Nghiên cứu tổng hợp và ổn định phân tán chất lỏng từ Fe3O4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quang Hưng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỔN ĐỊNH PHÂN TÁN CHẤT LỎNG TỪ Fe3O4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quang Hưng Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 62520301 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỔN ĐỊNH PHÂN TÁN CHẤT LỎNG TỪ Fe3O4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG THỊ KIỀU NGUYÊN PGS.TS TRẦN VĂN THẮNG Hà Nội – 2017 Lời cảm ơn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin dành lời cảm ơn chân thành gửi tới PGS.TS Hoàng Thị Kiều Nguyên, PGS.TS Trần Văn Thắng, người giao đề tài, trực tiếp hướng dẫn hoàn thành công trình nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ to lớn mặt kinh phí từ nguồn kinh phí đào tạo nghiên cứu sinh Bộ Giáo dục Đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đề tài nghiên cứu khoa học Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc Gia (NAFOSTED) tài trợ Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Cô, anh, chị, bạn đồng nghiệp Bộ môn Công nghệ In, Viện Kỹ thuật Hóa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, Viện Vệ sinh dịch tễ TW, Viện Hóa học – Học viện Kỹ thuật quan sự, Viện tiên tiến khoa học công nghệ AIST – Đại học Bách khoa Hà Nội,Viện Kỹ thuật Hóa học – Đại học Bách khoa Hà Nội Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn tới người thân gia đình bên cạnh, chia sẻ, động viên, khuyến khích suốt thời gian qua Hà Nội,tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Quang Hưng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, dƣới hƣớng dẫn PGS.TS.Hoàng Thị Kiều Nguyên PGS.TS Trần Văn Thắng Các số liệu, kết sử dụng luận án đƣợc trích dẫn từ báo đƣợc đồng ý đồng tác giả Các số liệu, kết trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Ngƣời hƣớn dẫn khoa học Ngƣời hƣớn dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Hoàng Thị Kiều Nguyên PGS.TS Trần Văn Thắng Nguyễn Quang Hƣng MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu Danh mục hình Danh mục bảng Mở đầu 1.1 Khái niệm chất lỏng từ (Ferrofluid) 1.2 Ứng dụng chất lỏng từ 1.2.1 Ứng dụng công nghiệp 1.2.2 Ứng dụng sinh học 1.2.3 Dẫn truyền thuốc 1.2.4 Phân tách sinh học 1.2.5 Chụp cộng hƣởng từ 1.2.6 Điều trị ung thƣ 1.2.7 Ứng dụng xúc tác 1.2.8 Ứng dụng xử lý môi trƣờng 1.2.9 Xử lý chất gây ô nhiễm hữu 1.2.10 Xử lý chất gây ô nhiễm vô 1.2.11 Ứng dụng phân tích 1.3 Phƣơng pháp điều chế chất lỏng từ Fe3O4 1.3.1 Các phƣơng pháp điều chế oxit sắt từ Fe3O4 [1] 1.3.1.1 Phƣơng pháp nghiền 1.3.1.2 Phƣơng pháp đồng kết tủa 1.3.1.3 Vi nhũ tƣơng 1.3.1.4 Phƣơng pháp Polyol 10 1.3.1.5 Phƣơng pháp phân ly tiền chất hữu nhiệt độ cao 10 1.3.1.6 Phƣơng pháp sinh học 11 1.3.1.7 Phƣơng pháp hóa siêu âm 11 1.3.1.8 Phƣơng pháp điện hóa 12 1.3.1.9 Phƣơng pháp nhiệt phân 12 1.3.2 Một số phƣơng pháp tạo hệ phân tán Fe3O4 13 1.3.2.1 Khuấy học 14 1.3.2.2 Phân tán đảo pha 15 1.3.2.3 Phân tán siêu âm 15 1.4 Quá trình ổn định hệ phân tán 16 1.4.1 Quá trình sa lắng: 16 1.4.2 Quá trình keo tụ: 17 1.5 Phƣơng pháp ổn định phân tán 17 1.6 Lý thuyết phản ứng trùng hợp 19 1.6.1 Phản ứng trùng hợp gốc 19 1.6.2 Các kiểu phản ứng 21 1.6.2.1 Trùng hợp khối 21 1.6.2.2 Trùng hợp dung dịch 21 1.6.2.3 Trùng hợp nhũ tƣơng 21 1.6.2.4 Trùng hợp huyền phù 22 1.6.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ phản ứng 23 1.6.3.1 Nguyên lý trạng thái dừng 23 1.6.3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ 23 1.6.3.3 Ảnh hƣởng chất khơi mào 24 1.6.3.4 Ảnh hƣởng áp suất 24 1.6.3.5 Ảnh hƣởng nồng độ monome 24 1.6.3.6 Quá trình chuyển hóa 24 1.6.4 Quá trình tạo vỏ polyme phƣơng pháp trùng hợp nhũ tƣơng 25 1.7 Tình hình nghiên cứu chất lỏng từ nƣớc giới 29 1.7.1 Điều chế oxit sắt từ 29 1.7.2 Ổn định phân tán chất lỏng từ 30 1.7.2.1 Chất ổn định dạng monome 31 1.7.2.2 Chất ổn định vô 32 1.7.2.3 Ổn định phân tán polyme 33 1.7.2.4 Chất ổn định dạng polyme kết vỏ 36 1.8 Những vấn đề tồn hƣớng nghiên cứu luận án 37 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 2.1 Mục đích nghiên cứu: 40 2.2 Nội dung nghiên cứu 40 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 41 2.3.1 Nguyên vật liệu thiết bị 41 2.3.2 Qui trình thực nghiệm 41 2.3.2.1 Điều chế Fe3O4 với kích thƣớc đƣợc kiểm soát 42 2.3.2.2 Chế tạo hạt polyme từ 43 2.3.2.3 Chế tạo khảo sát độ bền phân tán chất lỏng từ 48 2.4 Phƣơng pháp phân tích đánh giá kết 49 2.4.1 Kỹ thuật TEM 49 2.4.2 Phổ hồng ngoại FTIR 49 2.4.3 Nhiễu xạ tia X 50 2.4.4 Kỹ thuật đo tán xạ ánh sáng DLS 51 2.4.5 Từ kế mẫu rung 51 2.4.6 Phân tích nhiệt trọng lƣợng 52 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 3.1 Điều chế oxit sắt từ phƣơng pháp đồng kết tủa 53 3.1.1 Ảnh hƣởng tốc độ bổ sung NH4OH 53 3.1.2 Ảnh hƣởng pH kết thúc phản ứng 57 3.1.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ 59 3.1.4 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy 61 3.1.5 Ảnh hƣởng có mặt chất hoạt động bề mặt 62 3.1.6 Kết luận 65 3.2 Chế tạo hệ polyme từ tính 65 3.2.1 Ảnh hƣởng tỷ lệ khối lƣợng monome/oxit sắt từ đến hình thành lớp vỏ polyme bao quanh hạt từ 67 3.2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng trùng hợp đến hình thành lớp vỏ polyme bao quanh hạt từ 78 3.2.3 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng trùng hợp đến hình thành lớp vỏ polyme bao quanh hạt từ 81 3.2.4 Ảnh hƣởng nồng độ hạt rắn ban đầu đến hình thành lớp vỏ polyme 84 3.2.5 Kết luận 87 3.3 Đặc trƣng từ tính vật liệu chế tạo 88 3.3.1 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt đến tính chất từ 88 3.3.2 Ảnh hƣởng chiều dày lớp vỏ polyme đến tính chất từ vật liệu 90 3.3.3 Ảnh hƣởng lớp vỏ polyme khác đến tính chất từ vật liệu 93 3.3.4 Kết luận 94 3.4 Ổn định phân tán chất lỏng từ Fe3O4 95 3.4.1 Ảnh hƣởng chiều dày lớp vỏ polyme 95 3.4.2 Ảnh hƣởng lớp vỏ polyme khác đến độ bền phân tán 99 3.4.3 Ảnh hƣởng nồng độ hạt đến độ bền phân tán 104 3.4.4 Kết luận 107 KẾT LUẬN 108 Tài liệu tham khảo 109 Danh mục công trình công bố luận văn 117 Phụ lục 118 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Giải nghĩa Ký hiệu APS Kích thƣớc hạt trung bình DLS Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động DP Mức độ trùng hợp FF Hệ chất lỏng từ FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FWHM Chiều rộng nửa cực đại hàm phân bố kích thƣớc MNPS Các hạt sắt từ kích thƣớc nano MR Chất lỏng lƣu biến từ nZVI Sắt hóa trị PAAc Poly acrylic axit PHMA Poly hydroxyl metacrylat PMMA Poly metyl metacrylat PMAA Poly metacrylic axit PSD Hàm phân bố kích thƣớc hạt SPIO Các hạt oxit sắt siêu thuận từ TB Trung bình TEM Phƣơng pháp chụp hiển vi điện tử truyền qua TGA Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng XRD Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ... tính chất từ vật liệu Để tạo hệ chất lỏng từ ổn định phù hợp với yêu cầu thực tiễn, cần giải pháp với trình nghiên cứu toàn diện Đó nhiệm vụ luận án Nghiên cứu tổng hợp ổn định phân tán chất lỏng. .. dụng y sinh 3 Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG TỪ Fe3O4 1.1 Khái niệm chất lỏng từ (Ferrofluid) Chất lỏng từ hệ phân tán keo hạt từ tính môi trường chất lỏng phù hợp Chất lỏng từ loại vật liệu thông... tính chất chất lỏng từ 4 Chất lỏng từ thường điều chế theo cách Cách thứ nhất, hạt từ nano tổng hợp trước sau hạt phân tán vào môi trường chất mang giải pháp phù hợp Cách thứ hai, hệ chất lỏng từ