CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR) dùng trong xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu. Dựa vào vị trí và cường độ các giải hấp thụ trong phổ hồng ngoại người ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân tử chất nghiên cứu.
Khi chiếu một chùm tia đơn sắc có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại (50-10.000 cm-1) qua chất nghiên cứu, một phần năng lượng bị chất hấp thụ làm giảm cường độ của tia tới. Sự hấp thụ này tuân theo định luật Lambert- Beer:
38 C I l
A log Io * * (2.1)
Trong đó: ε là hệ số hấp thụ phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A là độ hấp thụ quang.
Phân tử hấp thụ năng lượng sẽ thực hiện dao động (xê dịch các hạt nhân nguyên tử xung quanh vị trí cân bằng) làm thay đổi độ dài liên kết và các góc hoá trị tăng giảm tuần hoàn, chỉ có những dao động làm biến đổi moment lưỡng cực điện của liên kết mới xuất hiện tín hiệu hồng ngoại. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ truyền quang vào bước sóng là phổ hồng ngoại hấp thụ.
Mỗi nhóm chức hoặc liên kết có một tần số (bước sóng) đặc trưng thể hiện bằng pic trên phổ hồng ngoại. Như vậy, căn cứ vào các tần số đặc trưng này có thể xác định được các liên kết giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử, từ đó xác định được cấu trúc của chất phân tích.
Phổ FT - IR của các mẫu thí nghiệm được ghi trên máy IMPAC 410 – Nicolet (Mỹ), tại Viện Hóa – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Các mẫu được nén thành viên với KBr theo tỉ lệ (1:100), được đo trong khoảng 400 đến 4000 cm-1
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA)
Phân tích nhiệt là nhóm các phương pháp phân tích sự thay đổi tính chất nhiệt của mẫu do tác dụng nhiệt. Để xác định đặc trưng liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ của mẫu vật liệu thường dùng hai phương pháp phân tích nhiệt là phân tích nhiệt vi sai quét (DTA) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Là phương pháp đo sự thay đổi nhiệt độ (đối với DTA) hay sự thay đổi khối lượng vật liệu (đối với TGA) khi tác động chương trình nhiệt độ lên mẫu. Giản đồ phân tích nhiệt thể hiện sự phụ thuộc khối lượng mẫu theo thời gian (đường TGA) hay sự phụ thuộc nhiệt độ theo thời gian (đường DTA) .
Các thông tin nhận được cho phép xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong mẫu, các dạng chuyển pha, độ bền nhiệt, độ bền oxi hóa của vật liệu, xác định được độ ẩm, ảnh hưởng của môi trường lên vật liệu và một số thông tin khác.
39
Thực hiện việc đo phân tích nhiệt (DTA-TGA) trên thiết bị Labsys Evo, Setaram (Pháp) tại Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, từ nhiệt độ phòng đến 800oC trong không khí, tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút.
2.3.3. Hiển vi điện tử quét
Hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ để quan sát vi cấu trúc bề mặt của vật liệu với độ phóng đại và độ phân giải lớn gấp hàng nghìn lần so với kính hiển vi quang học thông thường . Độ phóng đại của SEM có thể đạt đến 100.000 lần , độ phân giải khoảng vài trăm angstrom đến vài nanomet. Ngoài ra SEM còn cho độ sâu trường ảnh lớn hơn so với kính hiển vi quang học. Một ưu điểm nữa của SEM là không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp, có thể thu được những bức ảnh rõ nét.
Ảnh SEM của các mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 (Nhật Bản ) tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Để tăng độ dẫn điện trước khi đo các mẫu được phủ platin trong chân không để tăng độ nét của ảnh SEM.
2.3.4. Đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ của các mẫu vật liệu để lựa chọn các thông số tổng hợp vật liệu
Các mẫu vật liệu thu được với các điều kiện tổng hợp khác nhau, sau khi xác định các đặc trưng cơ bản được sơ bộ đánh giá khả năng hấp phụ amoni trong nước với điều kiện thí nghiệm hấp phụ amoni là như nhau. Các kết quả được so sánh, từ đó vật liệu có hiệu quả hấp phụ tốt nhất đồng thời có các đặc trưng về hình thái bề mặt, thành phần pha phù hợp được lựa chọn làm vật liệu nghiên cứu hấp phụ amoni.
Thí nghiệm hấp phụ amoni
Hàm lượng chất rắn 1.5g/l, dung dịch hấp phụ có nồng độ (NH4+ - N) = 25mg/l, pH = 7. Sử dụng 50ml dung dịch chứa trong bình nón 250ml. Hỗn hợp được lắc trên máy lắc THz-98A trong thời gian 30 phút tại nhiệt độ phòng, tốc độ lắc 120 vòng /phút. Lọc hút chân không để thu dung dịch sau khi hấp phụ và xác định hàm lượng amoni còn lại bằng phương pháp so màu.
40
2.3.5. Xác định độ trương nở của vật liệu [49]
Cân 0.05g vật liệu ngâm trong nước cất ở nhiệt độ phòng trong khoảng 4h đến khi vật liệu hấp thụ nước đạt trạng thái cân bằng. Mẫu sau đó được tách ra khỏi nước bằng cách lọc qua giấy lọc băng vàng và để trong 10 phút.
Độ trương nở của vật liệu Qep được tính theo phương trình sau:
Qep= (2.2) Trong đó: m1, m2 là khối lượng của mẫu vật liệu khô và mẫu vật liệu trương nở tương ứng.
2.3.6. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu
Thí nghiệm xác định điểm đẳng điện được tiến hành với hai dãy dung dịch KNO3 nồng độ 0.01M và 0.001M. Lượng 25ml dung dịch KNO3 0.01M (hoặc 0.001M) được cho lần lượt vào các bình tam giác có dung tích là 100ml.
Giá trị pH (pHi) trong mỗi bình được điều chỉnh từ 3 đến 9 bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M.
Cân 0,075g vật liệu cho vào các bình tam giác trên, đậy kín và lắc trên máy lắc ngang IKA HS 260 basic, tốc độ 140 vòng/phút, tại nhiệt độ phòng trong 24 giờ để đạt được cân bằng trong điều kiện thực nghiệm. Lọc lấy dung dịch và đo lại các giá trị pH, gọi là pHf. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của pH (độ chênh lệch giữa các giá trị pHi và pHf) vào pHi là một đường cong. Giao của đường cong và trục hoành cho ta giá trị pHpzc cần xác định [50].