Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ vỏ lạc fe3o4 để xử lý xanh methylene

<span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Đinh Văn Tạc người đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin chân thành tỏ lòng biết ơn đến tồn thể q thầy cơ trong khoa Hóa, các thầy cơ Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài khóa luận.

Em xin chân thành cảm ơn chị Đặng Thị Mỹ Huệ, học viên chun ngành Hóa lí thuyết và hóa lí đã giúp đỡ và chỉ bảo em trong quá trình thực nghiệm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT </b>

VLHP Vật liệu hấp phụ

SEM Seaning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)

TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua)

IR Infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại) XRD X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>DANH MỤC BẢNG </b>

Bảng 1.1. Một số tính chất và thành phần hóa học của vỏ lạc ... 8 Bảng 1.2. Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ... 17 Bảng 2.1. Số liệu xây dựng đường chuẩn của xanh methylene ... 27 Bảng 3.1. Kết quả hấp phụ xanh methylene bởi vỏ lạc, nano oxit sắt từ và vỏ lạc phủ Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 41 Bảng 3.2. Dung lượng hấp phụ cực đại q<small>m</small> và hằng số Langmuir K<small>L</small> ... 48 Bảng 3.3. Các hằng số của phương trình Freundlich đối với xanh methylene ... 49

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ </b>

Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của xanh methylene ... 6

Hình 1.2.Cơng thức cấu tạo cation MB⁺ ... 6

Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh methylene ... 6

Hình 2.5. Kết quả xây dựng đường chuẩn của xanh methylene ... 28

Hình 2.6. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể ... 31

Hình 2.7. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét ... 32

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy phổ hồng ngoại IR ... 33

Hình 2.9. Sơ đồ ngun lý kính hiển vi điện tử truyền qua ... 35

Hình 3.1. Giản đồ XRD của nano oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small> tổng hợp được ... 36

Hình 3.2. Ảnh TEM của nano oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 37

Hình 3.3. Ảnh SEM của vỏ lạc ... 37

Hình 3.4. Ảnh SEM của nano oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 38

Hình 3.5. Ảnh SEM của vật liệu vỏ lạc: Fe<small>3</small>O<small>4</small>... 38

Hình 3.6. Phổ hồng ngoại của vật liệu vỏ lạc ... 39

Hình 3.7. Phổ hồng ngoại của vật liệu vỏ lạc phủ Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 39

Hình 3.8. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vỏ lạc, nano Fe<small>3</small>O<small>4</small> và vỏ lạc: Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 40

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ xanh methylene của vỏ lạc, nano oxit sắt

Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến dung lượng hấp phụ xanh methylene của VLHP ... 44

Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến hiệu suất

Hình 3.17. Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với xanh methylene ... 47

Hình 3.18. Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb của xanh methylene ... 47

Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của logq vào logC<small>cb</small> của quá trình hấp phụ xanh methylene ... 48

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>MỤC LỤC </b>

MỞ ĐẦU ... 1

1. Lý do chọn đề tài ... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ... 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ... 2

4. Phương pháp nghiên cứu ... 2

4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ... 2

4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ... 2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài ... 2

6. Bố cục khóa luận... 2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ... 4

1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm ... 4

1.2. Tổng quan về cây lạc ... 7

1.3. Vật liệu hấp phụ nano oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 10

1.4. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của xanh metylene. ... 15

1.5. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ ... 16

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 21

2.1. Dụng cụ và hóa chất... 21

2.2. Xác định điểm đẳng điện của oxit nano Fe<small>3</small>O<small>4</small>, vỏ lạc biến tính và vỏ lạc phủ nano Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 24

2.3. Phương pháp xác định nồng độ xanh methylene bằng phương pháp trắc quang .. 24

2.4. So sánh khả năng hấp phụ xanh methylene của oxit nano Fe<small>3</small>O<small>4</small>, vỏ lạc biến tính và vỏ lạc phủ nano Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 28

2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vật liệu : Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 28

2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ xanh methylene của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh ... 29

2.7. Các phương pháp đặc trưng vật liệu ... 30

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... 36

3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của các vật liệu hấp phụ ... 36

3.2. Điểm đẳng điện của vỏ lạc biến tính, nano oxit sắt từ và vỏ lạc : Fe<small>3</small>O<small>4</small> ... 40

3.3. So sánh khả năng hấp phụ xanh methylene của vỏ lạc, Fe<small>3</small>O<small>4 </small>và vỏ lạc: Fe<small>3</small>O<small>4</small> .... 40 3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng vỏ lạc : Fe<small>3</small>O<small>4</small> tới khả năng hấp phụ của VLHP . 42

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

3.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ xanh methylene của vật liệu

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài </b>

Nước có vai trị vơ cùng quan trọng đối với con người cũng như bất cứ sinh vật nào trên trái đất. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá nhưng không phải là vô tận. Nước cần cho mọi sự sống và phát triển, nước vừa là môi trường vừa là đầu vào cho các q trình sản xuất nơng nghiệp.

Nguồn nước sẽ càng quý hơn bởi tình trạng khai thác và sử dụng khơng hợp lý. Tình trạng thiếu nước đã và đang ảnh hưởng nhiều đến cộng đồng, nhiều quốc gia và gây thiệt hại về con người và kinh tế. Ơ nhiễm mơi trường nước đang có xu hướng gia tăng và là vấn đề đáng báo động ở Việt Nam và trên toàn thế giới. Vấn đề nước trở thành chủ đề quan trọng trong các hội đàm quốc tế. Một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước không thể khơng kể đến đó là tốc độ cơng nghiệp hố, đơ thị hóa và sự gia tăng dân số.

Tại Việt Nam, một trong những giải pháp để thúc đẩy nền kinh tế nông thôn là phát triển các làng nghề, những chính sách đổi mới kinh tế đã mang lại làn gió mới cho các làng nghề thủ công truyền thống. Tuy nhiên, hiện trạng ô nhiễm nước thải làng nghề dệt nhuộm tại Việt Nam phát sinh chính từ hoạt động làng nghề. Vì chỉ với quy mơ nhỏ, cơng nghệ thủ công lỗi thời, không đồng bộ, phát triển tự phát chủ yếu chịu sự chi phối của thị trường, khơng có hệ thống xử lý nước thải bài bản do do chi phí thiết kế hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm cao, và do khơng có sự hiểu biết của người dân về tác hại của nước thải dệt nhuộm ảnh hưởng đến sức khỏe của chính bản thân mình và những người xung quanh.

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ các chất hữu cơ mang màu ra khỏi môi trường nước như: thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ,... Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ơ nhiễm thêm. Chính vì vậy đây là vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu. Trong lĩnh vực xử lý mơi trường, ta có thể sử dụng vật liệu tự nhiên (đá ong, quặng sắt, đất bazan…) hay vật liệu chế tạo từ xơ dừa, vỏ trấu, vỏ lạc, bã mía, bã chè… những loại vật liệu này đều có giá thành rẻ, thân thiện với mơi trường và dễ kiếm tìm trong đời sống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<i><b>Xuất phát từ những lý do trên, em đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật </b></i>

<i><b>liệu hấp phụ vỏ lạc/Fe<small>3</small>O<small>4</small> để xử lý xanh methylene. </b></i>

<b>2. Mục tiêu nghiên cứu </b>

- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) vỏ lạc mang oxit nano Fe<small>3</small>O<small>4</small> để hấp phụ xanh methylene.

- Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ xanh methylene của VLHP.

<b>3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu </b>

- Vỏ lạc biến tính mang nano Fe<small>3</small>O<small>4</small>.

<b>4. Phương pháp nghiên cứu </b>

<b>4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết </b>

- Thu thập các tài liệu về các hợp chất hữu cơ mang màu, nano Fe<small>3</small>O<small>4</small> và vỏ lạc. - Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ lạc, nano Fe<small>3</small>O<small>4</small>.

- Tham khảo các tài liệu về các phương pháp hấp phụ, các phương pháp phân tích xác định hàm lượng hợp chất hữu cơ mang màu.

- Các phương pháp đặc trưng vật liệu.

<b>4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm </b>

- Thu thập và xử lý, biến tính nguyên liệu vỏ lạc.

- Phương pháp đồng kết tủa điều chế nano Fe<small>3</small>O<small>4</small> từ hỗn hợp muối Fe²⁺ và Fe³⁺. - Phương pháp phân tích các đặc trưng của vật liệu: SEM (TEM), XRD, IR, UV-VIS. - Phương pháp phân tích cơng cụ: phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) để xác định nồng độ xanh methylene.

<b>5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài </b>

- Tìm kiếm vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có thể tái tạo được để hấp phụ, loại bỏ hợp chất hữu cơ mang màu trong nước, giảm tình trạng ơ nhiễm nguồn nước.

<b>6. Bố cục khóa luận </b>

Ngồi phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, và tài liệu tham khảo, khóa luận gồm có 3 phần:

Chương 1. TỔNG QUAN

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm </b>

<i><b>1.1.1. Định nghĩa và phân loại thuốc nhuộm </b></i>

Thuốc nhuộm, hay còn gọi là phẩm nhuộm, phẩm màu, là tên gọi chung để chỉ các hợp chất hữu cơ mang màu (có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp). Chúng rất đa dạng về màu sắc cũng như chủng loại, có khả năng nhuộm màu - nghĩa là có khả năng bắt màu hay gắn màu trực tiếp lên chất nền như vải, sợi, giấy v.v..Một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.

Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ electron π không cố định như: > C = C <, > C = N -, - N = N -, - NO<small>2</small>, …

Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: - NH<small>2</small>, - COOH, - SO<small>3</small>H, - OH,… đóng vai trị tăng cường của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ electron [6].

Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hoá học, màu sắc, phạm vi sử dụng. Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng được phân loại thành các họ, các loại khác nhau. Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất:

<i><b>Phân loại theo cấu trúc hoá học: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm antraquinon, </b></i>

thuốc nhuộm inđizo, thuốc nhuộm phenazin, thuốc nhuộm triarylmetan, thuốc nhuộm phtaloxiamin.

<i><b>Phân loại theo đặc tính áp dụng: thuốc nhuộm hồn ngun, thuốc nhuộm lưu </b></i>

hoá, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính [6].

Ở đây tơi chỉ đề cập đến một số loại thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn về loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của đề tài.

Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo (- N = N -) phân tử thuốc nhuộm có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo).

Thuốc nhuộm trực tiếp: Là loại thuốc nhuộm anion có dạng tổng qt Ar─SO<small>3</small>Na. Khi hồ tan trong nước nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và bắt màu vào sợi. Trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có 92% thuốc nhuộm azo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Thuốc nhuộm bazơ cation: Các thuốc nhuộm bazơ dễ nhuộm tơ tằm, bông cầm màu bằng tananh. Là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ chúng dễ tan trong nước cho cation mang màu. Trong các màu thuốc nhuộm bazơ, các lớp hoá học được phân bố: azo (43%), triazylmetan (11%), arycydin (7%), antraquinon (5%) và các loại khác.

Thuốc nhuộm axit: Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh chúng tan trong nước phân ly thành ion:

Ar – SO<small>3</small>Na → Ar – SO<small>3</small>^- + Na<small>+ </small>

Anion mang màu, thuốc nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vật liệu. Thuốc nhuộm axit có khả năng tự nhuộm màu tơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong mơi trường axit. Xét về cấu tạo hố học có 79% thuốc nhuộm axit azo, 10% là antraquion, 5% là triarylmetan và 6% là lớp hoá học khác [6].

<i><b>1.1.2. Tình trạng và tác hại của ơ nhiễm do nước thải dệt nhuộm ở nước ta </b></i>

Hiện trạng ô nhiễm nước thải làng nghề dệt nhuộm tại Việt Nam phát sinh chính từ hoạt động làng nghề. Vì chỉ với quy mơ nhỏ, cơng nghệ thủ công, lỗi thời, không đồng bộ, phát triển tự phát chủ yếu chịu sự chi phối của thị trường, khơng có hệ thống xử lý nước thải bài bản do do chi phí thiết kế hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm cao, và do không có sự hiểu biết của người dân về tác hại của nước thải dệt nhuộm đến sức khỏe của chính bản thân mình và những người xung quanh.

Hầu hết các thuốc nhuộm sử dụng trong ngành công nghiệp dệt may đều có độ độc tính cho môi trường sống trong nước. Mặt khác, các chất hoạt động bề mặt và các hợp chất liên quan, chẳng hạn như bột giặt, các chất nhũ hóa, các chất phân tán được sử dụng trong hầu hết các cơng đoạn của mỗi quy trình gia cơng và cũng có thể là một trong những nguồn quan trọng tạo độc tính cho mơi trường nước (nước mặt, nước ngầm,…) ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. Cụ thể đối với con người gây ra các bệnh về da, đường hô hấp, ung thư…, đối với hệ sinh thái thủy sinh có thể phá hủy hoặc ức chế khả năng sinh sống của vi sinh vật.

<i><b>1.1.3. Giới thiệu về xanh methylene </b></i>

Xanh methylene là một hợp chất thơm dị vịng, có một số tên gọi khác như: tetramethylthionine chlorhydrate, Methylene blue, methylthioninium chloride, glutylene.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Công thức phân tử: C₁₆H₁₈N₃SCl. Cơng thức cấu tạo:

<i><small>Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của xanh methylene </small></i>

Xanh methylene có phân tử khối là 319,85 g/mol. Nhiệt độ nóng chảy là: 100 - 110°C. Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C<small>16</small>H<small>18</small>N<small>3</small>SCl.3H<small>2</small>O) trong điều kiện tự nhiên, khối lượng phân tử của xanh methylene là 373,9 g/mol [5].

Xanh methylene là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cation MB<small>+ </small>

là C<small>16</small>H<small>18</small>N<small>3</small>S<small>+ </small>

<i><small>Hình 1.2.Cơng thức cấu tạo cation MB</small>⁺</i>

Xanh methylene có thể bị oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử bị oxy hóa và bị khử khoảng 100 lần/giây. Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào.

Xanh methylene là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, là hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực in. Xanh methylene bị hấp thụ rất mạnh bởi các loại đất khác nhau. Trong môi trường nước, xanh methylene bị hấp thu vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao và khơng có khả năng bay hơi ra ngồi

<i><small>Hình 1.3. Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh methylene</small></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

môi trường nước ở bề mặt nước. Nếu thải xanh methylene vào trong khơng khí, nó sẽ tồn tại cả ở dạng hơi và bụi lơ lửng [6].

<b>1.2. Tổng quan về cây lạc </b>

<i><b>1.2.1. Giới thiệu về cây lạc </b></i>

Cây lạc ( hay Đậu phộng, đậu phụng) là một loài cây thực phẩm thuộc họ Đậu có nguồn gốc tại Trung và Nam Mỹ. Là cây công nghiệp ngắn ngày, cây lấy dầu có giá trị kinh tế cao, cây nguyên liệu quan trọng của cơng nghiệp chế biến. Cây lạc cịn là cây trồng có vai trị cải tạo đất nhờ các vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh trên rễ. Đồng thời cũng là cây có khả năng tạo tính đa dạng hóa cho sản xuất nơng nghiệp bằng các hình thức trồng thuần, trồng xen canh, trồng gối vụ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp và che phủ bảo vệ đất chống xói mịn rửa trơi.

Lạc là cây trồng nhiệt đới và á nhiệt đới nên có thể trồng trong phạm vi điều kiện sinh thái khá rộng. Cây lạc phát triển thuận lợi trong khoảng nhiệt độ từ 24-33°C. Lạc là cây trồng chịu hạn song chỉ có khả năng chịu hạn ở một giai đoạn nhất định, nước là yếu tố ngoại cảnh có ảnh hưởng rất lớn đến năng suất, đặc biệt ở thời kỳ sinh trưởng sinh thực.

<i><small>Hình 1.4. Cây lạc </small></i>

Cây lạc được trồng phổ biến ở Việt Nam. Vỏ lạc là một sản phẩm phụ cồng kềnh của quá trình sản xuất đậu phộng nhân. Ở các nước sản xuất đậu phộng, chúng thường bị đốt, đổ hay để tự phân huỷ. Trong mối quan tâm đến các vấn đề môi trường gần đây người ta đã quan tâm đến việc sử dụng vỏ lạc cho nhiều mục đích khác nhau: nhiên liệu, chất độn dùng cho hóa chất và phân bón, chăn ni gia súc, gia cầm, lót chuồng, ổn định

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

đất … Vỏ lạc còn thường được sử dụng như một thành phần trong các sản phẩm như chất tẩy rửa, chất đánh bóng kim loại, thuốc tẩy, kem cạo râu, xà phòng, mỹ phẩm, sơn, dầu gội và thuốc.

Vỏ lạc được sử dụng trong sản xuất nhựa, tấm ốp tường, đá mài, keo.

Thành phần chủ yếu của vỏ lạc là xenlulozơ (khoảng 70%) và carbohydrat (khoảng 15%). Các phân tử xenlulozơ là những chuỗi không phân nhánh, hợp với nhau tạo nên cấu trúc vững chắc, có cường độ co giãn cao. Tập hợp nhiều phân tử thành những vi sợi có thể sắp xếp thành mạch dọc ngang hay thẳng trong màng tế bào sơ khai. Các phân tử xenlulozơ được cấu tạo từ vài nghìn đơn vị β-D- glulozơ nối với nhau bởi liên kết β- 1,4- glucozit. Sợi bông là xenlulozơ thiên nhiên tinh khiết nhất (90%), gỗ tùng, bách (cây lá kim) có khoảng 50% xenlulozơ, vỏ lạc chứa khoảng 70% xenlulozơ.

<i><small>Hình 1.6. Vỏ lạc nghiền nhỏ Hình 1.5. Vỏ lạc </small></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<i><small>Hình 1.7. Cấu trúc Xenlulozơ </small></i>

Xenlulozơ không tan trong các dung môi hữu cơ, trong dung dịch kiềm nước và trong axit vơ cơ lỗng. Xenlulozơ chỉ tan trong axit clohidric và axit photphoric đặc, tan trong H<small>2</small>SO<small>4</small> và trong một số dung dịch của bazơ hữu cơ bậc 4. Xenlulozơ dễ bị thủy phân bởi axit [1], [3].

<i><b>1.2.2. Sử dụng các phụ phẩm và chế phẩm nông nghiệp làm VLHP. </b></i>

* Vỏ lạc:

- Vỏ lạc được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách loại ion Cd(II) rất cao. Chỉ cần hàm lượng than hoạt tính 0,7 g/L có thể hấp phụ được dung dịch chứa ion Cd(II) nồng độ 20 mg/L. Nếu so sánh với các loại than hoạt tính dạng viên trên thị trường thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31 lần.

- Một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học khoa công nghệ môi trường trường Đại học Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy, vỏ củ lạc, một trong những phế phẩm lớn nhất, rẻ mạt của ngành công nghệ thực phẩm, có thể sử dụng để cải tạo ruộng, lọc các nguồn nước bị nhiễm kim loại độc do các nhà máy thải ra, đặc biệt là ở các vùng đất, nguồn nước bị nhiễm ion kim loại và vỏ củ lạc có thể loại bỏ đến 95% ion đồng khỏi nước thải công nghiệp trong khi mùn cưa của cây thông chỉ loại bỏ được 44%. Cỏ thể đạt được hiệu quả cao nhất nếu nước có tính axit yếu trong khi nhiệt độ lại có ít tác động đến khả năng tách loại ion kim loại.

* Vỏ đậu tương: có khả năng hấp phụ tốt đối với các ion kim loại nặng, như Cu(II), Zn(II) và các hợp chất hữu cơ. Trong sự so sánh với một số vật liệu tự nhiên khác, vỏ đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các ion kim loại nặng. Vỏ đậu tương sau khi được xử lý với NaOH và axit citric thì dung lượng hấp phụ cực đại đối với đồng đạt đến 1,7mmol/g (ứng với 108mg/g).

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

* Bã mía: được đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và được ví như than hoạt tính trong việc tách loại các ion kim loại nặng như: Cr(III), Ni(II), Cu(II)… Bên cạnh thể hiện khả năng tách loại các ion kim loại nặng, bã mía cịn thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối với dầu.

* Lõi ngô: nhóm nghiên cứu trường Đại học North Carolina (Hoa Kỳ) đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngơ bằng dung dịch NaOH và H<small>3</small>PO<small>4</small> để chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của vật liệu hấp phụ tương đối cao. Dung lượng hấp phụ cực đại của hai kim loại nặng Cu và Cd lần lượt là 0,39mmol/g và 0,62mmol/g vật liệu.

* Bã chè, bã café: nghiên cứu sự tách loại Al<small>3+</small>, Cr<small>3+</small>, Cd<small>2+</small> bằng bã chè, bã café, Orhan và Buyukgungor chỉ ra rằng khả năng hấp phụ Al³⁺ là rất tốt. Khi tiến hành thí nghiệm gián đoạn: sử dụng 0,3g vật liệu khuấy với 100ml nước thải chứa 3 ion kim loại trên thì nhơm Al<small>3+</small> bị tách loại tới 98% bởi bã chè và 96% bởi bã cafe.

* Xơ dừa biến tính

Khả năng hấp phụ và trao đổi ion của xơ dừa và vỏ trấu biến tính được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu Lê Thanh Hưng, Phạm Thành Quân, Lê Minh Tâm, Nguyễn Xuân Thơm thuộc trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia – thành phố Hồ Chí Minh và viện Cơng nghệ Hóa học – thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả khảo sát cho thấy rằng, hai phụ phẩm nông nghiệp là xơ dừa và vỏ trấu có khả năng hấp phụ, trao đổi ion Ni(II) và Cd(II) với hiệu suất khá cao. Việc hoạt hóa xơ dừa và vỏ trấu bằng axit citric có tác dụng nâng cao hiệu suất rõ rệt. Hiệu suất này thay đổi không nhiều khi thay đổi nồng độ ion trong dung dịch.

<b>1.3. Vật liệu hấp phụ nano oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small></b>

<i><b>1.3.1. Giới thiệu về oxit sắt từ </b></i>

Lịch sử phát triển của oxit sắt từ được bắt đầu khi người trung hoa cổ đại phát hiện ra các đá thạch có khả năng hút các vật bằng sắt. Trong các đá thạch đó là oxit sắt từ.

Oxit sắt từ có cơng thức phân tử Fe<small>3</small>O<small>4</small> là vật liệu từ tính đầu tiên mà con người biết đến. Từ thế kỷ IV người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe<small>3</small>O<small>4</small> tìm thấy trong các khống vật tự nhiên có khả năng định hướng dọc theo phương Bắc Nam địa lý. Đến thế kỷ XII, họ đã sử dụng vật liệu Fe<small>3</small>O<small>4</small> để làm la bàn, một công cụ giúp xác định phương

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

hướng rất có ích. Trong tự nhiên oxit sắt từ khơng những được tìm thấy trong các khống vật mà được tìm thấy trong các cơ thể sinh vật như: vi khuẩn Apuaspirillum magnetotacticum, ong , mối, chim bồ câu … Chính sự có mặt của Fe<small>3</small>O<small>4</small> trong cơ thể các sinh vật này đã tạo nên khả năng xác định phương hướng mang tính bẩm sinh của chúng. Quặng manhetit có hàm lượng sắt cao nhất được dùng trong ngành luyện gang, thép. Fe<small>3</small>O<small>4</small> hạt nano được dùng để dánh dấu tế bào và xử lí nước bị nhiểm bẩn.

- Cơng thức hóa học: Fe<small>3</small>O<small>4</small> hay FeO.Fe<small>2</small>O<small>3</small>

- Khối lượng phân tử: 231,533 g/mol

+ Tính oxit bazơ: Fe<small>3</small>O<small>4</small> tác dụng với dung dịch axit như HCl, H<small>2</small>SO<small>4 </small>loãng tạo ra hỗn hợp muối sắt (II) và sắt (III).

Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 8HCl → 2FeCl<small>3</small> + FeCl<small>2</small> + 4H<small>2</small>O

Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 4H<small>2</small>SO<small>4</small> loãng → Fe<small>2</small>(SO<small>4</small>)<small>3</small> + FeSO<small>4</small> + 4H<small>2</small>O

+ Tính khử: Fe<small>3</small>O<small>4</small> là chất khử khi tác dụng với các chất có tính oxi hóa mạnh: 3Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 28HNO<small>3</small> → 9Fe(NO<small>3</small>)<small>3</small> + NO + 14H<small>2</small>O

+ Tính oxi hóa: Fe<small>3</small>O<small>4</small> là chất oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh ở nhiệt độ cao như: H<small>2</small>, CO, Al:

Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 4H<small>2</small> → 3Fe + 4H<small>2</small>O Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 4CO → 3Fe + 4CO<small>2</small>

3Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 8Al → 4Al<small>2</small>O<small>3</small> + 9Fe

<i><b>1.3.2. Giới thiệu về hạt nano oxit sắt từ </b></i>

Trong phân loại vật liệu từ Fe<small>3</small>O<small>4 </small>được xếp vào nhóm vật liệu ferit là nhóm vật liệu từ có cơng thức tổng qt MO. Fe<small>2</small>O<small>3</small> và cấu trúc spinel, trong đó M là một kim loại hóa trị 2 như Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Mg hoặc Cu. Trong loại vật liệu này các ion oxy có

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

bán kính khoảng 1,32 Ǻ lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,6 – 0,8 Ǻ) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt. Trong mạng này có lỗ hổng thuộc hai loại: loại thứ nhất là lỗ hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy, loại thứ hai là lỗ hổng bát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy. Các ion kim loại M<small>2+</small> và Fe<small>3+</small> sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferit. Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion M<small>2+ </small>nằm ở các vị trí A cịn tồn bộ các ion Fe<small>3+ </small>nằm ở các vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hóa trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh các ion Fe<small>3+</small>và M<small>2+ </small>có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúc spinel thuận. Cấu trúc này được tìm thấy trong ferit ZnO.Fe<small>2</small>O<small>3</small>. Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo. Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe³⁺cùng toàn bộ số ion M²⁺ nằm ở các vị trí B, một nửa số ion Fe³⁺ cịn lại nằm ở vị trí A.

<i>Hình 1.8. Cấu trúc tinh thể của Fe<small>3</small>O<small>4</small> (Fe<small>2,5+ </small>là Fe<small>2+</small> và Fe<small>3+</small> ở vị trí B) </i>

<i><b>1.3.3. Tính chất của các hạt nano oxit sắt từ </b></i>

Oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small> ≡ FeO.Fe<small>2</small>O<small>3</small> là một ferit có cấu trúc spinel đảo điển hình. Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe<small>3</small>O<small>4</small>, đó là tính chất ferit từ. Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi: AÔB = 125<small>o</small>9^’, AÔA = 79<small>o</small>38^’, BÔB = 90<small>o</small> do đó tương tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh nhất. Trong Fe<small>3</small>O<small>4</small> bởi vì ion Fe<small>3+</small> có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mômen từ chỉ do Fe<small>2+</small> quyết định. Mỗi phân tử Fe<small>3</small>O<small>4 </small> có mơ men từ tổng cộng là 4μ<small>B </small>(μ<small>B </small>là Magneton Borh nguyên tử trong hệ đơn vị chuẩn quốc tế SI thì μ<small>B </small>= 9,274.10^-24 J/T). Giống như các vật liệu sắt từ thì vật liệu ferit từ cũng có sự chuyển pha sang trạng thái

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

thuận từ tại một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie (T<small>c</small>), mà nhiệt độ này với Fe<small>3</small>O<small>4 </small>là 850 K. Riêng đối với Fe<small>3</small>O<small>4 </small>cịn có thêm một sự chuyển pha khác đó là chuyển pha cấu trúc tại nhiệt độ 118 K còn gọi là nhiệt độ Verwey. Dưới nhiệt độ này Fe<small>3</small>O<small>4</small> chuyển sang cấu trúc tam tà làm tăng điện trở suất của vật liệu này vì vậy nhiệt độ Verwey thường được dùng để phân biệt Fe<small>3</small>O<small>4</small> với các oxit sắt khác, oxit sắt từ có phạm vi ứng dụng hết sức rộng rãi như ghi từ, in ấn, sơn phủ… Các ứng dụng này thì đều tập trung vào vật liệu Fe<small>3</small>O<small>4 </small>dạng hạt. Hiện nay người ta đang đặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng hạt Fe<small>3</small>O<small>4 </small>có kích thước nano bởi vì về mặt từ tính thì khi ở kích thước nhỏ như vậy vật liệu này thể hiện tính chất hồn tồn khác so với khi ở dạng khối đó là tính chất siêu thuận từ.

Fe<small>3</small>O<small>4</small> thuộc loại vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính trễ từ do vật liệu có tính dị hướng theo trục tinh thể. Tuy nhiên, nếu kích thước vật liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật tự từ giữa các hạt thì vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đặc điểm quan trọng của vật liêu siêu thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngồi và mất hết từ tính khi từ trường ngồi bằng khơng.

<i><b>1.3.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ </b></i>

<i>- Phương pháp nghiền </i>

Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo chất lỏng từ dùng cho các ứng dụng vât lý như truyền động từ môi trường khơng khí vào buồng chân khơng, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,… Trong những nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng từ, vật liệu từ tính oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small>, được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt (axit oleic) và dung môi (dầu, hexan). Chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt keo tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất.

Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đơit chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano khơng cao vì khó có thể khống chế q trình hình thành hạt nano. Chất lỏng chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý.

<i>- Phương pháp hóa học </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nano từ cũng được phát triển từ lâu. Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học.

Nguyên tắc tạo hạt nano bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dươi các điều kiện nhất định hoặc phát triển từ thể hơi khi mơt hóa chất ban đầu tan rã.

Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thơng qua q trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành các hạt nano. Để thu được hạt nano có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành những mầm mới. Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: phương pháp đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt,…

<i>+ Polyol: là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nano kim loại như Ru, Pd, </i>

Au, Co, Ni, Fe,… Các hạt nano kim loại được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Dung dịch được điều khiển nhiệt độ để làm tăng giảm động học của q trình kết tủa thu được các hạt có hình dạng và kích thước xác định.

<i>+ Phương pháp phân ly nhiệt: Sự phân ly nhiệt của các hợp chất chứa sắt với sự </i>

có mặt của một chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao cải thiên đáng kể chất lượng của các hạt nano.

<i>+ Nhũ tương: cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nano. </i>

Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong dầu (các mixen). Do sự giới hạn khơng gian của các phân tử chất hoạt hóa bề mặt, sự hình thành, phát triển của các hạt nano bị hạn chế và tạo ra các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4 – 12 nm với độ sai khác khoảng từ 0,2 – 0,3 nm. Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo các oxit sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh oxi hóa và tăng tính tương hợp sinh học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<i>+ Phương pháp đồng kết tủa: người ta thực hiện khuếch tán các chất tham gia </i>

phản ứng ở mức độ phân tử. Cách tiến hành: chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa các muối tan có tỉ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của hợp chất mà ta cần tổng hợp rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa (dưới dạng hydroxit, cacbonat, oxalate…). Cuối cùng nhiệt phân sản phẩm rắn đồng kết tủa đó.

Trong khóa luận, Fe<small>3</small>O<small>4 </small><i>được trình bày theo phương pháp đồng kết tủa. </i>

<i><b>1.3.5. Một số ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ </b></i>

Công nghệ nano có thể tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới với rất nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học năng lượng và các sản phẩm tiêu dùng.

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ nano cho y sinh học được quan tâm mạnh mẽ. Nhiều ứng dụng khác nhau về chủ đề nano đã được nghiên cứu, đặc biệt là những ứng dụng dựa trên trên hạt nano từ như hạt nano oxit sắt từ. Các ứng dụng tập trung chủ yếu trong việc tách chiết tế bào, phân tích AND, dẫn truyền thuốc và chuẩn đoán bệnh bằng ảnh cộng hưởng từ. Hiện nay oxit sắt từ đã được sử dụng ở kích thước nano, các hạt nano oxit sắt từ được sử dụng để làm sạch nước nhiễm thạch tím để loại bỏ chất độc khơng màu khơng mùi này. Hạt nano oxit sắt từ cịn được sử dụng để dẫn truyền thuốc mở ra một triển vọng mới trong điều trị bệnh ung thư.

Ngoài ra, hợp chất của sắt được ứng dụng nhiều trong kĩ thuật để chế tạo vật liệu từ, vật liệu xúc tác, phụ gia, chất màu… đặc biệt, sắt từ kích thước nanomet cịn có tính hấp phụ mạnh và có khả năng tách loại các ion kim loại nặng, chất hữu cơ mang màu trong nước là tiền đề cho những nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano để bảo vệ môi trường.

<b>1.4. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ của xanh metylene. </b>

Những năm gần đây, các nhà khoa học trong và ngồi nước có xu hướng nghiên cứu nhằm tìm ra những vật liệu hấp phụ có chi phí thấp, tận dụng được những phụ phẩm nơng nghiệp, công nghiệp hoặc chất thải để loại bỏ một số hợp chất hữu cơ trong nước như: xanh metylene, metyl da cam…Các vật liệu này có ưu điểm là giá thành rẻ, hiệu quả cao và còn giảm thiểu được bùn hóa học, bùn sinh học.

Tác giả Đỗ Trà Hương [2] và các cộng sự đã nghiên cứu cơ chế hấp phụ xanh methylene bằng bã chè và cho thấy pH tối ưu cho sự hấp phụ là 8, dung lượng cực đại

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

hấp phụ đạt tới 178,57 mg/g.

Tác giả Đỗ Trà Hương và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh methylene của vật liệu nanocompozit M CNTs/ e2O3. Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 150 phút; pH hấp phụ xanh methylene tối ưu là 6. Quá trình hấp phụ xanh methylene tuân theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (hằng số Langmuir K = 0,094L/g; qmax = 118,36mg/g) và tuân theo phương trình động học bậc 2 biểu kiến của Lagergren [6].

Tác giả Bùi Xuân Vững và Ngô Văn Thông [7] nghiên cứu về khả năng hấp phụ xanh methylene của bã cà phê có từ tính. Vật liệu hấp phụ này thu được bằng cách chiết bã cà phê bằng nước nóng tiếp xúc với dung dịch nano oxit sắt từ Fe<small>3</small>O<small>4</small>.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ của xanh methylene lên vật liệu này như thời gian cân bằng hấp phụ, nhiệt độ, pH và nồng độ ban đầu đã được khảo sát và thu được kết quả như sau: pH tối ưu cho sự hấp phụ xanh methylene là 8, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 60 phút và được mơ tả khá tốt theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại là 30,67 mg/g. Vật liệu sau khi hấp phụ được thu hồi dễ dàng từ dung dịch nước bởi một nam châm vĩnh cửu.

Một số tác giả cũng tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh methylene trên các loại vật liệu hấp phụ khác nhau như: sợi thủy tinh, đá bọt, bề mặt thép không gỉ, đá trân châu, vỏ tỏi, vỏ trấu, sợi đay… kết quả thu được cho thấy khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với xanh methylene cho hiệu suất khá cao.

<b>1.5. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ </b>

<i><b>1.5.1. Một số khái niệm </b></i>

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha. Bề mặt phân cách pha có thể là khí- lỏng, khí- rắn, lỏng- lỏng, lỏng- rắn.

Chất hấp phụ là chất có bề mặt xảy ra hấp phụ. Chất bị hấp phụ là chất tích lũy trên bề mặt. Chất bị hấp phụ đi sâu vào thể tích giống như sự hịa tan thì hiện tượng đó gọi là sự hấp phụ. Q trình ngược lại với quá trình hấp phụ được gọi là quá trình giải hấp.

<i><b>1.5.2. Phân loại hấp phụ </b></i>

Người ta phân các quá trình hấp phụ thành: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Trong sự hấp phụ vật lý, chất bị hấp phụ tương tác với bề mặt vật hấp phụ bởi những lực vật lý (như lực Van der waals) và khơng có sự trao đổi electron giữa 2 chất này. Ngược lại trong sự hấp phụ hóa học, liên kết sẽ hình thành giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

Sự khác nhau của hấp phụ vật lý và hóa học được thể hiện trong Bảng 1.3.

<i><small>Bảng 1.2. </small>Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học</i>

Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học

Loại liên kết Tương tác vật lý khơng có sự trao đổi electron.

Liên kết hóa học có sự trao đổi electron.

Nhiệt hấp phụ Vài Kcal/mol. Vài chục Kcal/mol. Năng lượng hoạt hóa Không quan trọng. Quan trọng. của bề mặt, phụ thuộc vào những điều kiện về nhiệt độ trở vào môi trường.

Thường bất thuận nghịch. Quá trình giải hấp tương đối khó vì sản phẩm giải hấp thường bị biến đổi thành phần hóa học.

<i><b>1.5.3. Sự hấp phụ trên bề mặt rắn – dung dịch </b></i>

<i>a) Dung lượng hấp phụ </i>

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ cho trước.

Dung lượng hấp phụ được tính theo cơng thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

C<small>o</small>: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)

C<small>Cb</small>: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)

C<small>o</small>: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L)

C<small>Cb</small>: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L)

<i>c) Sự hấp phụ các chất điện ly </i>

Các ion trong dung dịch là những phần tử tích điện, cho nên sự hấp phụ các ion là quá trình diễn ra sự phân bố lại điện tích.

<i>- Hấp phụ chọn lọc: phần bề mặt chất hấp phụ có điện tích xác định nên chỉ hấp </i>

phụ các ion mang điện tích trái dấu với nó. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào bản chất

<i>ion. Đối với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn nhất sẽ có khả năng bị hấp </i>

phụ cao nhất. Nguyên nhân là do có bán kính lớn thì độ phân tán lớn, đồng thời lớp vỏ

<i>sonvat hóa mỏng hơn </i>

Ví dụ: Khả năng hấp phụ của các ion cùng hóa trị Li<small>+</small> < Na<small>+</small> < K<small>+</small> < Rb<small>+</small> < Cr<small>+ </small>

Mg<small>2+</small> < Ca<small>2+</small> < Sr<small>2+</small> < Ba<small>2+ </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Cl<small>-</small> < Br<small>-</small>< NO<small>3</small>^- < I<small>-</small> < CNS<small>- </small>

Đối với các ion có hóa trị khác nhau, ion nào có hóa trị càng cao (điện tích lớn) càng dễ bị hấp phụ: K<small>+</small> < Ca<small>2+</small> < Al<small>3+</small> < Th<small>4+</small>

<i>- Hấp phụ trao đổi: chất hấp phụ hấp phụ một lượng ion xác định trong dung dịch </i>

và đồng thời đẩy một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu điện tích của bản

<i>thân nó vào dung dịch. </i>

Tham gia sự hấp phụ trao đổi khơng chỉ có các ion bám trên bề mặt chất hấp phụ, mà có thể có các ion nằm sâu trong chất hấp phụ.

<i>Đặc điểm của sự hấp phụ các chất điện ly là có tính chọn lọc cao, tức là chỉ xảy </i>

ra với những loại ion xác định tùy thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và ion bị hấp

<i>phụ. Người ta chia ra làm 2 loại: </i>

+ Chất hấp phụ axit: có khả năng trao đổi với cation + Chất hấp phụ bazơ: có khả năng trao đổi với anion

Ngồi ra cịn có các chất hấp phụ lưỡng tính, nghĩa là trong điều kiện xác định, loại chất hấp phụ này có thể trao đổi cả cation và anion.

<i><b>1.5.4. Các mơ hình cơ bản của q trình hấp phụ </b></i>

Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt là các mơ hình tốn học để mơ tả sự phân bố giữa chất bị hấp phụ (pha lỏng) và chất hấp phụ (pha rắn), dựa trên giả định rằng liên quan đến sự không đồng nhất và đồng nhất của bề mặt rắn và khả năng tương tác giữa các chất bị hấp phụ.

Khi nghiên cứu hấp phụ, người ta thường dùng hai mơ hình: mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich và Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.

<i>a) Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich </i>

Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich là một phương trình thực nghiệm dựa trên sự hấp phụ trên bề mặt khơng đồng nhất của vật liệu. Phương trình tuyến tính thường được biểu

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

q<small>e</small> (mg/g) là lượng ion kim loại bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng vật liệu hấp phụ.

Hằng số n là số mũ trong phương trình Freundlich, đặc trưng cho tính khơng đồng nhất về năng lượng của bề mặt hấp phụ.

K<small>F</small> là hằng số Freundlich để chỉ khả năng hấp phụ tương đối của các vật liệu hấp phụ.

Mô hình Freundlich được lựa chọn để đánh giá cường độ hấp phụ của chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp thụ.

<i>b) Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir </i>

Năm 1915, Langmuir đề xuất thuyết hấp phụ đơn phân tử. Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir giả định rằng sự hấp thu các ion kim loại xảy ra trên một bề mặt đồng nhất của vật liệu và sự hấp phụ đơn lớp, khơng có bất kì sự tương tác nào giữa các ion hấp

q<small>e</small>: dung lượng hấp phụ ở thời điểm cân bằng hấp phụ (mg/g) C<small>e</small>: nồng độ ion trong dung dịch sau hấp phụ

q<small>m</small>: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) K<small>L</small>: hằng số Langmuir (L/mg)

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Máy hút chân không

Pipet, cốc thủy tinh Tất cả hóa chất đều có độ tinh khiết để phân tích PA.

<b>2.2. Tổng hợp vật liệu hấp phụ từ vỏ lạc phủ oxit nano Fe<small>3</small>O<small>4</small></b>

<i><b>2.2.1. Biến tính vỏ lạc </b></i>

Vỏ lạc được thu lượm tại Quảng Nam, đem về rửa sạch, phơi khô dưới ánh nắng mặt trời cho đến khi vỏ lạc khô và nghiền nhỏ, thu kích thước đồng đều qua rây. Vỏ lạc sau khi được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ bụi bẩn, được ngâm trong dung dịch NaOH 0,1 M trong 48 h, sau đó rửa lại bằng nước cất nhiều lần và ngâm trong axit

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

citric 55% trong 48 h.Tiếp đến, vỏ lạc được lọc qua phễu, hút chân không và sấy trong 12 h ở 80<small>o</small>C và được biến tính trong 3 h ở 120<small>o</small>C. Sau khi đã sấy xong, vỏ lạc được để nguội và ngâm trong nước cất trong 4 h để loại bỏ axit citric. Sau đó, vỏ lạc được lọc, rửa lại nhiều lần bằng nước cất đến khi khơng cịn màu nâu vàng và sấy ở 60<small>o</small>C trong 6 h rồi bảo quản trong lọ thủy tinh.

Rửa sạch

<i><small>Hình 2.1. Quy trình xử lý và biến tính vỏ lạc </small></i>

<i><b>2.2.2. Tổng hợp oxit nano Fe<small>3</small>O<small>4</small></b></i>

Có nhiều phương pháp chế tạo oxit nano Fe<small>3</small>O<small>4</small>: phương pháp nghiền, phương pháp đồng kết tủa, vi nhũ tương, phương pháp polyol, phương pháp hóa siêu âm…Trong những phương pháp này, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm. Hơn nữa, việc chế tạo hạt nano còn phụ thuộc vào điều kiện vật chất của nơi nghiên cứu nên chúng tôi đã lựa chọn phương pháp đồng kết tủa.

Phản ứng hóa học:

Fe<small>2+</small> + 2Fe<small>3+</small> + 8OH<small>- </small> → Fe<small>3</small>O<small>4</small> + 4H<small>2</small>O

Hạt nano oxit sắt từ được tạo thành bằng phương pháp đồng kết tủa từ các dung dịch muối FeCl<small>2</small> và FeCl<small>3</small> với tỷ lệ mol là 1:2 bằng cách thêm từ từ dung dịch NH<small>3</small> đậm đặc 25%. Máy khuấy từ được sử dụng để phản ứng xảy ra triệt để hơn. Sau khi phản ứng

</div>