Các hạt nano (< 100nm) là sắt hóa trị 0 (zero-valent iron ZVI) có cấu trúc nhƣ sau:
Hình 9. Mô hình cấu tạo hạt Sắt nano và các phản ứng khử xảy ra trên bề mặt của hạt Fe0 nano.
a. Cấu trúc sắt nano [6]
Cấu trúc lõi – vỏ, cấu trúc điển hình của hạt Sắt nano đóng một vai trò quan trọng trong việc xử lý môi trƣờng. Lõi bao gồm chủ yếu là sắt kim loại hóa trị 0, trong khi vỏ là hỗn hợp hóa trị [Fe(II) và Fe(III)] oxit, đƣợc tạo thành nhƣ là kết quả của quá trình oxy hóa sắt kim loại.
b. Diện tích bề mặt riêng [6]
Cùng với kích thƣớc vật liệu, cấu trúc lõi - vỏ, kết cấu và diện tích bề mặt riêng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến những tính chất vật lý và hóa học của vật liệu nano. Zhang và các cộng sự đã so sánh diện tích bề mặt của vật liệu nano kim loại với những vật liệu kim loại có kích thƣớc micro trên thị trƣờng và kết luận rằng diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn 1-2 bậc so với vật liệu micro. Diện tích bề mặt lớn nhƣ
Luận văn Thạc sĩ khoa học 51
vậy cho phép phản ứng xảy ra ở nhiều điểm, đây là một trong số những lý do làm cho hạt sắt nano có thể phản ứng với chất ô nhiễm ở tốc độ cao hơn.
c. Từ tính của hạt nano [6]
Từ tính của vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhƣ chất lỏng từ, các ứng dụng trong sinh y và chất xúc tác. Tuy nhiên những nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ứng dụng môi trƣờng lại có xu hƣớng tránh đặc tính này. Do có diện tích bề mặt lớn và tĩnh lƣỡng cực từ - lực hút lƣỡng cực, vật liệu nano từ tính có xu hƣớng kết đám, hình thành những sợi lớn hơn nhiều và làm giảm hoạt tính cũng nhƣ sự vận chuyển của hạt nano tại những điểm bị ô nhiễm. Vì vậy, phân tán vật liệu nano từ tính là một yếu tố đƣợc ƣu tiên để tăng hiệu quả của phản ứng này. He và Zhao đã sử dụng dung dịch tinh bột để ổn định vật liệu Fe – Pd nano. Vật liệu nano đã đƣợc bọc tinh bột là những hạt riêng rẽ và ít bị kết dính hơn nhiều.Kết quả của họ cho thấy vật liệu nano tinh bột có hoạt tính mạnh hơn.
Sắt nano xử lý cả dẫn xuất halogen hóa các dung môi hữu cơ [54] và các chất ô nhiễm vô cơ nhƣ thạch tín, crom, đồng. Các sản phẩm cuối cùng là hydrocacbon, clorua, oxit sắt và nhiều sản phẩm phụ khác[42][43].
Sắt nano có thể khử tiêu chuẩn E= -0.44 V, thấp hơn nhiều so với kim loại nhƣ
Pb(E= -0,13), Cd(E= - 0,4), Ni(E= -0,25), Cr3+(E= -0,42) cũng nhƣ nhiều hợp chất hữu
cơ nhƣ Clo Hydrocacbon. Các hợp chất này do đó dễ bị khử bởi hạt Fe0
nano. Những sự khác nhau về hình thức hạt Sắt nano có ích cho sự khử các chất ô nhiễm nhƣ dung môi hữu cơ clo, thuốc trừ sâu clo hữu cơ, PCBs, thuốc nhuộm hữu cơ, hợp chất vô cơ khác nhau của các kim loại As(III), Pb(II), Cu(II), Ni(II), Cr(VI)…