a. Hấp phụ khí độc NOx
Để biết được sự hấp phụ là vật lý hay hóa học, các mẫu nano Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ 120 phút khí độc NOx được tiến hành đo nhiễu xạ tia X để xác định sự thay đổi pha của mẫu sau khi hấp phụ khí độc NOx. Như chúng ta quan sát trong Hình 3, phổ nhiễu xạ tia X của mẫu trước và sau khi hấp phụ 120 phút không có bất kỳ sự khác biệt nào. Tất cả các kết quả thể hiện đỉnh nhiễu xạ tương ứng với đỉnh nhiễu xạ của phổ chuẩn sắt từ (00-003-0863). Thể hiện rằng, trong quá trình hấp phụ không có bất kỳ quá trình chuyển pha nào. Các hạt nano Fe3O4 không phản ứng với khí NOx để tạo ra các pha lạ. Do vậy, có khả năng NOx chỉ hấp phụ lên trên bề mặt của Fe3O4 hình thành liên kết yếu giữa bề mặt Fe3O4 và khí độc NOx. Hoặc có thể không có bất kỳ sự hấp phụ nào lên trên bề mặt Fe3O4. Do đó, để xác định sự hấp phụ của NOx lên trên bề mặt Fe3O4, chúng tôi tiến hành đo phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định nhóm chức trên bề mặt Fe3O4.
Hình 16: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ 120 phút khí NOx của Fe3O4
Như thể hiện trong Hình 17, các mẫu trước và sau khi hấp phụ khí đều thể hiện đỉnh liên kết Fe-O (Fe3O4). Không có bất kỳ đỉnh liên kết nào của Fe với các nguyên tố khác, chứng minh không có sự chuyển pha của Fe3O4 sang bất kỳ pha lạ nào. Tuy nhiên, sau 15 phút hấp phụ khí NOx ta thấy các đỉnh liên kết tương ứng với NO2 của các mẫu hấp phụ sau 15 phút, 30 phút, 60 phút, và 120 phút [30]. Cường độ đỉnh liên kết tăng dần khi tăng thời gian hấp phụ khí độc. Ở thời gian hấp phụ sau 15 và 30 phút, các đỉnh này tương đối nhỏ, chứng tỏ tốc độ hấp phụ ở thời gian đầu rất chậm. Tuy nhiên, ở thời điểm sau 60 phút, đỉnh liên kết tương ứng với NO2 xuất hiện rất rõ ràng, và không có sự thay đổi cường độ sau 120 phút. Chứng tỏ sau thời gian hấp phụ 60 phút, tốc độ hấp phụ bắt đầu giảm do đạt được sự bão hòa.
Hình 17: Phổ IR của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ khí độc NOx
Kết quả khảo sát khối lượng thay đổi theo thời gian cũng chứng minh thêm sự hấp phụ ở thời gian đầu xảy ra rất chậm, sau đó đạt bão hòa ở thời điểm sau 60 phút. Như trong Hình 18, lượng khí NOx hấp phụ lên trên bề mặt Fe3O4 sau 15 phút và 30 phút tương ứng là 10,38 và 30,37 mg gFe3O4-1. Nếu coi đường hấp phụ theo thời gian là đường tuyến tính, tốc độ hấp phụ đạt được tương ứng từ ban đầu-15 phút và từ 15-30 phút là 0,692 và 1,33 mg gFe3O4-1 trên 1 phút. Tuy nhiên, tốc độ hấp phụ từ 30-60 phút đạt 2,37 mg gFe3O4-1 trên 1 phút, tốc độ tăng gần gấp đôi so với giai đoạn từ 15-30 phút. Sau đó, tốc độ giảm dần do đạt tới bão hòa, 0,03 mg gFe3O4-1 trên 1 phút trong giai đoạn từ 60- 120 phút.
Hình 18: Lượng khí NOx hấp phụ lên trên bề mặt Fe3O4 ở mỗi thời điểm xác định.
Tuy nhiên, trong hấp phụ khí độc từ đám cháy thời gian chỉ được tính bằng giây hoặc bằng phút để đảm bảo tính mạng con người. Do đó giai đoạn hấp phụ đầu cực kỳ quan trọng. Với tốc độ khoảng 0,673 mg gFe3O4-1 (tương ứng 673 ppm NOx được hấp phụ) trên 1 phút lớn hơn rất nhiều giá trị 200 ppm (nồng độ NOx gây nguy hiểm đến con người khi tiếp xúc trong 10 phút). Ta có thể dùng đồng thời nano sắt từ để dập tắt đám cháy và hấp phụ khí độc NOx sinh ra từ đám cháy.
b. Hấp phụ khí độc SO2
Tương tự với hấp phụ khí độc NOx, các mẫu bột nano Fe3O4 được xác định hình thái pha trước và sau khi hấp phụ khí độc SO2. Từ Hình 19, ta có thể thấy không có bất kỳ sự khác biệt nào giữa phổ nhiễu xạ tia X trước và sau hấp phụ 120 phút khí độc SO2. Tất cả các kết quả đều thể hiện đỉnh nhiễu xạ tương ứng với đỉnh nhiễu xạ của phổ chuẩn sắt từ (00-003-0863). Thể hiện rằng, trong quá trình hấp phụ không có bất kỳ quá trình chuyển pha nào. Các hạt nano Fe3O4 không phản ứng với khí SO2 để tạo ra các pha lạ. Do vậy, để xác định khí độc SO2 có hấp phụ lên bề mặt Fe3O4 hay không, chúng tôi tiến hành đo phổ hồng ngoại để xác định các nhóm chức tương ứng với SO
Hình 19: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ khí SO2 của Fe3O4
Như thể hiện trong Hình 20, tất cả các mẫu trước và sau khi hấp phụ đều thể hiện các đỉnh liên kết Fe-O (tương ứng của Fe3O4). Không có sự thay đổi đỉnh liên kết Fe-O và xuất hiện các đỉnh liên kết khác đối với Fe. Do đó, không có sự chuyển pha trong quá trình hấp phụ khí SO2. Tuy nhiên, so sánh với mẫu trước khi hấp phụ khí độc SO2, các mẫu sau khi hấp phụ ở 15, 30, 60, và 120 phút đều xuất hiện các đỉnh liên kết tương ứng với SO2 ở vị trí ~1400 cm-1 [31]. Như vậy, có thể kết luận rằng SO2 đã được hấp phụ lên trên bề mặt của Fe3O4.
Để xác định lượng SO2 hấp phụ lên trên bề mặt của nano Fe3O4, chúng tôi tiến hành khảo sát sự thay đổi khối lượng trước và sau khi hấp phụ SO2. Lượng khí SO2 hấp phụ lên trên bề mặt của Fe3O4 theo thời gian được thể hiện trong Hình 21.
Hình 20: Phổ IR của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ khí độc SO2
Như trong Hình 21, lượng khí SO2 hấp phụ lên trên bề mặt Fe3O4 sau 15, 30, 60, và 120 phút tương ứng là 11,3, 28,1, 39,3, và 40,5 mg gFe3O4-1. Tốc độ hấp phụ khí khá cao trong thời gian từ 0 phút đến 60 phút, rồi chậm dần sau đó. Chứng tỏ rằng, tốc độ hấp phụ khí đạt bão hòa ở khoảng thời gian sau 60 phút hấp phụ khí SO2. Nếu coi đường hấp phụ theo thời gian là đường tuyến tính, tốc độ hấp phụ đạt khoảng 0,655 mg gFe3O4-1 trên 1 phút trong giai đoạn đầu từ 0-60 phút và 0,02 mg gFe3O4-1 trên 1 phút trong giai đoạn từ 60-120 phút.
Nồng độ tiếp xúc SO2 gây nguy hiểm cho con người trong 10 phút là 500 ppm. Với kết quả hấp phụ khí độc trong giai đoạn khoảng 15 phút, tốc độ hấp phụ đạt ~0,753 mg gFe3O4-1 trong 1 phút (tương đương hấp phụ 753 ppm SO2), giá trị này là phù hợp để sử dụng bột nano Fe3O4 trong hấp phụ khí độc SO2 sinh ra trong các đám cháy.
c. Hấp phụ khí độc HCN
Các mẫu nano oxit sắt từ được tiếp tục thử nghiệm khả năng hấp phụ khí độc HCN. Các mẫu bột nano Fe3O4 được xác định hình thái pha trước và sau khi hấp phụ khí độc HCN. Từ Hình 22, ta có thể thấy không có sự khác biệt nào giữa phổ nhiễu xạ tia X trước và sau hấp phụ 120 phút khí độc HCN. Từ đó ta có thể kết luận rằng không có sự tương tác hóa học giữa Fe3O4 và HCN để tạo nên pha mới trong quá trình hấp phụ. Do vậy, để xác định khí độc HCN có hấp phụ lên bề mặt Fe3O4
hay không, chúng tôi tiến hành đo phổ hồng ngoại để xác định các nhóm chức tương ứng với HCN (Hình 23).
Hình 22: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ khí HCN của Fe3O4
Tuy nhiên, không có sự khác biệt giữa phổ hồng ngoại trước và sau khi hấp phụ khí độc HCN. Tất cả các phổ hồng ngoại sau hấp phụ thể hiện các đỉnh liên kết giống trước khi hấp phụ bao gồm: đỉnh liên kết nhóm Fe-O (Fe3O4), và các đỉnh liên kết nhóm –OH và HOH. Do vậy, ta có thể đưa ra giả thiết, bề mặt của Fe3O4
không thể liên kết vật lý với HCN, dẫn đến Fe3O4 không thể hấp phụ khí độc HCN. Để xác định chính xác hơn về giả thiết này, chúng tôi tiếp tục theo dõi sự thay đổi
khối lượng của mẫu hấp phụ khí độc theo thời gian. Và kết quả thu được thể hiện không có sự thay đổi nào giữa trước và sau khi hấp phụ khí độc. Do đó, trong chữa cháy, việc dùng Fe3O4 để làm giảm nồng độ khí độc HCN là không khả thi. Tuy nhiên, có thể dùng Fe3O4 như các bột chữa cháy thông thường để dập tắt đám cháy.
Hình 23: Phổ IR của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ