NGHIÊN cứu TỔNG hợp OXIT sắt từ (fe3o4) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG kết tủa kết hợp hóa SIÊU âm

Vật liệu nano được biết đến với các ứng dụng như: cung cấp năng lượng sạch, truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ thống lọc nước sạch… Một số nước phát tri

Trang 1

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT S

MSSV: 2102399

t hóa học-Khóa 36

Trang 2

Cần Thơ, ngày… tháng… năm……

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: ThS Huỳnh Thu Hạnh 2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT SẮT TỪ (Fe 3O4) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KẾT HỢP HÓA SIÊU ÂM 3 Họ và tên sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tiến MSSV: 2102399 Lớp: Công nghệ hoá học Khoá: 36 4 Nội dung nhận xét: a Nhận xét hình thức LVTN:

b Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ): - Đánh giá nội dung thực hiện đề tài:

- Những vấn đề còn hạn chế:

- Nhận xét về sinh viên:

- Kết luận, đề nghị và điểm:

Cán bộ hướng dẫn BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -

Trang 3

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: ThS Huỳnh Thu Hạnh 2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT SẮT TỪ (Fe 3O4) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KẾT HỢP HÓA SIÊU ÂM 3 Họ và tên sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tiến MSSV: 2102399 Lớp: Công nghệ hoá học Khoá: 36 4 Nội dung nhận xét: a Nhận xét hình thức LVTN:

b Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ): - Đánh giá nội dung thực hiện đề tài:

- Những vấn đề còn hạn chế:

- Nhận xét về sinh viên:

- Kết luận, đề nghị và điểm:

Cán bộ phản biện BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -

Trang 4

SVTH: Nguyễn Minh Tiến i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô Huỳnh Thu Hạnh các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Hóa Học Trong suốt quá trình làm luận văn em

đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và hướng dẫn rất nhiệt tình từ cô Huỳnh Thu Hạnh

để giúp em hoàn thành luận văn này Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô và các thầy cô trong bộ môn

Xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hồ Quốc Phong, thầy Nguyễn Việt Bách, cô Huỳnh Liên Hương đã hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình làm thực nghiệm ở phòng thí nghiệm của bộ môn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn và thời gian học tập vừa qua Giúp tôi khi tôi gặp khó khăn và động viên tinh thần tôi để tôi đạt được kết quả như ngày hôm nay

Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành đề tài đúng thời hạn nhưng không tránh khỏi những sai sót Mong các thầy cô thông cảm

Trang 5

SVTH: Nguyễn Minh Tiến ii

MỤC LỤC Danh mục hình

Danh mục bảng

Danh mục từ viết tắt

Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về vật liệu nano 1

1.2 Oxit sắt từ (Fe3O4) 2

1.2.1 Oxit sắt từ dạng thường 2

1.2.2 Oxit sắt từ dạng nano 3

1.3 Các phương pháp điều chế nano oxit sắt từ 5

1.3.1 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp nghiền 5

1.3.2 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp điện hóa 6

1.3.3 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp vi nhũ tương 6

1.3.4 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp hóa siêu âm 8

1.3.5 Điều chế Fe3O4 kích thước hạt nano bằng phương pháp hóa học 9

1.4 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa trong dung dịch 13

1.4.1 Nguyên tắc tạo Fe3O4 13

1.4.2 Cơ chế phản ứng 13

1.4.3 Cơ chế hình thành tinh thể 14

 Định hướng cho sự tạo thành hạt 16

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 17

1.6 Phương pháp áp dụng trong nghiên cứu 18

1.6.1 Phương pháp đánh giá sơ bộ 18

1.6.2 Phương pháp đánh giá đầy đủ 19

1.7 Ứng dụng của vật liệu nano Fe 3 O 4 20

1.7.1 Làm vật liệu hấp phụ 20

Trang 6

SVTH: Nguyễn Minh Tiến iii

1.7.2 Hấp phụ Cu 2+ trong nước 22

1.7.3 Các ứng dụng khoa học quan trọng khác của vật liệu nano Fe3O4 24

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 26

2.1 Hóa chất - thiết bị - dụng cụ 26

2.1.1 Hóa chất 26

2.1.2 Thiết bị và dụng cụ 26

2.2 Tổng hợp oxit sắt từ (Fe3O4) 27

2.2.1 Quy trình tổng hợp Fe3O4 27

2.2.2 Bố trí thí nghiệm điều chế Fe 3 O 4 28

2.2.3 Tiến hành thí nghiệm 30

2.2.4 Phân tích đánh giá 30

2.3 Thí nghiệm xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm 31

2.4 Các phương pháp đánh giá đầy đủ 33

2.4.1 Phương pháp đo kích cỡ hạt 33

2.4.2 Phương pháp chụp ảnh SEM 34

2.4.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 34

2.4.4 Phương pháp trắc quang (dùng phổ UV-Vis hấp phụ Cu 2+ ) 35

2.5 Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu 2+ trong nước bằng vật liệu Fe3O4 38

2.5.1 Quy trình hấp phụ Cu 2+ 38

2.5.2 Tiến hành thí nghiệm 39

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả tổng hợp oxít sắt từ Fe 3 O 4 42

3.1.1 Thí nghiệm 1 42

3.1.1.1 Nhận xét 42

3.1.1.2 Biện luận 43

3.1.2.1 Nhận xét 43

Trang 7

SVTH: Nguyễn Minh Tiến iv

3.1.2.2 Biện luận 44

3.1.5.1 Nhận xét 45

3.1.5.2 Biện luận 46

3.1.6.1 Nhận xét 47

3.1.6.2 Biện luận 47

3.1.7 Kết quả phân tích đánh giá 48

3.2 Kết quả hiệu suất thu hồi sản phẩm 48

3.3 Kết quả phân tích hóa lý 49

3.3.1 Kết quả đo nhiễu xạ tia X 49

3.3.2 Kết quả chụp ảnh SEM 52

3.3.3 Kết quả đo cỡ hạt 52

3.4 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Cu 2+ của Fe3O4 55

3.4.1 Đường chuẩn 55

3.4.2 Kết quả xác định thời gian cân bằng hấp phụ 56

3.4.3 Kết quả ảnh hưởng của nông độ Cu 2+ đến khả năng hấp phụ 57

3.4.4 Sự phụ thuộc của hấp dung vào khối lượng Fe 3 O 4 58

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

4.1 Kết luận 60

4.2 Kiến nghị 60

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Trang 8

SVTH: Nguyễn Minh Tiến v

TÓM TẮT

Đề tài được thực hiện với mục đích nghiên cứu tổng hợp oxit sắt từ dạng nano

và khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ trong nước Kết quả đạt được:

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu Fe3O4 điều chế được gần giống với mẫu

Fe3O4, kích cỡ hạt 578 – 972 nm đạt 72%

Kết quả hấp phụ Cu2+ trong nước tốt nhất ở thời gian 60 phút, nồng độ Cu2+ 300 mg.l-1, khối lượng vật liệu Fe3O4 0.5 g với hiệu suất hấp phụ 88.23%

Trang 9

SVTH: Nguyễn Minh Tiến vi

Danh mục hình

Hình 1 - 1 Cấu trúc thường gặp của ferrite - Fe 3 O 4 4

Hình 1 - 2 Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước 7

Hình 1 - 3 Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương 7

Hình 1 - 4 Fe3O4 kích thước nano theo phương pháp siêu âm 9

Hình 1 - 5 Sơ đồ điều chế Fe 3 O 4 10

Hình 1 - 6 Sơ đồ đồng kết tủa trong hệ khan 12

Hình 1 - 7 quá trình tạo mầm và tạo hạt 15

Hình 1 - 8 Quá trình tạo mầm và tạo hạt 16

Hình 2 - 1 Sơ đồ quy trình tổng hợp Fe3O4 27

Hình 2 - 2 Mô tả cách bố trí thí nghiệm điều chế Fe3O4 28

Hình 2 - 3 Thí nghiệm tổng hợp Fe3O4 28

Hình 2 - 4 Máy đo pH 28

Hình 2 - 5 Lọc lấy Fe3O4 29

Hình 2 - 6 Sơ đồ quy trình điều chế oxit sắt từ (Fe 3 O 4 ) 31

Hình 2 - 7 Máy siêu âm 32

Hình 2 - 8 Máy đo kích cỡ hạt 33

Hình 2 - 9 Máy UV-Vis 36

Hình 2 - 10 Sơ đồ quy trình hấp phụ Cu 2+ 38

Hình 2 - 11 Bố trí thí nghiệm hấp phụ Cu 2+ 39

Hình 3 - 1 Đồ thị pH theo thể tích dung dịch NH3 42

Hình 3 - 5 Phổ chuẩn của Fe3O4 50

Hình 3 - 6 Phổ chuẩn của Fe3O4 50

Hình 3 - 7 Phổ XRD của mẫu Fe3O4 điều chế ở thí nghiệm 6 51

Trang 10

SVTH: Nguyễn Minh Tiến vii

Hình 3 - 8 Ảnh SEM của thí nghiệm 6 với độ phóng đại 1500 lần 52

Hình 3 - 9 Mẫu điều chế thu được từ các thí nghiệm 2, 3, 4, 5, 6 từ trái qua phải 54

Hình 3 - 10 Mẫu điều chế thu được từ thí nghiệm 6 54

Hình 3 - 11 Các dung dịch phức đồng 55

Hình 3 - 12 Đường chuẩn của Cu 2+ 56

Hình 3 - 13 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời gian 57

Hình 3 - 14 Đồ thị sự phụ thuộc của hấp dung vào nồng độ Cu 2+ 58

Hình 3 - 15 Đồ thị sự phụ thuộc của hấp dung vào khối lượng Fe3O4 59

Trang 11

SVTH: Nguyễn Minh Tiến viii

Danh mục bảng

Bảng 2 - 1 Điều kiện phản ứng theo từng thí nghiệm 30 Bảng 2 - 2 Khảo sát thể tích dung dịch NH3 thêm vào hổn hợp Fe2+/Fe3+ theo 6 thí nghiệm 30

Bảng 2 - 3.Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Cu2+ 39 Bảng 3 - 1 Kết quả khối lượng và hiệu suất của sản phẩm qua 6 lần điều chế 48 Bảng 3 - 2 Kết quả đo mật độ quang 55 Bảng 3 - 3 Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ 56 Bảng 3 - 4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cu2+đến khả năng hấp phụ 57

Bảng 3 - 5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng Fe3O4 khả năng hấp phụ Cu2+ 58

Trang 12

SVTH: Nguyễn Minh Tiến ix

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, vật liệu nano đóng vai trò quan trọng và đang được quan tâm vì nó không thể thiếu trong công nghệ hiện đại Chúng là thành phần của nhiều máy điện và thiết bị điện và nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác Điều đó cho ta thấy khoa học ngày nay có nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt là công nghệ nano đang làm thay đổi cuộc sống chúng ta thông qua việc con người có khả năng kiểm soát kích thước hạt

từ vài nm đến vài chục nm

Vật liệu nano được biết đến với các ứng dụng như: cung cấp năng lượng sạch, truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ thống lọc nước sạch… Một số nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, các nước châu Âu đã nhìn nhận công nghệ nano như một trong những lĩnh vực triển vọng nhất của thế kỷ 21

và đã có các dự án đầu tư tương đối lớn cho lĩnh vực này, như phương pháp sử dụng vật liệu oxit sắt từ (Fe3O4) dạng nano hấp phụ các chất gây ô nhiễm đang được nghiên cứu và ứng dụng để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường Ngoài ra, oxit sắt từ dạng nano đang được sử rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử, y học

Vì vậy tôi chọn đề tài:Nghiên cứu tổng hợp oxit sắt từ (Fe3O4) bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp hóa siêu âm, nhằm mục đích tìm hiểu và nghiên cứu về

oxit sắt từ.

Trang 13

SVTH: Nguyễn Minh Tiến 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về vật liệu nano

Nano là thang đo kích thước vật chất trong khoảng một đến vài trăm nano mét (nm), 1 nm = 10-9 m

Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano và công nghệ nano

Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp

vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử (Nguyễn Phú Thuỳ, 2003)

Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các

cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy

mô nano mét (http://www.nuce.edu.vn/index.php?lg=1&id=72)

Vậy, vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm (Nguyễn Phú Thuỳ, 2003)

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm (Pitkethly et al., 2004)

Khi vật liệu có kích thước nano thì các hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt xuất hiện số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên

tử Diện tích bề mặt lớn của các hạt nano là một lợi thế khi chúng được ứng dụng để hấp phụ khí hay các ion, hoặc khi chúng được ứng dụng trong xúc tác, trong đó các phản ứng xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác là vật liệu nano Chính vì vậy các hiệu

Trang 14

ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt thể hiện rỏ ràng hơn làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nano khác biệt so với vật liệu ở dạng khối (Pitkethly et al., 2004)

1.2 Oxit sắt từ (Fe3O4)

1.2.1 Oxit sắt từ dạng thường

• Công thức: Fe3O4 hay FeO.Fe2O3

• Phân tử lượng 231.533 g.mol-1

‒ Dạng tinh thể lập phương hay dạng bột vô định hình, màu đen

‒ Thành phần chủ yếu trong quặng magnetite

‒ Không tan trong nước và dung môi hữu cơ Tan trong dung dịch axit loãng (chậm) Không tan trong dung dịch kiềm

‒ Bị oxi hóa chậm trong không khí và chuyển dần sang dạng Fe2O3 màu nâu

Trang 15

1.2.1.2 Tính chất hóa học

Fe3O4 là một oxit hổn hợp của FeO và Fe2O3 nên thể hiện tính chất đồng thời của Fe2+ và Fe3+ Tuy nhiên, do tính tan của Fe3O4 kém nên chỉ thể hiện tính chất khi hòa tan thành ion bởi axit

2Fe3O4 + 10H2SO4→ 3Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 10H2O (1.3)

‒ Với HNO3: tùy theo điều kiên phản ứng sẽ sinh ra khí NO hoặc NO2

Fe3O4 + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO2↑ + 5H2O (1.4) 3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO↑ + 14H2O (1.5)

1.2.2 Oxit sắt từ dạng nano

Fe3O4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferrite (công thức chung là MO.Fe2O3, trong đó M có thể

Trang 16

là Fe, Ni, Co, Mn,…) Các ferrite có cấu trúc spinel thuận hoặc spinel ngược Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thuận, những ion hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại và tất cả số ion

Fe2+ ở vị trí bát diện Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện (Lê Thị Hồng Diễm, 2009)

Oxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel ngược với ô đơn vị lập phương tâm mặt Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+ Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau Do đó, momen từ tổng cộng là do tổng momen từ của các iôn Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra Vậy mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có momen từ của các spin trong ion

Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra Vì vậy, tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau) ( Lê Thị Hồng Diễm, 2009)

Nguyên tử B trên khối 8 Nguyên tử A trên khối 4 mặt

Hình 1 - 1 Cấu trúc thường gặp của ferrite - Fe3 O4 (Lê Thị Hồng Diễm, 2009)

Trang 17

Tứ diện Fe3+ 3d5

Bát diện Fe2+ 3d6

Bát diện Fe3+ 3d5

Spin tạo nên các momen từ của phân tử

Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Đặc biệt, khi ở kích

thước nano, hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn domen và có tính siêu thuận từ phục

vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh

cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc (Lê Thị Hồng Diễm, 2009).…

1.3 Các phương pháp điều chế nano oxit sắt từ

1.3.1 Điều chế Fe 3 O 4 bằng phương pháp nghiền

Phương pháp nghiền được phát triển để chế tạo hạt nano từ tính dùng cho các

ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm

chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao, Hạt nano Fe3O4 được điều chế theo

nguyên tắc: vật liệu khối oxit sắt từ được nghiền nhỏ đến kích thước nano và hình

thành hạt nano Fe3O4 từ các nguên tử (R.S Tebble et al., 1969)

Trong những nghiên cứu đầu tiên về, vật liệu từ tính oxit sắt từ, được nghiền

cùng với các chất hoạt đông bề mặt (CHĐBM) (axit Oleic) và dung môi (dầu, hexane)

CHĐBM giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với

nhau Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp

để có được các hạt tương đối đồng nhất Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản

và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn Việc thay đổi CHĐBM và dung môi

không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo (Rosensweig, 1985)

↓

Trang 18

Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao

vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano Hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý (http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat#_edn)

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, sản xuất vật liệu với khối lượng lớn Việc thay đổi dung môi và CHĐBM không ảnh hưởng đến nhiều đến quá trình chế tạo Phương pháp này tạo ra vật liệu có tính đồng nhất không cao vì khó khống chế quá trình hình thành hạt nano (Nguyễn Lý Huỳnh, 2010)

1.3.2 Điều chế Fe 3 O 4 bằng phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa cũng được dùng để chế tạo hạt nano oxit sắt từ tính Dung dịch điện hóa là dung dịch hữu cơ Kích thước của hạt nano từ 3 – 8 nm được điều khiển bằng mật độ dòng điện phân Sự phân tán của các hạt nano nhờ vào các CHĐBM dương Phương pháp này phức tạp và hiệu suất không cao như các phương pháp khác nên ít được nghiên cứu (Pascal C et al., 1999)

1.3.3 Điều chế Fe 3 O 4 bằng phương pháp vi nhũ tương

Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nano Với nhũ tương “nước trong dầu”, các giọt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử CHĐBM trong dầu (các mixen) (hình 1 - 2) Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHĐBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất Kích thước hạt có thể từ 4 – 12 nm với độ sai khác khoảng 0.2 - 0.3 nm (Feltin N et al., 1997) Cơ chế như sau (hình 1 - 3)

Trang 19

Phương pháp này khá đơn giản, dễ thực hiên, sản phẩm có chất lượng cao, đồng đều Tuy nhiên, do hệ nước trong dầu nên nồng độ tác chất không lớn nên năng suất không cao Phản ứng có nhiều dung môi hữu cơ nên ít nhiều gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra, các thông số về thiết bị công nghệ (khuấy trộn, siêu âm, ) có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm (http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat#_edn)

Hình 1 - 2 Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước

(http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat#_edn)

Hình 1 - 3 Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương

(http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat#_edn)

Trang 20

1.3.4 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp hóa siêu âm

Phương pháp hóa siêu âm là các phản ứng hóa học được hỗ trợ bởi sóng siêu

âm cũng được dùng để tạo hạt nano oxit sắt Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác Sóng siêu âm là sóng dọc, là quá trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng Tần số thường sử dụng trong các máy siêu âm là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz đến 16 kHz) Hóa siêu âm được ứng dụng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano như vật liệu nano xốp, nano dạng lồng, hạt nano, ống nano Hạt nano oxit sắt và oxit sắt pha Co và Ni đã được chế tạo bằng phương pháp này Tuy nhiên các hạt nano cần phải có chế độ xử lý nhiệt mới có thể đạt được từ độ bão hòa cao ở nhiệt độ phòng (Lê Thị Hồng Diễm, 2009)

Hạt nano từ tính dựa trên oxit sắt đã được chế tạo bằng hóa siêu âm Đây là phương pháp rất đơn giản để tạo hạt nano từ tính với từ độ bão hòa rất cao Muối sắt (II) được cho vào trong nước cất hai lần rồi cho chiếu xạ siêu âm với công suất khoảng 200W/2h trong môi trường bảo vệ Sóng siêu âm được tác dụng dưới dạng xung để tránh hiện tượng quá nhiệt do siêu âm tạo ra Khi tác dụng siêu âm, trong dung dịch sẽ xuất hiện các chất có tính khử và tính oxi hóa như H2, hydrogen peroxide (H2O2) Các sản phẩm trung gian năng lượng cao có thể là HO2 (superoxide), hydro nguyên tử, hydroxyl và điện tử Các chất này sẽ oxi hóa muối sắt và biến chúng thành Fe3O4 (N

Trang 21

Do hỗn hợp Fe2+/Fe3+ không theo tỷ lệ mol 1:2 từ ban đầu, Fe3+ được tạo ra do

sự oxy hóa Fe2+ nên thành phần trong sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện phản ứng Phản ứng qua nhiều giai đoạn trung gian nên khó kiểm soát các thông số để

có sản phẩm tốt

Kích thước hạt thu được khoảng 20 – 100 nm Thời gian siêu âm càng lâu thì hạt càng nhỏ pH tối ưu là 7.8, pH cao hơn thì hạt hình thành có kích thước to hơn Cường độ siêu âm không nhỏ hơn 16 W.cm-2 (.Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.3.5 Điều chế Fe3O4 kích thước hạt nano bằng phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano có độ đồng nhất khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học Nguyên tắ tạo ra hạt nano Fe3O4 là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân rã (Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.3.5.1 Nguyên tắc chung

Các phương pháp hóa học đi từ tiền chất Fe2+, Fe3+ hay cả 2 dạng để tạo thành

Fe3O4 :

‒ Từ Fe2+: Thực hiện oxi hóa bằng không khí hay chất oxi hóa yếu như NO3

-‒ Từ Fe3+: Thực hiện khử bằng các chất khử yếu như diol,

‒ Từ Fe2+/Fe3+: Thực hiện phản ứng đồng kết tủa trong môi trường kiềm

Hình 1 - 4 Fe3 O 4 kích thước nano theo phương pháp siêu âm (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Trang 22

1.3.5.2.1 Nhóm nhiệt phân muối sắt (III) hữu cơ

∗ Nhiệt phân muối sắt (III) acetylacetonate

Phản ứng sắt(III) acetylacetonate trong phenyl ether với sự có mặt của rượu, oleic acid, và oleylamine ở nhiệt độ 265 °C Phương pháp này có thể tạo hạt nano kích thước 4 nm khi không có mầm kết tinh nhưng để đạt kích thước 20 nm thì cần phải có mầm kết tinh (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Phương pháp sử dụng nguyên liệu đắt tiền nhưng thực hiện nhanh qua ít giai đoạn

∗ Nhiệt phân phức sắt-oleate

Fe3O4 được tạo thành từ nhiệt phân phức sắt ở nhiệt độ cao (≈ 220 oC) Phức sắt được tạo thành từ sự kết hợp giữa FeCl3 và Na-oleate Na-oleate được tạo thành từ sự trung hòa axit oleic bằng NaOH

Fe3O4

Hình 1 - 5 Sơ đồ điều chế Fe3 O4 (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Trang 23

Phương pháp thực hiện rẽ tiền nhưng thời gian thực hiện khá dài, qua nhiều giai đoạn Sản phẩm có kích thước khoảng 10 – 30 nm, khá đồng đều (Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.3.5.2.2 Nhóm oxi hóa muối sắt (II)

Muối sắt (II) bị oxy hóa hạn chế bởi NO3-, NO, NO2- trong môi trường kiềm nhẹ tạo thành Fe3O4

Cơ chế:

3Fe(OH)2 + NO3- → Fe3O4 + NO2- + 3H2O (1.17) 3Fe(OH)2 + 2NO2- → Fe3O4 + 2NO + 2H2O + 2OH- (1.18) 15Fe(OH)2 + 2NO → 5Fe3O4 + 2NH3 + 12H2O (1.19)

Do hỗn hợp Fe2+/Fe3+ không theo tỷ lệ mol 1:2 từ ban đầu, Fe3+ được tạo ra do

sự oxy hóa Fe2+ nên thành phần trong sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện phản ứng Phản ứng qua nhiều giai đoạn trung gian nên khó kiểm soát các thông số để

có sản phẩm tốt (Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.3.5.2.3 Nhóm đồng kết tủa muối sắt (II) và muối sắt (III)

∗ Đồng kết tủa trong dung dịch

Tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lý Fe3+/Fe2+ = 2 trong môi trường kiềm có pH = 9 – 14

Trang 24

Do hỗn hợp Fe2+/Fe3+ có tỷ lệ mol 1:2 từ ban đầu nên thành phần trong sản phẩm tương đối đồng nhất Phản ứng qua nhiều giai đoạn trung gian, phụ thuộc chủ yếu vào pH và nhệt độ nên có thể kiểm soát được Có thể chú ý tới các thông số khác như kiềm hóa, đánh sóng siêu âm để có sản phẩm tối ưu (Nguyễn Phương Hải, 2008)

∗ Đồng kết tủa trong hệ khan

Về nguyên tắc tương tự như trong dung dịch nhưng phản ứng được thực hiện trong hệ khan Axit oleic và oleylamine cho phản ứng trước tạo thành axit oleic – oleylamine là CHĐBM dạng nhão sệt (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Phương pháp khá đơn giãn dễ thực hiện nhưng sản phẩm cỏ chất lượng không đồng nhất do có nhiều sản phẩm phụ Thiết bị công nghệ (nghiền, khuấy trộn ) có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phấm (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Để tổng hợp hạt nano oxit sắt từ (Fe3O4), theo một số tài liệu thì có nhiều phương pháp để tổng hợp, dựa trên điều kiện vật chất và các trang thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm Công Nghệ Hóa và phòng thí nghiệm Hóa Vô Cơ thuộc Bộ môn Công Nghệ Hóa Học, tôi tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp với hóa siêu âm, đây cũng là hướng nghiên cứu mới về mật khoa học, với kinh phí có thể chấp nhận được Tuy nhiên vẫn tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa là chính, chỉ kết hợp đánh siêu âm nhằm mục đích không cho các hạt kết tụ lại, để đạt được hạt kích thước nano đồng điều hơn

Trang 25

1.4 Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa trong dung dịch

1.4.1 Nguyên tắc tạo Fe3O4

Hỗn hợp với tỷ lệ mol Fe3+/Fe2+ = 2 được đồng kết tủa bởi dung dịch kiềm tạo thành Fe3O4

2FeOOH + Fe(OH)2 → Fe3O4↓ + 2H2O (1.28) Phương trình phản ứng chung:

2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → Fe3O4↓ + 4H2O (1.29)

1.4.2 Cơ chế phản ứng

∗ Đối với quá trình: Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3↓

(0.02 mol) (3 x 0.02 mol) nâu đỏ Theo định luật tác dụng khối lượng: Cần 0.06 mol OH- ≈ 60 ml dung dịch

NH4OH 1M để tủa hết 0.02 mol Fe3+

Theo lý thuyết tích số tan: Tích số tan của Fe(OH)3 = 2.79.10-39

Nồng độ FeCl3 thực hiện phản ứng là 0.2 M

Dung môi hòa tan FeCl3 là HCl 0.1 M

Khi thêm dung dịch kiềm vào phản ứng thì pH tăng ([OH-] tăng)

Ta có [Fe3+][OH-]3 = Ksp <=> 2.10-1.[OH-]3 = 2.79.10-39

=> [OH-] = 2.4.10-13 = 10-12.57 => pOH = 12.57 <==> pH = 1.43 thì Fe(OH)3 bắt đầu kết tủa

∗ Đối với quá trình: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2↓

(0.01 mol) (2 x 0.01 mol) nâu đỏ Theo định luật tác dụng khối lượng: Cần 0.02 mol OH- ≈ 20 ml dung dịch

NH4OH 1M để tủa hết 0.01 mol Fe2+

Theo lý thuyết tích số tan: Tích số tan của Fe(OH)2 = 4.87.10-17

Trang 26

Nồng độ FeCl2 thực hiện phản ứng là 0.1 M

Dung môi hòa tan FeCl2 là HCl 0.1 M

Khi thêm dung dịch kiềm vào phản ứng thì pH tăng ([OH-] tăng)

Ta có [Fe2+][OH-]2 = Ksp <=> 10-1.[OH-]2 = 4.87.10-17

=> [OH-] = 2.21.10-8 = 10-7.66 => pOH = 7.66 <==> pH = 6.34 thì Fe(OH)2 bắt đầu kết tủa

Tóm lai: Chỉ cần khoảng 80 ml dung dịch NH4OH 1 M là đủ để kết tủa hoàn toàn ion Fe2+ và Fe3+ có trong thí nghiệm

∗ Đối với quá trình: Fe(OH)3↓ → FeOOH + H2O

Đây thực chất là quá trình tách loại H2O của Fe(OH)3 xảy ra ở nhiệt độ khoảng

80 °C và pH ≥ 4

∗ Đổi với quá trình: 2FeOOH + Fe(OH)2 → Fe3O4↓ + 2H2O

Đây thực chất là quá trình tách H2O xảy ra ở nhiệt độ khoảng 80 °Cvà pH ≥ 8 + Quá trình tách loại H2O của FeOOH và Fe(OH)2:

Quá trình tạo mầm là giai đoạn quyết định kích thước hạt Khi sự tạo mầm xảy

Trang 27

ra nhanh và đồng loạt thì số lượng mầm nhiều và đồng đều nên kích thước hạt sẽ nhỏ

Đế có được điều này cần đưa hệ đến trạng thái bão hòa, sau đó tạo ra sự quá bão hòa đột biến để chuyển nhanh hệ sang trạng thái tạo mầm, sự tạo mầm thì xảy ra đồng loạt

Các tác nhân dẫn đến trạng thái quá bão hòa có thể là: tăng (hoặc giảm) pH, nhiệt độ, nồng độ chất tan, nồng độ ion chung Trong đó, pH và nồng độ chất tan là yếu tố quyết định (Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.4.3.2 Sự tạo hạt

Có 2 quá trình dẩn đến sự tạo hạt là:

‒ Sự hấp phụ chất kết tủa lên bề mặt các mầm tinh thể đã tạo ra trong giai đoạn trên, tiếp đến xảy ra sự tinh thể hóa (là sự sẳp xếp, ổn định các thành phần và mạng tinh thể cúa các tiểu phân)

‒ Sự kết tụ các tinh thể lại với nhau do lực Vander Waals tạo ra Các yếu tố vật lý như: Nhiệt độ, khuấy trộn, rung động (sóng siêu âm, vi sóng) và các yếu tố hóa học như: pH, nồng độ chất tan, nồng độ CHĐBM, độ nhớt của hệ đều có ảnh hưởng đến sự phát triển mầm (Nguyễn Phương Hải, 2008)

‒

Hình 1 - 7 quá trình tạo mầm và tạo hạt (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Trang 28

∗ Định hướng cho sự tạo thành hạt có kích thước nano

Thực hiện theo nguyên tắc:

+ Tăng cường sự tạo mầm nhanh và nhiều

+ Hạn chế sự phát triển hạt

∗ Các biện pháp thực hiện:

+ Chuyển nhanh hệ từ trạng thái bão hòa sang trạng thái quá bão hòa Có thể dùng cách thay đổi pH, nồng độ chất tan,

+ Tạo sóc nhiệt (tăng hoặc giảm nhiệt độ)

+ Tăng cường độ khuấy trộn, đánh sóng siêu âm

+ Bổ sung CHĐBM thích hợp với nồng độ tối ưu

Hình 1 - 8 Quá trình tạo mầm và tạo hạt (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Trang 29

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Bảng 1 - 1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và từ tính của Fe 3 O 4 (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Có ảnh hưởng

+ pH lớn => phản ứng nhanh nhưng có sản phẩm phụ

+ Nhỏ => Fe3O4 ít, có sản phẩm phụ

Tốc độ dd

kiềm

Có ảnh hưởng

+ Nhanh => Fe3O4 nhiều dễ kết thành tiểu phân lớn

+ Chậm => kết tụ trên mầm ít nên hạt lớn

Nhiệt

phản ứng

Có ảnh hưởng

Nhiệt độ cao => phản ứng:

2FeOOH + Fe(OH)2 → Fe3O4↓ + 2H2O Xảy ra nhanh nhưng nhiệt độ cao cũng dễ chuyển Fe3O4 → Fe2O3 do bị oxy hóa

Thời gian

làm già

Có ảnh hưởng

Làm già để sắp xếp lại cấu trúc, loại H2O trong

Fe3O4

Đánh siêu

âm

Có ảnh hưởng

Đánh siêu âm để các hạt Fe3O4 khó phát triển to

→ hạt nhỏ và đồng đều

Chế độ sấy Có ảnh

hưởng

Có ảnh hưởng

Sấy chân không hạn chế Fe3O4 bị oxy hóa thành

Fe2O3

Nhiệt độ

sấy

Có ảnh hưởng

+ Nhiệt thấp thời gian dài, Fe2+ dễ bị oxy hóa thành Fe2O3

+ Nhiệt cao thời gian ngắn nhưng dễ kết tụ các hạt và dễ bị oxy hóa

Thay NH 3

bằng

NaOH

Có ảnh hưởng

Không ảnh hưởng

+ NH3 tạo dd đệm pH ổn định hơn NaOH

+ NaOH làm tăng nhanh pH làm hạt Fe3O4 hình thành ít ổn định hơn

Trang 30

1.6 Phương pháp áp dụng trong nghiên cứu

1.6.1 Phương pháp đánh giá sơ bộ

Nhằm so sánh đặc điểm giữa các mẫu trong phòng thí nghiệm khảo sát sự thay đổi các thông số điều chế Fe3O4

Có thể thực hiện nhanh, thiết bị đơn giản, chi phí thấp và có tính tương đối, nhưng phản ánh được mức độ, tính chất của mẫu cần khảo sát Gồm các phương pháp: cảm quang; pH sau phản ứng; tỷ lệ mol Fe2+/Fe3+; phân tích đo kích cỡ hạt

∗ Nếu sản phẩm có tỷ lệ mol Fe2+/Fe3+ < 1/2 <=> sản phẩm có lẫn Fe2O3

∗ Nếu sản phẩm có tỷ lệ mol Fe2+/Fe3+ > 1/2 <=> sản phẩm có lẫn FeO

==> Chọn tỷ lệ mol Fe2+/Fe3+ = 1/2 để khảo sát

Trang 31

1.6.2 Phương pháp đánh giá đầy đủ

∗ Các trị số đo được có tính chính xác cao, phản ánh được mức độ tính chất của mẫu thử Gồm các phương pháp phân tích: XRD, SEM, đo kích cỡ hạt

∗ Nhằm xác định đặc điểm của Fe3O4 nano trong mẫu điều chế được Gồm cấu trúc, kích thước

1.6.2.1 Cấu trúc của Fe 3 O 4

‒ Cấu trúc hạt được khảo sát bằng phương pháp đo nhiễu xạ XRD

‒ Phổ XRD của mẫu thử phải có peak đặc trưng của Fe3O4 hay phổ XRD của Fe3O4 chuẩn và mẫu thử phải tương tự nhau

1.6.2.2 Kích thước hạt

‒ Qua ảnh chụp SEM

‒ Qua đo kích cỡ hạt

1.6.2.3 Hiệu suất chung

+ Được đánh giá % theo khối lượng sản phẩm thu được và lượng Fe3O4

tạo thành tính theo lý thuyết

+ Lượng Fe3O4 tạo thành tính theo lý thuyết được tính theo phương trình phản ứng

2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → Fe3O4↓ + 4H2O (1.33) + Theo thực nghiệm, sử dụng 0.01 mol Fe2+ và 0.02 mol Fe3+ thì thu được 0.01 mol Fe3O4 ≈ 2.31 g Fe3O4 khan

+ Lượng sản phẩm khan thu được, được xác định bằng cách cân mẫu sản phẩm khi sấy đến khối lượng không thay đối

% 100 31

2

(%) ≡ mtt ×

• H: hiệu suất chung

• mtt: số gam sản phẩm thu được

Trang 32

1.7 Ứng dụng của vật liệu nano Fe3O4

1.7.1 Làm vật liệu hấp phụ

1.7.1.1 Khái niệm hấp phụ

Hấp phụ là quá trình hút khí hay hơi hoặc chất hòa tan trong chất lỏng lên bề mặt chất rắn xốp gọi là quá trình hấp phụ (Huỳnh Thu Hạnh, 2008)

Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong xử

lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng Phương pháp hấp phụ được sử dụng khi xử lý nước thải chứa các hàm lượng chất độc hại không cao Quá trình hấp phụ kim loại nặng xảy ra giữa bề mặt lỏng của dung dịch chứa kim loại nặng và bề mặt rắn (Nguyễn Phương Hải, 2008)

Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng các vật liệu polyme hóa học hay polyme sinh học (Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.7.1.2 Cơ chế

∗ Hấp phụ vật lý: được thực hiện bởi các tương tác yếu và thuận nghịch giữa

các phân tử và các tâm hấp phụ trên bề mặt than hoạt tính

∗ Hấp phụ hóa học: được thực hiện bởi các liên kết hóa học

‒ Quá trình hấp phụ vật lý: đối với chất hấp phụ và các ion kim loại nặng

trong nước thường xảy ra nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại này với các tâm hấp phụ Mối liên kết này thường là yếu và không bền Tuy nhiên chính vì yếu do vậy quá trình giải hấp phụ để hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và thu hồi các kim loại diễn ra thuận lợi (http://www.doko.vn/luan-van/nghien-cuu-tham-do-phuong-phap-xu-ly-kim-loai-nang-bang-chat-hap-phu-sinh-hoc-co-nguon-goc-tu-chat-thai-thuy-san-chitosan-

199861).

‒ Quá trình hấp phụ hóa học: xảy ra nhờ các phản ứng tạo liên kết hóa học

giữa ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại nặng phản ứng tạo phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ Mối liên kết này thường là rất bền và khó bị phá vỡ, do vậy rất khó cho quá trình giải hấp phụ

Trang 33

nang-bang-chat-hap-phu-sinh-hoc-co-nguon-goc-tu-chat-thai-thuy-san-chitosan-

(http://www.doko.vn/luan-van/nghien-cuu-tham-do-phuong-phap-xu-ly-kim-loai-199861).

1.7.1.3 Một số chất hấp phụ

Hiện nay người ta đã phát hiện ra nhiều chất hấp phụ có khả năng hấp phụ kim loại nặng Các chất hấp phụ này có nguồn gốc rất đa dạng nó có thể là những hợp chất

vô cơ, vật liệu bắt nguồn từ sinh học

Chất hấp phụ là những vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc rất xốp và diện tích bề mặt riêng lớn

Một chất hấp phụ được đặc trưng bởi các thông số: Thành phần hóa học, cấu trúc xốp, diện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt

∗ Các vật liệu có nguồn gốc vô cơ

‒ Chất hấp phụ oxit sắt: Chất hấp phụ oxit sắt có công thức hóa học là Fe2O3,

Fe3O4 Đối với Oxit sắt ở dạng bột mịn, cỡ hạt vào khoảng nhỏ hơn 100µm, người ta

đã đo được bằng phương pháp BET diện tích bề mặt của nó là 3.07 m2.g-1((http://www.doko.vn/luan-van/nghien-cuu-tham-do-phuong-phap-xu-ly-kim-loai-nang-bang-chat-hap-phu-sinh-hoc-co-nguon-goc-tu-chat-thai-thuy-san-chitosan-

199861)

Một điểm thuận lợi khi sử dụng oxit sắt chính là chất thải của quá trình đốt quặng pyrit (FeS) Do vậy nếu oxit sắt được sử dụng làm chất hấp phụ sẽ giải quyết được phần nào chất thải rắn được tích tụ lại trong nhà máy

‒ Chất hấp phụ tro bay, xỉ than: Trong quá trình đốt than, một lượng bụi mịn

bay lên và tích tụ lại ở trong ống khói được gọi là tro còn phần than bị thiêu kết và nằm lại phía dưới (đáy lò) gọi là xỉ than Do vậy tro bay và xỉ than chính là thành phần tro của than đá

Diện tích bề mặt đo được theo phương pháp BET là 5.39 m2.g-1 đối với xỉ than, còn đối với tro bay là 10.15 m2.g-1 (http://www.doko.vn/luan-van/nghien-cuu-tham-do-

Trang 34

thai-thuy-san-chitosan-199861)

phuong-phap-xu-ly-kim-loai-nang-bang-chat-hap-phu-sinh-hoc-co-nguon-goc-tu-chat-‒ Chất hấp phụ dioxit mangan: có công thức hóa học là MnO2 Lượng quặng Mangan ở nước ta có trữ lượng khá cao và có loại quặng hàm lượng Mangan đạt tới 76%

∗ Các vật liệu polymer: Người ta sử dụng nhiều chất polyme làm chất hấp

phụ Các chất polyme thường có các nhóm chức có khả năng hút hoặc giữ các kim loại vào trong thành phần liên kết

∗ Các vật liệu sinh học: chất hấp phụ sinh học là những chất có nguồn gốc từ

sinh học do vậy nó rất đa dạng và phong phú Các chất sinh học được sử dụng để làm

chất hấp phụ sinh học thường là các polyme sinh học

‒ Ưu nhược điểm của phương pháp

∗ Ưu điểm:

+ Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp

+ Đơn giản, dễ sử dụng

+ Có thể tận dụng một số chất thải của các nghành khác như Fe2O3

+ Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ

Trang 35

– 1.5 mg.l-1 kim-loai-nang-bang-chat-hap-phu-sinh-hoc-co-nguon-goc-tu-chat-thai-thuy-san-

(http://www.doko.vn/luan-van/nghien-cuu-tham-do-phuong-phap-xu-ly-chitosan-199861)

Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao.

Tuy nhiên, sự tích tụ đồng với hàm lượng cao có thể gây độc cho cơ thể Cumings (1948) trích trong WHO (1998) phát hiện đồng thực sự là tác nhân độc hại đối với các bệnh nhân Wilson và khám phá rằng gan và não của những bệnh nhân này có chứa hàm lượng kim loại này rất cao Khi hàm lượng đồng trong cơ thể người là 10g.kg-1thể trọng gây tử vong, liều lượng 60 - 100 mg.kg-1 gây nên nôn mửa

1.7.2.2 Cơ chế

Cơ chế hấp phụ chủ yếu của các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 đối với các ion kim loại nặng là hấp phụ vật lý Các ion kim loại nặng được hấp phụ trên bề mặt rắn xốp của các hạt nano oxit sẳt từ Fe3O4 do lực Vander Walls Những hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 cực nhỏ kích thước vài chục nano đến vài trăm nano, nó nhỏ hơn than hoạt tính đến 350 lần Chính nhờ kích thước nhỏ lại có diện tích bề mặt riêng lớn làm tăng khả năng tiếp xúc giữa các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 với các ion kim loại nặng dẫn đến khả năng hấp phụ tăng (Nguyễn Hữu Phú, 2006)

1.7.2.3 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình tự diễn ra, vì vậy quá trình hấp phụ luôn kèm theo

sự giảm năng lượng tự do của hệ, ∆G < 0 hoặc ∆F < 0 Do kết quả của sự định cư trên bề mặt của các phân tử chất bị hấp phụ nên số bậc tự do của chúng giảm và

do đó entropi của hệ giảm (hệ chuyển từ vô trật tự sang có trật tự)

Trang 36

1.7.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion kim loại nặng

∗ Ảnh hưởng của thời gian

Thời gian có ảnh hưởng mạnh đến dung lượng hấp phụ của Fe3O4 Với nồng độ, thể tích ion kim loại và khối lượng của Fe3O4 xác định đến khoảng thời gian nào đó dung lượng hấp phụ của Fe3O4 không thay đổi Thời gian đó là thời gian cân bằng hấp phụ được thiết lập (http://tai-lieu.com/tai-lieu/de-tai-nghien-cuu-kha-nang-hap-phu-ion-kim-loai-fe2-tren-bentonit-binh-thuan-5566/)

∗ Ảnh hưởng của kích thước hạt, điều kiện khuấy trộn

Sự hấp phụ tăng với sự tăng diện tích bề mặt, tức là diện tích tiếp xúc giữa ion kim loại nặng và chất hấp phụ Fe3O4 Vì vậy để cho sự hấp phụ ion kim loại đạt kết quả tốt kích thước hạt phải thật nhỏ, mịn Chính vì hạt có kích thước rất nhỏ (nm) và lại mịn cho nên trong dung dịch nó thường bám lại với nhau, làm giảm khả năng hấp phụ, vì vậy phải tiến hành khuấy trộn để chúng phân tán đều vào dung dịch nước, làm cho sự tiếp xúc giữa ion kim loại và các hạt Fe3O4 tốt hơn (http://tai-lieu.com/tai-lieu/de-tai-nghien-cuu-kha-nang-hap-phu-ion-kim-loai-fe2-tren-bentonit-binh-thuan-5566/)

∗ Ảnh hưởng của tỷ lệ lượng chất bị hấp phụ và thể tích dung dịch hấp phụ

Tỷ lệ khối lượng chất bị hấp phụ và thể tích của dung dịch hấp phụ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion kim loại lên Fe3O4, với mỗi kim loại có một tỷ lệ xác định là tối ưu, phụ thuộc vào nồng độ của ion kim loại, bản chất của chất hấp phụ, nhiệt độ và thời gian hấp phụ (http://tai-lieu.com/tai-lieu/de-tai-nghien-cuu-kha-nang-hap-phu-ion-kim-loai-fe2-tren-bentonit-binh-thuan-5566/)

1.7.3 Các ứng dụng khoa học quan trọng khác của vật liệu nano Fe 3 O 4

Ngoài ứng dụng vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng trên vật liệu nano Fe3O4

còn được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng khác rất có ý nghĩa trong cuộc sống như:

∗ Phân tách và chọn lọc tế bào

∗ Dẩn truyền thuốc

∗ Tăng thân nhiệt cục bộ

Trang 37

Tất cả những ứng dụng thực tiễn trên đã cho thấy vật liệu nano Fe3O4 rất hữu dụng trong cuộc sống, đặc biệt hơn là đều được ứng dụng nhầm mục đích chủ yếu phục vụ cho chính sức khỏe chúng ta

Trang 38

Trang 39

Tất cả các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm thuộc Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học - Khoa Công Nghệ - Đại Học cần Thơ

Trang 40

2.2.2 Bố trí thí nghiệm điều chế Fe3O4

Hình 2 - 2 Mô tả cách bố trí thí nghiệm điều chế Fe3 O 4

Hình 2 - 3 Thí nghiệm tổng hợp Fe3 O 4

Hình 2 - 4 Máy đo pH

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	2,19 MB