Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu Coosite trên cơ sở Fe2O3, ứng dụng xử lý khí H2S cho Biogas

Trong số đó, người ta chú ý nhiều đến các vật liệu trên nền sắt và các hợp chất của sắt hoặc tổ hợp composite của chúng với các thành phần khác vì những lý do sau: o Với năng lượng bề mặ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Phan Thị Ngọc Bích

Thái Nguyên, năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới

sự hướng dẫn của TS: Phan Thị Ngọc Bích Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Tác giả luận văn

PGS.TS Nguyễn Duy Lương

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành nhất tới TS: Phan Thị Ngọc Bích đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Hóa Học, các anh chị em trong phòng Hóa Vô Cơ – Viện Hóa Học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô trong trường Đại học Sư Phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Cuối cùng tôi xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia đình

đã luôn luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả luận văn

Tạ Hoàng Chính

MỤC LỤC

Trang

TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Sắt và các oxit sắt 2

1.1.1 Sắt 2

1.1.1.1 Tính chất vật lý 2

1.1.1.2 Tính chất hóa học [5] 3

1.1.1.3 Phương pháp điều chế [1, 6] 4

1.1.1.4 Ứng dụng 5

1.1.2 Các oxit của sắt 6

1.1.2.1 Sắt(II) oxit 6

1.1.2.2 Sắt(III) oxit 7

1.1.2.3 Sắt(II, III) oxit 9

1.2 Vật liệu MgO 10

1.2.1 Tính chất vật lý 10

1.2.2 Tính chất hóa học 10

1.2.3 Ứng dụng 11

1.2.4 Điều chế 12

1.2.5 MgO hoạt tính 13

1.3 Vật liệu Fe/MgO và vật liệu Fe/MgO/bentonite 14

1.3.1 Fe/MgO 14

1.3.2 Fe/MgO/bentonite 15

Khoáng sét bentonite 16

Cấu trúc tinh thể, thành phần hoá học và phản ứng trao đổi cation của montmorilonite 16

Chế tạo vật liệu xốp vô cơ thông qua việc chế tạo composite trên chất mang bentonite 17

1.4 Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu 18

1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 18

1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 20

1.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt (TA) 21

1.4.4 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) 21

1.4.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 22

Chương 2 MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 24

2.1 Mục đích nghiên cứu 24

2.2 Nội dung nghiên cứu 24

2.3 Thực nghiệm 24

2.3.1 Dụng cụ hóa chất 24

2.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu 25

2.3.2.1 Tổng hợp vật liệu MgO 25

2.3.2.2 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 26

2.3.2.3 Tổng hợp Fe2O3/MgO/Bentonite 27

2.4 Xác định các đặc trưng của vật liệu 28

2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28

2.4.2 Phương pháp phân tích nhiệt (TA) 28

2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (FESEM 28

2.4.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 29

2.4.5 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) 29

2.4.6 Phương pháp xác định diện tích bề mặt 29

2.4.7 Xác định khả năng loại H2S của vật liệu Fe/MgO 29

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 30

3.1.1 Tổng hợp MgO 30

3.1.2 Tổng hợp vật liệu Fe/MgO 36

3.1.2.1.Ảnh hưởng của nồng độ Fe đến cấu trúc vật liệu 36

3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian tẩm đến cấu trúc vật liệu 37

3.1.2.3 Thành phần nguyên tố trong vật liệu 38

3.1.2.4 Đặc trưng SEM của vật liệu 39

3.1.2.5 Diện tích bề mặt vật liệu 40

3.2 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite 41

3.2.1 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite bằng phương pháp trộn cơ học 41

3.2.1.1 Điều chế α-Fe2O3 41

3.2.1.2 Tổng hợp Fe/bentonite từ dung dịch FeCl3 (Mẫu FB) 43

3.2.1.3 Chuẩn bị vật liệu Fe/MgO/Bentonite bằng phương pháp trộn cơ học 44 3.2.2 Tổng hợp vật liệu Fe2O3/MgO/Bentonite bằng phương pháp kết tủa (mẫu F2BM) 45

3.2.2.1 Hình thái vật liệu - ảnh SEM 45

3.2.2.2 Đặc trưng pha tinh thể - giản đồ XRD 48

3.2.2.3 Cấu trúc xốp 48

3.3 Khả năng loại H2S của vật liệu 49

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ

M1: MgO được điều chế từ MgC2O4, nung ở 6000C, thời gian 4h M1.1: MgO được điều chế từ MgC2O4, nung ở 5000C, thời gian 2h M1.2: MgO được điều chế từ MgC2O4, nung ở 5000C, thời gian 8h M2: MgO được điều chế từ Mg(OH)2

M3: MgO thương mại

F1MB: Fe/MgO/bentonite bằng phương pháp trộn cơ học

F2MB: Fe/MgO/bentonite bằng phương pháp kết tủa trong dung dịch FB: FeCl3.9H2O/bentonite

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Kích thước tinh thể trung bình (d) của các mẫu MgO 32Bảng 3.2 Diện tích bề mặt (SBET) của các mẫu MgO 35Bảng 3.3 Kết quả EDX 38Bảng 3.4 Diện tích bề mặt SBET(m2/g) của các mẫu Fe/MgO (so sánh với MgO ban đầu) 41Bảng 3.5 Các thông số cấu trúc xốp của hai mẫu Fe/MgO/bentonite 49

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: a Cấu trúc tinh thể của α-Fe, β-Fe và δ-Fe b Cấu trúc tinh thể của

γ-Fe 2

Hình 1.2: Sắt(II) oxit 6

Hình 1.3: Sắt(III) oxit 7

Hình 1 4: Sắt(II, III) oxit 9

Hình 1.5: a- Magie oxit, b- Cấu trúc tinh thể MgO 10

Hình 1.6 Mô hình cấu trúc của montmorillonite và phản ứng trao đổi cation17 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp vật liệu xốp composite với chất mang bentonite 18

Hình 1.8: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột 19

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 23

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình lỏng- khí xử lý H2S sử dụng vật liệu Fe/MgO 29

Hình 3.1: Giản đồ TA: a Mẫu MgC2O4, b Mẫu Mg(OH)2 31

Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu MgO 32

Hình 3.3: Phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu MgO: M1.1 (a), M2 (b) 34

Hình 3.4: Ảnh SEM của ba mẫu vật liệu MgO: M1.1 (a) và M2 (b) và M3 (c) 35

Hình 3.5: Giản đồ XRD của mẫu MgO M1.1(a) và các mẫu Fe/MgO với nồng độ Fe 6%(b), 15%(c), 25%(d), 30%(e) – (#) pha MgO, (*) pha α-Fe2O3 36 Hình 3.6: Giản đồ XRD của các mẫu Fe/MgO-Fe 30% với thời gian tẩm từ 1-4h 37

Hình 3.7: Phổ EDX của mẫu Fe/MgO (Fe 6%) 38

Hình 3.8: Ảnh SEM của các mẫu vật liệu Fe/MgO: FM1 (a), FM2 (b), FM3 (c) 40

Hình 3.9 Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe2O3 với nhiệt độ phản ứng khác nhau 42

Hình 3.10 Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe2O3 với thời gian ủ khác nhau 43

Hình 3.11 Giản đồ XRD của mẫu Fe/bentonite (a) và mẫu trước khi nung

(b) 44

Hình 3.12 Phổ FTIR của mẫu FB và mẫu F1BM 45

Hình 3.13 Ảnh SEM của mẫu α-Fe2O3 45

Hình 3.14 Ảnh SEM của mẫu vật liệu FB 46

Hình 3.15 Ảnh SEM của mẫu vật liệu F1BM 46

Hình 3.16 Ảnh SEM của mẫu vật liệu F2BM 47

Hình 3.17 Giản đồ XRD của mẫu F2BM 48

Hình 3.18 Hiệu suất loại H2S của các vật liệu Fe/MgO theo qui trình lỏng 50

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như Fe ,Co trên các loại chất mang khác nhau (các oxit, cacbon, bentonite) Trong số

đó, người ta chú ý nhiều đến các vật liệu trên nền sắt và các hợp chất của sắt hoặc tổ hợp composite của chúng với các thành phần khác vì những lý do sau:

o Với năng lượng bề mặt và diện tích bề mặt lớn, nhiều dạng hợp chất của sắt như Feo

, -FeOOH, -Fe2O3, -Fe2O3, Fe3O4, … đều

có hoạt tính hóa học đặc biệt là khả năng hấp phụ/xúc tác rất cao

o Nguyên liệu rẻ, thân thiện với môi trường

o Không khó khăn trong việc chế tạo

Vật liệu xúc tác oxit sắt Fe2O3 trên cơ sở các hợp chất sắt trên một số chất mang là các oxit MgO, Al2O3, SiO2 , ZrO2 đã được tổng hợp và khảo sát khả năng oxi hóa loại H2S , một chất khí rất độc hại đối với con người và môi trường xung quanh Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe/MgO thể hiện hoạt tính cao nhất khi thực hiện quá trình loại H2S ở nhiệt độ thường

Trên thế giới, việc sử dụng biogas ngày càng trở nên phổ biến, những nghiên cứu về vấn đề xử lý H2S trong biogas đang rất phát triển Ở Việt Nam nghiên cứu và ứng dụng công nghệ biogas bắt đầu phát triển mạnh từ sau năm

1995 trong khi những nghiên cứu loại H2S từ biogas ở nước ta cũng mới ở tình trạng lẻ tẻ, chưa hệ thống

Trên cơ sở những phân tích trên, chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và

cứu là vật liệu Fe/MgO và vật liệu Fe/MgO trên nền khoáng sét bentonite Bình Thuận Bentonite là một trong những loại khoáng sét phổ biến, thường được sử dụng làm chất mang trong chế tạo nhiều loại vật liệu composite

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sắt và các oxit sắt

1.1.1 Sắt

Kí hiệu hóa học: Fe (Z=26) 1s2

2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Sắt thuộc phân nhóm VIIIB, chu kỳ IV bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Sắt thuộc nhóm các nguyên tố họ d, lớp sắt ngoài cùng có 14e đang xây dựng dở dang nên kém bền

Vì vậy sắt có thể nhường 2 electron ở lớp ngoài cùng và một số electron ở lớp sát ngoài cùng để có số oxi hóa là +2, +3, +6 Số oxi hóa thường gặp là +2, +3

1.1.1.1 Tính chất vật lý

Sắt là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn, dát mỏng, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Dưới 8000C sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút và trở thành nam châm (tạm thời)

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên trái đất, chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ trái đất

Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền 54Fe, 56Fe , 57Fe và 58 Fe

tonóng chảy = 1536oC, tosôi = 2800oC, tỷ khối d = 791 g/cm3

[5]

Sắt có 4 dạng thù hình tồn tại bền vững ở những nhiệt độ xác định (α-Fe,

β-Fe và δ-β-Fe tồn tại ở điều kiện thường, còn γ-β-Fe ở áp suất rất cao) Những dạng α, ß

và δ có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối (hình 1.1a), dạng γ có kiến trúc tinh thể lập phương tâm diện (hình 1.1b) [1,5]

(a) (b)

Hình 1.1: a Cấu trúc tinh thể của α-Fe, β-Fe và δ-Fe

b Cấu trúc tinh thể của γ-Fe

1.1.1.2 Tính chất hóa học [5]

Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình

Khi tham gia phản ứng hóa học nguyên tử sắt có thể nhường 2e ở phân lớp 4s hoặc nhường thêm một số electron ở phân lớp 3d chưa bão hòa (thường là 1e) Tính chất cơ bản của sắt là tính khử và nguyên tử sắt có thể bị oxi hóa thành ion Fe+2, Fe+3, tùy thuộc vào chất oxi hóa đã tác dụng với sắt

Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, sắt không tác dụng ngay với những nguyên tố không kim loại điển hình như O2, S, Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt nhất là khi kim loại ở trạng thái chia nhỏ

Sắt bền với kiềm ở các trạng thái dung dịch và nóng chảy

Sắt tan trong dung dịch HCl, H2SO4 loãng:

2HCl + Fe → FeCl2 + H2↑ Còn trong dung dịch H2SO4 đặc, sắt bị oxi hóa đến Fe (III):

2Fe + 6H2SO4(đ) → Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O Với HNO3 loãng và nồng độ vừa phải thì sắt bị hòa tan:

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O Khi nồng độ HNO3 lớn, sự hòa tan bị chậm lại và sắt trở nên trơ

Đối với không khí và nước, sắt tinh khiết bền Ngược lại sắt có chứa tạp chất bị ăn mòn dần dưới tác dụng đồng thời của hơi ẩm, khí CO2 và khí O2 ở trong không khí tạo nên gỉ sắt

2Fe + 3/2 O2 + nH2O → Fe2O3.nH2O

Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ được sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra

Ở nhiệt độ thường sắt thụ động với axit HNO3 đặc và H2SO4 đặc

Sắt đẩy các kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng

Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 +Cu

Ở nhiệt độ nóng đỏ sắt phản ứng mạnh với nước

Fe + H2O → FeO + H2, 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2

1.1.1.3 Phương pháp điều chế [1, 6]

Cách đây 4000 năm loài người đã biết luyện sắt từ quặng Ngày này, sắt được sản xuất trên quy mô công nghiệp bằng lò cao Nguyên liệu cho quá trình bao gồm quặng sắt, than cốc, chất chảy và không khí

Các phản ứng diễn ra:

C + O2 → CO2

CO2 + Cnóng đỏ→ 2CO

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2↑ Sắt luyện thường bị lẫn tạp chất, sắt tinh khiết thường được điều chế bằng phương pháp sau:

 Dùng H2 tinh khiết để khử oxit sắt tinh khiết

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

 Nhiệt phân sắt Pentacacbonyl

- Gang thô: Chứa 4-5% cacbon và chứa một loạt các chất như S, P, Si đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như một số loại gang đúc

- Gang đúc; Chứa 2-3% cacbon và một lượng nhỏ mangan Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu như lưu huỳnh và photpho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được

Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 1420-1470K , thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau Nó rất rắn, cứng và

rễ vỡ Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng, nó có

xu hướng phá vỡ hình dạng của vật

- Thép cacbon chứa từ 0.5%-1.5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, photpho và silic

- Sắt non chứa ít hơn 0.5% cacbon Nó là sản phẩm dai, rễ uốn, không rễ nóng chảy như gang thô Nó có rất ít cacbon Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh

- Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như Cr, Va, Ni, W

Nhiều hợp chất của sắt có ý nghĩa quan trọng trong thực tế như FeCl3

dùng làm chất đông tụ khi làm sạch nước, làm chất cầm máu, làm chất xúc tác trong hóa học hữu cơ Các muối ferit của kim loại hóa trị hai dùng trong kỹ thuật máy tính

Các oxit của sắt không những là nguồn điều chế nhiều hợp chất của sắt

mà còn là nguồn nguyên liệu của ngành luyện kim đen

1.1.2 Các oxit của sắt

Oxit sắt tồn tại trong tự nhiên ở một số dạng, trong đó có magnetit (Fe3O4), hematit (α – Fe2O3) và maghemit (γ-Fe2O3) là phổ biến nhất Trong các oxit, sắt có thể ở dạng hóa trị hai - sắt(II) oxit, hóa trị ba – sắt(III) oxit và

hóa trị hỗn hợp hai và ba – sắt(II, III) oxit hay oxit sắt từ

1.1.2.1 Sắt(II) oxit

FeO là một oxit của sắt có màu đen (hình 1.2), phân tử gam 81,8g/mol,

nhiệt độ nóng chảy 1420°C [12]

Hình 1.2: Sắt(II) oxit

Chất này có thể lấy từ nguồn oxit sắt màu đen Nó cũng có thể được tạo

ra bằng phản ứng hóa học trong môi trường khử; Fe2O3 dễ dàng bị khử thành FeO theo phản ứng sau ở 900°C:

Hầu hết các loại men sẽ có độ hoà tan sắt hai khi nung chảy cao hơn khi

ở trạng thái rắn do đó sẽ có oxit sắt kết tinh trong men khi làm nguội, môi trường oxy hoá hay khử

Hình 1.3: Sắt(III) oxit

Maghemit, γ-Fe2O3 tồn tại ở trạng thái nửa bền và có mối quan hệ với α – Fe2O3 và Fe3O4 γ-Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel khuyết, trong đó ion O2-được sắp xếp ở nút mạng của hình lập phương và ion Fe3+

được sắp xếp ngẫu nhiên trong các lỗ trống bát diện và tứ diện [5]

Hiện nay phương pháp tổng hợp trạng thái rắn tỏ ra không thích hợp để điều chế oxit sắt nano vì ở nhiệt độ cao làm tăng kích thước hạt Nhiều phương pháp tổng hợp được phát triển nhằm điều chế oxit sắt ở nhiệt độ thấp như phương pháp sol-gel, thủy nhiệt, nhiệt phân trong dung môi không nước… Với mỗi mục đích sử dụng khác nhau mà người ta tạo ra sản phẩm có những đặc trưng riêng về hình thái và tính chất

Phương pháp truyền thống để điều chế γ-Fe2O3 là tổng hợp Fe3O4, sau đó oxi hóa với nhiệt độ < 250oC γ-Fe2O3 không bền ở nhiệt độ cao, dễ chuyển về oxit bền α – Fe2O3 Ở 130o

C Fe3O4 chuyển thành γ-Fe2O3 và ở khoảng 480oC đến 540oC thì γ-Fe2O3 chuyển về α – Fe2O3 [10]

Khi sử dụng ancol lauryl làm dung môi, người ta đã thu được γ-Fe2O3

đơn pha trong khoảng nhiệt độ 300oC đến 400oC Ảnh hưởng của dung môi đến kích thước, hình thái học và từ tính của tinh thể nano γ-Fe2O3 đã được khảo sát Kết quả cho thấy khi sử dụng dung môi là ancol lauryl thu được các hạt γ-

Fe2O3 hình sợi có kích thước hạt nhỏ hơn và độ bão hòa từ cao hơn khi dùng axit lauric [1] Người ta đã tổng hợp thành công tinh thể γ-Fe2O3 có kích thước 13nm bằng sự oxi hóa Fe(CO)5 khi có mặt của các axit oleic và trimetyl amin Một số polime như polyetylen oxit (PEO), polyacrylamit (PAM), và polyvinylpyrolidone (PVP) cũng được sử dụng để tổng hợp oxit nano γ-Fe2O3

[4] Tuy nhiên, γ-Fe2O3 đơn pha chỉ được tạo thành khi dùng PEO Khi nhiệt phân tiền chất γ-FeO(OH) ở 240oC người ta thu được γ-Fe2O3 và khi nung ở

680oC, γ-Fe2O3 chuyển hoàn toàn về pha α – Fe2O3 kích thước < 16nm được tạo thành khi phân hủy phức chất của sắt với trioctylamin ở 300oC hoặc phân hủy Fe(CO)5 trong octyl etyl và axit oleic hoặc axit lauric [12]

Các kết quả cho thấy hiệu quả của phương pháp phân hủy nhiệt trong việc tổng hợp oxit sắt Tuy nhiên, sự có mặt của lượng dư chất hoạt động bề mặt có thể làm ảnh hưởng đến diện tích bề mặt của các hạt oxit tạo thành Hơn nữa, việc tái sử dụng các dung môi độc hại và có hoạt tính bề mặt sẽ gây bất lợi đối với hoạt tính sinh học của sản phẩm

Oxit nano α – Fe2O3 đã được tổng hợp từ axit stearic và muối nitrat ở

125oC trong 2 giờ Khi nung mẫu ở 300o

C – 500oC các hạt α – Fe2O3 có kích thước tăng từ 8.9 – 25 nm [1] Các hạt α – Fe2O3 được tạo thành từ dung dịch chứa polyme PVA có bổ sung đường sucrose có diện tích bề mặt riêng (35

m2/g) lớn gấp 1.5 lần so với khi điều chế từ dung dịch chứa EDTA (20 m2

/g) Khi sử dụng phương pháp sol-gel dùng etylen glicol monometyl, nung ở nhiệt

độ 400o

C – 700oC người ta cũng thu được α – Fe2O3

Khi tổng hợp α – Fe2O3 bằng phương pháp thủy nhiệt, người ta dùng poli vinyl ancol (PVA) để làm giảm sự kết bám của các hạt oxit sắt Ảnh hưởng của nồng độ Fe(NO)3 và PVA đến kích thước hạt đã được khảo sát

1.1.2.3 Sắt(II, III) oxit

Sắt(II, III) oxit hay oxit sắt từ là một oxit sắt có màu đen (hình1 4) Trong đó

sắt thể hiện cả hóa trị II và III với công thức Fe3O4 hay có thể viết thành [FeO x

Fe2O3], tỷ trọng 5.17 g/cm3, điểm nóng chảy 1597o

C

Hình 1 4: Sắt(II, III) oxit

Fe3O4 có cấu trúc spinel, số phân tử trong một ô cơ sở là 8 Cấu trúc spinel có thể xem như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O2-

với

các lỗ trống tứ diện và lỗ trống bát diện được lấp đầy bằng các ion kim loại

Fe2+ và Fe3+ [5] Oxit sắt từ được tạo ra nhờ phản ứng:

3Fe + 2O2 → Fe3O4Dựa trên đặc tính vật lý, hóa học, nhiệt học và cơ học Fe3O4 được ứng dụng trong sinh học làm tác nhân tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, phân tách và chọn lọc tế bào, tạo hiệu ứng tăng thân nhiệt cục bộ xử lý tế bào bệnh và dẫn truyền thuốc hướng đích

1.2 Vật liệu MgO

1.2.1 Tính chất vật lý

Magie oxit MgO (còn gọi là magnesia) ở dạng bột trắng (hình 1.5a ), có khả năng hút ẩm, nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 2500oC, hầu như không tan trong nước (8,4.10-4% ở 18oC) Nó có trọng lượng phân tử 40,3 g/mol Tỷ trọng 1.5g/cm3, điểm sôi 36000

C Hệ số giãn nở nhiệt : 0,026 , MgO rễ ràng tạo pha ơtecti với các oxit khác và nóng chảy ở nhiệt độ rất thấp Độ giãn nở nhiệt thấp

và có khả năng chống rạn men là hai đặc tính quan trọng của MgO Cấu trúc tinh thể MgO thuộc dạng lập phương đơn giản tương tự như các tinh thể muối

nhiệt và tỏa ra ánh sáng chói Lợi dụng tính chất này người ta đốt magie để chụp ảnh ban đêm, làm pháo hoa:

Trong công nghiệp: MgO được sử dụng như một chất cách điện trong các loại cáp công nghiệp: nhựa, cao su, giấy và bột chế biến giấy, phụ gia, lò hơi thép, chất kết dính

Trong xây dựng: do chúng có một số đặc điểm hấp dẫn nên chúng được

sử dụng trong các vật liệu: chống cháy, chống ẩm, khả năng chống nấm mốc Trong y tế: MgO được sử dụng giảm chứng ợ chua, ợ nóng và đau dạ dày, thuốc kháng acid Nó cũng được sử dụng để cải thiện các triêụ chứng khó tiêu, dùng trong mỹ phẩm, kem đánh răng

Ngoài ra, MgO còn được sử dụng trong vật liệu quang học, trong thư viện khoa học và quản lý các mặt hàng giấy Trong quá trình này nó vô hiệu hóa nồng độ axit tương đối cao của loại giấy chất lượng thấp, do đó làm chậm

tốc độ suy giảm, MgO còn được sử dụng như một lớp bảo vệ trong màn hình plasma

1.2.4 Điều chế

MgO là một oxit kim loại quan trọng, dùng trong nhiều ngành công nghiệp Hàng năm nước ta phải nhập khẩu lượng rất lớn magie oxit từ thị trường nước ngoài nhằm thỏa mãn yêu cầu đó

Nguyên liệu để sản xuất MgO là nước biển, nước ót, nước muối mỏ hoặc các khoáng vật như quặng carnalith, magie cacbonat (magnezit) [13] Có nhiều công nghệ sản xuất MgO, phần lớn đều bao gồm công đoạn nhiệt phân hủy trong lò quay hoặc lò đứng

 Điều chế MgO từ nguồn quặng dolomit và nước ót (quặng dolomit: MgCO3, CaCO3)

- Nung quặng dolomit ở 910oC

MgCO3, CaCO3 → MgO + CaO + 2CO2 – 74 kcal

- Hỗn hợp tạo thành đem tôi với nước theo tỷ lệ R/L =1/5 được sữa dolomit

MgO + CaO + 2H2O → Mg(OH)2 + Ca(OH)2

- Làm sạch nước ót: trong nước ót có thành phần SO4

( khoảng 55,12 g/l) phải được loại bỏ để tránh tạo thành CaSO4 lẫn vào bán thành phẩm Mg(OH)2

gây nhiễm bẩn sản phẩm MgO, muốn vậy dùng CaCl2 để kết tủa toàn bộ SO4

2-trong nước ót Khi đó xảy ra phản ứng:

MgSO4 + CaCl2 → MgCl2 + CaSO4↓

- Tiến hành tách lọc để loại bỏ kết tủa này ta được nước ót sạch

- Kết tủa Mg(OH)2 từ sữa dolomit và nước ót sạch:

Mg(OH)2 + Ca(OH)2 + MgCl2 → 2Mg(OH)2 + CaCl2

- Sau khi sấy và nung Mg(OH)2, thu được MgO:

Mg(OH)2 → MgO + H2O

MgO có hai dạng do chế độ nung bán thành phẩm Mg(OH)2 quyết định MgO hoạt tính thu được khi nung Mg(OH)2 ở nhiệt độ thấp (700o

C), MgO thiêu kết có được khi nung Mg(OH)2 ở nhiệt độ cao (1600oC)

 Sản xuất MgO từ quặng

Quặng magnezit MgCO3 được nung trực tiếp để sản xuất MgO Các thiết

bị nung thường là lò đứng, lò nhiều tầng hoặc lò quay, được đốt trực tiếp bằng dầu hoặc khí đốt Nhưng quy trình này thường chỉ sản xuất MgO loại chất lượng thấp (90-98%), trừ khi có được nguồn magnezit chất lượng cao:

MgCO3 + nhiệt → MgO + CO2

1.2.5 MgO hoạt tính

MgO hoạt tính mang đặc điểm chung của các chất rắn hoạt tính là diện tích bề mặt lớn do sự phân tán cao của các hạt chất rắn Sự phân tán này cũng quyết định độ xốp của vật liệu

Nhờ sự phân tán của các hạt vật liệu, một phần đáng kể các ion và nguyên tử cấu tạo nên đơn vị cấu trúc sẽ nằm trên bề mặt và ở cạnh các hạt: gần ¼ số ion O2-

có trên bề mặt [16], chúng quyết định các tính chất hóa lý của MgO

Đặc trưng và tính chất của MgO là khác nhau, phụ thuộc mạnh mẽ vào con đường tổng hợp và điều kiện của quá trình MgO hoạt tính có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp vật lý và hóa học như phương pháp thăng hoa, nghiền, kết tủa, nung… Trong đó nung phân hủy một hợp chất của magie có khả năng tạo ra MgO và một hợp chất dễ bay hơi (thường là CO2 và nước) được xem là phương pháp thích hợp nhất Quá trình phân hủy này vẫn bảo toàn được ở một mức độ nhất định thể tích và hình dạng bên ngoài của chất ban đầu Các chất ban đầu thường được sử dụng là Mg(OH)2, MgCO3.nH2O, MgC2O4.2H2O

Đối với MgO, diện tích bề mặt khoảng trên 300m2/g đã có thể được xem

là một giá trị rất lớn [17] Với ưu thế diện tích bề mặt cao, ứng dụng nổi bật của MgO hoạt tính là trong lĩnh vực xúc tác

1.3 Vật liệu Fe/MgO và vật liệu Fe/MgO/bentonite

Việc chế tạo vật liệu thường phải gắn liền với mục đích và công nghệ sử dụng vật liệu Như đã trình bày, các vật liệu trong luận văn này được nghiên cứu tổng hợp hướng đến mục đích ứng dụng xử lý khí H2S cho biogas

Các quá trình loại H2S từ biogas bằng phương pháp hóa học, chủ yếu phân thành hai dạng: quá trình rắn – khí (quá trình hay khô) và quá trình lỏng – khí (quá trình ướt)

Quá trình lỏng-khí, thực chất là quá trình vận chuyển và biến đổi hóa học của các cấu tử thông qua bề mặt tiếp xúc pha lỏng-khí Còn trong quá trình rắn-khí (quá trình khô), việc loại bỏ H2S được thực hiện bằng cách cho dòng khí đi qua thiết bị chứa tác nhân xử lý H2S là các vật liệu ở dạng rắn Thực chất của quá trình này là: hoặc H2S phản ứng với tác nhân hóa học ở dạng rắn, hoặc chúng bị hấp phụ lên trên bề mặt vật liệu rắn

Các oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4…) nằm trong số những tác nhân có ái lực mạnh với H2S Các vật liệu trên cơ sở sắt đã và đang là những vật liệu hiệu quả và triển vọng trong các công nghệ xử lý H2S

1.3.1 Fe/MgO

Vật liệu này được thông báo là có khả năng loại H2S rất tốt trong các công nghệ ướt (qui trình lỏng - khí)

Vật liệu xúc tác sắt trên một số chất mang là các oxit MgO, Al2O3, SiO2 và

cứu Trong số các chất mang này, MgO được đặc biệt quan tâm vì một số lý do: MgO có khả năng ổn định kim loại ở trạng thái oxi hóa không bền; hình thái và cấu trúc tinh thể của nó rất dễ cải biến; có thể xảy ra sự chuyển điện tử giữa kim loại và chất mang tạo nên những thay đổi về các tính chất của xúc tác; tính

axit mạnh của các nhóm hydroxyl trên bề mặt MgO liên quan trực tiếp đến hoạt tính xúc tác của vật liệu [9, 16] Chất mang MgO ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt tính cũng như độ chọn lọc của xúc tác

Xúc tác Fe/MgO thường được điều chế bằng phương pháp tẩm ướt một muối Fe(III) trên chất mang MgO Trong số các muối Fe(III), Fe(NO3)3.H2O đã được chứng minh là tiền chất thích hợp nhất cho quá trình tẩm ướt, đưa sắt vào mạng MgO Hàm lượng Fe trên MgO thường được nghiên cứu trong khoảng dưới 30%, giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy, với hàm lượng Fe 30% có một phần

Fe2O3 tồn tại bên ngoài mạng MgO [14]

Vật liệu được chuẩn bị bằng phương pháp tẩm ướt sau đó nung ở nhiệt độ cao Các kết quả nghiên cứu cũng khẳng định sự tồn tại ở dạng phân tán mịn của các cation Fe3+, các đám oxit của Fe(III) và một phần MgFe2O4 trong sản phẩm tạo thành [14]

Những năm gần đây, vật liệu Fe/MgO đã được phát triển như một vật liệu xúc tác oxy hóa H2S tạo thành lưu huỳnh nguyên tố Năng lực loại bỏ H2S của

hệ thống được thông báo đạt hiệu suất 100% liên tục trong thời gian thử nghiệm tại nhiệt độ phòng Khác với quá trình lỏng cũng thực hiện bằng cơ chế oxi hóa khử trên xúc tác Fe cần phải kiểm soát độ pH và cần một số tác nhân khác để ổn định chất xúc tác, xúc tác nano Fe/MgO không đòi hỏi phải kiểm soát độ pH cũng như thêm các tác nhân ổn định [15] Chất xúc tác nano Fe/MgO trong hệ thống không đồng nhất có tiềm năng trong việc loại bỏ H2S

vì nó có thể được tái sinh liên tục bằng oxy hòa tan Đây là hướng nghiên cứu rất có triển vọng, đang được giới khoa học quan tâm

1.3.2 Fe/MgO/bentonite

Các công nghệ xử lý H2S dựa trên qui trình khô cho đến nay vẫn đóng vai trò rất quan trọng Composite Fe/MgO trên chất mang bentonite (Fe/MgO/bentonite) được nghiên cứu chế tạo với mục đích tạo ra một vật liệu xử lý H2S hiệu quả theo quy trình khô Do khả năng phân tán tốt của Fe/MgO và Fe2O3 trong cấu trúc

lớp xốp của chất mang bentonite, vật liệu này sẽ có triển vọng phát huy hơn nữa những ưu thế trong xử lý H2S của Fe2O3 và Fe/MgO

Bentonite đã được sử dụng thành công với vai trò chất mang trong chế tạo một số vật liệu xử lý asen, kim loại nặng…

Một số đặc trƣng chủ yếu của bentonite:

Khoáng sét bentonite

Bentonite có thành phần chính là montmorillonite (MMT) với công thức hoá học tổng quát: (Na,Ca)0,33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O Ngoài ra trong bentonite còn có một số loại khoáng khác như kaolinite, kronite, canxit, thạch anh và các muối của các kim loại kiềm và kiềm thổ Trong thành phần hoá học của Bentonite ngoài hai nguyên tố chính là nhôm và silic còn có các nguyên tố khác như: Fe, Ca, Mg, Ti, K, Na…Tỷ lệ Al2O3/SiO2 của montmorillonite nằm trong khoảng 1/2 đến 1/4

Cấu trúc tinh thể, thành phần hoá học và phản ứng trao đổi cation của montmorilonite

MMT có cấu trúc lớp 2:1 Cấu trúc tinh thể của MMT gồm hai mạng tứ diện SiO4 và xen giữa là một mạng bát diện MeO6 (Me = Al, Mg) Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hydrat hoá Trong mạng cấu trúc của MMT thường xảy ra sự thay thế đồng hình của các cation Do sự thay thế đồng hình của các ion trong mạng tinh thể (ở mạng bát diện Al3+

bị thay thế bằng

Mg2+, Fe2+, Zn2+, Li1+, ở mạng tứ diện Si4+

bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+) Sự thay thế đồng hình của các cation hoá trị cao bằng các cation hoá trị thấp trong mạng tinh thể tạo ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc của phiến sét và làm cho bề mặt phiến MMT xuất hiện các điện tích âm Đối với bentonite sự thay thế đồng hình này thường xảy ra tại lớp bát diện kẹp giữa hai lớp tứ diện Các cation trao đổi nằm trên bề mắt phiến sét có độ linh động cao do có liên kết yếu với bề mặt phiến sét, vì vậy các cation này dễ dàng di chuyển trên bề mặt phiến sét và trao đổi với các cation khác Khả năng trao đổi của bentonite phụ

thuộc chủ yếu vào hoá trị và bán kính của các ion trao đổi Ở cùng một nồng độ khả năng trao đổi của các cation thay đổi theo dãy: H+

> Al3+> Ca2+> Mg2+>

NH4+> Na+ Các lớp cấu trúc liên kết với nhau bởi lực Van der Waal thông qua cầu nối liên kết -OSiO- chính vì vậy nước và các chất phân cực khác dễ dàng xâm nhập vào mạng tinh thể gây ra việc tăng khoảng cách giữa các lớp do đó MMT có độ trương nở rất cao Chiều dày của một lớp cấu trúc là 9,6 Ao

đối với trạng thái khô Khi hấp thụ nước thì khoảng cách giữa lớp cấu trúc tăng lên khoảng 15-20Ao Khoảng cách này còn có thể tăng lên đến 40Ao

khi các cation trao đổi được thay thế bằng các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử hữu cơ …

Mô hình cấu trúc và phản ứng trao đổi cation của MMT được đưa ra trên hình 1.6

Hình 1.6 Mô hình cấu trúc của montmorillonite và phản ứng trao đổi cation

Chế tạo vật liệu xốp vô cơ thông qua việc chế tạo composite trên chất mang bentonite

Có thể tận dụng con đường biến tính hữu cơ khoáng sét bentonite để chế tạo các vật liệu nanocomposite vô cơ trên chất nền bentonite Khi các nanoclay phân bố đều trong huyền phù ở dạng tách lớp (exfoliated), tiến hành thực hiện các phản ứng tổng hợp các hạt nano từ ngay trong lòng dung dịch kết quả là nhận được một hỗn hợp phân tán đồng nhất của hạt-MMT Dưới tác dụng của các chất định hướng cấu trúc (ĐHCT) hoặc các polyme có điều khiển thêm vào (ví dụ PEG), khi tiến hành “rút” các polyme ra khỏi vật liệu trong quá trình nung sẽ nhận được vật liệu xốp mong muốn Sơ đồ tổng hợp vật liệu được đưa

ra trên hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp vật liệu xốp composite với chất mang bentonite

Thông qua con đường này có thể tổng hợp Fe/MgO/bentonite nói riêng hay các vật liệu composite với bentonite nói chung, chúng có các đặc trưng kỹ thuật khác nhau ứng dụng cho các mục tiêu cụ thể

1.4 Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu

1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, cho phép xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao

Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột hay phương pháp Debye Trong kỹ thuật này, mẫu được tạo thành bột với mục đích có nhiều tinh thể có tính định hướng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng có một

số lớn hạt có định hướng thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg

Hình 1.8: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột

Phương pháp bột cho phép xác định được thành phần pha và nồng độ các pha

có trong mẫu Bởi vì mỗi pha có trong mẫu cho một hệ vạch nhiễu xạ tương ứng trên giản đồ nhiễu xạ Nếu mẫu gồm nhiều pha (hỗn hợp) nghĩa là gồm nhiều loại ô mạng thì trên giản đồ tia X sẽ tồn tại đồng thời nhiều hệ vạch độc lập nhau Phân tích các vạch ta có thể xác định được các pha có trong mẫu – đó

là cơ sở để phân tích pha định tính

Phương pháp phân tích pha định lượng bằng tia X dựa trên cơ sở của sự phụ thuộc cường độ tia nhiễu xạ vào nồng độ Nếu biết mối quan hệ đó và đo được cường độ thì có thể xác định được nồng độ pha Các pha chưa biết trong vật liệu có thể xác định được bằng cách so sánh số liệu nhận được từ giản đồ nhiễu xạ tia X thực nghiệm với số liệu chuẩn trong sách tra cứu, từ đó ta tính được tỷ lệ nồng độ các pha trong hỗn hợp Đây là một trong những ứng dụng tiêu biểu của phương pháp bột để phân tích pha định lượng

Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ với góc nhiễu xạ cực đại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff – Bragg:

nλ = 2d.sin θ Trong đó: - n: bậc nhiễu xạ, n có giá trị nguyên n = 1, 2, 3

- λ: chiều dài bước sóng tia X

- d: khoảng cách giữa hai mặt tinh thể

Ngoài ra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X còn có thể định lượng pha tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao

Từ giản đồ XRD có thể xác định được kích thước tinh thể qua độ rộng của vạch nhiễu xạ Một cách định tính, mẫu có các tinh thể với kích thước hạt lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ càng bé và ngược lại Để định lượng có thể tính toán kích thước hạt trung bình của tinh thể theo phương trình Scherrer:

Dt.b là kích thước hạt tinh thể, θ là góc nhiễu xạ (độ), B là độ rộng vạch đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nửa cường độ cực đại, λ = 1,5406 Å là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của hạt và chỉ

số Miller của vạch nhiễu xạ

1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ hấp thụ hồng ngoại dùng trong xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu Dựa vào vị trí và cường độ các giải hấp thụ trong phổ hồng ngoại người ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân tử chất nghiên cứu

Khi chiếu một chùm tia đơn sắc có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại (50-10.000 cm-1) qua chất nghiên cứu, một phần năng lượng bị chất hấp thụ làm giảm cường độ của tia tới Sự hấp thụ này tuân theo định luật Lambert-Beer

Định luật Lambert – Beer :

C l I

I

Trong đó: ε là hệ số hấp thụ phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A là độ hấp thụ quang

Phân tử hấp thụ năng lượng sẽ thực hiện dao động (xê dịch các hạt nhân nguyên tử xung quanh vị trí cân bằng) làm thay đổi độ dài liên kết và các góc hoá trị tăng giảm tuần hoàn, chỉ có những dao động làm biến đổi moment lưỡng cực điện của liên kết mới xuất hiện tín hiệu hồng ngoại Đường cong biểu diễn

sự phụ thuộc của độ truyền quang vào bước sóng là phổ hồng ngoại hấp thụ Mỗi nhóm chức hoặc liên kết có một tần số (bước sóng) đặc trưng thể hiện bằng pic trên phổ hồng ngoại Như vậy, căn cứ vào các tần số đặc trưng này có thể xác định được các liên kết giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử, từ đó xác định được cấu trúc của chất phân tích

Các thiết bị đo hồng ngoại thường sử dụng biến đổi Fourier, ta có phổ

hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)

1.4.3 Phương pháp phân tích nhiệt (TA)

Để xác định đặc trưng liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ của mẫu vật liệu thường dùng 2 phương pháp phân tích nhiệt là phân tích nhiệt vi sai quét (DTA) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Là phương pháp đo sự thay đổi nhiệt độ (đối với DTA) hay sự thay đổi khối lượng vật liệu (đối với TGA) khi tác động chương trình nhiệt độ lên mẫu Giản đồ phân tích nhiệt thể hiện sự phụ thuộc khối lượng mẫu theo thời gian (đường TGA) hay sự phụ thuộc nhiệt

độ theo thời gian (đường DTA)

Các thông tin nhận được cho phép xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong mẫu, các dạng chuyển pha, độ bền nhiệt, độ bền oxi hoá của vật liệu, xác định được độ ẩm, hơi nước, ảnh hưởng của môi trường lên vật liệu

và một số thông tin khác

1.4.4 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX)

Phổ tán sắc năng lượng tia X hay phổ tán sắc năng lượng (Energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX hay EDS) là kỹ thuật phân tích thành phần

hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử)

Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử Ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn Khi chùm điện tử có năng lượng cao được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:

Có nghĩa là tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất

có mặt trong chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này

1.4.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hiển vi điển tử quét (Tiếng anh: Sanning Electron Microscope) Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh 3 chiều chất lượng cao và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu Tuy nhiên, phương pháp SEM có độ phóng đại nhỏ hơn so với phương pháp TEM Phương pháp SEM đặc biệt hữu dụng, vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ

10 đến 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là dùng chùm điện tử để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại lên tới đến 100.000 lần Chùm electron được tạo ra sau khi ra khỏi thấu