3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1.3. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong việc nghiên cứu chất xúc tác
Một trong những ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong việc nghiên cứu chất xúc tác đó là sử dụng chúng để làm chất xúc tác quang học. Quang xúc tác là quá trình kích thích các phản ứng quang hoá bằng chất xúc tác, dựa trên nguyên tắc chất xúc tác nhận năng lượng sẽ chuyển sang dạng hoạt hoá. Chất xúc tác sẽ chuyển năng lượng sang cho chất thải và chất thải sẽ biến đổi sang dạng mong muốn.
TiO2 được sử dụng làm chất quang xúc tác rất hiệu quả trong việc phân hủy chloroform và urê, thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ như đimethylphosphate. Cyanide (CN-) có thể bị phân huỷ nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO2 và chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 350 nm. Đầu tiên CN- bị oxi hoá thành CNO- sau đó hàm lượng CNO- giảm dần chứng tỏ nó tiếp tục bị oxi
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học30
hoá. Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 4200A0 tạo nên oxy hoạt tính phân huỷ hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO2 và H2O.
Nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Jian Ku Shang tại đại học Illinois của Mỹ đã nghiên cứu thành công chất xúc tác quang học sử dụng ánh sáng bình thường thay vì sử dụng tia cực tím như các loại chất xúc tác khác. Chất này được tạo ra bằng cách nối kết chất nitro với chất titan oxit. Hợp chất này có thể diệt khuẩn bằng ánh sáng mặt trời hay là ánh sáng đèn. “Khi ánh sáng rọi vào chất xúc tác, cặp ô điện tử sẽ hình thành trong hợp chất này” và “những điện tử và ô điện tử sẽ kết hợp lại một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, có những giới hạn về sự ảnh hưởng của chất xúc tác đó”.
Để cải tiến giới hạn này tiến sĩ Shang và cộng sự tại đại học Illinois và viện nghiên cứu khoa học Trung Quốc đã bỏ thêm chất nano palađi vào hợp chất này. Chất nano palađi này giữ các điện tử và cho phép các ô điện tử phản ứng với nước cho ra sản phẩm oxi hoá. Chất oxy hoá này chủ yếu chứa gốc OHO, gốc OHO này giết vi khuẩn và vi rút. Sau khi tắt nguồn ánh sáng, chất nano palađi nhả các điện tử được giữ lại từ từ, sau đó các điện tử này phản ứng với nước tạo ra chất oxy hoá.
2.1.3. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong xử lý nước thải
Ngoài việc loại bỏ và cô lập phế thải độc hại, các khoáng chất còn có thể được sử dụng để xử lý rác thải hạt nhân. Những trường hợp ứng dụng mới đây, ví dụ việc các nhà máy của Thụy Điển sử dụng bentonit để loại bỏ phế thải hạt nhân, đã cho thấy xu hướng ngày càng tăng này.
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học31
Loại bỏ rác thải hạt nhân và xử lý các chất rơi vãi và chảy tràn là một trong những vấn đề quan trọng nhất của các nhà máy điện hạt nhân. Trong tương lai, tầm quan trọng của vấn đề này có thể sẽ ngày càng lớn theo xu hướng thay thế các nhà máy phát điện phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính bằng các nhà máy điện hạt nhân.
Trong lịch sử hoạt động của mình, ngành năng lượng hạt nhân đã phải chứng kiến nhiều trường hợp tai nạn, rơi vãi và chảy tràn rác thải hạt nhân nguy hiểm, đặc biệt là thảm họa trecnobun và các tai nạn hạt nhân khác tại Windscales. Trong thảm họa hạt nhân trecnobun, xesi phóng xạ Cs (137) thoát ra đã được gió mang đi rất xa và được phát hiện thấy tận Vermont (Mỹ). Các nguyên tố phóng xạ bị giải phóng trong các tai nạn hạt nhân và cả trong các hoạt động bình thường ở các nhà máy điện nguyên tử có tuổi thọ rất cao và nếu con người hít thở phải thì chúng có thể lưu lại trong cơ thể trong suốt cuộc đời, hậu quả là thường dẫn đến các bệnh ung thư.
Ngày nay, chôn lấp giếng sâu là một trong những phương pháp chủ yếu để loại bỏ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Trước khi xử lý chôn lấp rác thải hạt nhân dạng rắn người ta thường bọc kín nó trong các viên nang có vỏ bằng thủy tinh, đồng hoặc xi măng đặc biệt. Rác thải dạng lỏng được cô đặc bằng phương pháp trao đổi ion, sau đó cũng được bọc bền. Để đề phòng trường hợp các viên nang đựng rác thải hạt nhân bền hư hại và giải phóng ra các chất phóng xạ, công ty SKB Thụy Điển đặt các viên nang vỏ đồng chứa rác thải hạt nhân vào các lỗ được nạp bentonit để bảo vệ cho các viên nang này không bị đè nát bởi các chuyển động của đá xung quanh, đồng thời bảo vệ chống nước rò gỉ ra hoặc vào.
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học32
Người ta đã chứng minh rằng các hóa chất có tính phóng xạ có thể được loại bỏ khỏi các dòng phế thải và cô lập nhờ sử dụng các loại khoáng chất khác nhau. Các khoáng chất thường được sử dụng chủ yếu là đất sét, mica, zeolit, oxit silic và các dạng biến thể của chúng.
2.1.4. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong xác định tuổi cổ vật
Với phương pháp xác định tuổi bằng cacbon phóng xạ, nghành khảo cổ học Việt Nam có thể xác định được tuổi tuyệt đối của di tích và di vật. Phương pháp này còn mở ra cơ hội phát triển cho nhiều ngành kinh tế kĩ thuật khác.
Dựa vào nguyên lý là các chất phóng xạ đều có chu kỳ bán rã (mất đi một nửa) không đổi, trên cơ sở đó mà người ta đo được thời gian. Trong các phương pháp vật lý định hiện đại, các phương pháp dùng nguyên tố phóng xạ như U-238 và U-235, K40-Ar40 hay 14C tỏ ra rất có hiệu quả. Đối với việc giải đoán niên đại trong khoảng thời gian ngắn, nhất là từ thời đại đá mới đến thời kì lịch sử thì phương pháp 14C là thích hợp nhất. 14C hay cacbon 14, là một một đơn vị phóng xạ của cacbon 12, có mặt trong tất cả các chất hữu cơ trong mọi cơ thể động vật và thực vật. Trong các cơ thể sống thì cacbon 14 lại phân hủy theo chu kỳ bán rã là khoảng 5.500 năm. Do đó, người ta có thể đo được khoảng thời gian từ khi cơ thể chết đến nay. Qua việc xác định tốc độ phân giã của 14C trong mẫu vật tại thời điểm khảo sát sẽ tìm ra được thời điểm mẫu vật ngừng trao đổi chất, tức là tuổi của mẫu vật đó.
Cũng chính từ tính chất này mà các nhà khảo cổ học có thể định niên bằng phương pháp 14C qua các mẫu vật như gỗ, than, hạt, vỏ sò, ốc, xương… thường gặp trong các di chỉ. Quy trình xác định tuổi tuyệt đối của cổ vật bằng phương
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học33
pháp cacbon phóng xạ được thực hiện dựa trên hệ thống tổng hợp ben-den và độ đo nhấp nháy lỏng siêu sạch. Việc xử lý hóa học tổng hợp ben-den có ưu điểm là thao tác dễ, hiệu suất thu hồi cacbon cao, bảo đảm độ tinh khiết của mẫu đo. Mẫu vật chỉ cần chứa từ 2g cacbon sạch là có thể xác định chính xác tuổi của mẫu vật.
Các nhà địa chất thì dựa vào các chất phóng xạ, ví dụ các đồng vị phóng xạ U-235 và U-238 để xác định tuổi của các loại đá. U-238 phân rã và cuối cùng trở thành chì bền vững Pb-206, còn U-235 thì phân rã thành Pb-207. Mẫu đá có chứa Uranium lâu đời thì tỷ lệ các đồng vị này càng cao. Căn cứ vào các chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ U-238 và U-235 và tỷ lệ các đồng vị Pb-206 và Pb-207 ở trong mẫu đá có chứa Uranium, người ta tính được thời gian Uranium ở trong mẫu đá ban đầu phân rã phóng xạ. Theo phương pháp này người ta tìm thấy đá ở Trái đất được hình thành 3,7 tỷ năm.
Chính do tầm quan trọng của công tác xác định tuổi tuyệt đối trong xác định niên đại khảo cổ học, Nhà nước đã đầu tư cho Viện khảo cổ học thực hiện dự án “Đầu tư chiều sâu trang thiết bị khoa học kĩ thuật cho phòng xác định niên đại tuyệt đối trong khảo cổ học bằng các phương pháp phóng xạ”, trong đó phòng thí nghiệm xác định tuổi tuyệt đối bằng phương pháp cacbon phóng xạ là sản phẩm của dự án. Hiện nay máy móc thiết bị của phòng thí nghiệm đã được đưa vào triển khai phân tích thử những mẫu đầu tiên với độ tin cậy tương đương các phòng xác định tuổi cổ vật có uy tín trên thế giới.
Tuy nhiên, chi phí xác định tuổi cổ vật tại phòng thí nghiệm này rẻ hơn nhiều, chỉ khoảng gần hai triệu đồng trên một mẫu, trong khi nếu gửi những mẫu
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học34
này đi các phòng thí nghiệm tại Pháp, Mỹ chưa tính đến tiền vận chuyển, chi phí cho một mẫu phân tích tốn khoảng 500USD. Hiện có rất nhiều mẫu vật đã được Viện khảo cổ phân tích niên đại bằng phương pháp cacbon phóng xạ như hai mẫu gỗ ở khu Khải Thánh, Văn Miếu – Hà Nội, gỗ tàu đắm thuyền ở vùng biển Cù Lao Chàm, mẫu gỗ quan tài hình thuyền ở di chỉ Trại Sơn (Hải Phòng), các mẫu vỏ sò, ốc ở di chỉ Mái Đá Điều (Thanh Hóa), mẫu xương ở di chỉ Mán Bạc (Ninh Bình) và Tràng Kênh (Hải Phòng)…Cũng theo các nhà khoa học thì tương lai, phương pháp này sẽ còn được ứng dụng trong việc xác định chất lượng sản phẩm lụa tơ tằm, tham gia nghiên cứu vật liệu dược…
Hiện nay đã xây dựng được một trung tâm thí nghiệm khảo cổ học gồm các phòng thí nghiệm với nhiều chức năng: phân tích vật liệu và kĩ thuật cổ, phân tích các dữ liệu về con người và môi trường cổ, quan sát thăm dò các vết tích xưa, xác định niên đại của di tích và di vật.
2.1.5. Ứng dụng trong cải tiến chất tổng hợp
Sản phẩm mới từ các nguồn polyme tổng hợp nhập ngoại và tự nhiên sẵn có trong nước. Các kĩ thuật polymer hoá, biến tính khâu mạch, cắt mạch và ghép bức xạ đã đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Nếu ở điều kiện thường, các polysaccarit tự nhiên dễ dàng bị cắt mạch dưới tương tác của các loại bức xạ ion hoá. Dựa trên những tính chất này, một số chế phẩm ứng dụng cho cây trồng từ nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước như rong nâu và vỏ tôm, cua (shrimmp and crab shells) đã được nghiên cứu, chế tạo. Polymer tự nhiên từ các nguồn nguyên liệu nói trên khi bị cắt mạch sẽ làm giảm cấp khối lượng phân tử của
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học35
chúng và tạo ra nhiều phân đoạn oligomer có dải trọng lượng phân tử khác nhau. Oligomer của polisaccarit có tác dụng điều hoà, tăng trưởng phát triển và phòng trừ một số nấm cho nhiều loại cây trồng. Tại viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, hai loại chế phẩm: Tăng trưởng phát triển cây trồng “T & D” và phòng trị nấm bệnh cho cây trồng “OLICIDE” trên cơ sở kĩ thuật biến tính cắt mạch bằng bức xạ gamma từ thiết bị chiếu xạ gamma Co-60 đã được sản xuất và đưa vào ứng dụng thực tế. Chế phẩm tăng trưởng phát triển cây trồng “T & D” ứng dụng trên cây rau tăng năng suất 20-25%, cây hoa năng suất tăng xấp xỉ 20%, lúa năng suất tăng xấp xỉ 25%, trên cây chè và cafe năng suất tăng từ 20-30%. Chế phẩm phòng và trừ nấm bệnh cây trồng OLICIDE sử dụng hiệu quả trên nhiều đối tượng cây trồng như: bệnh sương mai trên cây rau, cây hoa, rỉ sắt trên cây cafe, nấm cóc trên cây hoa, cháy lá - khô vằn - đạo ôn trên cây lúa, cây mía và héo rũ trên cây tiêu...Đối với các loại polymer tan nước, khi được khâu mạch bằng công nghệ bức xạ sẽ tạo ra một loại vật liệu trương không tan trong nước. Vật liệu như thế có tên gọi là “hydrogel”. Vật liệu hydrogel có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn polymer tan nước rất nhiều: chúng được ứng dụng làm màng vi lọc, siêu lọc, thấm khí, thẩm tích thuận nghịch trong các quá trình tách chiết, trong lĩnh vực y sinh, hydrogel được dùng trong điều trị, tạo vật liệu cấy ghép, tạo da nhân tạo, màng chữa bỏng, màng lọc máu, các hệ li giải có điều khiển; trong nông nghiệp vật liệu hydrogel được dùng như chất giữ nước cho các vùng canh tác khô hạn, vùng sa mạc, chất phụ gia chống xói mòn đất. Vật liệu hydrogel còn được dùng trong xử lý nước thải. Nhiều chế phẩm từ công nghiệp bức xạ đang được sử dụng
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học36
ngày càng nhiều trong lĩnh vực nông nghiệp và được định hướng sử dụng trong chương trình phát triển nông nghiệp công nghệ cao.
Một ứng dụng khác của đồng vị phóng xạ trong cải tiến chất tổng hợp đó là ngày nay các nhà khoa học đã chế tạo thành công sơn tự làm sạch có thành phần chính là hạt Titandioxit (TiO2) ở cỡ nano rất hữu dụng trong sơn kính, sơn tường, chống khuẩn và nấm mốc trong các bệnh viện.
Thông thường TiO2 là chất bột màu trắng có kích cỡ 1μm, rất bền, không độc và rẻ tiền. Ở kích cỡ này nó được dùng để tạo màu trắng trong công nghiệp sơn và hoá mĩ phẩm từ hơn 100 năm nay. Nhưng cách đây khoảng năm, sáu năm các nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện thấy khi đưa TiO2 xuống kích thước cực nhỏ - cỡ nanomet - thì nó thể hiện những tính chất vật lí và hoá học khác hẳn. Trên cơ sở đó họ chế tạo thành công sơn tự làm sạch.
Các chuyên gia của Viện Vật lí ứng dụng và thiết bị khoa học Việt Nam đã điều chế được sơn quang xúc tác TiO2. Nguyên lý hoạt động của loại sơn này như sau:
Dưới tác động của tia tử ngoại (có trong ánh sáng mặt trời hoặc đèn huỳnh quang), TiO2 trong lớp sơn phủ sẽ làm phát sinh các tác nhân oxi hoá cực mạnh như H2O2, O2-, OH- mạnh gấp hàng trăm lần các chất oxi hoá quen thuộc hiện nay là clo, ozon. Nhờ khả năng oxi hoá mạnh này, nó có thể phân huỷ hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu thành những chất vô hại như CO2, H2O.
Sơn quang xúc tác TiO2 có thể tạo thành màng mỏng dày cỡ 10μm lên bất kỳ loại bề mặt nào như tường, kính, ghạch men, gỗ, giấy. Nó bám dính tốt ở
Trương Thị Thủy – K33A – Sp Hóa học37
nhiệt độ thường và chịu được mọi điều kiện thời tiết mưa nắng. Nếu được xử lý ở nhiệt độ 5000C sơn sẽ có độ bền vĩnh cửu, còn nếu không qua xử lý nó có độ bền bán vĩnh cửu.
Sơn quang xúc tác TiO2 có những tính năng nổi bật là diệt khuẩn và chống rêu mốc. Bên cạnh đó nó còn giúp bề mặt vật liệu tự rửa sạch bằng nước mưa và chống mờ do hạt nước.
Về tính an toàn của sản phẩm: các oxy hoạt tính được tạo ra trên bề mặt chất quang xúc tác, không tách ra khỏi bề mặt hoặc phát tán vào không khí. Vì vậy không có sự nguy hiểm cho con người.
TiO2 nano còn được dùng trong những kem và những thuốc bôi lông mi làm cho chúng trở nên trong suốt hơn và hiệu quả hơn so với những sản phẩm có trước. Chúng chỉ tác dụng trên bề mặt da, do đó, da không hấp thụ bất kỳ phụ gia nào và cơ thể không đòi hỏi phải phân huỷ.
2.2. Ứng dụng trong lĩnh vực Sinh học
Như ta đã thấy đồng vị bền và đồng vị phóng xạ của cùng một nguyên tố có tính chất hoá học cơ bản như nhau. Vì vậy nếu cho một ít đồng vị phóng xạ vào một hợp chất bất kì là thành phần của môi trường động, thực vật thì sinh vật cũng sẽ hấp thụ đồng vị đó như hấp thụ nguyên tố tự nhiên. Việc theo dõi đường