Đang tải... (xem toàn văn)
Phần thứ nhất Cơ sở lý thuyết hóa học chất keo Chương 1. Khái quát và phân loại hệ keo Chương 2. Các phương pháp điều chế và tinh chế dung dịch keo Chương 3. Cơ sở lý thuyết các quá trình hấp phụ Chương 4. Tính chất động học phân tử của các hệ phân tán Chương 5. Tính chất quang học của các hệ keo Chương 6. Tính chất điện của hệ thống keo Chương 7. Độ bền vững và sự keo tụ của hệ thống keo ghét lưu Chương 8. Tính chất cơ học cấu thể của hệ thống keo Chương 9. Các hệ phân tán với môi trường phân tán khí lỏng rắn Phần thứ hai Hóa keo ứng Chương 10. Hóa keo trong thổ nhưỡng (hệ keo đất) Chương 11. Hấp phụ và ứng dụng Phần thứ ba Công nghê nano Chương 12. Lịch sử phát triển và tương lai của khoa học và công nghệ nano Chương 13. Vật liêu nano Chương 14. Nano và môi trường Chương 15. Nano trong y sinh học Phần 4 Ứng dụngvật liệu nano trong hoá học
Phần thứ CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC CHẤT KEO ============ CHƯƠNG KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI HỆ KEO 1.1 KHÁI QT VỀ HỐ HỌC CHẤT KEO Hố học chất keo khoa học nghiên cứu đặc tính hệ phân tán dị thể đặc biệt gọi hệ keo (hoặc dung dịch keo) trình xảy hệ Những hệ phổ biến tự nhiên có ý nghĩa to lớn kĩ thuật Để nghiên cứu hệ cần phương pháp nghiên cứu đặc biệt dụng cụ đặc biệt kính siêu vi, kính hiển vi điện tử, máy siêu li tâm, loại máy điện di Hệ keo (dung dịch keo) hệ phân tán dị thể bao gồm pha phân tán (chất tan) - chia nhỏ đến dạng tập hợp phân tử, nguyên tử, ion (kích thước hạt khoảng 10-9 - 10-7 m) phân bố môi trường phân tán đồng (dung môi) Cần lưu ý thuật ngữ “chất keo” không đơn dùng để chất có tính chất dính, mà vật chất vào trạng thái keo Tên gọi chất keo mang tính lịch sử, cịn chất vấn đề tính chất hố lý vật chất vào trạng thái keo - tức trạng thái phân tán cao Theo đối tượng nghiên cứu mơn học danh từ “Hố học chất keo” mà ta gọi nên thay “Hoá lý học hệ phân tán keo” cho phù hợp Vào năm 40 kỷ 19, nhà bác học ý Selmi người lưu ý đến tính chất bất thường số dung dịch mà ngày gọi dung dịch keo Việc nghiên cứu hoá học chất keo bắt đầu vào năm 60 kỷ 19 Graham dùng màng động vật tách chất có tính dính gelatin, gơm arabic, tinh bột Ơng gọi dung dịch chất dung dịch keo (colloid) từ chữ Latinh colla có nghĩa hồ dán Hiện nay, việc nghiên cứu dung dịch cao phân tử anbumin, xenlulozơ, cao su nhiều chất cao phân tử khác, tách thành mơn học riêng hố học chất cao phân tử Hệ keo hệ dị thể có bề mặt phân cách pha lớn nên chúng khơng bền mặt nhiệt động, có tượng phân tán ánh sáng Trong dung dịch, hạt keo mang điện nên có tượng điện động học Ngoài ra, tượng bề mặt sức căng bề mặt, tượng thấm ướt, chất hoạt động bề mặt có ý nghĩa quan trọng việc nghiên cứu hệ thống keo 1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ PHÂN TÁN Để làm số đo cho hệ phân tán dùng kích thước hạt a (đối với hạt cầu a đường kính d, với hạt lập phương a chiều dài cạnh l, với hạt có hình khác a có giá trị hiệu dụng) hay nghịch đảo a D = 1/a; D gọi độ phân tán Cũng dùng bề mặt riêng Sr bề mặt tất hạt quy đơn vị thể tích pha phân tán Kích thước hạt a nhỏ D, Sr lớn Sự phụ thuộc bề mặt riêng vào kích thước hạt biểu diễn hình 1.1 Tuỳ theo kích thước hạt người ta phân biệt hệ phân tán phân tử (a < 10-9 m), hệ keo (10-9m < a < 10-7m) hệ phân tán thô (a > 10-7m) Bảng 1.1 Sự thay đổi bề mặt riêng chia nhỏ 1cm3 chất Chiều dài cạnh 1, cm 101 102 103 104 105 106 107 108 (1 Å) Độ phân tán D, cm1 101 102 103 104 105 106 107 108 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 S Hình 1.1 Sự phụ thuộc bề mặt riêng vào kích thước hạt Số hạt (Lập phương) Diện tích bề mặt hạt, cm2 6.102 6.104 6.106 6.108 6.1010 6.1012 6.1014 6.1016 Tổng diện tích bề mặt riêng, cm2 6.101 6.102 6.103 6.104 6.105 6.106 6.107 6.108 = 6.104m2 Dung dịch phân tử dung dịch keo Hệ phân tán thô a 109 -107 (m) 1.3 PHN LOI CÁC HỆ KEO Đối tượng hoá học chất keo nhiều phức tạp nên cần có phân loại thích đáng làm sở cho nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng, chưa có cách phân loại thoả đáng bao quát hết tính chất hệ phân tán Sau số cách phân loại tương đối phổ biến 1.3.1 Phân loại theo kích thước hạt Sự phân loại theo kích thước hạt ghi bảng 1.2 Bảng 1.2 Sự phân loại hệ phân tán theo kích thước hạt Hệ phân tán Kích thước hạt (cm) Đặc điểm 7 Dung dịch phân tử Hệ đồng thể (một pha) < 10 7 5 Dung dịch keo Đi qua giấy lọc, khó nhìn thấy 10 10 kính hiển vi thường 5 Hệ phân tán thơ Khơng qua giấy lọc, nhìn > 10 thấy kính hiển vi thường Những hệ keo có kích thước hạt keo đồng gọi hệ đơn phân tán, hệ keo có kích thước hạt keo to nhỏ khác gọi hệ đa phân tán Didentop (Siedentopf) Xíchmonđi (Zigmondy) đề nghị gọi hệ có kích thước hạt keo thấy kính hiển vi thường (a > 0,2 micron) hệ micron, cịn hệ có kích thước hạt keo khơng thấy kính hiển vi thường (a < 0,2 micron) hệ siêu micron Hệ siêu micron lại phân thành supmicron (0,005 < a < 0,2 micron - nhìn thấy nhờ kính siêu vi) amicron (a < 0,05 micron - kính siêu vi không phát thấy) Cách phân loại không phản ánh chất hệ keo nói chung hệ keo thường gặp hệ đa phân tán nên cách sử dụng 1.3.2 Phân loại theo trạng thái tập hợp Cách phân loại Otvan (Ostwald) đề nghị Có trạng thái tập hợp khí (K), lỏng (L), Rắn (R) cho pha phân tán cho mơi trường phân tán nên có loại hệ phân tán Trừ hệ khí - khí hệ phân tán phân tử, hệ phân tán lại hệ dị thể Bảng 1.3 Sự phân loại hệ phân tán theo trạng thái tập hợp Otvan Số TT Pha phân tán Khí Lỏng Rắn Khí Lỏng Rắn Khí Lỏng Rắn Mơi trường phân tán Khí Khí Khí Lỏng Lỏng Lỏng Rắn Rắn Rắn Kí hiệu hệ K/K L/K R/K K/L L/L R/L K/R L/R R/R Tên gọi hệ Ví dụ Dung dịch khí Sol khí Sol khí Bọt Nhũ tương Huyền phù Vật xốp Nhũ tương rắn Dung dịch rắn Khơng khí Mây, sương mù Khói, bụi Bọt xà phịng Sữa, mủ cao su Nước phù sa Đá bọt, xỉ Chất hấp phụ xốp Hợp kim Trong hoá học chất keo, hệ chứa hạt có độ phân tán keo mơi trường phân tán lỗng (khí hay lỏng) gọi sol Sol có nguồn gốc từ thuật ngữ solutio, có nghĩa dung dịch (dung dịch keo) Các hệ L/K R/K có tên aerosol (sol khí), hệ K/L, L/L, R/L gọi liosol (sol lỏng) Những sol lỏng có môi trường phân tán nước, rượu, ete gọi tương ứng hidrosol, ancolsol, etesol Danh từ acganosol dùng để sol có mơi trường phân tán lỏng dung môi hữu Những hệ dị thể K/L, L/L, R/L có tên bọt, nhũ tương, huyền phù tương ứng Phương pháp tương đối hợp lý dùng phổ biến Do độ phân tán cao, hệ có mơi trường phân tán có tính chất tương đối giống nên để đơn giản, hệ keo phân loại theo trạng thái tập hợp môi trường phân tán mà 1.3.3 Phân loại theo tương tác hạt Tuỳ theo tương tác hạt phân tán, hệ phân chia thành hệ phân tán tự phân tán liên kết Hệ phân tán tự do: hệ khơng có cấu thể, hạt tồn độc lập chúng chuyển động hỗn loạn Thuộc loại hệ có aerosol, liosol, huyền phù nhũ tương loãng Hệ phân tán liên kết: (hình 1.2) hệ gồm hạt liên kết với lực phân tử tạo nên môi trường phân tán mạng lưới không gian (gọi cấu thể) Khi hạt dính lại với điểm tiếp xúc tạo thành mạng lưới không gian gọi gel Tuỳ theo số điểm tiếp xúc hạt gel dạng liên kết lỏng lẻo (a, c) xếp đặc khít (b), ví dụ huyền phù đậm đặc (kem), nhũ tương đậm đặc (bọt) Các hạt kết dính với để lại lỗ xốp gọi hệ mao quản (d, e), ví dụ gỗ, da, giấy, loại màng oo oo ooooooooo oooo o OOOO ooo oooooooo o O OO OO ooooo ooo O O OO OO OOOO oo oo ooooooo (a) (b) (c) (d) (e) Hình 1.2 Các hệ phân tán liên kết a, c - Gen lỏng lẻo; b - Gen đặc khít; d, e - Các hệ mao quản 1.3.4 Phân loại theo tương tác pha phân tán môi trường phân tán Theo Xichmondi cho kết tủa khô (thu cách làm bay cẩn thận dung dịch keo) hồ tan vào mơi trường phân tán: hoà hợp tự xảy cho dung dịch keo hệ gọi thuận nghịch, cịn hồ tan khơng tự xảy gọi hệ bất thuận nghịch Frendlich (Freundlich) cho tính thuận nghịch hay bất thuận nghịch hệ keo cần xác định tương tác tướng phân tán mơi trường phân tán Trong hệ keo thuận nghịch có tương tác pha phân tán với phân tử mơi trường nên chúng hồ tan mơi trường đó, ơng đề nghị gọi hệ keo hệ keo ưa lưu Trong hệ keo bất thuận nghịch pha phân tán không tự ý tương tác phân tử mơi trường nên chúng khơng hịa tan môi trường này, ông đề nghị gọi chúng hệ keo ghét lưu, mơi trường phân tán nước hệ gọi tương ứng ưa nước ghét nước Các hệ keo điển hình hệ keo ghét lưu (trừ vài trường hợp đặc biệt) Vì thành lập hệ keo, bề mặt phân cách pha hệ keo tăng lên nhiều làm cho lượng tự bề mặt tăng lên, q trình khơng tự ý xảy Cũng cần ý rằng, cách phân loại dùng cho hệ có mơi trường phân tán lỏng mà thơi 1.4 VAI TRỊ VÀ Ý NGHĨA CỦA HOÁ KEO TRONG ĐỜI SỐNG VÀ KĨ THUẬT Các hệ keo phổ biến tự nhiên có ý nghĩa vơ to lớn kĩ thuật đại Trong công nghiệp nghành có liên quan đến hố học chất keo Các tượng khí tượng có liên quan chặt chẽ với vấn đề hoá học chất keo: mây sương mù hệ keo L/K pha lỏng hạt nước có kích thước nhỏ thường mang điện Mưa, tuyết tượng gắn liền với q trình hố keo Việc tạo thành vùng châu thổ chỗ cửa sơng nối liền với biển giải thích keo tụ hạt keo chứa nước sông gặp ion chứa nước biển Hoá học chất keo có ý nghĩa to lớn thổ nhưỡng học, canh tác học Đất hệ thống keo phức tạp, hình dạng, kích thước chất hạt keo đất định khả thấm ướt, khả hấp thụ đất Đất cát gồm hạt lớn không giữ nước, đất sét gồm hạt mịn giữ nước tốt, có mặt ion kim loại kiềm làm tăng độ phân tán tính ưa nước đất, cịn ion Ca2+ làm keo đất keo tụ làm giảm tính ưa nước, bón vôi cho đất làm cho đất giảm khả giữ nước Kĩ nghệ đồ gốm sử dụng nguồn nguyên liệu khoáng sét - dạng huyền phù đậm đặc vật liệu alumiosilicat hydrat hoá Phẩm chất nguyên liệu tuỳ thuộc vào tính chất hố lý hạt chứa ngun liệu Chính điều định chất lượng sản phẩm gốm sứ Đối với việc chế tạo vật liệu composit gốm kim loại (cermet) việc hiểu biết hoá keo, học cấu trúc cần thiết Hiện xuất công nghệ micro (công nghệ nanomet) liên quan đến kích thước hạt siêu mịn cỡ 10-9m Các nghành sản xuất giấy, nhuộm, thuộc da có liên quan nhiều đến trình keo Nhuộm sợi, thuộc da làm cho hạt keo (phẩm nhuộm, chất thuộc da) khuyếch tán vào vải, vào da bị keo tụ bề mặt vật liệu Trong ngành cao su, chất dẻo trình keo có vai trị đáng kể Nhiều q trình điều chế polime tiến hành dạng nhũ tương Bản chất chất dẻo hệ keo với có mặt chất độn dạng hạt nhỏ (dạng keo) Nhiều trình bào chế thuốc q trình keo, ví dụ chế tạo loại dựơc phẩm dạng huyền phù, nhũ tương, kem, dầu, cao Khi đưa thuốc vào thể dạng keo có hai ưu điểm: định chỗ tác dụng làm cho thuốc có tác dụng lâu dài Trong nghiên cứu cơng nghiệp hóa học, chất xúc tác dạng keo có tác dụng tốt nhiều so với dạng hạt lớn Các trình khử nước dầu mỏ, phá vỡ huyền phù sản phẩm mà chế tạo cần rửa nước, q trình tuyển khống q trình keo ================================== CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO Các hạt keo có kích thước trung gian phân tử hạt thơ Để có vật chất trạng thái phân tán keo dùng phương pháp: Thứ nhất: chia nhỏ vật chất rắn lỏng đến kích thước keo phân tán chúng môi trường phân tán (thường có sẵn chất ổn định) - phương pháp phân tán Thứ hai: liên kết phân tử, nguyên tử, ion thành tập hợp có kích thước keo - phương pháp ngưng tụ Để tạo dung dịch keo cần có hai điều kiện sau: Pha phân tán không tan tan không đáng kể môi trường phân tán Trong hệ cần có chất ổn định để giữ cho hạt keo không liên kết lại thành tập hợp lớn Những chất làm bền đưa từ bên ngồi vào, tạo thành phản ứng hoá học xảy hệ 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO 2.1.1 Điều chế dung dịch keo phương pháp phân tán a Nguyên tắc: Dùng lượng (cơ, điện, từ, sóng siêu âm ) để chia nhỏ vật chất thô phân bố chúng vào mơi trường phân tán đồng có sẵn chất làm bền Năng lượng chủ yếu dùng để phá vỡ liên kết phân tử, nguyên tử, ion pha phân tán Nếu gọi A lượng dùng phân tán bề mặt phân cách pha pha phân tán môi trường phân tán tăng lên lượng S lượng phân tán riêng E tính A Về thực chất, lượng phân tán A dùng để thắng lực ma sát S (năng lượng biến dạng đàn hồi q) để làm tăng lượng bề mặt bề mặt hệ S Như A = q + S theo cơng thức: E = Trước có phá vỡ vật chất, công biến dạng đàn hồi giữ dạng đàn hồi, vật chất bị phá vỡ, phần lượng chuyển thành nhiệt Vì cơng khơng có ích q loại công lực phân tử nên E tỷ lệ với Do ta viết: E= A = k S (với k hệ số tỷ lệ) (2.1) Cần ý công sử dụng thực tế thường nhỏ giá trị thu tính tốn theo lý thuyết Điều giải thích hiệu ứng Rebinđia: trình phân tán, tác dụng lực bên ngồi, chỗ khiếm khuyết bề mặt vật chất cần phân tán thường xuất khe nứt, chúng làm giảm độ chắn vật rắn, Nếu lực tác dụng nhỏ chỗ nứt liền lại tác dụng Nếu lực tác dụng lớn vật rắn bị phá vỡ chỗ nứt Nhờ thế, phân tán xảy dễ dàng công cần để chia nhỏ thường bé giá trị tính theo lý thuyết dựa vào cấu tạo vật rắn Nếu hệ có chất điện ly hay chất hoạt động bề mặt chất hấp phụ lên bề mặt vật rắn xen vào khe nứt đó, vật rắn dễ vỡ Bằng phương pháp phân tán, thông thường ta thu hệ với hạt có kích thước > 60 Sở dĩ song song với q trình phân tán cịn có qúa trình ngược lại, q trình dính kết hạt lại với Để ngăn ngừa trình cần thêm chất ổn định vào hệ Tuy vậy, trường hợp thu hệ có kích thước hạt > Có nhiều phương pháp phân tán Phân tán học siêu âm hai phương pháp Ngoài ra, phương pháp cho kim loại bay hồ quang điện để chế tạo sol kim loại phương pháp keo tán (pepti hóa) thuộc loại b Phương pháp phân tán học Nguyên liệu đầu hệ phân tán thô, thu cách - chẳng hạn đập nhỏ Quá trình phân tán nhỏ thực mơi trường lỏng cối say trịn cối xay keo* Trong cối xay này, hạt thô chịu lực va đập mạnh mẽ vỡ thành hạt mịn hơn, nhờ có chất làm bền có sẵn mơi trường, hệ phân tán thu bền vững Nếu sử dụng cối xay trịn để nghiền nhỏ vật thể, mơi trường khơng khí hạt thu thường khơng bé 60 ; mơi trường phân tán lỏng (có thêm chất làm bền) hạt thu đạt tới độ phân tán keo c Phương pháp phân tán sóng siêu âm Trong phương pháp người ta sử dụng sóng siêu âm có tần số 20.000 Hz để phân tán vật thể có độ bền học thấp hạt nhựa, lưu huỳnh, graphit, kim loại nhẹ mơi trường hữu Cũng dùng sóng siêu âm để làm keo tán kết tủa hình thành (sự pepti hố siêu âm) với chất cao phân tử, phương pháp thường dẫn đến phá vỡ phân tử nên sử dụng Sóng siêu âm thường đựơc tạo dao động tử áp điện, biến doa động cao tần thành dao động cao tần Nguyên tắc làm việc áp điện, cho tác dụng điện cao tần, đặt chất lỏng có số điện mơi thấp (ví dụ dầu biến thế), qua dầu sóng siêu âm truyền vào bình chứa chất cần phân tán Cơ chế phân tán vật rắn sóng siêu âm cịn nghiên cứu Có thể tác dụng sóng siêu âm, hệ xuất chỗ nén chỗ dãn (năng lượng) nhanh, nhờ mà vật chất phân tán Cần lưu điều kiện định, siêu âm gây keo tụ Sự keo tụ xảy nút sóng, có dồn nén hạt Kết dẫn đến cân động, nghĩa tốc độ keo tụ trở nên tốc độ phân tán d Phương pháp phân tán hồ quang điện Phương pháp thường sử dụng để điều chế sol kim lọai Để tạo hồ quang, dùng dòng điện chiều cỡ 30 - 100V, cường độ - 10A cho chạy qua điện cực kim loại cần chế tạo sol nhúng bình nước làm lạnh nước đá Khi hai điện cực tiến đến gần khoảng cách định hai cực phát sinh hồ quang Khi hồ quang tạo thành kim loại bay gặp môi trường lạnh ngưng tụ lại thành hạt Hệ phân tán bền vững cho sẵc vào chất ổn định Như vậy, phương pháp vừa phương pháp phân tán, vừa phương pháp ngưng tụ e Phương pháp phân tán keo tán Khi làm tan kết tủa keo tụ gây tức ta thực keo tán Như keo tán trình ngược lại với keo tụ Quá trình keo tán tiến hành cách khác nhau: + Keo tán cách rửa kết tủa: thực chất trình tách loại chất điện ly keo tụ Trong trình này, lớp điện kép quanh hạt keo dãn rộng ra, nhờ lực đẩy tĩnh điện trội lực hút phân tử hạt tách rời phân bố vào môi trường Trong q trình phân tích, q trình khơng có lợi rửa kết tủa, phần kết tủa bị keo tán + Keo tán chất điện ly: xảy thêm chất điện ly chứa ion tham gia xây dựng mạng lưới phân tử pha phân tán bị hấp thụ vào bề mặt hạt Ví dụ kết tủa Fe(OH)3 keo tán FeCl3 Do thuỷ phân khơng hồn tồn tạo FeOCl chất ổn định cho sol Fe(OH)3 Như FeCl3 keo tán kết tủa Fe(OH)3 + Keo tán chất hoạt động bề mặt (HĐBM): chất HĐBM chất cao phân tử bị hấp phụ bề mặt hạt keo truyền cho điện tích hay lớp vỏ solvat hố bền vững có tác dụng keo tán Ví dụ: keo tán Fe(OH)3 xà phịng, alizarin keo tán bột cao lanh có độ phân tán cao, ưa nước axit humic + Keo tán chất hoá học: thường xảy chất thêm vào hệ có phản ứng hố học với kết tủa tạo chất điện ly có tác dụng ổn định cho pha phân tán Chẳng hạn keo tán Fe(OH)3, HCl có phản ứng tạo FeOCl chất ổn định cho sol Fe(OH)3 2.1.2 Điều chế dung dịch keo phương pháp ngưng tụ a Nguyên tắc Phương pháp ngưng tụ trình ngược lại với phương pháp phân tán Hạt keo hình thành ngưng tụ phân tử, nguyên tử hay ion lại thành hạt có kích thước keo Phương pháp cho phép nhận hệ keo từ môi trường đồng thể Sự xuất pha xảy mơi trường q bão hồ nồng độ chất vượt nồng độ cân điều kiện cho sẵn Q trình xảy phải giữ khơng cho hạt lớn lên giới hạn cần thiết (kích thước keo), không ta thu hệ vi dị thể hệ phân tán thô pha phân tán kết tủa Lý thuyết tạo pha phân tán cho thấy trình ngưng tụ tạo pha kết tinh Sự kết tinh gồm giai đoạn: Giai đoạn tạo mầm dung dịch bão hoà Tốc độ tạo mầm tỷ lệ với nồng độ bão hoà: v1 = k Cq Cb Cb (2.2) đó: k hệ số tỷ lệ Cq nồng độ dung dịch bão hoà Cb nồng độ dung dịch bão hoà Hiệu số (Cq – Cb) đặc trưng cho khả tạo tinh thể pha phân tán, Cb đặc trưng cho khả tương tác với mơi trường Nếu Cq - Cb lớn Cb bé tốc độ tạo nấm v1 lớn số mầm thu nhiều ta thu hạt keo nhỏ, phần lớn lượng chất có khả tạo tinh thể phân bố cho lượng mầm lớn đóng vai trị quan trọng trung tâm kết tinh, lại lượng nhỏ dành cho lớn lên mầm Giai đoạn phát triển mầm Trong giai đoạn này, tinh thể lớn dần từ mầm ban đầu Tốc độ lớn lên mầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: v2 = DS (Cq - Cb) (2.3) Trong đó: D hệ số khuyếch tán S diện tích bề mặt tinh thể chiều dày lớp dung dịch mà qua xảy khuyếch tán (từ Cb bề mặt đến Cq dung dịch bão hòa) Do phát triển mầm, độ bão hòa dung dịch giảm lượng chất tan chuyển dần vào tinh thể đồng thời hoà tan tinh thể (hạt keo) giảm kích thước chúng tăng Khi điều chế dung dịch keo v1 phải lớn v2 phải nhỏ, trường hợp hình thành nhiều tinh thể nhỏ ứng với kích thước hạt keo hệ thu gần đơn phân tán Người ta điều khiển trình kết tinh để thu hệ keo với độ phân tán cần thiết cách đưa số mầm định từ vào hệ để kết tinh xảy mầm đưa chất ức chế vào hệ để kìm hãm giai đoạn Sự ngưng tụ xảy trực tiếp, cách thay dung môi, phản ứng hoá học b Ngưng tụ trực tiếp Phương pháp xảy pha vào mơi trường lạnh đột ngột Điều giải thích hình thành sương mù nước gặp khơng khí lạnh từ mặt đất vào buổi sáng mùa đơng Ở phịng thí nghiệm người ta điều chế sol Hg, S, Se, Te cho nguyên tố vào nước lạnh Bằng phương pháp hồ quang nói người ta điều chế sol Cu, Ag, Au, Pt môi trường nước, rượu, glixerin hay benzen Để tăng độ bền vững sol người ta phải thêm chất ổn định, thường chất điện ly Cấu tạo hạt keo loại chưa biết rõ Người ta giả thiết chất ổn định oxít hình thành chúng tiếp xúc với khơng khí nhiệt độ cao c Phương pháp thay dung mơi Cho pha phân tán hịa tan vào dung mơi thích hợp, có sẵn chất ổn định Sau pha phân tán khơng tan vào dung môi thứ mà dung môi này, dung mơi thứ lại hồ tan hồn tồn, người ta trộn lẫn lượng dung dịch chất tan dung môi vào lượng lớn dung mơi Do tính chất khơng tan dung môi 2, phân tử pha phân tan ngưng tụ lại thành hạt ổn định mơi trường nhờ chất ổn định có sẵn Ví dụ colofan lưu huỳnh chất tan rượu không tan nước Nếu lấy dung dịch chất rượu cho vào lượng lớn nước, tính khơng tan nước colofan lưu huỳnh ngưng tụ lại thành hạt sol d Phương pháp dùng phản ứng hố học Hầu hết dạng phản ứng hóa học sử dụng để điều chế dung dịch keo Tuy nhiên hình thành sol địi hỏi phải thực điều kiện khắt khe nồng độ chất phản ứng, thứ tự trộn lẫn, nhiệt độ điều kiện khác Sau số ví dụ: Phản ứng trao đổi: thường sử dụng để điều chế sol sunfua, iođua Ví dụ sol asen sunfua hình thành phản ứng: 2H3AsO3 + 3H2S As2S3 + 6H2O Phản ứng khử: Ví dụ kinh điển phương pháp việc điều chế sol vàng cách khử axit HAuCl4 H2O2 chất khí khác (phương pháp Xichmondi): 2HAuCl4 + H2O2 2Au + 8HCl + 3O2 (Một số phản ứng tương tự thực từ thời trung cổ) Phản ứng oxi hố: Ví dụ oxi hố H2S nước ta thu sol lưu huỳnh: 2H2S + O2 (khí) 2S + 2H2O Phản ứng thuỷ phân: Phản ứng thường sử dụng để điều chế sol kim loại nặng Ví dụ sol Fe(OH)3 điều chế theo phản ứng: FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl Các hệ keo ghét lưu không bền, dễ keo tụ Để làm tăng độ bền vững sol, trình điều chế người ta phải thêm chất bảo vệ hạt keo, thường chất điện li 2.2 TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO Dung dịch keo dung dịch cao phân tử thường chứa tạp chất phân tử lượng thấp hay chất điện ly Muốn loại bỏ chúng người ta dùng phương pháp thẩm tích, điện thẩm siêu lọc 2.2.1 Thẩm tích Để thẩm tích, người ta dùng thẩm tích kế Đó túi làm chất bán thấm có chứa dung dịch keo cần tinh chế Túi nhúng vào bình chứa dung mơi Do chênh lệch hóa hai bên màng, tạp chất thoát ngồi theo chiều mũi tên phía dung mơi, liên tục thay dung mơi ta đạt việc loại bỏ hết tạp chất có khối lượng phân tử thấp Trong trường hợp cần giữ lại chất khối lượng phân tử thấp người ta dùng dung dịch làm mơi trường ngồi Đó trường hợp lọc máu để loại độc tố (muối, urê ) Nếu loại tất thành phần phân tử lượng thấp khỏi máu tế bào lại bị phá huỷ Để làm màng trước dùng bong bóng bị, lợn, dùng màng colođion chế từ nitrat xenlulozơ màng xenlophan (giấy bóng kính) chế từ hiđrat xenlulozơ Sơ đồ dụng cụ thẩm tích trình bày hình 2.1 DD keo Dung m«i Mµng Hình 2.1 Sơ đồ dụng cụ thẩm tích 2.2.2 Điện thẩm tích Vì tạp chất thường chất điện ly, sử dụng điện trường để làm tăng tốc độ thẩm tích Sơ đồ dụng cụ điện thẩm tích trình bày hình 2.2 + Khu chứa dung dịch keo Màng Khu catôt chứa dung môi Que khuấy Khu anot chứa dung mơi Hình 2.2 Sơ đồ dụng cụ điện thẩm tích Dung dịch keo đổ vào khu (1) ngăn cách với khu catot (3) khu anot (5) chứa dung môi màng (2) Dưới tác dụng điện trường ion điện cực Ở sử dụng màng colođion xenlophan, màng xenlulozơ có nhược điểm điện trở cao làm giảm tốc độ thẩm tích, người ta dùng màng chế từ nhựa trao đổi ion Điện thẩm tích có hiệu sol đựơc tinh chế sơ thẩm tích, sử dụng điện trường mạnh mà khơng sợ hệ nóng nên nhiều (có thể dẫn tới việc phân huỷ đối tượng sinh học cần tinh chế) 2.2.3 Siêu lọc Sơ đồ dụng cụ siêu lọc trình bày hình 2.3 2 Áp kế Màng siêu lọc Dung dịch keo Dung môi tách Hình 2.3 Sơ đồ dụng cụ siêu lọc Siêu lọc phương pháp làm đồng thời tách pha phân tán khỏi dung môi chất khối lượng phân tử thấp cách ép qua màng lọc áp suất Để so sánh, hình 1.7 trình bày sơ đồ giới hạn kích thước hệ phân tán, lỗ màng lọc giới hạn phát dụng cụ quang học Mt thng Hin vi UV Phân tích Rơnghen Hiển vi electron Hạt keo Vi khuẩn Siêu vi Hiển vi Kính quang học lúp Phân tích sa lắng Siêu lọc (Màng) 10-3 10-2 10-1 Rây Giấy lọc 10 102 103 Hình 2.4: Sơ đồ giới hạn kích thước hệ phân tán CHNG C SỞ LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ 3.1.1 Một số khái niệm Hấp phụ trình chất chứa phân tử chất khí, lỏng hay chất hồ tan lên bề mặt phân cách pha Bề mặt phân cách pha khí - lỏng, khí - rắn hay lỏng - lỏng, lỏng - rắn Vì hấp phụ diễn bề mặt phân cách pha có ý nghĩa to lớn hệ thống keo hệ có bề mặt phân cách pha phát triển Trong trình hấp phụ, người ta phân biệt: vật hấp phụ chất bị hấp phụ Chất có bề mặt xảy hấp phụ gọi chất (vật) hấp phụ; cịn chất tích luỹ bề mặt gọi chất bị hấp phụ Nếu chất bị hấp phụ xuyên qua lớp bề mặt sâu vào thể tích chất hấp phụ giống hịa tan tượng gọi hấp thụ Hấp phụ hấp thụ gọi chung hấp thu Lượng chất bị hấp phụ đơn vị diện tích bề mặt đơn vị khối lượng chất hấp phụ gọi đại lượng hấp phụ ký hiệu a Lượng nhiệt giải phóng q trình hấp phụ gọi nhiệt hấp phụ Quá trình ngược lại với hấp phụ gọi giải hấp: giống khuyếch tán, có xu hướng phân bố đặn chất bị hấp phụ vào môi trường chuyển động nhiệt gây Sau thời gian tốc độ trình hấp phụ tốc độ trình giải hấp phụ, hệ thiết lập cân hấp phụ Đối với hệ xác định, đồ thị biểu diễn đại lượng hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ C thể tích áp suất P nhiệt độ T, a = f(T, P) a = f(T, C) Đường biểu diễn a = f(P) a = f(C) T = const gọi đường hấp phụ đẳng nhiệt Tại vùng có P hay C thấp a tỷ lệ bậc thấp với P, C Tại vùng có P hay C cao a = amax khơng phụ thuộc vào P, C q trình hấp phụ đạt bão hồ a C Hình 3.1 Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt Tuỳ theo chất lực hấp phụ người ta phân biệt hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học + Hấp phụ vật lý: lực hấp phụ lực phân tử (lực Vandecvan) Do nhiệt hấp phụ vật lý thường bé khoảng - kcal/mol nên trình trình thuận nghịch + Hấp phụ hóa học: lực hấp phụ có chất hóa học Do nhiệt hấp phụ hóa học thường lớn cỡ vài chục kcal/mol nên trình trình bất thuận nghịch Trong công nghiệp người ta thường sử dụng chất hấp phụ có bề mặt riêng lớn silicagen (SiO2), alumogen (Al2O3), zeolit (alumosilicat hidrat hoá tinh thể), than hoạt tính Chất hấp phụ sử dụng vào mục đích sấy khơ (silicagen), tẩy màu (cao lanh, than hoạt tính), tách chất (zeolit), chất mang xúc tác (SiO2, Al2O3) Trong chương chủ yếu xét trình hấp phụ lý học, có vai trị quan trọng với hệ keo 3.1.2 Các phương trình hấp phụ 3.1.2.1 Phương trình Frendlich 10 mm) Việc sử dụng carbon nano tube thay cho dây kim loại cho phép nhà sản xuất tạo chíp nhỏ hơn, tốc độ cao giá rẻ - Trong công nghệ bán dẫn, việc ứng dụng ống than nano hứa hẹn khả thay đổi lượng vùng cấm (band gap energy) tượng tunneling xảy ống than nano mơi chất trung gian, từ đưa đến cách mạng khoa học công nghệ bán dẫn Phát minh tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê bước đột phá mới, đưa Việt Nam tắt đón đầu xuất phát cơng nghệ cao 3.5 Nasa dùng carbon nano tube Việt Nam làm vỏ phi thuyền [4] Hình 16 - Trung tâm nghiên cứu thuộc quan không gian Mỹ - Nasa đặt thung lũng Silicon Califonia (Nasa Ames Research Center) trung tâm R & D thuộc khu công nghệ TP HCM ký thỏa thuận hợp tác việc ứng dụng sản phẩm carbon nano tube trung tâm R & D sản xuất vào lĩnh vực mũi nhọn Nasa - Nasa dùng carbon nano tube Việt Nam để sản xuất đầu đọc kính hiển vi điện tử có độ phân giải nguyên tử (AFM tips) - Nasa định hợp tác để triển khai công nghệ phức chất nano (nano composite) Việt Nam vào việc sản xuất vỏ phi thuyền vũ trụ - Nhờ tính đồng đều, khơng nhiễm bẩn, có giá trị ứng dụng cao đặc biệt giá thành rẻ so với sản phẩm Nhật Bản, Trung Quốc… Carbon nano tube coi vật liệu trung tâm kỷ, bán thị trường giới với giá từ 100.000 USD – 800.000 USD/kg Nasa đề nghị hợp tác với trung tâm R & D việc thường xuyên trao đổi, đào tạo nhân lực, chia sẻ kinh nghiệm công nghệ nano Đây thỏa thuận hợp tác khoa học có ý nghĩa, nâng tầm ngành cơng nghệ cao Việt Nam cường quốc lĩnh vực đánh giá cao, hợp tác, học hỏi chia sẻ kinh nghiệm 2.7 Tiến sĩ nano Ở Đà Nẵng, vật liệu nano dùng trang, quần áo để diệt khuẩn Công ty thiết bị y tế Danameco, đặc biệt có dịch cúm gia cầm Tuy nhiên, nano phải mua từ nước với giá 700 USD cho 20gram sản xuất Đà Nẵng dây chuyền công nghệ ứng dụng phát minh TS Lâm giảm đáng kể chi phí Hiện tại, TS Lâm nghiên cứu sản xuất nano có khả lưu trữ khí metan để nâng cao hiệu ứng dụng lượng biogas cho cơng trình GS – TS Bùi Văn Ga Vì vậy, thật bất ngờ tiến sĩ (TS) Đà Nẵng sau thời gian dài tu nghiệp Pháp, với tháng ngày thực địa nhà máy sản xuất nano hàng đầu Nhật Microphase thuộc thành phố Tsukuba, trở Việt Nam hồn chỉnh cơng nghệ tổng hợp số lượng lớn nano carbon với thiết bị đơn giản, nguồn nguyên liệu có sẵn Việt Nam Nhân tố trung tâm khoa học nano hiệu ứng kích thước Khi kích thước giảm tới nanomet hiệu ứng lượng tử xuất hiện, nên thay đổi đặc trưng vật liệu màu sắc, nhiệt độ nóng chảy, tính chất nhiệt, từ, điện, quang mà khơng cần thay đổi thành phần hóa học, từ dẫn tới hình thành tính chất mới, sản phẩm mà trước chưa khám phá, nghĩa hàng loạt chất tạo nằm danh mục bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học 160 Để sản xuất nano cần chất men chất xúc tác, qua hàng loạt cac quy trình phản ứng hóa học tới hình thành nano Thế sau hình thành nano, đến nhà khoa học giới chưa biết chất xúc tác bị đẩy đâu, điều dẫn đến kết nano đời tốt khơng tốt; người ta đo đếm khơng thể giải thích có tượng Bằng nghiên cứu nhất, TS Lâm tìm vị trí chất xúc tác sau phản ứng Do vậy, để nano tổng hợp hồn tồn có chất lượng tốt q trình tổng hợp phải chọn chất men chất xúc tác không tương tác (hoặc tương tác yếu) với Đây phát thực bất ngờ có ý nghĩa vô to lớn công nghệ sản xuất nano mà TS Lâm công bố công trình Theo TS Lâm, cơng nghệ nano mẻ, Việt Nam nắm bắt trọng đầu tư từ đem lại tiện ích khơng thể tính hết vịng 15-20 năm LỜI KẾT “Tình hình phát triển cơng nghệ nano Việt Nam muộn so với giới nước ta cịn nghèo, tiềm lực khoa học nhỏ bé nên tiến nhanh nước tiên tiến giới Muốn phát triển khoa học công nghệ nano Việt Nam, quan tâm đầu tư nhà nước, cần tham gia doanh nghiệp khoa học cơng nghệ nano phát triển mạnh nước có nhà máy sản xuất sản phẩm công nghệ nano” TÀI LIỆU THAM KHẢO http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Phong-thi-nghiem-cong-nghe-nano-lon-nhatVN/10989316/188/ http://thegioinano.com/ http:// www.vatlyvietnam org/forum/showthread.php?t=2527 http:// www.bacbaphi.com.vn/entertainment/showthread.php?p=2180124 http://vndghktnn.vietnamgateway org/new.php?newsid=50610084658 http://nanovietnam org/forums/showthread.php?t=29 http://vietbao.vn/kinh-te/binh-sua-khu-trung-nano-silver-cuamummybear/11015906/89/ http://vietbao.vn/vi-tinh-vien-thong/viet-nam-che-tao-kinh-hien-vi-nhin-thay-omuc-nano/55061182/226/ http://vietbao.vn/khoa-hoc/hoi-thao-quoc-te-ve-cong-nghe-nano-tai-hanoi/40052738/188/ 10 http://nguoivienxu.vietnamnet.vn/doisongvnx/hdvktrongnuoc/2005/07/471671/ 11 http:// www3.vietnamnet.vn/khoahoc/trongnuoc/2005/11/515950 12 http://vietbao.vn/khoahoc/xu-ly-chat-thai-doc-hai-bang-cong-nghenano/10717915/188/ 13 http://vst.vista.gov.vn/home/database/an-pham-dien-tu/magazinename.2004-0526.5439/2004/2004-00001/Mltem.2004-05-31.1618/MArticle.2004-0603.4802/marticle-viewnanoviet/content/view/33/22/ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA NANO VÀNG TRÊN CHẤT MANG Fe2O3 [4 Tạp chí hố học Tập 45 (6) Trang 671 -675 Năm 2007] 5.1 Mở đầu Từ xưa vàng kim loại hoạt động mặt hoá học nên dùng làm đồ trang sức, đúc tượng, xây chùa chiền, trang trí nhà thờ mong tạo vật tồn với thời gian Trong kỹ thuật đại vàng sử dụng làm chân linh kiện điện tử nhằm tạo mối tiếp xúc bền 161 vững Tuy nhiên từ năm 1980 M haruta cộng Viện nghiên cứu quốc gia Osaka Nhật Bản phát vàng kim loại kích thước nanomet có khả xúc tác cho phản ứng oxi hố khí cacbon monoxit CO khơng nhiệt độ thường (20-300C) mà nhiệt độ thấp (-700C) Phản ứng vô quan trọng để khử độc chống cháy nổ không gian kín, thống hầm mỏ, thiết bị lặn, tàu ngầm, tàu vũ trụ để tái tạo lượng CO2 nhằm ổn định hoạt động thiết bị lazer Vì hạt vàng kích thước nanomet dễ kết hợp thành hạt lớn nên chúng thường phân tán cách ly chất mang Fe2O3, Co3O4, MnOx, NiO, TiO2, ZrO2… Mặt khác tương tác chất với vàng mức độ khác ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác vật liệu Ở Việt Nam có cơng trình nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác vàng chất mang CeO2 Ở trình bày chi tiết kết chế tạo vật liệu vàng kích thước nanomet chất mang sắt oxit Fe2O3, loại vật liệu xúc tác nhiều người quan tâm 5.2 Hoá chất Các hoá chất dùng thực nghiệm Fe(NO3)3.9H2O, HAuCl4.4H2O, HNO3 Na2CO3 có độ P.A; nước dùng loại cất hai lần 5.3 Thực nghiệm kết 5.3.1 Phương pháp tổng hợp Dung dịch chứa 20,0 mmol Fe(NO3)3 HAuCl4 (tỉ lệ nguyên tử Au:Fe = 1:50) 40 ml H2O đỗ dần vào 30 ml H2O chứa 30,0 nm Na2CO3 với tốc độ 1,5-2 ml/phút điều kiện khuấy liên tục Giá trị pH dung dịch nhận nằm khoảng 7,0-8,2 chỉnh Na2CO3 HNO3 Sau để yên nhiệt độ phòng 4-5 lọc lấy kết tủa Rửa kết tủa nước nóng (~500C) đến hết ion Cl- ( thử với dung dịch AgNO3) Sấy kết tủa 500C 24 Mẫu nung khơng khí lưu nhiệt độ khác đem phân tích để xác định cấu trúc tinh thể, kích thước hạt hoạt tính xúc tác Các thao tác thí nghiệm thực hiên tối đa buồng tối 5.2.2 Nghiên cứu q trình phân tích nhiệt Trên phổ phân tích nhiệt mẫu khoảng từ 25–8000C khơng khí máy Shimadzu DTA-50 Từ phổ nhiệt vi sai DTA có pic thu nhiệt đạt cực đại 670C Trên 1200C có q trình toả nhiệt kéo dài đến gần 4000C Phổ nhiệt khối lượng TGA nhiệt khối lượng vi sai DrTGA cho thấy mẫu phân huỷ chủ yếu nhiệt độ 1200C Từ 1200C đến cỡ 2550C trọng lượng mẫu giảm nhỏ, sau trọng lượng mẫu giảm nhỏ, sau trọng lượng mẫu khơng thay đổi Từ liệu thấy nước ẩm bay chủ yếu nhiệt độ thấp (670C) Trên 670C xảy trình phân huỷ hydroxit, muối cacbonat Giai đoạn từ 120 đến 2550C tương ứng với q trình chuyển hoá tiếp oxit sắt vàng Sau 2550C mẫu chuyển trạng thái ổn định dần 5.2.3 Xác định cấu trúc phổ nhiễu xạ tia X Trên phổ nhiễu xạ tia X mẫu lưu 1200C, 2000C, 3000C, 4000C 5000C khơng khí chụp máy nhiễu xạ kế D-5000; tốc độ quét từ 20 đến 700 0,20 (20)/s riêng vùng từ 34 đến 420 để xác định xác cấu trúc vàng với hàm lượng nhỏ tốc độ quét 0,020 (20)/s Ở 1200C sắt oxit tồn trạng thái vơ định hình Ở 2000C tinh thể Hematite bắt đầu hình thành Trên 3000C tồn sắt oxit nằm dạng Hematite Fe2O3 Pic tương ứng với kim loại vàng góc rõ = 38,20 cao dần lên theo chiều tăng nhiệt độ từ 2000C đến 5000C Như vậy, tăng nhiệt độ từ 1200C đến 4000C song song với trình chuyển hố oxit sắt vơ định hình sang dạng Hematite q trình chuyển hố oxit vàng thành vàng kim loại 5.2.4 Kết phân tích phương pháp hiển vi điện tử truyền qua Mẫu bột sau nung xác định kích thước hạt máy TEM 1010 với độ phân giải A0, điện 199 KV, độ phóng đại 30-600.000 lần Từ ảnh TEM 1200C, 2000C mẫu bột chủ yếu nằm dạng vơ định hình, hạt chưa hình thành Ở 3000C sắt oxit kết tinh dạng 162 Hematite Các hạt Sắt oxit dạng cầu lồi Hạt vàng có kích thước từ 1,2 đến 7,8 nm tập trung 3,5 nm; 70% số hạt vàng có kích thước < nm 5.2.5 Xác định hoạt tính xúc tác vàng chất sắt oxit Theo M Haruta cộng vàng chất mang sắt oxit có hoạt tính xúc tác lớn 3000C Kết xác định hoạt tính xúc tác mẫu chế tạo nhiệt độ cho phản ứng oxi hố khí CO H2 Phản ứng thực buồng phản ứng cố định với dịng khơng đổi Khối lượng mẫu bột 100 mg, tốc độ dòng khí 33 ml/phút, thành phần hỗn hợp khí xác định máy sắc ký khí với đầu đo TCD Thấy 50% khí CO chuyển hố ~ 500C, cịn khí H2 ~ 1300C 5.3 Kết luận Đã khảo sát số điều kiện tổng hợp vật liệu xúc tác vàng kích thước nanomet phân tán chất mang Fe2O3 phương pháp đồng kết tủa Đã chế tạo xúc tác Au/Fe2O3 Kích thước hạt vàng mẫu nung 3000C nằm khoảng 1,2-7,8 nm Đã xác định nhiệt độ chuyển hoá 50% CO H2 xúc tác Au/Fe2O3 nung 3000C tương ứng 44C 1320C LẮNG ĐỌNG HOÁ HỌC CACBON TỪ PHA HƠI (CVD) VÀO VẬT LIỆU GRAPHIT LỖ XỐP NANOMET TẠO PYROGRAPHIT TỶ TRỌNG CAO [9 Tạp chí hố học Tập 45 (5) Trang 536 -541 Năm 2007.] 6.1 Mở đầu Trong vài năm gần đây, công nghệ lắng đọng hoá học từ pha (Chemical Vapour Deposition – CVD) phát triển mạnh để tạo nhiều loại vật liệu nano có đặc tính khác như: vật liệu nano dạng: lớp mỏng (nanofilm), dạng ống (nanotube), dạng cầu (fullerene)… Đặc biệt vật liệu nano pyrographit có tỷ trọng cao, đặc sít tổng hợp theo cơng nghệ CVD có nhiều ưu điểm bật: chịu nhiệt độ cao, bền xói mịn bỡi dịng khí nhiệt độ cao nên sử dụng nhiều chi tiết quan trọng ngành hàng không vũ trụ chịu ma sát khí tiếp xúc với luồng lửa Kết bước đầu nghiên cứu trình CVD hạt nano cacbon từ pha vào vật liệu graphit xốp, góp phần tạo vật liệu đặc chủng chịu nhiệt độ cao, bền xói mịn nhiệt thường sử dụng kỹ thuật chế tạo khí cụ bay 6.2 Phương pháp nghiên cứu 6.2.1 Phối liệu đầu Bột graphit mịn, tạo từ thỏi điện cực graphit, kết khối nhựa phenolfocmandehit tổng hợp từ phenol (P), formalin (37%) axit clohydric (P) Mẫu graphit xốp gia công máy ép thuỷ lực 40 6.2.2 Hệ thống CVD Quá trình CVD thực nhiệt độ cao (800–10000C) với hệ dị thể rắn – khí: graphit – khí (butan, propan – argon) thời gian Mẫu graphit chế tạo nhiệt độ 1651700C thời gian 40 phút từ bột graphit có kích thước hạt khác hàm lượng keo kết khối khác Trước CVD mẫu phân huỷ nhiệt (PHN) môi trường argon 10000C với thời gian Khi CVD điều chỉnh lưu lượng khí với tốc độ khơng đổi: ml/phút 6.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Đã sử dụng tổ hợp thiết bị hiển vi điện tử quét JSM-5410LV Scanning microscope JEOL (Mỹ) Đại học Quốc gia Hà Nội để chụp SEM phân tích vi cấu trúc vật liệu theo vết cắt bề mặt (khi không phép phá huỷ mẫu) 6.2.4 Phương pháp hấp phụ phân tích cấu trúc vật liệu 163 Cấu trúc xốp vật liệu xác định theo phương pháp hấp phụ hệ thống máy NOVA 2200 (Mỹ) tai Viện Hoá học - Vật liệu với thông số bề mặt riêng, đường đẳng nhiệt hấp phụ, kích thước lỗ trung bình vật liệu 6.3 Kết thảo luận 6.3.1 Tỷ trọng độ xốp Ba loại bột graphit sau tuyển 30 giây, 15 giây thơ cịn lại sau tuyển Có kích thước quan sát kính hiển vi điện tử qt (SEM) trình bày bảng Thơng số Mẫu Mẫu hạt tuyển Mẫu hạt tuyển 15s Mẫu hạt thơ Kích thước hạt trung bình, micromet 76,7 92,6 124 Tỷ trọng, G/cm3 2,035 2,019 1,955 Bảng 1: Kích thước hạt graphit tỷ trọng mẫu phôi ban đầu trước PHN Sau ép tạo hình mẫu từ loại bột graphit với hàm lượng nhựa áp lực ép tạo phôi (2000 kG/cm2), tiến hành khảo sát tỷ trọng biểu kiến mẫu Các kết nhận được: kích thước hạt nhỏ mẫu sau ép có tỷ trọng cao, điều hợp lý mẫu hạt nhỏ ép đặc khít Sau ép, phân huỷ nhiệt (PHN) CVD đặc tính tỷ trọng, độ xốp hở, độ xốp kín mẫu Sau phân huỷ nhiệt tỷ trọng mẫu giảm đáng kể, tác dụng nhiệt dộ cao (~10000C), keo kết khối mẫu bị phân huỷ lại cacbon để tạo lỗ xốp Sau CVD, độ xốp hở mẫu giảm rõ rệt, đồng thời tỷ trọng mẫu tăng lên hạt cacbon phân huỷ từ pha khí lắng đọng vào lỗ xốp mẫu lấp đầy hạt cacbon kích thước nano độ xốp kín tăng lên Đặc tính Mẫu số Mẫu số Mẫu số PHN CVD PHN CVD PHN CVD Kích thước hạt 76,7 76,7 92,6 92,6 124 124 trung bình, micromet Hàm lượng keo kết 9,16 9,16 9,16 9,16 9,16 9,16 khối, %Kl Tỷ trọng biểu kiến, 1,895 1,919 1,881 1,906 1,837 1,850 G/cm2 Độ xốp hở, % 7,32 1,12 7,17 0,84 11,23 1,58 14,16 9,79 15,01 7,66 Mẫu số PHN CVD 92,6 92,6 4,80 4,80 1,801 1,916 15,04 4,68 Độ xốp kín,% 9,01 16,74 5,44 10,73 Độ xốp tổng,% 16,33 15,28 16,96 15,85 18,89 18,32 20,48 15,41 Bảng 2: đặc tính mẫu nghiên cứu Kết bảng cho thấy mẫu số mẫu số với kích thước trung bình thành phần nhựa khác tạo lượng lỗ xốp hở khác Mặc dù tỷ trọng sau phân huỷ nhiệt mẫu số nhỏ so với tỷ trọng mẫu số sau PHN mẫu số sau PHN có độ xốp hở (15,04%)ao so với mẫu số sau PHN (7,17%) 164 Do sau CVD mẫu số có tỷ trọng cao so với mẫu số lượng hạt cacbon nano lắng đọng vào không gian lỗ xốp hở nhiều Tuy nhiên lượng nhựa kết dính khơng thể giảm xuống thấp, ảnh hưởng đến độ đặc mẫu ép 6.3.2 Xác định kích thước kính hiển vi điện tử quét Sau PHN qua CVD mẫu quan sát kính hiển vi điện tử quét với ảnh SEM mẫu số mẫu số Sau PHN xốp, kích thước lỗ xốp rộng khoảng 180200 nm Mẫu qua CVD cho lỗ xốp điền kín hạt cacbon lắng đọng từ hố học, hạt cacbon bề mặt có kích thước khoảng 120-130 nm 6.3.3 Kết phương pháp hấp phụ phân tích cấu trúc mẫu vật liệu Mẫu SBMR, m2/g DLX, nm Mẫu số sau PHN 34,2756 23,2390 Mẫu số sau CVD 14,3722 2,9681 Mẫu số sau PHN 28,9772 22,4020 Mẫu số sau CVD 8,8827 4,9543 Bảng 3: Kết phân tích bề mặt phương pháp hấp phụ Diện tích bề mặt riềng mẫu sau CVD nhỏ nhiều so với diện tích bề mặt riêng mẫu sau PHN đường kính lỗ trung bình mẫu CVD nhỏ đường kính lỗ trung bình mẫu PHN Kết hoàn toàn phù hợp với kết phương pháp kính hiển vi điện tử quét, lỗ mẫu CVD bị lấp đầy hạt cacbon nano lắng đọng từ pha khí Diện tích bề mặt riêng mẫu sau CVD chứng minh vật liệu nanopyrographit chế luyện vật liệu đặc sít Điều thể rõ thêm giản đồ hấp phụ giải hấp phụ mẫu CVD mẫu PHN Mẫu PHN xốp nên đường hấp phụ đẳng nhiệt có dạng theo định luật hấp phụ, đường hấp phụ đường giải hấp phụ gần nhau, đó, đường hấp phụ đẳng nhiệt mẫu CVD lại có dạng hồn tồn khác Sau q trình hấp phụ kết thúc, q trình giải hấp phụ khơng diễn mẫu PHN, vùng trễ đường giải hấp phụ dài, chất hấp phụ thoát khỏi mẫu khó khăn Điều có nghĩa lỗ mao quản mẫu CVD có đường kính nhỏ nên áp suất mao quản nhỏ, giảm giá trị P/P0 không kéo chất hấp phụ có dạng gần nằm ngang, chứng tỏ mẫu CVD nanopygraphit sít chặt 6.4 Kết luận Cơng nghệ lắng đọng hố học (CVD) cacbon phân huỷ từ pha sử dụng để tạo vật liệu nanopygraphit có độ đặc sít cao cho đặc tính đặc biệt cho vật liệu Phương pháp kính kiển vi điển tử quét cho thấy rõ kích thước hạt cacbon lỗ xốp, kích thước lỗ xốp vật liệu phôi graphit ban đầu, sau phân huỷ nhiệt sau CVD Các kết thu từ phương pháp hấp phụ phân tích cấu trúc xốp thiết bị NOVA minh chứng thêm điều Các nghiên cứu chứng minh thêm điều Các nghiên cứu chứng tỏ vật liệu nanopygraphit đặc sít chế tạo hứa hẹn mở rộng phạm vi ứng dụng thực tiễn MẠ NANO - CHẾ TẠO MÀNG TỪ CỨNG FePt TRÊN ĐẾ n-Si [10 Tạp chí hố học Tập 45 (4) Trang 448 -451 Năm 2007.] 7.1 Mở Đầu Trong năm gần đây, hợp kim FePt đánh vật liệu từ cứng hấp dẫn hẳn hợp kim Co hai nguyên ba nguyên quen thuộc số tính chất từ quan trọng độ kháng từ (Hc), số dị hướng từ tinh thể (Kc), độ từ dư (Mr), tính lượng từ (MH)max… đặc biệt chế tạo dạng màng mỏng, dự kiến sử dụng lĩnh vực ghi từ mật độ siêu cao tương lai để chế tạo micro nam châm vĩnh cửu sở vật liệu tổng hợp nano công nghệ MEMS Cũng phần lớn vật liệu tiên tiến khác, lúc đầu 165 thường chế tạo phương pháp lắng đọng vật lý chân khơng cao (MBE, phún có tần số Rf, lắng đọng lase xung), song để đáp ứng pháp triển nhanh chóng cơng nghệ tiểu hình hố MEMS, giá thành vật liệu dù quý hợp kim Pt không đáng kể so với giá thành cơng nghệ chế tạo Vì nhiều phương pháp chế tạo đơn giản hiệu ngày ý kỹ thuật tổng hợp hoá học ướt dựa sở ‘’phản ứng khử polyl’’ muối kim loại tên để tạo tập hợp hạt đơn phân tán FePt kích thước nano tráng đế thích hợp, cịn đơn giản kỹ thuật kết tủa điện hoá - gọi tắt mạ nano áp dụng thành cơng Phần này, trình bày số kết bước đầu việc chế tạo màng mảng từ cứng FePt tên đế n-Si từ dung dịch chứa ion Pt4+ Fe2+ phương pháp mạ xung dịng 7.2 Thực nghiệm Dung dịch mạ có thành phần sau: H2[PtCl6] nM/l; FeSO4 + FeCl2 0,1 M/l; Na2SO4 0,525 M/l phụ gia ức chế oxi hố Fe2+ Hố chất sử dụng có độ tinh khiết PA, hoà tan nước cất hai lần, pH điều chỉnh 3-3,5 HCl Đế n-Si làm phủ Cu lót trước mạ Việc đồng kết tủa Pt4+ Fe2+ gặp khó khăn định Thật vậy, điện kết tủa Pt từ dung dịch [Pt4+] nM/l khoảng +0,816 V (NHE) dương xa so với Fe từ dung dịch [Fe2+] 0,1 M/l khoảng -0,468 V (NHE) Vì việc chọn chế độ mạ xung dịng để điều khiển q trình đồng kết tủa thuận lợi chế độ mạ xung Ngồi để đảm bảo q trình đồng kết tủa sau vùng dòng giới hạn ion Fe2+, dung dịch mạ chọn với tỷ lệ [Fe2+]/[Pt4+] gần 100 thích hợp với điều kiện xung dịng, khơng khuấy nhiệt độ phịng Như vậy, q trình kết tủa Pt hoàn toàn khuếch tán định Bể mạ nối với hệ điện hoá đa chức IM6e (Zahner, Đức), tiến hành chế độ xung dòng catot hình chữ nhật chọn xuất phát i1 = mA/cm2, t1 = 0,2s sau nhảy lên nấc i2 =6 mA/cm2, t2 = 1s Số chu kỳ lập lại xung 200 (mẫu M1) 40 (mẫu M2) Đáp ứng điện điện cực xung dòng dao động hình chữ nhật tương ứng +0,8V đến -1,0V (SCE) Thơng thường màng hợp kim FePt chế tạo xong phương pháp vật lý (rf – sputtering) có cấu trúc trật tự fcc (lập phương tâm mặt) chưa có đặc trưng từ cứng (đường cong từ trễ M-H với độ kháng từ Hc thấp), sau ủ nhiệt (Ta ~ 500-7000C) chuyển thành pha trật tự fct (tứ diện tâm mặt – cịn gọi cấu trúc L10) điển hình từ cứng với độ kháng từ Hc vượt trội Màng kết tủa phương pháp điện hố điều kiện có H2 kèm theo có cải thiện qua trình chuyển pha fcc thành fct khơng? Phân tích cấu trúc độ dày màng xác định nhiễu xạ tia X (XRD, Bruker D-5005 với tia CuK2, bước sóng 1,54056) Hình thái học thành phần hố học hợp kim xác định kính hiển vi điện tử SEM có phân tích EDX (SEM 5410LV, Jeol) Các tính chất từ đo từ kế màng rung (VSM) 7.3 Kết thảo luận Phổ nhiễu xạ tia X mẫu M1 (dày 117 nm) chưa ủ nhiệt ủ nhiệt cho thấy trạng thái kết tủa vơ định hình ban đầu đặc trưng fcc với pic (111) (2 ~ 40,80) chuyển sang pha tinh thể nhiệt độ ủ tăng dần từ 5500C – 6500C với pic fct (001), (110), (111), (200), (201), (112) Tỷ số pic (001)/pic (002) xem đặc trưng độ trật tự hoá học L10 từ cứng FePt liên quan đến đặc tính từ tăng vọt Các kết phân tích nhiễu xạ tia X mẫu M2 (dày 87 nm) theo nhiệt độ ủ tương tự hoàn toàn với mẫu M1 Mẫu Xung dòng I2(t2) M1 M2 166 mA/cm2(1s) mA/cm2(1s) Số chu Kỳ 200 40 Chiều Thành dày phần màng, nm màng 117 Fe55Pt45 87 Fe58Pt42 Tính chất từ cứng Hc (ở Ta) 8,7 kOe (6500C) 11,52 kOe (6500C) Bảng 1: Các thơng số mạ xung dịng tính chất từ cứng màng FePt 7.4 Kết luận Tuy chưa có điều kiện nghiên cứu hệ thống mối quan hệ ảnh hưởng chế độ điện phân đến cấu trúc hố học biến thiên tính chất từ cứng màng, song kết thu trình bày bảng cho phép rút kết luận định hướng phù hợp với tác giả khác sau: Chế độ mạ xung dòng nồng độ dung dịch mạ nói cho phép khống chế thành phần hợp kim FePt khoảng 40-65% nguyên tủ Fe (vì pha 3-FePt hình thành có thành phần Fe ~ 45-67% nguyên tử Fe) Sự chuyển pha fcc fct xảy nhiệt độ ủ Ta = 550-6500C tối ưu Ta = 6500C Độ kháng từ màng FePt tăng từ Hc =8,7 kOe (mẫu M1) lên 11,52 kOe (mẫu M2) giảm độ dày kết tủa từ 117 nm xuống 87 nm Giá trị Hc = 11,52 kOe TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA Cu2O KÍCH THƯỚC NANO [11.Tạp chí hố học Tập 45 (3) Trang 299 -303 Năm 2007.] 8.1 Mở đầu Cùng với công nghệ phát triễn công nghệ nano, Cu2O nano sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: làm cảm biến áp suất oxi màng mỏng, chất bán dẫn loại p, pin mặt trời màng mỏng, nguyên liệu cho công nghệ dược phẩm thiết bị y tế… Ngồi ra, Cu2O nano có diện tích bề mặt lớn nên vật liệu đầy triển vọng làm xúc tác cho phản ứng hoá học Cu2O nano tổng hợp số phương pháp khác như: Oxi hoá nhiệt, thuỷ nhiệt, phân huỷ hố học pha khí, khử điện hố chiếu tia … Xin giới thiệu tổng hợp Cu2O phương pháp khử muối đồng (II) dung dịch hidrazin có mặt chất hoạt động bề mặt khác Các đặc trưng vật liệu khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) 8.2 Thực nghiệm 8.2.1 Tổng hợp đồng (I) oxit Cu2O nano tổng hợp dựa phương pháp tác giả WenZong Wang Trong cơng trình này, ngồi PEG cịn sử dụng PVA LA làm chất hoạt động bề mặt Cho lượng chất hoạt động bề mặt (PEG: Polytylenglycol, PVA: Polyvinylancol, LA: laurylsunfar) với lượng tính tốn trước cho thí nghiệm 0,179g CuCl2.2H2O vào 200 ml nước, khuấy hỗn hợp máy khuấy từ với tốc độ không đổi 15 phút Sau thêm từ từ lượng KOH M để thu kết tủa màu xanh Cu(OH)2 Khuấy thêm 15 phút nữa, cho từ từ lượng hidrazin (N2H4.H2O 100%) tính trước, kết tủa chuyển hồn tồn sang màu đỏ gạch ngừng khuấy, đem ly tâm rữa vài lần nước cất, sấy khô 600C tủ sấy chân không khoảng Sản phẩm bảo quản khơng khí 8.2.2 Phương pháp vật lý nghiên cứu đặc trưng vật liệu Cu2O nano Sản phẩm thu được nghiên cứu phương pháp sau: - Nhiễu xạ tia X (XRD): Sản phẩm ghi nhiễu xạ D8 ADVANCE (Bruker-Đức, Khoa Hoá học, ĐHKHTN) với xạ CuK ( = 0,15406 nm, 40 kV, 40 mA), góc đo 25-800 - Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) mẫu ghi máy EM125 Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) ghi máy JEM-4000EX (ghi Đức) 8.3 Kết thảo luận 8.3.1 Kết nhiễu xạ tia X Giản đồ nhiễu xạ tia X thu hoàn toàn trùng khớp với phổ Cu2O thư viện phổ chuẩn Do khẳng định sản phẩm thu Cu2O đơn pha, không bị lẫn tạp chất bền khơng khí Kích thước hạt trung bình tính theo công thức Debye-Scherrer: 167 D = 0,9 / ( cos ) Ký mẫu hiệu PVA, g KOH, ml N2H5OH, ml Thành phần Kích thước pha hạt, nm PVA 0,200 1,2 1,2 Cu2O +Cu 24,3 PVA 0,200 1,2 1,0 Cu2O + Cu 25,3 PVA 0,200 1,2 0,8 Cu2O 26,6 PVA 0,200 1,2 0,6 Cu2O 30,2 PVA 0,150 1,2 0,8 Cu2O 27,4 PVA 0,250 1,2 0,8 Cu2O 21,1 PVA 0,300 1,2 0,8 Cu2O 20,6 Bảng 1: Kích thước hạt phụ thuộc vào lượng PVA Hidrazin Ký mẫu hiệu PEG PEG PEG PEG PEG PEG PEG PEG PEG PEG 10 Ký hiệu mẫu LA LA LA LA LA LA LA LA LA LA 10 LA 11 168 PPEGa, g 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 0.500 1.000 1.500 2.500 PEG (gam) 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,005 0,010 0,025 0,100 0,150 KOH, ml 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 KOH (ml) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 N2H5OH, ml 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 N2H5OH, (ml) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Thành phần pha Cu2O+ Cu Cu2O+ Cu Cu2O+ Cu Cu2O+ Cu Cu2O Cu2O+ Cu Cu2O Cu2O Cu2O Cu2O Thành phần pha Cu2O+ Cu Cu2O Cu2O Cu2O Cu2O Cu2O Cu2O+ Cu Cu2O+ Cu Cu2O Cu2O Cu2O Kích thước hạt, nm 17,9 19,9 19,9 20,0 25,8 38,0 31,5 30,9 27,8 25,5 Kích thước hạt, nm 21,9 22,4 23,0 24,6 25,5 26,7 19,7 20,7 23,0 19,3 19,0 Bảng 2: Kích thước hạt phụ thuộc vào lượng PEG hidrazin Bảng 3: Kích thước hạt phụ thuộc vào lượng LA hidrazin Kết tính kích thước hạt cho mẫu trình bảng 1,2 Từ bảng 1, ta thấy kích thước trung bình dao động khoảng tương ứng 20-30 nm, 18-32 nm 1927 nm Lượng chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng lớn kích thước hạt trung bình Việc sử dụng PVA LA hiệu so với PEG lượng PVA LA sử dụng nhiều so với PEG sản phẩm thu lại có kích thước nhỏ so với dùng PEG Lượng hidrazin ảnh hưởng tới kích thước hạt trung bình Cu2O Trong mơi trường kiềm, hidrazin chất khử mạnh: CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2 + NaCl 4Cu(OH)2 + N2H4 = 2Cu2O + N2 + 6H2O Khi lượng hidrazin tăng kích thước hạt Cu2O giảm, đặc biệt dùng chất hoạt động bề mặt PEG Tuy nhiên lượng hidrazin lớn thu pha Cu kim loại (mẫu 1-2 bảng 1; mẫu 1-4 bảng 2; mẫu 1,7,8 bảng 3) Điều Cu2O sinh tiếp tục bị khử hidrazin dư: 2Cu2O +N2H4 = 4Cu + N2 + 2H2O Tuy nhiên, lượng hidrazin the sản phẩm có lẫn CuO (mẫu bảng 2) Ảnh hưởng hidrazin đến kích thước hạt trung bình Cu2O cịn phụ thuộc vào lưọng kiềm dung dịch Trong môi trường kiềm, hidrazin chất khử mạnh, lượng kiềm tăng khử hidrazin mạnh Khi sử dụng chất hoạt động bề mặt PVA LA, dùng 1,2 ml KOH M Nhưng khả bảo vệ PEG yếu nên giữ lượng kiềm trình khử xảy mạnh làm cho sản phẩm thu có lẫn pha Cu kim loại Do dùng PEG phải giảm lượng KOH xuống 0,6 ml Kết tối ưu sử dụng PVA mẫu PVA7, sử dụng PEG mẫu PEG10 cịn dùng LA mẫu tối ưu LA11 8.3.2 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) Ảnh TEM mẫu PEG10 cho thấy sản phẩm thu khơng có dạng hạt mà cịn có cỏ dạng sợi Dạng hạt có đường kính khoảng 40 nm cịn dạng sợi có đường kính khoảng 15 nm Ảnh HRTEM mẫu PVA7 cho thấy đơn thể Cu2O mẫu PVA7 có đường kính 15 nm 8.4 Kết luận Đã tổng hợp Cu2O nano sử dụng chất khử hidrazin với chất hoạt động bề mặt khác (PEG, PVA LA) Bằng phương pháp XRD, TEM HRTEM cho thấy điều kiện tối ưu, sản phẩm Cu2O tinh khiết, dạng hạt có kích thước trung bình 20 nm dạng sợi có đường kính 15 nm 169 MỤC LỤC PHẦN THỨ NHẤT: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC CÁC HỆ PHÂN TÁN KEO… 01 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI HỆ KEO 01 1.1 KHÁI QUÁT VỀ HOÁ HỌC CHẤT KEO 01 1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ PHÂN TÁN 01 1.3 PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO 02 1.3.1 Phân loại theo kích thước hạt 02 1.3.2 Phân loại theo trạng thái tập hợp 03 1.3.3 Phân loại theo tương tác hạt 03 1.3.4 Phân loại theo tương tác pha phân tán môi trường phân tán 04 1.4 VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA CỦA HOÁ KEO TRONG ĐỜI SỐNG VÀ KĨ THUẬT 04 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO 05 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO 05 2.1.1 Điều chế dung dịch keo phương pháp phân tán .05 a Nguyên tắc .05 b Phương pháp phân tán học 06 c Phương pháp phân tán sóng siêu âm 06 d Phương pháp phân tán hồ quang .06 e Phương pháp phân tán keo tán 06 2.1.2 Điều chế dung dịch keo phương pháp ngưng tụ 07 a Nguyên tắc 07 b Ngưng tụ trực tiếp .08 c Phương pháp thay dung môi 08 d Phương pháp dùng phản ứng hoá học .08 2.2 TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO 08 2.2.1 Thẩm tích 08 2.2.2 Điện thẩm tích 09 2.2.3 Siêu lọc .… 09 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 10 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ 10 3.1.1 Một số khái niệm 10 3.1.2 Các phương trình hấp phụ 10 3.1.2.1 Phương trình Frendlich 10 3.1.2.2 Phương trình Langmuir 11 3.1.2.3 Phương trình BET .… .12 3.2 CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ CƠ BẢN 12 3.2.1 Sự hấp phụ giới hạn dung dịch khí 12 a Sức căng bề mặt 12 b Phương trình Gibbs .14 c Chất hoạt động bề mặt 15 d Phương trình Sitkopxky 16 e Quy tắc Traube – Ducle 16 f Cấu tạo lớp bề mặt gianh giới dung dịch – khí .16 3.2.2 Sự hấp phụ giới hạn bề mặt rắn - dung dịch 18 a Sự hấp phụ phân tử 18 b Sự hấp phụ ion dung dịch chất điện li 19 170 3.2.3 Hiện tượng thấm ướt 16 CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN 20 4.1 CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT VÀ CHUYỂN ĐỘNG BRAO 20 4.2 SỰ KHUYẾCH TÁN TRONG DUNG DỊCH THỰC VÀ DUNG DỊCH KEO 22 4.2.1 Sự khuyếch tán dung dịch thực 22 a Định luật Fích .22 b Định luật Fích .22 c Phương trình Anhxtanh 23 4.2.2 Sự khuyếch tán dung dịch keo - Phương trình Anhxtanh-Smolukhopsky 23 4-3 ÁP SUẤT THẨM THẤU CỦA DUNG DỊCH KEO .24 4.4 SỰ SA LẮNG TRONG HỆ KEO .25 4.4.1 Độ bền sa lắng 25 4.4.2 Cân bắng sa lắng .26 4.4.3 Phương pháp phân tích sa lắng .26 CHƯƠNG 5: TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC HỆ KEO .28 5.1 SỰ PHÂN TÁN ÁNH SÁNG 28 5.2 SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 29 5.3 MÀU SẮC CỦA CÁC HỆ THỐNG KEO 30 5.4 DỤNG CỤ QUANG HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KEO 31 5.4.1 Kính hiển vi kính siêu vi…………………………………………………………….31 5.4.2 Kính hiển vi điện tử……………………………………………………………………32 5.4.3 Đục kế ………………………………………………………………………………….32 CHƯƠNG 6: TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG KEO .32 6.1 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC 32 6.1.1 Các tượng điện động học loại 1……………………………………………………32 6.1.2 Các tượng điện động học loại 2……………………………………………………33 6.2 CẤU TẠO CỦA LỚP KÉP .33 6.2.1 Thuyết Hemhon (Helmholtz)………………………………………………………… 33 6.2.2 Thuyết Guy - Sepmen (Gouy -Chapman)………………………………………………34 6.2.3 Thuyết Stec (Stern)…………………………………………………………………….35 6.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN THẾ ĐIỆN ĐỘNG HỌC 36 6.3.1 Ảnh hưởng chất điện ly trơ…………………………………………………………36 6.3.2 Ảnh hưởng chất điện ly không trơ………………………………………… …….36 6.3.3 Ảnh hưởng pha loãng làm đậm đặc sol…………………………………… 36 6.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ…………………………………………………………… ….37 6.3.5 Ảnh hưởng môi trường phân tán………………………………………………… 37 6.4 BIỂU THỨC TOÁN HỌC CỦA THẾ 37 6.5 CẤU TẠO CỦA HẠT KEO 37 CHƯƠNG 7: ĐỘ BỀN VỮNG VÀ SỰ KEO TỤ CỦA HỆ THỐNG KEO GHÉT LƯU 39 7.1 LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC MIXEN 39 7.2 SỰ KEO TỤ CÁC DUNG DỊCH KEO BẰNG CHẤT ĐIỆN LY 40 7.3 ĐỘNG HỌC CỦA SỰ KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY 41 7.4 HIỆN TƯỢNG ĐẶC BIỆT KHI KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY 42 7.4.1 Hiện tượng thứ nhất…………………………………………………………………….42 7.4.2 Hiện tượng thứ hai………………………………………………………….………… 42 7.4.3 Hiện tượng thứ ba………………………………………………………………… ….43 171 7.4.4 Hiện tượng thứ tư ………………………………………………………………… ….43 7.4.5 Hiện tượng thứ năm…………………………………………………………… …… 43 CHƯƠNG 8: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CẤU THỂ CỦA HỆ THỐNG KEO 43 8.1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CẤU THỂ TRONG CÁC HỆ KEO……… 43 8.1.1 Cấu thể keo tụ………………………………………………………………………… 44 8.1.2 Cấu thể ngưng tụ kết tinh ………………………………………………………………45 8.2 ĐỘ NHỚT CỦA HỆ THỐNG KEO 45 8.2.1 Khái niệm độ nhớt …………………………………………………………………… 45 8.2.2 Độ nhớt hệ keo ………………………………………………………….………….45 8.2.3 Sự phụ thuộc độ nhớt vào nồng độ ……………………………………………… 46 CHƯƠNG 9: CÁC HỆ PHÂN TÁN VỚI MƠI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ - LỎNG RẮN … 47 9.1 HỆ PHÂN TÁN VỚI MƠI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ .… .47 9.1.1 Tính chất quang học aerosol……………………………………………………… 47 9.1.2 Tính chất động học phân tử aerosol……………………………………………… 47 9.1.3 Tính chất điện aerosol…………………………………………………………… 47 9.1.4 Độ bền vững tập hợp aerosol………………………………………………… 48 9.1.5 Điều chế phá huỷ aerosol……………………………………………………………48 9.1.6 Ý nghĩa thực tế aerosol…………………………………………………………… 48 9.2 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN LỎNG 48 9.2.1 Huyền phù………………………………………………………………………….……48 9.2.2 Nhũ tương ………………………………………………………………………….… 48 Phân loại nhũ tương…………………………………………………………………….… 48 Độ bền vững tập hợp chất chất nhũ hoá……………………………………… 49 Sự đảo tướng……………………………………………………………………………….49 9.2.3 Bọt …………………………………………………………………………………… 50 9.3 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN RẮN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………….50 PHẦN THỨ HAI: MỘT SỐ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN KEO CHƯƠNG 10: HÓA KEO TRONG THỔ NHƯỠNG (HỆ KEO ĐẤT) ………………….51 1.1 KHÁI QUÁT …………………………………………………………………………… 51 1.2 CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA KEO ĐẤT ………………………… 51 1.2.1 Cấu tạo …………………………………………………………………………………51 1.2.2 Phân loại keo đất …………………….……………………………………………….53 1.2.3 Tính chất keo đất ………………………………………………………………… 54 1.3 TÍNH TỤ KEO VÀ SỰ TÁN KEO …………………………………………………… 54 1.3.1 Sự tụ keo ……………………………………………………………………………… 55 1.3.2 Khả tán keo ……………………………………………………………………….55 1.4 VAI TRÒ CỦA KEO ĐẤT ………………………………………………………………55 Bài tham khảo: KEO ĐẤT-TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG SỐNG CỦA SINH THÁI MÔI TRƯỜNG ĐẤT ……………………………………………………………………………….56 KEO ĐẤT: VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA …………………………………………………… 56 THÀNH PHẦN, CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA KEO ĐẤT ………………………… 56 2.1 Thành phần keo đất …………………………………………………………………… 56 2.2 Phân loại …………………………………………………………………………….……56 172 2.3 Cấu tạo hạt keo đất ………………………………………………………………….……57 2.4 Đặc tính keo đất …………………………………………………….……….58 TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CỦA KEO ĐẤT ……………………………………………… 58 3.1 Hấp phụ học ……………………………………………………………………….…58 3.2 Hấp phụ sinh học …………………………………………………………………….….58 3.3 Hấp phụ phân tử …………………………………………………………………….……58 3.4 Hấp phụ trao đổi (hấp phụ ion) ……………………………………………………….….59 3.5 Hấp phụ hoá học mơi trường đất…………………………………………………… 60 TÍNH CHẤT CHUA KIỀM CỦA ĐẤT ……………………………………………….… 61 4.1 Phản ứng môi trường thông qua dung dịch đất …………………………………….…….61 4.2 Nguyên nhân gây chua môi trường đất …………………………………………….…….61 4.3 Độ chua môi trường đất………………………………………………………………61 4.4 Phản ứng chua môi trường đất thông qua dung dịch đất ……………………………62 4.5 Ảnh hưởng chua độ chua kiềm đến thực vật …………………………………………… 62 TÍNH ĐỆM CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẤT …………………………………………………63 5.1 Định nghĩa ……………………………………… ………………………………………63 5.2 Vai trò …………………………………………………………………………………….63 5.3 Nguyên nhân …………………………………………………………………………… 63 ĐẶC TÍNH OXIHĨA - KHỬ CỦA MƠI TRƯỜNG SINH THÁI ĐẤT …………………65 6.1 Vai trò Oxihoa – Khử ………………………………………………………….……65 6.2 Phản ứng Oihoa – Khử …………………………… ……………………………………65 6.3 Các vi sinh vật háo khí tham gia vào q trình Oihoa-Khử …………………………… 65 6.4 Q trình Oxihóa – Khử ion kim loại điển hình ………………….…………….66 PHƯƠNG PHÁP NƠNG HĨA CẢI TẠO MƠI TRƯỜNG ĐẤT ……………………… 67 7.1 Cải tạo đất chua ………………………………………………………………………… 67 7.2 Cải tạo đất kiềm ………………………………………………………………………….68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………… 69 CHƯƠNG 11: HẤP PHỤ VÀ ỨNG DỤNG ……………………………………………….70 11.1 LÝ THUYẾT HẤP PHỤ ……………………………………………………………….70 11.2 HẤP PHỤ VÀ XÚC TÁC … …………………………………………………………70 11.2.1 Sự hấp phụ hố học khí bề mặt kim loại ………… ……………………70 11.2.2 Quy tắc Volcano ………………………………………………………………………71 11.2.3 Xúc tác axit rắn xúc tác lưỡng chức công nghiệp dầu mỏ … ………………72 11.2.4 Xúc tác q trình tổng hợp oxy hố amoniac ……………………………….73 11.3 HẤP PHỤ VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG ………………………………………………74 11.3.1 Hấp phụ xử lý nhiễm khí ………………………………………… …………74 11.3.2 Hấp phu xử lý ô nhiễm nước ………………………… ………………………75 Bài tham khảo: XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM ASEN …………………………………………80 1.Tác động Asen sức khoẻ người sinh vật … …………… 80 2.Công nghệ xử lý nước ô nhiễm Asen ………………………………… ……80 2.1.Trao đổi ion………………………………………………………………………80 2.2.Cộng kết tủa-lắng-lọc ………………………………………………………… 80 2.3.Keo tụ hoá chất ………………………………………………………… 81 2.4.Hấp phụ nhôm oxit nhôm hoạt hoá ……………………………… 81 2.5.Hấp phụ vật liệu Laterite …………………………………… …………81 2.6.Sử dụng hidroxit sắt hay viên sắt có chứa Clo……………………………… 81 2.7.Công nghệ lọc ……………………………………………………………… …82 Bài đọc thêm: XÀ PHÒNG - CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TIÊU BIỂU …………….82 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI ………………………………………………….………82 173 1.1 Xà phòng anion hoạt động ………………………………………………………….……83 1.2 Xà phòng cation họat động ………………………………………………………………83 1.3 Xà phịng lưỡng tính ………………………………………………………………….…83 1.4 Xà phịng khơng ion hóa …………………………………………………………………83 CÁC TÍNH CHẤT HĨA LÝ CỦA XÀ PHỊNG ………………………………………….83 2.1 Tính hịa tan nước ………………………………………………………………….83 2.2 Tính chất hoạt động bề mặt ………………………………………………………………84 2.3 Khả thấm ướt ………………………………………………………………………84 2.4 Khả tạo bọt …………………………………………………………………………84 2.5 Trạng thái xà phòng dung dịch ……………………………………………… 84 2.6 Khả hòa tan keo ……………………………………………………………………85 TÀI LIỆU THAM KHẢO.………………………………………………………… 86 CHƯƠNG 12: HÓA KEO VÀ CÔNG NGHỆ NANO …………………………………….87 12.1 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO ……………………………………………….87 12.2 VẬT LIỆU NANO………………………………………………………………………87 12.3 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO…………………………………………………88 12.4 PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO .90 12.4.1 Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha khí 90 12.4.2 Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha lỏng 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………….92 CHƯƠNG 12 HĨA KEO VÀ CƠNG NGHỆ NANO TÀI LIỆU THAM KHẢO Jack Uldrich, Deb Newberry, Công nghệ nano - đầu tư đầu tư mạo hiểm NXB Trẻ, Hà Nội, 2006 Ngụy Hữu Tâm, Công nghệ nano - Hiện trạng - thách thức siêu ý tưởng NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh; Cơng nghệ nano điều khiển đến phân tử nguyên tử, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004 Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến ống than nano, NXB Trẻ, năm 2008 Tạp chí sinh học số, - 2006 Tạp chí hố học số, - 2004 7.Tạp chí Khoa học cơng nghệ mơi truờng, số 7, năm 2001 Tạp chí Khoa học công nghệ môi trường, số 5, năm 2003 Tạp chí Khoa học cơng nghệ mơi trường, số 8, năm 2003 10 Tạp chí khoa học cơng nghệ mơi trường, số 11 - 2005 11 Tạp chí khoa học cơng nghệ môi trường, số 12 - 2005 12 Nguyen Huu Ly and Phan Hong Khoi, Preparation and characterization of carbon nanotubes/polymers composites, Advances in Natural Sciences, 2005 13 X.M.Tao, Nanotechnology Center for Functional and Intelligent Textiles and Apparel, Hong kong Polytechnic University, (Hong Kong, China) Nanotech Business Forum, Bangkok, Thailand, 12 - 05 - 2004 14 Terry Turney, SCIRO, (Australia), Nanotech Business Forum , Bangkok, Thailand, 12 - 05 - 2004 174