1.3.5. Đặc điểm, tính chất của Fe0 nano và những ứng dụng trong xử lý môi trường môi trường
1.3.5.1. Đặc điểm, tính chất của Fe0 nano
Hiện nay, các ứng dụng của Fe0 nano chủ yếu dựa trên đặc tính đóng góp điện tử trong phản ứng khử của Fe0 nano. Trong điều kiện môi trường bình thường, Fe0 nano phản ứng tốt trong nước và có thể đóng vai trò là một chất cho điện tử, giúp nó trở thành một vật liệu có khả năng xử lý ô nhiễm tốt.
1.3.5.2. Một số ứng dụng trong xử lý môi trường của Fe0 nano
Do có đặc tính cho electron và khử nhiều chất ô nhiễm với tốc độ cao, Fe0 nano được sử dụng để xử lý nhiều chất ô nhiễm trong môi trường. Fe0 nano có thể đi vào trong đất bị ô nhiễm, trầm tích và tầng ngậm nước. Các chất ô nhiễm mà Fe0 nano có thể xử lý bao gồm các hợp chất hữu cơ
chứa clo, kim loại nặng và các chất vô cơ khác. Cơ chế phản ứng của sắt nano.
Hạt nano sắt hóa trị 0 có khả năng phân hủy các hợp chất clo hữu cơ thành
các thành phần vô hại, như thể hiện trong công thức phân tử chung dưới đây:
2Fe0 + R-Cl + 3H2O 2Fe2+ + RH + 3OH- + H2 + Cl- ( trong đó R: nhóm ankyl)
Cơ chế của quá trình xử lý này được Paul Tratnyek và Matheson nghiên cứu năm 1994, là cơ chế khử mạnh của Fe0. Tuy nhiên hiện tượng ăn
năng tham gia phản ứng khử, tùy thuộc vào chất ô nhiễm. Paul Tratnyek và Matheson đã đưa ra 3 phương thức khử của Fe0 nano được trình bày dưới đây: Cơ chế 1: Khử trực tiếp tại bề mặt kim loại. Đó là sự chuyển nhượng electron trực tiếp của Fe0 nano cho các hidrocacbon halogen (RCl) hấp phụ trên bề mặt của hệ kim loại- nước trong môi trường axit, kết quả là phản ứng khử clo và sản phẩm Fe2+ được tạo thành.
Fe0 + RCl + H+ RH + Cl- + Fe2+ (1)
Cơ chế 2: Khử bởi Fe2+ trên bề mặt. Tiếp tục phản ứng (1) của quá trình oxy hóa hơn nữa của Fe2+ thành Fe3+. Fe2+ là sản phẩm của quá trình ăn mòn Fe0 cũng có thể tham gia phản ứng khử clo trong RCl tạo thành Fe3+
Fe2+ + RCl + H+ Fe3+ +RH + Cl- (2) Fe2+ + H2O Fe3+ + H2 + OH- (3)
Hình 1.2. Sơ đồ khử RCl bởi Fe2+ trên bề mặt
Cơ chế 3: Khử bởi hidro. Khí hidro được sản xuất trong các phản ứng ăn mòn của nước với Fe0 trong điều kiện kỵ khí có thể phản ứng với RCl nếu có tác động của chất xúc tác
Fe0 + H2O Fe2+ + OH- + H2 (4) H2 + RCl RH + Cl- + H+ (5)
Hình 1.3. Sơ đồ khử RCl bởi hidro
Ngoài ra, cần tính toán lượng Fe0 cần thiết để Fe0 phản ứng hết với oxi (5), nước (4) và các thành phần hữu cơ và vô cơ bị oxy hóa khác (nitrat, sunfat...).
2Fe0 + 4H+ + O2 2Fe2+ + 2H2O (6)
Theo công thức phản ứng (4) và (6), phản ứng của Fe0 làm tăng pH (2- 3) đơn vị trong điều kiện phòng thí nghiệm (Zhang,2003)) và giảm khả năng oxi hóa khử (500-900mV trong điều kiện phòng thí nghiệm (Zhang,2003)). Nhưng trong thực tế, do khả năng đệm của nước ngầm và suy giảm các phản ứng do khuếch tán, phân tán có thể khắc phục việc tăng pH và giảm quá trình oxi hóa khử. Sự ảnh hưởng của Fe0 trên môi trường địa hóa như tiêu thụ oxy, nitrat, sunfat, sản xuất hidro và Fe2+ của đất có thể dẫn đến sự kích thích sự tăng trưởng của vi sinh vật kỵ khí và do đó có thể góp phần làm tăng tốc độ phân hủy các hợp chất RX.[11]
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM