụng để tách các ion từ dung dịch [27]

Khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng như: As, Fe, Cu, Co, Cd cũng được Rajasekhar Balasubramanian [26] đề cập đến nhiều Wu và cộng sự [28] đã thử nghiệm khả năng hấp phụ của GO để loại bỏ Cu(II) từ dung dịch nước Các điều kiện tối ưu cho loại bỏ Cu(II) bởi GO: pH 5,3, nồng độ Cu(II) 1 mg/ml và thời gian tiếp xúc cân bằng là 150 phút Dung lượng hấp phụ cực đại Cu(II) là 117,5 mg/g Cơ chế hấp phụ được đề xuất đã được hỗ trợ bởi thực tế là pH dung dịch cân bằng thấp hơn pH dung dịch ban đầu, điều này chủ yếu là do sự giải phóng các proton từ các nhóm -COOH và -OH của GO Thí nghiệm sử dụng HCl là chất giải hấp đã chứng minh rằng hơn 74% Cu(II) hấp phụ có thể được giải hấp ở pH <

1 Sitko và cộng sự [29] đã nghiên cứu sự hấp phụ các ion Cu (II), Zn(II), Cd(II)

và Pb(II) trên GO Ái lực hấp phụ được phát hiện theo thứ tự Pb(II) > Cd(II) > Zn(II) > Cu(II) trong hệ đơn kim loại, nhưng theo thứ tự Pb(II) > Cu(II) > Cd(II)

> Zn(II) trong các hệ hai kim loại Quá trình hấp phụ là hấp phụ hóa học liên quan mạnh mẽ tới sự tạo phức bề mặt của các ion kim loại với các nhóm chứa oxy trên

bề mặt của GO

Qua các nghiên cứu trên cho thấy GO với những tính chất đặt biệt vượt trội với diện tích bề mặt riêng cao, tính ổn định hóa học tốt, cộng với tương tác π-π mạnh của vòng thơm hứa hẹn cho hiệu quả hấp phụ tốt đối với các chất nhuộm màu, các ion kim loại nặng

c Khả năng phân tán:

Vì GO giàu oxi nên vật liệu này dễ phân tán trong dung môi chứa nước tạo thành dung dịch keo ổn định Một trong những lợi thế của graphen oxit là khả năng phân tán dễ dàng trong nước và các dung môi hữu cơ khác, cũng như trong các môi trường khác nhau, do sự hiện diện của các nhóm chức giàu oxi Đây vẫn là một tính chất rất quan trọng khi trộn vật liệu với polymer khi cố gắng cải thiện tính chất điện và cơ học của chúng

1.1.2 Một số phương pháp tổng hợp graphene oxit:

Graphen oxit là sản phẩm của quá trình trình oxy hóa graphit Nghiên cứu đầu tiên về graphit oxit được thực hiện cách đây hơn 150 năm [25], cho thấy có thể sản xuất vật liệu này trên cơ sở graphit với giá thành tương đối thấp Vào năm

2004, khi xuất hiện graphen theo quan điểm hóa học thì dường như không có nhiều

sự phân biệt giữa hai khái niệm này, tuy nhiên, hiểu chính xác hơn thì graphen oxit chính là một đơn lớp của graphit oxit (cũng tương tự như graphen là đơn lớp của graphit) Graphen oxit với tính chất cơ bản giống như graphen nên đã được nhiều nhóm nghiên cứu về tính chất của vật liệu này

Để oxi hóa graphit, sử dụng các chất oxi hóa mạnh với điều kiện, thời gian tiến hành phản ứng thích hợp, graphit có thể bị oxi hóa ở các mức độ khác nhau Khi graphit bị oxi hóa, các nối đôi C=C dần bị thay thế bởi các nhóm chức phân cực như –OH, –COOH, –CHO, O, …

Graphen oxit được tổng hợp bằng ba phương pháp chính đó là Brodie (1859) [30], Staudenmaier (1899) và Hummers và Offeman (1958) [31] Phương pháp Brodie sử dụng KClO3 trong HNO3; phương pháp Staudenmaier sử dụng kết hợp KClO3, NaClO3 trong H2SO4 và HNO3 để oxi hóa graphit Trong khi đó, phương pháp Hummers sử dụng cách xử lý graphit với KMnO4 và NaNO3 trong H2SO4, đây cũng là phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này

™ Phương pháp Brodie:

Trong phương pháp Brodie GO thu được bằng cách sử dụng kết hợp cả NaClO3 và HNO3 để oxi hóa graphit Với phương pháp Brodie bằng cách sử dụng phương pháp phân tích nguyên tố, phân tử của sản phẩm cuối có công thức

C11H4O5 [32, 33] Sản phẩm này có tính axít nhẹ và có khả năng phân tán trong môi trường kiềm, song lại có kích thước nhỏ, hạn chế độ dày và cấu trúc không hoàn hảo Mặt khác phương pháp này rất nguy hiểm vì NaClO3 là chất dễ gây kích

nổ và sản phẩm khí ClO2 được tạo thành có nguy cơ cháy nổ cao

™ Phương pháp Staudenmaier:

Trong phương pháp Staudenmaier đã có sự thay đổi so với phương pháp Brodie, GO thu được bằng cách sử dụng kết hợp KClO3, NaClO3 trong H2SO4 và HNO3 để tăng mức độ oxi hóa của GO Tuy nhiên phương pháp này lại gặp phải các nhược điểm là tốn thời gian và nguy hiểm vì KClO3 là chất dễ gây kích nổ và sản phẩm khí ClO2 được tạo thành có nguy cơ cháy nổ cao như phương pháp Brodie Mặt khác, quy trình tổng hợp đòi hỏi điều kiện chế tạo phải kiểm soát nghiêm ngặt và xử lý chất thải sau khi chế tạo phức tạp Phương pháp tổng hợp trên phụ thuộc vào phản ứng của graphit với các chất oxy hóa hỗn hợp mạnh, chịu rủi ro nổ, ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và thời gian phản ứng kéo dài tới hàng trăm giờ

™ Phương pháp Hummers:

Phương pháp Hummes được phát triển từ những năm 1958 Phương pháp Hummers được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn cả trong tổng hợp GO, graphit được oxy hóa bằng hỗn hợp KMnO4, NaNO3 và H2SO4 cho ra sản phẩm GO có mức độ oxy hóa cao hơn các sản phẩm được tổng hợp bằng các phương pháp trước

đó [34] Tại đây, chất oxy hóa được sử dụng là KMnO4 nhưng thực tế thì Mn2O7

mới là tác nhân chính tham gia quá trình hình thành oxy hóa GE thành GO theo phản ứng sau [31]

KMnO4 + 3H2SO4 → K+ + MnO3+ + H3O+ + 3HSO4  (1.1)

MnO3+ + MnO4  → Mn2O7 (1.2)

Mn2O7 là chất oxy hóa hoạt động, tuy nhiên Mn2O7 bị kích nổ khi đun nóng đến nhiệt độ trên 55oC hoặc khi tiếp xúc với hợp chất hữu cơ Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ trong phản ứng là rất quan trọng, đặc biệt là ở quy mô công nghiệp Trong ba phương pháp trên thì phương pháp Hummers là phương pháp phổ biến hơn cả Trong những năm qua, phương pháp Hummers đã được cải tiến nhiều nhằm loại bỏ việc sử dụng NaNO3 do đó ngăn ngừa tạo ra khí độc hại trong quá trình tổng hợp, các phương pháp này được gọi là phương pháp Hummers cải tiến (Modified Hummers)

Cơ chế hình thành GO đã được xác định bởi ba bước đưa ra ở hình 1.2 [35]

Bước 1: Graphit tiếp xúc với axit H2SO4 thì axit này đan xen vào các lớp của graphit hình thành nên hợp chất trung gian thứ nhất (gọi là GIC)

Bước 2: GIC tác dụng với chất oxi hóa KMnO4 tạo thành hợp chất trung gian thứ

diện cho H2SO4/HSO4  xen kẽ, đường màu tím rộng đại diện cho lớp hỗn hợp

H2SO4/HSO4  xen kẽ với dạng thu gọn của tác nhân oxi hóa

Các sản phẩm oxy hóa với tỉ lệ nguyên tử C:O trong khoảng từ 2,1: 2,9 GO chứa các nhóm chức có chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là: hydroxyl (OH), epoxy (-O-) đính ở trên bề mặt, cacboxyl (-COOH), cacbonyl (-CO-) đính ở mép của các đơn lớp, nhưng GO vẫn giữ nguyên dạng cấu trúc lớp ban đầu của graphit Phụ thuộc vào phương pháp tiến hành oxi hóa mà tỉ lệ cũng như số lượng nhóm chức có khác nhau, ví dụ graphit oxit được tổng hợp bằng phương pháp Hummers có nhiều nhóm epoxy hơn nhóm hydroxyl

Tách lớp graphit oxit bởi kỹ thuật vi sóng hoặc kỹ thuật siêu âm trong các dung môi thích hợp thì thu được GO

Ưu điểm của chế tạo GO theo cách trên là có thể tạo ra số lượng lớn vật liệu, kích thước GO chế tạo được lớn và có thể điều chỉnh được qua kích thước vật liệu graphit ban đầu, chất oxi hóa, khả năng điền kẽ của phân tử nước vào giữa các lớp nguyên tử Hạn chế của phương pháp là tốn thời gian, sử dụng các chất oxi hóa

và axit mạnh nên nguy hiểm, đòi hỏi điều kiện chế tạo phải kiểm soát nghiêm ngặt,

và xử lý chất thải sau khi chế tạo phức tạp

Bảng 1 1 So sánh các phương pháp chế tạo graphit thành GO

1–2 ngày [40]

10 ngày [37]

9 – 10 giờ [37]

phẩm cacbon, là thành phần catot của pin liti Ngoài ra, tính ưa nước của GO giúp

nó lắng đọng đều trên chất nền dưới dạng các bản mỏng, ứng dụng trong lĩnh vực điện tử [41]

Do có diện tích bề mặt lớn, có nhiều nhóm chức chứa oxy như hydroxyl, epoxy, cacboxyl và cacbonyl, GO tích điện âm, ưa nước, dễ dàng phân tán trong nước để hình thành hệ phân tán keo bền vững nên có thể sử dụng làm chất hấp phụ

có hiệu quả, dung lượng hấp phụ cao GO có thể sử dụng để hấp phụ các chất hữu

cơ ô nhiễm như xanh metylen [42], các hydrocacbon thơm đa vòng [43] Ngoài ra,

GO cũng được sử dụng để hấp phụ các ion kim loại như Cd(II), Co(II) [44], U(VI) [45, 46], U(VI) và Eu(III) [47], Pb(II) [48], Cu(II) [49] Các kết quả chỉ ra rằng tương tác giữa chất ô nhiễm hữu cơ với GO chủ yếu là tương tác S - S, tương tác

ưa nước, tương tác van der Waals, tương tác axit – bazơ Lewis, trong khi đó sự hấp phụ ion kim loại chủ yếu là sự tạo phức bề mặt với các nhóm chức chứa oxy hoặc sự trao đổi ion [44]

GO có thể được chuyển ngược lại thành vật liệu graphit dẫn điện dưới dạng các bản mỏng hoặc dạng khối Sự khôi phục một phần cấu trúc có thể đạt được bằng khử hóa học thành graphen chuyển đổi hóa học Tuy nhiên, cấu trúc graphit không được khôi phục hoàn toàn trong những điều kiện này, và nhiều khuyết tật tạo ra trong mạng [41] GO là tiền chất để tổng hợp các vật liệu trên cơ sở graphen với lượng lớn

GO được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghệ vật liệu, công nghệ màng để sản xuất nhiên liệu sinh học, lĩnh vực y tế, công nghệ sinh học

và trong xử lý môi trường GO sở hữu những ưu điểm nổi bật như: diện tích bề mặt riêng lớn, tính ái nước cao và có tính tương thích sinh học nên GO là vật liệu

có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải với vai trò như là chất hấp phụ

1.2 Tổng quan về vật liệu nano từ tính Fe 3 O 4

1.2.1 Đặc tính, cấu trúc

Bất cứ vật liệu nào đều có sự hưởng ứng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M) Tỷ số χ = M/H được gọi là độ cảm từ Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau Vật liệu có χ <

0 (~ -10-6) được gọi là vật liệu nghịch từ Vật liệu có χ > 0 (~10-6) được gọi làvật liệu thuận từ Vật liệu có χ > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferritừ Ngoài độ cảm từ, một số thông số khác cũng rất quan trọng trong việc xác địnhtính chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa (từ độ đạt cực đại tại từ trườnglớn),

từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực khángtừ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khửtừ) Magnetite (Fe3O4) thuộc loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính trễ từ do tính dị hướng theo trục tinh thể của vật liệu Tuy nhiên, nếu giảm

kích thước của hạt đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nano mét), phụ thuộc vào từng loại vật liệu cụ thể, chuyển động nhiệt thắng thế làm cho vật liệu trở thành siêu thuận từ Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngoài và mất hết từ tính khi từ trường ngoài bằng không

Hình 1 3 Magnetite trong tự nhiên

Trong tự nhiên, sắt là vật liệu có độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, tính

ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên thường được nghiên cứu để làm các vật liệu nano, điển hình là vật liệu hạt nano từ tính Fe3O4 Thực tế, người tạo ra các dung dịch chứa các hạt nano từ gọi là chất lỏng từ, bên trong có ba thành phần: hạt nano từ, chất hoạt hóa bề mặt và dung môi Hạt nano từ là thành phần duy nhất quyết định tính chất từ, chất hoạt hóa bề mặt có tác dụng làm cho hạt nano phân tán trong dung môi, tránh kết tụ lại với nhau ngay khi có mặt của từ trường ngoài

1.2.1.1 Cấu trúc tinh thể:

Trong phân loại vật liệu từ, Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferít là nhóm vật liệu từ có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M là một kim loại hoá trị 2 như Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Mg hoặc Cu Trong loại vật liệu này các ion oxy có bán kính khoảng 1,32Ǻ lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,6 ÷ 0,8 Ǻ) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt Trong mạng này có các lỗ hổng thuộc hai loại: loại thứ nhất là lỗ hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy, loại thứ hai là

lỗ hổng bát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy Các ion kim loại M2+ và

Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferít Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion M2+ nằm ở các vị trí A còn toàn bộ các ion Fe3+ nằm ở các vị trí B Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh các ion Fe3+ và M2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi

là cấu trúc spinel thuận Cấu trúc này được tìm thấy trong ferít ZnO.Fe2O3 Dạng

thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe3+ cùng toàn bộ số ion M2+ nằm ở các vị trí B, một nửa số ion

Fe3+ còn lại nằm ở các vị trí A Oxít sắt từ Fe3O4 = FeO.Fe2O3 là một ferít có cấu trúc spinel đảo điển hình Cấu trúc spinel của Fe3O4 được minh hoạ trên hình 1.4

Hình 1 4 Cấu trúc spinel của Fe 3 O 4 (Fe 2,5+ là Fe 2+ và Fe 3+ ở vị trí B)

Hình 1 5 Cấu hình spin của Fe 3 O 4 ( là phần spin tổng cộng)

Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất feri từ Mômen từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân

bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi: AÔB = 125°9΄, AÔA = 79°38΄, BÔB = 90° do đó tương tác phản sắt

từ giữa A và B là mạnh nhất Trong Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô men từ chỉ do Fe2+ quyết định Mỗi phân tử

Fe3O4 có mô men từ tổng cộng là 4 μB (μB là magneton Bohr nguyên tử, trong hệ đơn vị chuẩn quốc tế SI thì μB = 9,274.10-24 J/T) Hình 1.5 là cấu hình spin của phân tử Fe3O4 Giống như các vật liệu sắt từ thì vật liệu feri từ cũng có sự chuyển pha sang trạng thái thuận từ tại một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie (Tc), mà nhiệt

độ này với Fe3O4 là 850°K Riêng đối với Fe3O4 còn có thêm một sự chuyển pha khác đó là chuyển pha cấu trúc tại nhiệt độ 118°K còn gọi là nhiệt độ Verwey Dưới nhiệt độ này Fe3O4 chuyển sang cấu trúc tam tà làm tăng điện trở suất của vật liệu này vì vậy nhiệt độ Verwey thường được dùng để phân biệt Fe3O4 với các oxít sắt khác

Oxít sắt từ có phạm vi ứng dụng hết sức rộng rãi như ghi từ, in ấn, sơn phủ Các ứng dụng này thì đều tập trung vào vật liệu Fe3O4 dạng hạt Hiện nay, người

ta đang đặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng hạt Fe3O4 có kích thước nanô bởi

vì về mặt từ tính thì khi ở kích thước nhỏ như vậy vật liệu này thể hiện tính chất hoàn toàn khác so với khi ở dạng khối đó là tính chất từ

1.2.1.2 Tính chất từ:

Magnetite (Fe3O4) thuộc loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính trễ từ do vật liệu có tính dị hướng theo trục tinh thể Tuy nhiên, nếu kích thước vật liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật từ từ giữa các hạt thì vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngoài và mất hết từ tính khi từ trường ngoài bằng không

Đối với loại vật liệu sắt từ này, các momen từ sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhưng độ lớn momen từ trong hai phân mạng không bằng nhau, dẫn đến từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng không và được gọi là từ độ tự phát Tồn tại nhiệt độ chuyển pha Tc (nhiệt độ Curie), khi T >

tỉ lệ xác định với một dung môi Sau đó, hỗn hợp được lắng (kết tủa) và tiến hành lọc tách, thu được hạt có kích cỡ nhỏ

Phương pháp đồng kết tủa chế tạo hạt Fe3O4 dựa trên phản ứng hoá học:

Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH → Fe3O4 + 4H2O (1.3) Phản ứng này đạt kết tủa hoàn toàn ở pH = 8-14 với tỷ lệ Fe2+: Fe3 = 1:2 không đổi Tuy nhiên do Fe2+ dễ dàng bị oxi hoá vì vậy mà sản phẩm tạo ra có thể làm thay đổi tỷ lệ mong muốn giữa Fe2+ và Fe3+ Do đó, khi làm thí nghiệm nên làm trong môi trường khí trơ (thường là N2) để tránh sản phẩm phụ ảnh hưởng tới

độ tinh khiết của sản phẩm

Một số phản ứng phụ và sản phẩm của chúng:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (1.4)

2Fe3O4 + ଵ

ଶ O2 → 3Fe2O3 (1.5)

1.2.3 Ứng dụng

Hạt nano từ tính Fe3O4 được đặc biệt ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xử

lý môi trường, y sinh (phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn truyền thuốc, ứng dụng đốt nóng cảm ứng từ bằng từ trường trong điều trị bệnh ung thư), chất xúc tác (dùng để chế tạo ống nano carbon, trong các pin thiên nhiên liệu ), công nghệ thông tin (vật liệu ghi từ có mật độ siêu cao)

Vật liệu oxit sắt từ là một trong những dạng oxit sắt được ứng dụng nhiều trong xử lý nước Hạt nano sắt từ hấp phụ kim loại, xử lý màu trong nước là do trên bề mặt hạt có một lớp điện tích bề mặt, lớp điện tích này mang điện tích dương trong môi trường pH < 6,8 và mang điện tích âm trong môi trường pH > 6,8 tại giá trị pH = 6,8 thì độ điện tích gần như bằng 0 Do đó chúng có khả năng hấp phụ các ion mang điện trong nước như Pb(II), Ni(II), As(III), As(V), Cr (III), Cr(VI) lên bề mặt hạt Ngoài ra, tính liên kết bề mặt của hạt nano sắt từ khiến chúng rất

dễ liên kết với các chất khác Nhờ hai tính chất này mà chúng có thể hấp phụ ion kim loại trên bề mặt dễ dàng Nguyên lý hấp phụ ở đây là tĩnh điện Hạt nano khi trong môi trường dung dịch phù hợp sẽ có điện tích bề mặt Với hạt magnetite, ở

pH trung tính thì bề mặt của hạt sẽ mang điện tích âm Vai trò của Fe3O4 là tạo từ tính cho vật liệu đảm bảo vật liệu sau hấp phụ được tách loại dễ dàng bằng từ trường, đồng thời mở ra khả năng giải hấp phụ và tái sử dụng vật liệu

1.3 Tổng quan về vật liệu chitosan (CS)

1.3.1 Đặc tính, cấu trúc

1.3.1.1 Cấu trúc:

Chitin là một polisaccarit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng lớn (đứng thứ hai sau xenlulozo) Trong tự nhiên, chitin tồn tại ở cả động vật, thực vật Ở động vật, chitin là thành phần quan trọng của vỏ một số động vật không xương sống như: nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Trong thực vật, chitin có ở thành tế bào họ nấm zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo Trong các loài thủy hải sản, đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ hàm lượng chitin chiếm khá cao, dao động

từ 14 – 35 % so với trọng lượng khô, vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguyên liệu chính

để sản xuất chitin Chitin có công thức phân tử dạng đơn giản là (C8H13O5N)n, được tạo thành từ các phân tử N-acetyl-D-glucosamine và được nối với nhau bởi liên kết β-(1-4)-glycozit

Chitosan (CS) là dẫn xuất của chitin, là sản phẩm polysacarit của quá trình acetyl hóa chitin trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao hoặc sử dụng enzym [52]

Chitosan mang đầy đủ đặc trưng ưu việt của chitin như: có tính tương thích sinh học và không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học, có tính hấp phụ cao

Hình 1 6 Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan [53]

Mặt khác, CS là polime mà các monomer được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glycozit, các liên kết này dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như: axit, bazo, tác nhân oxi hóa và các enzim thủy phân Trong thực tế các mạch chitin –

CS đan xen nhau, vì vậy chúng tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời và việc tách và phân tích chúng rất phức tạp Theo nhiều nghiên cứu, CS là vật liệu ưa dầu, hấp phụ dầu tốt do sự tương tác của các nhóm amin, amit, acetamide và acetyl của phân

tử Chitosan với dầu nên có thể ứng dụng trong lĩnh vực xử lý dầu

1.3.1.2 Một số phản ứng hóa học đặc trưng của CS:

¾ Thủy phân trong môi trường axit:

Hình 1 7 Chito-oligome (n: 0 – 4)

Trong môi trường axit, CS bị thủy phân và mức độ thủy phân phụ thuộc vào loại axit, nồng độ axit, nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian phản ứng Sản phẩm của phản ứng thủy phân được gọi là chito-oligome, được tạo thành từ 2 – 6 mắt xích D-glucosamin

¾ Phản ứng tạo phức với ion kim loại

CS có khả năng tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp nên được ứng dụng trong xử lý môi trường Trong cấu trúc của phân tử CS có các nhóm chức như các

nhóm chức –OH bậc 1, –OH bậc 2 và nhóm –NH2 là các trung tâm hoạt động hóa học của CS Trên nguyên tử O, N của các nhóm này còn cặp điện tử chưa phân chia, được xem như những tác nhân nucleophin và có thể tham gia vào một số phản ứng chuyển hóa hoặc tạo phức với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, giúp tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước một cách dễ dàng hơn Bên cạnh đó, trong dung dịch nhóm amin

NH2 được proton hóa thành NH3+ nên có thể tương tác bằng lực hút tĩnh điện với các anion kim loại nặng (CrO42-) và chất màu (Tatrazin) Tùy nhóm chức trên mạch polime mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau Ví dụ, phức Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6, còn phức Ni(II) với CS có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4 [54]

Hình 1 8 Phản ứng tạo phức giữa CS và Ni 2+

1.3.2 Ứng dụng

Chitosan và các dẫn xuất của nó có nhiều đặc tính nổi trội như: có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại cho người và gia súc Do vậy được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: dược học, y học, nông nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học…

CS có rất nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường như: loại bỏ kim loại nặng, chất

ô nhiễm hữu cơ, hấp phụ dầu bằng cách tạo keo tụ hoặc tạo phức không tan, lực hút tĩnh điện hoặc thông qua lực hấp dẫn Van der Waals với chúng, giữ lại và thu hồi các kim loại quý, chất thải phóng xạ (uranium, cadimiun) Đó là các ứng dụng phổ biến và có giá trị kinh tế nhất của CS Ngoài ra, chitosan còn chứng tỏ khả năng điều hòa bùn rất tốt, cả bùn thải ra từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt lẫn công nghiệp, giúp bùn phân hủy sinh học nhanh chóng trong môi trường đất và giảm chi phí khi thực hiện tách nước ra khỏi bùn bằng phương pháp ly tâm [55]

1.4 Cải tiến vật liệu GO/Fe 3 O 4 /CS

Vật liệu hấp phụ graphene oxit (GO) theo các nghiên cứu đã được công bố,

là vật liệu có khả năng hấp phụ tốt với diện tích bề mặt riêng lớn (a2630 m2/g), có nhiều nhóm chức chứa oxi hoạt động nên dễ dàng tạo các bẫy hút điện tử, tạo điều kiện cho quá trình hấp phụ kim loại nặng Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là chi phí chế tạo khá tốn kém, khả năng thu hồi sau sử dụng còn phức tạp Bề mặt GO tích điện âm nên chỉ hấp phụ được các chất ô nhiễm cation Cùng với đó GO là vật

liệu ưa nước, phân tán tốt trong nước nên khả năng hấp phụ dầu kém Chính những điều này làm cho GO khó mở rộng quy mô ứng dụng Để giải quyết vấn đề này, giải pháp đưa ra là:

9 Sử dụng kết hợp GO với các hạt nano từ tính Fe3O4 để đạt được hiểu quả phân tách tốt hơn và cải thiện độ xốp của vật liệu

9 Kết hợp với polyme Chitosan có khả năng kết dính cao, nguyên liệu dễ tìm,

và chứa các nguyên tử (như –NH2 và –OH) có khả năng tạo phức với các anion và cation kim loại tăng cường khả năng hấp phụ CS là vật liệu ưa dầu, hấp phụ dầu tốt do sự tương tác của các nhóm amin, amit, acetamide

và acetyl của phân tử Chitosan với dầu [17-20]

Ngoài tác dụng làm giảm giá thành của chất hấp phụ đơn thuần, hệ vật liệu compozit còn cho hiệu quả hấp phụ cao hơn nhờ sự hỗ trợ bổ sung của các nhóm chức thích hợp có trong thành phần polyme Bên cạnh đó, CS cũng được sử dụng như một chất kết dính để cố định các hạt oxit Fe3O4 lên bề mặt GO, tạo ra một vật liệu hấp phụ hiệu quả có cấu trúc 3D

Như vậy, việc kết hợp các vật liệu cấu trúc nano tổ hợp GO, Fe3O4, Chitosan thành vật liệu nanocompozit GO/Fe3O4/CS có dung lượng hấp phụ cao dựa trên vật liệu cơ sở carbon và polyme chức năng cùng nano từ tính hứa hẹn đem lại khả năng dễ dàng thu hồi sau sử dụng và tái sử dụng nhiều lần của vật liệu để ứng dụng trong loại bỏ ion kim loại nặng, xử lý dầu trong nước

1.5 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước

Ô nhiễm nước là hiện tượng các vùng nước như sông, hồ, biển, nước ngầm,…bị các hoạt động của môi trường tự nhiên và con người làm nhiễm các chất độc hại như các chất rắn lơ lửng, kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy,…tất cả có thể gây hại cho con người và cuộc sống các sinh vật trong tự nhiên Có hai nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường nước đó là do tự nhiên và do con người

- Ô nhiễm nước do tự nhiên: Do các hiện tượng thời tiết (mưa, lũ lụt, gió, bão, ) hoặc do các sản phẩm hoạt động sống của sinh vật, kể cả xác chết của chúng Cây cối, sinh vật chết đi, chúng bị vi sinh vật phân hủy thành chất hữu cơ Một phần sẽ ngấm vào lòng đất, sau đó ăn sâu vào nước ngầm, gây ô nhiễm hoặc theo dòng nước ngầm hòa vào dòng lớn Lụt lội có thể làm nước mất sự trong sạch, khuấy động những chất dơ trong hệ thống cống rãnh, mang theo nhiều chất thải độc hại từ nơi đổ rác và cuốn theo các loại hoá chất trước đây đã được cất giữ Ô nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mòn, bão, lụt, ) có thể rất nghiêm trọng, nhưng không thường xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước toàn cầu

- Ô nhiễm nước do con người: Dân số ngày càng đông, tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa tăng nhanh đã gây áp lực lên tài nguyên nước Các hoạt động của con người là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường nước, trong đó xuất phát

từ các nguồn sau: nước thải sinh hoạt và nước thải từ các hoạt động công nghiệp Trong đó, các nhóm chất gây ra ô nhiễm môi trường nước cực kỳ nguy hiểm đó là

kim loại nặng, nước thải nhiễm dầu và các chất hữu cơ khó phân hủy Sự hiện

diện của chúng trong nước đã ảnh hưởng rất nhiều đến các sinh vật, thực vật dưới nước và con người Tác hại của chúng có thể gây ung thư và gây đột biến gen; do

đó việc loại bỏ chúng khỏi nước thải là rất quan trọng

1.5.1 Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng

1.5.1.1 Sơ lược về kim loại nặng

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 Các kim loại quan trọng nhất trong việc xử lý nước là Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, As, Một vài các kim loại trong số này có thể cần thiết cho cơ thể sống (bao gồm động vật, thực vật, các vi sinh vật) khi chúng ở một hàm lượng nhất định như Zn,

Cu, Fe tuy nhiên khi ở một lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn nó sẽ trở nên độc hại Những nguyên tố như Pb, Cd, Ni không có lợi ích nào cho cơ thể sống

Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba môi trường: môi trường khí, môi trường nước và môi trường đất Trong môi trường khí, kim loại nặng thường tồn tại ở dạng hơi kim loại Các hơi kim loại này phần lớn là rất độc, có thể đi vào

cơ thể con người và động vật khác qua đường hô hấp Từ đó gây ra nhiều bệnh nguy hiểm cho con người và động vật Trong môi trường đất thì các kim loại nặng thường tồn tại ở dưới dạng kim loại nguyên chất, các khoảng kim loại, hoặc các ion Kim loại nặng có trong đất dưới dạng ion thường được cây cỏ, thực vật hấp thụ làm cho các thực vật này nhiễm kim loại nặng Và nó có thể đi vào cơ thể con người và động vật thông qua đường tiêu hóa khi người và động vật tiêu thụ các loại thực vật này

Trong môi trường nước thì kim loại nặng tồn tại dưới dạng ion hoặc phức chất Trong ba môi trường thì môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa nhất và rộng nhất Trong những điều kiện thích hợp kim loại nặng trong môi trường nước có thể phát tán vào môi trường đất hoặc khí Kim loại nặng trong nước làm ô nhiễm cây trồng khi các cây trồng này được tưới bằng nguồn nước có chứa kim loại nặng hoặc đất trồng cây bị ô nhiễm - nguồn nước có chứa kim loại nặng đi qua nó Do đó kim loại nặng trong trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn hoặc nhiều con đường khác

Kim loại nặng được phân loại nói chung là chất độc hại hoặc rất độc hại đối với các động vật sống dưới nước hoặc rất nhiều các loài thực vật mặc dù ngay cả khi với mỗi loài hoặc một nhóm loài có liên quan gần gũi tới nhau thì chúng đều

có độ nhạy cảm với ảnh hưởng của kim loại là khác nhau Chỉ một phần nhỏ các tác động của kim loại nặng đối với các thực vật nhỏ thủy sinh được biết đến Tuy nhiên các loại tảo, các loài động vật nhỏ không có xương sống, các loài các loại được nghiên cứu rộng rãi Nói chung trong môi trường nước thì kim loại nặng có thể được liệt kê sắp xếp theo thứ tự giảm độc hại như sau: Hg, Cd, Cu, Ni, Pb, Cr,

Co

1.5.1.2 Kim loại nặng trong môi trường nước

Ion kim loại nặng trong môi trường nước thường kết hợp với các thành phần khác để chuyển về trạng thái bền hơn Trong nước chúng thường bị hyđrat hóa tạo

ra lớp vỏ là các phân tử nước che chắn nó với các phân tử không phải là nước ở xung quanh để trở về trạng thái bền hơn Lớp vỏ hyđrat này thường là hình cầu mà ion kim loại nằm ở trung tâm, các phân tử nước bao xung quanh được gọi là lớp

vỏ Các phân tử nằm sát với ion kim loại nhất thì chúng có tương tác với ion kim loại mạnh nhất, các lớp tiếp sau thì yếu hơn và trong một khoảng cách nào đó thì

sẽ không có tương tác Quá trình hyđrat hóa có thể được coi là quá trình tạo phức với nhân trung tâm là ion kim loại và các phối tử là các phân tử nước Thông thường số phối trí của hấu hết các kim loại là 6 Các ion kim loại mang điện tích dương do vậy dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh điện các nguyên tử hiđro của các phân tử nước nằm sát với các ion kim loại bị đẩy ra, và như vậy làm cho các phân

tử nước nằm sát các ion kim loại có tính axit cao hơn (khả năng nhường proton cao hơn) so với các phân tử nước ở ngoài dung dịch Quá trình nhường proton này đã tạo thành các phức chất hyđroxo, oxo hay hyđro oxo kim loại tức là các sản phẩm hyđroxit, oxit hay oxit hyđroxit hỗn hợp Quá trình này gọi là quá trình thủy phân của kim loại, ion kim loại với nước Như đã trình bày, việc tách proton ra khỏi các phân tử nước nằm sát các ion kim loại là nhờ vào lực đẩy tĩnh điện, tức là phụ thuộc vào điện tích của các ion kim loại và khoảng cách giữa chúng với các phân

tử nước Do vậy ion kim loại nào có điện tích càng cao thì khả năng tách proton càng lớn Đối với các ion có cùng điện tích thì ion nào có kích thước ion càng nhỏ thì lực tĩnh điện tạo ra bởi nó với proton càng mạnh (do mật độ điện tích của các ion này cao hơn so với các ion cùng điện tích) Với các ion có điện tích là +1 (các kim loại kiềm), lực tương tác giữa chúng với các proton lớp vỏ không đủ để tách proton này ra Do vậy các ion kim loại có điện tích +1 chỉ tồn tại ở trạng thái hiđrat hóa Với các ion có điện tích là +2 thì lực tương tác có mạnh hơn, tuy nhiên nó chỉ

có khả năng đẩy proton ra ở vùng pH cao (tức là các phân tử nước xung quanh có khả năng tiếp nhận proton cao), ở trong 6 nhóm này thì các ion kim loại có kích thước nhỏ, mật độ điện tích lớn có khả năng đẩy các proton và tạo thành các hiđroxit kim loại

M²+ 6H2O = M²+.OH.5H₂O + H (1.6) M²+.OH.5H2O = M(OH)2.4H2O +H* (1.7)

Đối với các ion kim loại có điện tích là +3, lực tương tác của chung đủ mạnh

để tách cả 3 proton ở điều kiện pH trung hòa, thậm chí có thể tách được cả proton thứ tư khi ở pH cao, ví dụ như sắt (III) ở pH > 8,5

Fe³+.6H2O → Fe(OH)2.5H2O → Fe(OH)2.4H2O → Fe(OH)3.3H₂O → Fe(OH)4

.2H2O (1.8) Đối với các ion có điện tích là 4 hay cao hơn, việc tách các proton ra hết sức dễ dàng, chúng có thể tách cả 2 proton trong một phân tử nước và tạo thành các phức oxo: CrO-, CrO42-; MnO4-

Chì (Pb)

Chì là kim loại nặng tương đối bền, có tỷ trọng d = 11,3 g/cm3, và là một trong những kim loại nặng được nghiên cứu về độc tố Nguồn phát sinh Pb chủ yếu từ quá trình phong hóa, quá trình khai thác và chế biến khoáng sản, sản xuất kim loại màu, gia công kim loại Trong tự nhiên Pb tồn tại dưới dạng quặng PbS, PbCO3, PbSO4 Nước thải ô nhiễm Pb từ quá trình sản xuất, tái chế pin, ắc quy xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa, gây ức chế một

số enzyme quan trọng, làm rối loạn quá trình tạo huyết ở tủy, phá vỡ quá trình tạo hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh Pb ảnh hưởng đến hệ sinh sản, có thể gây vô sinh, gây sẩy thai Đặc biệt đối với phụ nữ đang mang thai và trẻ em là những đối tượng mẫn cảm với nguy hại của Pb nhất [56] Thêm vào đó, Pb có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể thông qua dây chuyền thực phẩm, tích lũy sinh học trong

cơ thể động vật thông qua quá trình metyl hóa

Crom (Cr)

Crom là nguyên tố tương đối phổ biến trong tự nhiên Trong công nghiệp, crom chủ yếu được dùng để sản xuất các loa ̣i thép đặc biệt như thép không gỉ, thép chịu nhiệt…Ngoài ra, vì có màu sắc đẹp nên crom và nhiều hợp chất của crom được dùng trong công nghiệp sản xuất thủy tinh, đồ gốm, dệt, hội họa, thuộc da,… Crom còn là nguyên tố vi lượng cần thiết cho một số quá trình sinh học của cơ thể như: chuyển hoá glucozơ, vitamin,…Tuy nhiên, phần lớn các hợp chất của crom

la ̣i độc đối với con người, đă ̣c biệt là Cr(VI) Các hợp chất Cr(VI) có thể gây viêm loét da, mụn cơm, viêm gan, viêm thận, thủng vách ngăn lá mı́a, ung thư phổi… Theo IARC (Cơ quan nghiên cứu ung thư Quốc tế) đã xếp Cr(VI) vào nhóm 1- nhóm tác nhân chắc chắn gây ung thư ở người

Cadimi (Cd)

Cadimi là một kim loại nặng có tính độc cao, tỷ trọng d = 8,65g/cm3, và là một trong số ít nguyên tố không cần thiết cho cơ thể con người Cd di chuyển và tích tụ trong hệ sinh thái, con người, và gây độc dù chỉ với nồng độ thấp Nguồn ô nhiễm Cd xuất phát từ khai thác mỏ, nhà máy luyện kim Đối với con người, Cd

có thể xâm nhập vào cơ thể bằng nhiều cách khác nhau như tiếp xúc qua hô hấp và

ăn uống… Biểu hiện nhiễm độc cấp tính với Cd thông qua đường hô hấp thường dẫn tới xuất huyết phổi, phù phổi và có thể dẫn tới tử vong Đối với tiếp xúc qua đường miệng, Cd gây phá hủy hồng cầu, xuất huyết, hoại tử, loét ruột, viêm dạ dày, hoại tử dạ dày, giảm hoạt động của cơ Cd thường được tích lũy dần trong thận, gây triệu chứng độc mãn tính [57]

Niken (Ni)

Niken là một phần của mọi tế bào trong cơ thể chúng ta, khối lượng riêng d

= 8,9 g/cm3 Nó đóng một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của một

số protein nhất định và có thể đóng góp vào việc sản xuất hormone, lipid và màng

tế bào Niken cũng được sử dụng cho cơ thể trong quá trình chuyển đổi glucose thành năng lượng Lượng niken tiêu thụ trên thế giới ngày một tăng do vậy lượng niken thải ra môi trường ngày càng lớn Các nguồn thải ra chỉ chính là: nguồn nước thải của các quá trình xi mạ; quá trình luyện thép, điều chế các hợp kim; sản xuất điện cực, bình ác quy, pin niken Khi cơ thể tiếp xúc với niken ở một nồng độ cao

có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe: làm hỏng các tế bào sinh học, phá hủy gan, tim; uống nước ô nhiễm niken lâu ngày thể làm giảm chức năng phổi, viêm phế quản và tăng nguy cơ ung thư phổi; ngộ độc niken: viêm da, phát ban hoặc ngứa,…

Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nước thải chứa ion kim loại nặng

TCVN 5945:2005 quy định nồng độ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau:

Bảng 1 2 Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm trong nước thải

Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm lớn hơn giá trị trong cột A nhưng nhỏ hơn hoặc bằng giá trị trong cột B thì được đổ vào các vực nước nhận thải khác, như: các vực nước dung cho giao thông, thủy lợi, trồng trọt, nuôi trồng thủy hải sản,… trừ các thủy vực qui định ở cột A

Do những nguy cơ này, việc quản lý và kiểm soát việc sử dụng các ion kim loại nặng là rất quan trọng, đồng thời nghiên cứu và phát triển các phương pháp

xử lý và loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường cũng rất cần thiết

1.5.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng

a Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha Đây là phương pháp tách chất trong đó các cấu tử xác định từ hỗn hợp lỏng hoặc khí được hấp phụ trên bề mặt chất rắn xốp

Phương pháp hấp phụ là một phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tan trong nước, được ứng dụng rỗng rãi trong kỹ thuật xử lý nước thải nhờ có các ưu điểm:

ƒ Có khả năng làm sạch nước ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ về chất lượng

ƒ Quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này nằm chính trong bản chất của nó:

ƒ Không thể sử dụng đối với nguồn thải có thải trọng ô nhiễm cao

ƒ Chuyển chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác, tạo ra một lượng thải sau khi hấp phụ, không xử lý triệt để được ô nhiễm

b Phương pháp kết tủa hóa học

™ Cơ chế của phương pháp kết tủa hóa học như sau:

Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với các kim loại cần tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra khỏi nước bằng phương pháp lắng

Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hòa đơn giản các chất thải axit Độ pH kết tủa cực đại của tất cả các kim loại không trùng nhau, ta tìm một vùng pH tối ưu, giá trị từ 7 – 10,5 tùy theo giá trị cực tiểu cần tìm để loại bỏ kim loại mà không gây độc hại Phương trình tạo kết tủa:

mMn+ + nAm- = MmAn ↓ (1.9)

™ Ưu và nhược điểm của phương pháp:

¾ Ưu điểm:

ƒ Đơn giản, dễ sử dụng

ƒ Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm

ƒ Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử lý cao

ƒ Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mô lớn

¾ Nhược điểm:

ƒ Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để;

ƒ Tạo ra bùn thải kim loại

ƒ Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý

ƒ Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với nước thải chứa kim loại lưỡng tính Zn

Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của kim loại trong dung dịch có mặt các kim loại sẽ giảm, cơ sở có thể do một hay đồng thời cả 3 nguyên nhân sau:

lý nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học với pH, nhiệt độ, chủng

vi sinh thích hợp và không chứa các chất độc làm ức chế vi sinh Tuy nhiên nước thải dệt nhuộm chứa các chất hữu cơ bền có khả năng kháng khuẩn nên vi sinh hầu như không bị phân hủy sinh học

Xử lý sinh học có thể là xử lý vi sinh hiếu khí hoặc yếm khí tùy thuộc vào

sự có mặt hay không có mặt oxy Quá trình yếm khí xảy ra sự khử còn quá trình hiếu khí xảy ra sự oxy hóa các chất hữu cơ Quá trình yếm khí có thể chạy với tải lượng hữu cơ lớn, loại bỏ một lượng lớn các chất hữu cơ đồng thời tạo ra khí sinh học, tiêu tốn ít năng lượng Lượng bùn thải của quá trình yếm khí rất thấp

d Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các kim loại như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn… cũng như các hợp chất của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ Phương pháp này cho phép thu hồi các chất và đạt được mức độ làm sạch cao Vì vậy nó là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước và nước thải Bản chất của quá trình trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này được

gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước Các chất trao đổi ion có khả năng trao đổi các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit và chúng mang tính acid Các chất có khả năng trao đổi với các ion âm gọi

là các anionit và chúng mang tính kiềm Nếu như các ionit nào đó trao đổi cả cation

và anion thì người ta gọi chúng là ionit lưỡng tính Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo

™ Ứng dụng của phương pháp trao đổi ion:

- Làm mềm nước: ứng dụng quan trọng của quá trình trao đổi ion là làm mềm nước, trong đó các ion Ca2+ và Mg2+ được tách khỏi nước và thay thế vị trí

Na+ trong hạt nhựa Đối với các quá trình làm mềm nước, thiết bị trao đổi ion axit mạnh với Na+ được sử dụng

- Khử khoáng: trong quá trình khử khoáng, tất cả các ion âm và các ion dương đều bị khử khỏi nước Nước di chuyển qua hệ thống hai giai đoạn gồm bộ trao đổi cation axit mạnh ở dạng H+ nối tiếp với bộ trao đổi anion bazơ mạnh

ở dạng OH-

- Khử ammonium (NH4+): quá trình trao đổi ion có thể được dùng cô đặc

NH4+ có trong nước thải Trong trường hợp này, phải sử dụng chất trao đổi chất có tính lựa chọn NH4+ cao chẳng hạn như clinoptilolite Sau khi tái sinh, dung dịch đậm đặc có thể được chế biến thành phân

1.5.2 Tổng quan về nước thải nhiễm dầu

Có thể nói dầu khí chính là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của nước ta hiện nay và kể cả trong tương lai Bên cạnh những lợi ích không thể phủ nhận của ngành dầu khí hàng năm như đóng góp GDP vào sự phát triển của

xã hội, ngành công nghiệp này cũng mang đến những ảnh hưởng tiêu cực như phát thải một lượng lớn chất thải độc hại như nước thải nhiễm dầu hoặc khí thải NO2,

SO2 vào môi trường Xã hội càng phát triển, ô nhiễm nguồn nước càng trở thành một thực trạng đáng quan ngại nhất góp phần hủy hoại môi trường tự nhiên Tìm

ra một giải pháp hữu hiệu để có thể phát triển kinh tế xã hội song song với bảo vệ môi trường chính là mối quan tâm của rất nhiều quốc gia, trong đó có cả Việt Nam

1.5.2.1 Đặc trưng của nước thải nhiễm dầu

Dầu tồn tại nhiều trạng thái khác nhau và thường ở 4 trạng thái cơ bản sau:

- Dầu tồn tại dưới dạng tự do: đây là dạng tồn tại mà dầu sẽ nổi lên trên bề mặt nước thành các váng dầu, do trọng lượng riêng của dầu nhỏ hơn nước

- Dầu tồn tại dưới dạng nhũ tương hóa học: đây là dạng tạo thành do các tác nhân hóa học hoặc asphalten làm thay đổi sức căng bề mặt và làm ổn định hóa học không cho dầu phân tán

- Dầu tồn tại dưới dạng nhũ tương cơ học: dạng tồn tại này thì có 2 dạng tùy thuộc vào đường kính của giọt dầu:

x Đường kính vài chục micromet: độ ổn định thấp

x Đường kính nhỏ hơn: độ ổn định cao hơn, gần giống như dạng keo

- Dầu tồn tại dưới dạng hòa tan: phân tử dầu hòa tan trong nước như các chất thơm

Còn đối với loại dầu không hòa tan, chúng sẽ sẽ tạo thành lớp màng bao bọc quanh chất rắn lơ lửng và ảnh hưởng mạnh tới khả năng lắng hay nổi của chất rắn lơ lửng, vì thế gây ra nhiều khó khăn trong việc xử lý nước thải nhiễm dầu

1.5.2.2 Nguồn phát sinh nước thải nhiễm dầu

Nước thải nhiễm dầu được phát sinh chủ yếu từ các nguồn dưới đây:

9 Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ các dàn khoan dầu: nước thải tổng hợp từ các dàn khoan dầu sẽ bị nhiễm dầu từ sàn tàu, thiết bị máy móc trong quá trình sản xuất, vệ sinh thiết bị, nước bẩn dưới đáy tàu…

9 Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ sự cố tràn dầu: những sự cố tràn dầu có thể gặp là các vụ chìm tàu chở dầu, thiết bị máy móc Ngoài ra có thể kể đến nguyên do từ sự phun trào dầu ở các mỏ dầu

9 Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ các nhà máy lọc hóa dầu

9 Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ các hoạt động của kho chứa xăng dầu: nước thải sẽ phát sinh ra trong quá trình vệ sinh, làm mát bồn chứa; súc rửa máy móc thiết bị, hay hành động làm rơi vãi xăng dầu…

9 Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ quá trình sử dụng xăng dầu: con người trong quá trình sử dụng xăng dầu thì khó tránh khỏi việc làm thất thoát, rơi vãi xăng dầu ra ngoài môi trường, từ đó gây ô nhiễm

9 Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ các cơ sở chăm sóc và bảo dưỡng thiết bị máy móc, đầu máy, xe máy…

1.5.2.3 Ảnh hưởng của nước thải nhiễm dầu

™ Gây hại đến môi trường:

Nước thải bị nhiễm dầu khiến cho độ nhớt của nước tăng lên, giảm đi nồng

độ oxy hấp thụ vào nước, dẫn đến thay đổi tính chất lý hóa của nước và kéo theo những thiệt hại nghiêm trọng tới môi trường nước Dầu tồn tại trong nước có khả năng chuyển hóa thành các hóa chất độc hại khác đối với con người và sinh vật trong nước như phenol, các dẫn xuất clo của phenol,…

Khi nước thải ô nhiễm xâm nhập sẽ làm cho môi trường nước bị biến đổi với nhiều bất lợi (pH không ổn định, DO giảm)

™ Gây hại tới vi sinh vật:

Nước thải nhiễm dầu chưa qua xử lý khi thải tràn ra môi trường gây hại rất lớn tới sinh vật Trước tiên nước thải nhiễm dầu sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới lớp lông

của sinh vật Lông động vật bị dính dầu sẽ làm chúng khó thích nghi với sự biến đổi nhiệt độ, giảm khả năng nổi của chúng trên bề mặt nước dẫn đến khó thoát khỏi động vật săn mồi, hạn chế khả năng trao đổi chất và làm giảm thân nhiệt của chúng Động vật bị ướt lông sẽ có xu hướng rỉa lông, mà càng rỉa thì càng nuốt dầu vào bụng, dẫn tới bị mất nước, hạn chế khả năng tiêu hóa, làm hại thận, thay đổi chức năng của phổi

Nước thải nhiễm dầu nổi trên bề mặt nước còn làm giảm đi khả năng chiếu sáng vào nước, dẫn tới hạn chế sự quang hợp của thực vật dưới nước, việc này theo thời gian dài sẽ gây ra tình trạng mất cân bằng hệ sinh thái

Hình 1 9 Vài hình ảnh về hậu quả của nước thải nhiễm dầu

™ Gây hại tới con người, kinh tế, xã hội:

Cũng giống như các vi sinh vật, khi con người sử dụng nguồn nước bị nhiễm dầu thì ảnh hưởng đầu tiên là lên sức khỏe Chúng ta có thể mắc một số bệnh về đường ruột, da, Đáng kể nhất là nguồn nước này có thể dẫn tới bệnh ung thư phổi, làm giảm tuổi thọ và tiêu tốn nhiều chi phí chữa bệnh

Không chỉ sử dụng trực tiếp nguồn nước nhiễm dầu mà con người chỉ cần hít phải hơi dầu cũng sẽ có những cảm giác khó chịu như buồn nôn, nhức đầu, chóng mặt

Nếu bị nhiễm độc cấp tính hoặc mãn tính nước thải nhiễm dầu, hoạt động của con người thậm chí có thể bị phá hủy

Ngoài ra, nước thải nhiễm dầu còn gây hại nghiêm trọng đến kinh tế xã hội: nếu nguồn nước sử dụng trong nuôi trồng thủy sản bị nhiễm dầu, vật nuôi của bà con một là chậm phát triển hai là có thể bị chết hàng loạt, người chăn nuôi có thể đối mặt với một vụ mùa mất trắng, thiệt hại lên đến hàng trăm hoặc nghìn tỉ đồng

1.5.2.4 Các biện pháp xử lý nước thải nhiễm dầu

Xử lý sự cố tràn dầu đang là một trong những vấn đề được quan tâm rất lớn bởi những ảnh hưởng nghiêm trọng mà nó mang lại Vì vậy, nhiều biện pháp khắc phục đã được đưa ra trên thế giới Một cách tổng quát thì các biện pháp này được chia làm 3 phương pháp: hóa lý, sinh học và hóa học Trên thực tế, để xử lý sự cố này, người ta thường áp dụng hai hay tất cả các biện pháp trên nhằm xử lý một cách có hiệu quả và kinh tế nhất

a Phương pháp sinh học

Ba phương pháp sinh học ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm dầu: xử lý bằng phương pháp hiếu khí, kỵ khí, thiếu khí

Biện pháp xử lý sinh học có những ưu và nhược điểm nhất định như sau:

x Ưu điểm: có thể xử lý nước thải nhiễm dầu có nồng độ chất hữu cơ cao, trang thiết bị và lắp đặt đơn giản, hệ thống dễ dàng điều chỉnh theo nồng độ

và lưu lượng nhiễm bẩn

x Nhược điểm: tốn nhiều chi phí đầu tư lớn, gây gia tăng lưu lượng nước thải phát sinh, để sử dụng thì cần diện tích mặt bằng rộng lớn

c Phương pháp hóa lý:

Xử lý nước thải nhiễm dầu bằng các phương pháp hóa lý như sau: lọc qua

song chắn rác, lắng tụ, Lọc, đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, Hấp phụ, trao đổi ion,

thẩm thấu ngược, siêu lọc, thẩm tách và điện thẩm tách, các phương pháp điện hóa…

Nói về cách xử lý nước thải nhiễm dầu bằng phương pháp hóa lý thì phải nhắc đến nhiều ưu điểm nổi trội như: hiệu quả xử lý cao, chiếm ít diện tích, có thể

tự động hóa hoàn toàn, vừa có thể thu hồi các chất khác nhau vừa loại bỏ được các chất độc hữu cơ không bị oxy hóa sinh học, đồng thời sử dụng phương pháp này

cũng không cần theo dõi hoạt động của vi sinh

Trong số các phương pháp kể trên, phương pháp hóa lý dựa trên quá trình hấp phụ là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất bởi những ưu điểm như thời gian tiến hành nhanh, quy trình tiến hành đơn giản, chi phí sản xuất/thực hiện thấp,

có thể tiến hành với lượng mẫu phẩm lớn Hơn nữa, hấp phụ là phương pháp chung vừa có thể ứng dụng để xử lý kim loại nặng vừa có thể xử lý dầu trong nước thải

Do vậy, phương pháp hấp phụ đã được lựa chọn sử dụng trong nghiên cứu này

d Yêu cầu về vật liệu hấp phụ dầu:

™ Vật liệu hấp phụ dầu cần có ưu điểm sau:

- Có khả năng hấp thụ khối lượng dầu lớn hơn khối lượng chất hấp phụ

- An toàn với động vật, thực vật trong và trên mặt nước, trên cạn và không gây ô nhiễm môi trường, thân thiện với môi trường

- Dễ bảo quản và sử dụng, có thể tái sử dụng

™ Yêu cầu kĩ thuật sau:

- Khả năng hấp phụ dầu cao, vận tốc hấp phụ dầu nhanh, hút nước thấp

- Khả năng lưu dầu cao trong quá trình vận chuyển

- Khả năng thu hồi dầu (nhả hấp phụ) nhanh và bằng những phương pháp đơn giản nhất có thể

- Có các tính chất cơ lý tốt và có khả năng tái sử dụng nhiều lần

- Có tỷ trọng thấp, khả năng nổi cao trên mặt nước

- Chịu được các dung môi hoá chất thông dụng

- Không bị phân huỷ quang hoá

- Sẵn có và giá thành rẻ

- Đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng hấp phụ

Từ những yêu cầu kỹ thuật trên, vật liệu compozit GFC đang được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong thực tế

1.5.3 Tổng quan về chất màu Tatrazin:

Hình 1 10 Chất màu tartrazin

Tartrazin là một chất màu azo tổng hợp màu vàng chanh, có cấu trúc phân

tử và các thông số cơ bản được thể hiện trong hình 1.10 TA tan tốt trong nước, tan

ít trong etanol Dung dịch TA có độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 425 nm

Khi sử dụng TA với một lượng nhỏ có thể tạo cường độ màu lớn Chính vì vậy, TA được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như thực phẩm, mỹ