Tải bản đầy đủ (.doc) (20 trang)

Nghiên cứu chế tạo vật liệu thu gom xử lý dầu tràn có chứa hạt nano sắt từ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (373.37 KB, 20 trang )

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI
TRƯỜNG THCS & THPT NGUYỄN TẤT THÀNH - CẦU GIẤY
**************
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÍ DẦU
TRÀN CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ
Lĩnh vực: Quản lí môi trường
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
- TS.Nguyễn Tiến Dũng
- Đơn vị công tác: Khoa Hóa học, trường Đại
học Sư phạm Hà Nội
TÁC GIẢ:
1. Đinh Tiến Dũng, Lớp: 11A2, Trường: THCS
& THPT Nguyễn Tất Thành
2. Hoàng Minh Quang, Lớp:11A2, Trường: THCS
& THPT Nguyễn Tất Thành
Hà Nội, tháng 11 năm 2014
1
MỤC LỤC
Trang
Phần I: Lí do chọn đề tài 3
Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 4
Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả 5
Phần IV: Kết luận 19
Tài liệu tham khảo 20
2
Phần I: Lí do chọn đề tài
Ô nhiễm các sự cố tràn dầu thực sự là một thảm họa đối với sinh vật thủy sinh,
việc xử lý ô nhiễm tràn dầu cũng vì thế mà được nhiều nhà khoa học trong nước


và Quốc tế hết sức quan tâm. Với sản lượng sản xuất và tiêu thụ dầu hàng năm
rất lớn, việc vận tải và rò rỉ trong khi sản xuất, khai thác và chế biến dầu mỏ
thường gây ra những ô nhiễm nghiêm trọng. Một số vụ tràn dầu rất lớn gần đây
đã gây hậu quả hết sức nghiêm trọng:
- Ngày 20/4/2010 thảm họa Deepwater Horizon đã được các ước tính mới nhất
của chính phủ Hoa Kỳ xác nhận là sự cố rò rỉ dầu ra biển lớn nhất từ trước
tới nay. Hơn 750.000 lít dầu thô rò rỉ mỗi ngày từ giàn khoan dầu Deepwater
Horizon của Hãng dầu khí Anh BP trên vịnh Mexico đã lan ra xa gần 200km
tới vùng cửa sông Mississippi, đe dọa hệ sinh thái ngập mặn Louisiana, dọc
vịnh Mexico.
- Ngày 5/10/2013 hàng chục nghìn lít dầu FO trôi dạt từ tàu Bright Royal
(quốc tịch Panama) đã lan ra 60 hải lý và có nguy cơ gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng cho huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi).
Trước những nguy cơ gây ô nhiễm rất lớn của sự cố tràn dầu, những vệt dầu
loang, vấn đề cấp bách phải xử lý các ô nhiễm đó, chúng tôi đã nghiên cứu
để có thể chế tạo vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở tổng hợp vật liệu polyme và
hạt oxit sắt có từ tính. Vật liệu trên cơ sở ghép giữa polyme và hạt ôxit sắt có
khả năng hấp thu dầu và có thể thu hồi được bằng từ trường, vật liệu có thể
giải hấp bằng nhiệt và có thể sử dụng được nhiều lần hấp thu.
3
Phần II: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Vật liệu polyme hấp thu dầu thường có nhóm ưa dầu, kị nước và trương
được trong dầu, không bị hòa tan trong dầu. Các vật liệu được sử dụng nhiều
là những vật liệu polyme thiên nhiên như: sợi bông, sợi đay, bã mía, sợi
kenaf, sợi kapok… các loại giấy thấm dầu. Các polyme thiên nhiên có ưu
điểm là rẻ tiền, dễ kiếm và dễ chế tạo tuy nhiên nhược điểm lớn là chúng ưa
nước, thông thường chúng hút nước và tồn tại lơ lửng trong nước điều này
làm ô nhiễm xử lý không triệt để và vẫn gây ra độc hại với động thực vật
thủy sinh. Các polyme tổng hợp thường dung hơn nhưng có nhược điểm là
khó thu hồi khi ở dạng hạt, nếu ở dạng tấm miếng thì lại không cơ động

trong việc hấp thu và khó tái sử dụng sau khi hấp thu và thường không giải
hấp được.
- Nhóm nghiên cứu của chúng tôi dựa trên cơ sở polystyren là vật liệu ưa dầu
dạng hạt dẻo, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm trùng hợp huyền phù
styren và divinylbenzen để tạo co-polyme, vật liệu thu được có khả năng hấp
thu dầu tốt, chúng hấp thu được khoảng 5-6g dầu nặng DO trên mỗi gam vật
liệu. Để có thể thu hồi chúng được dễ dàng chúng tôi phân tán hạt oxit sắt
trong hỗn hợp 2 monome rồi tiến hành trùng hợp. Vật liệu thu được có khả
năng hút dầu rất tốt đồng thời có thể sử dụng nam châm để hút lại được. Sau
khi thu hồi, với xăng hoặc dầu nhẹ có thể sử dụng nhiệt để cất tách xăng dầu
ra khỏi vật liệu để tái sử dụng, tuy nhiên với dầu nặng thì không tách được
do nhiệt phân hủy của vật liệu không cao hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của
dầu nặng.
- Những điểm mới trong nghiên cứu này:
+ Sử dụng hệ polyme styrene và divinylbenzen để hấp thu dầu, đây là
nghiên cứu mới chưa có nhóm nghiên cứu nào trong nước thực hiện.
+ Đưa hạt ôxit sắt vào trong vật liệu để thu hồi, có những nghiên cứu
tương tự nhưng họ dung trực tiếp vật liệu từ để tách dầu chứ không dung
với mục đích thu hồi vật liệu như nhóm nghiên cứu của chúng tôi.
4
Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả
Cơ sở lý thuyết:
Quá trình trùng hợp tạo polyme dựa trên các phản ứng trùng hợp diễn ra
như sau:
- Tạo gốc tự do: Dưới tác dụng của nhiệt độ, benzoyl peoxit phân huỷ
thành gốc cacboxy benzoyl:
C
O
O O
O

C
t
o
O
O
C
.
2
(1)
O
O
C
+
O
O
C
.
.
(2)
Các gốc này có thể chuyển hoá tiếp:
.
C
O
O
2
O
O
C
+
C

O
O
(3)
.
2
(4)
C
O
OO
O
C
+
.
C
O
O
.
C
O
O
+
(5)
Ký hiệu các gốc tồn tại trong quá trình phản ứng là:
.
C
O
O
R
.
,

.
- Phản ứng khơi mào:
Để rút gọn công thức trong khi viết cơ chế, ký hiệu các gốc như sau:
X là: -C
6
H
5
, Y là: -C
6
H
4
-CH=CH
2
(6)
R

tấn công vào monome tạo gốc khơi mào:
5
r
+
.
ch = ch
x
r - ch - c h
.
x
2 2
(7)
.
r - ch - c hch = ch

.
+
r
y
y
2
2
(8)
- Phản ứng phát triển mạch:
+
ch = ch
x
2
k
11
ch - c h
.
x
2
ch - ch -
x
2 2
X
ch - c h
.
(9)
Quá trình phản ứng đồng trùng hợp hai monome xảy ra rất phức tạp,
nhưng bất kể đặc tính xảy ra như thế nào thì phản ứng phát triển mạch cũng xảy
ra theo hướng sau:
ch - c h

.
x
2
ch = ch
Y
2
+
12
k
.
ch - c h
Y
22
x
ch - ch -
(10)
ch - c h
.
Y
2
+
ch = c h
Y
2
22
k
ch - ch -
Y
2 2
Y

ch - c h
.
(11)
ch - c h
.
Y
2
+
ch = c h
x
2
21
k
ch - ch -
Y
2 2
X
ch - c h
.
(12)
- Phản ứng đứt mạch:
ch - ch -
x
2 2
x
ch - c h
.
+
ch - ch -
x

2 2
x
ch - c h
.
ch - ch -
x
2 2
x
ch - c h
2
(13)
Kết hợp gốc đang phát triển:
6
ch - ch -
x
2 2
x
ch - c h
.
+
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
.
ch - ch -
y
2 2
y

ch - c h -
ch - ch -
x
2 2
x
ch - ch
(14)
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
.
+
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
.
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
2
(15)
ch - ch -
y
2 2

x
ch - c h
.
+
ch - ch -
y
2 2
x
ch - c h
.
ch - ch -
y
2 2
x
ch - c h -
ch - ch -
x
2 2
y
ch - ch
(16)

Chuyển mạch theo hướng bất đối xứng
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
.
2 ch - ch -

y
2 2
y
ch - ch
2
+ ch - ch -
y
2
y
ch = ch
(17)
ch - ch -
x
2 2
x
ch - c h
.
2 ch - ch -
x
2 2
x
ch - ch
2
+ ch - ch -
x
2
x
ch = ch
(18)
ch - ch -

x
2
y
ch - ch
+ ch - ch -
y
2 2
y
ch - c hch - ch -
y
2 2
x
ch - c h
.
.
2
+
2
ch - ch -
y
2
y
ch = ch
7
(19)
Sản phẩm thu được là một hỗn hợp có chứa monome dư, oligome,
copolyme, homopolyme , tỷ lệ các cấu tử này khác nhau phụ thuộc vào bản
chất của từng thành phần, mức độ ổn định, kích thước của các cấu tử, nhiệt độ,
chất khơi mào, nồng độ monome, tốc độ khuấy trộn.
. Một số phương pháp hoá học điều chế hạt nano oxit sắt từ

- Phương pháp oxi hoá Fe
2+
Nguyên tắc của phương pháp là thuỷ phân muối Fe
2+
ví dụ như muối
FeSO
4
.7H
2
O hay

FeCl
2
.4H
2
O bằng cách thêm một bazơ ví dụ như NH
4
OH hay
NaOH trong không khí và ở những điều kiện t
0
, pH phù hợp. Lọc và sấy khô
trong không khí ở t
0
phòng hạt sắt từ.
Nồng độ chất đầu và tốc độ kết tủa là 2 nhân tố quan trọng quyết định kích
thước hạt. Nồng độ đầu và tốc độ kết tủa càng nhỏ thì kích thước hạt càng nhỏ.
Động học của phản ứng oxi hóa Fe
2+
chậm và khó điều khiển, thường
người ta nên tránh sử dụng phương pháp này.

Sử dụng FeCl
2
.4H
2
O và dung dịch NH
3
0.07M, phản ứng tiến hành ở
80
o
C-90
o
C. Lọc và sấy khô qua đêm trong không khí ở t
0
phòng hạt sắt từ,
đã thu được một số kết quả sau:
Bảng 1.5. Sự phụ thuộc kích thước hạt, thể tích đơn vị tế bào,
độ từ hoá bão hoà vào nồng độ FeCl
2
Mẫu
số
Nồng độ
(%)
Kích thước
hạt (nm)
Thể tích tế bào
đơn vị (A
o
)
3
M

S
28
32
34
37
0.25
0.05
0.60
3.00
6.4
10.8
37.8
91.4
592.7
587.7
586.5
586.4
1.1
2.6
2.3
2.0
Kết quả: - Các hạt tạo được đều có dạng hình cầu
- Mẫu 28 và 32 là đơn pha
- Mẫu 34 và 37 đều lẫn γ.Fe
2
O
3
lần lượt là 12% và 7 %
Khi nồng độ chất đầu giảm thì kích thước hạt giảm, đồng thời độ tinh
khiết của sản phẩm tăng. Hiệu ứng kích thước hạt dẫn đến thể tích tế bào đơn vị

được mở rộng. Thể tích tế bào đơn vị được mở rộng là do tăng lượng ion Fe
2+
trong mẫu vì bán kính ion Fe
2+
0,74 A
0
lớn hơn bán kính ion Fe
3+
0,64 A
0
, cũng
đồng nghĩa với tăng độ tinh khiết của sản phẩm.
Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế
Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế là một phương pháp lý thuyết dựa trên
8
cơ chế hình thành và phát triển các mầm tinh thể. Trong dung môi thích hợp, sự
thuỷ phân tạo ra các ion đa nhân chứa những cầu OH như M-OH-M hay cầu oxi
như M-O-M là tiền thân của nhân mầm tinh thể.
Trong dung dịch, ion kim loại M
z+
bị hidrat hoá. Bản chất của quá trình
này do sự nhường e
-
của phân tử H
2
O → hình thành liên kết yếu giữa cation
trung tâm và O.
[M(H
2
O)

n
]
z+
→ [M(OH)
p
(H
2
O)
n-p
]
(z-p)+
+ pH
+
- Cơ chế của sự thuỷ phân:
( ) ( )
[ ]
+
+−

+

+→







OHMOHOH

H
H
O
H
H
OMOH
3
)1z(
1n
2
z
1n
2
Phức aquơ Phức hydroxo
( )
[ ]
( )
[ ]
+
+−

+−

+=→+ OHOMOH
H
H
OMOHOH
z
n
z

n
3
)2(
1
2
)1(
1
2
( )
[ ]
( )
( ) ( )
OHOHMOMOH
OHMO
H
H
MOHOH
z
n
H
n
z
n
z
n
2
)12(
1
2
|

1
2
1
2
)1(
1
2
+−
−−
+

+−









→−→







→+

Phức oxo
Có thể ngưng tụ thành phức đa nhân → keo hoá
Nhờ quá trình ngưng tụ mà mônome → đime → trime → polime. Sau
đó phát triển thành hạt keo → gel → hạt.
Đặc điểm của phương pháp là khống chế nghiêm ngặt điều kiện của quá
trình thuỷ phân: về nhiệt độ, áp suất, môi trường phản ứng.
Phương pháp này đã đươc dùng để tổng hợp nên các oxit phức hợp như
YOHCO
3
, CoFe
2
O
4

Phương pháp đồng kết tủa:
Phương pháp thực chất là tạo ra những oxit phức hợp thông qua các dạng
kết trung gian. Yêu cầu quan trọng trước hết của phương pháp này là hoá chất
phải thật tinh khiết. Phản ứng tiến hành trong môi trường khí quyển trơ, các dung
dịch chuẩn bị cho phản ứng đều phải được loại O
2
cẩn thận. ưu điểm của phương
pháp là không sử dụng hệ tác nhân bề mặt:
Khi sol nước của hạt không chứa tác nhân bề mặt thì người ta có thể sử
dụng trực tiếp, ví dụ như chèn trực tiếp vào những lớp phim polyme siêu mỏng
trong ứng dụng vật liệu quang từ.
Qui trình phản ứng như sau [12]:
9
Chú thích:
1 – Van N
2

2, 9 – Bình điều nhiệt
3 - Dung dịch Fe
2+
, Fe
3+
4 – Dung dịch kiềm
5 – Nhiệt kế
6 – Bình phản ứng
7 – Que khuấy
8 – Sinh hàn
Mở van N
2
sục vào dung dịch 3 chứa Fe
2+
, Fe
3+
và dung dịch 4 chứa
NaOH, trộn lẫn 2 dung dịch và đưa vào bình phản ứng 6. Lắp sinh hàn và nhiệt
kế, que khuấy. Nhiệt độ phản ứng được duy trì bởi bể ổn nhiệt 2 và 9. Kết tủa
đen được hình thành ngay lập tức, khuấy mạnh trong 2h, sản phẩm được tạo
thành đem lọc rửa và đem làm khô.
Sử dụng dung dịch Fe
2+
, Fe
3+
0,25M và dung dịch NaOH 0,05M . Bình
phản ứng 6 có chứa sẵn nước cất ở 80
0
C. Khuấy trong 2 giờ ở 80
0

C. Tác giả đã
nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ về số mol Fe
2+
/Fe
3+
đến kích thước hạt:
 Mẫu 1: Fe
2+
/Fe
3+
= 0,5
 Mẫu 2: Fe
2+
/Fe
3+
= 1
Và đã thu được kết quả như sau:
Mẫu 1: hình cầu, phân bố kích thước hẹp; d = 5,9 nm
Mẫu 2: dạng hạt gần giống hình lập phương; d =12,8 nm
Kích thước hạt ở mẫu 2 lớn hơn mẫu 1, do trong mẫu 2 có sự oxi hoá
chậm lượng dư Fe (II) Fe(III):
Fe
2+
+ 2 OH
-
 Fe(OH)
2
Fe(OH)
2
> Fe

3
O
4
+ H
2
O
Bán kính ion Fe
2+
( 0,74 A
0
) lớn hơn bán kính ion Fe
3+
( 0,64 A
0
), do đó
lượng dư Fe
2+
là nguyên nhân gây ra sự tăng kích thước hạt.
Một số lưu ý khi tiến hành phương pháp đồng kết tủa:
+ Tỉ lệ Fe
2+
/Fe
3+
: Do các muối Fe
2+
rất dễ bị oxi hoá nên thực tế thường
lấy tỉ lệ về số mol Fe
2+
/Fe
3+

> 0,5. Tuy nhiên nếu hoá chất tinh khiết đến 99.9 %
10
Hình: Mô hình phản ứng theo
phương pháp đồng kết tủa
O
2
và các biện pháp ngăn ngừa sự oxi hóa được tiến hành một cách nghiêm ngặt
thì nên lấy đúng tỉ lệ hợp thức nhằm mục đích tạo ra hạt sắt từ đơn pha.
+ Bazơ: Do khả năng phân cực cao của những cation kim loại kiềm hoặc
dung dịch NH
3
, do năng lượng bề mặt cao của các hạt nano sắt từ nên các hạt
thường bị kết tụ. Để ngăn ngừa hiện tượng này, người ta đã tiến hành rất nhiều
các phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp đó là sử dụng
TAMOH (tetrametyl amoni hidroxi) thay cho NaOH, NH
4
OH, vì cation
N(CH
3
)
4
+
có khả năng phân cực hoá thấp.
+ Nồng độ: Nồng độ tác nhân phản ứng nên

0,1M. Nếu nồng độ quá
đặc, hạn chế sự tham gia của H
2
O vào trong quá trình phản ứng do đó làm tăng
khả năng kết tụ.

+Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của tinh thể do đó
ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt. Nhiệt độ tăng, thời gian tiến hành
phản ứng giảm, kích thước hạt tăng, hình dạng hạt thay đổi.
+ Anion: Không nên dùng SO
4
2-
, PO
4
3-
bởi đây là những anion có điện
tích lớn, khả năng phân cực hoá cao.
Phương pháp vi nhũ
Nguyên tắc của phương pháp là tổng hợp hạt sắt từ trong một hệ vi nhũ
W/O (Water/Oil) tức hệ vi nhũ nước trong dầu. Trong đó dầu là môi trường liên
tục. Những hạt nước có kích thước rất nhỏ bền trong dầu chính là nơi phản ứng
xảy ra để tạo ra hạt sắt từ. ưu điểm của phương pháp là hạt tạo ra phần lớn có
dạng hình cầu.
*Cơ chế tạo hệ vi nhũ:
Hệ vi nhũ thường bao gồm một pha hữu cơ đóng vai trò làm dung môi,
một chất hoạt động bề mặt và một chất tan trong H
2
O. Phần đầu phân cực của
chất hoạt động bề mặt phân tán trong H
2
O và phần đuôi không phân cực phân
tán trong pha hữu cơ.
*Giới thiệu một số hệ vi nhũ:
a. Hệ gồm H
2
O/AOT/ n-heptan

Trong đó AOT là Natri bis (2-etyl hexyl sunfo sucxinat) đóng vai trò làm
tác nhân bề mặt.
b. Hệ gồm H
2
O/ C
2
H
5
OH/ DBS/ toluen
Pha hữu cơ là toluen, tác nhân bề mặt là dodexyl benzen sunfonat
C
12
H
25
C
6
H
6
(SO
3
Na), C
2
H
5
OH là tác nhân phụ có vai trò tương tự như một chất
hoạt động bề mặt. C
2
H
5
OH tan vô hạn trong nước, nhóm etyl không phân cực

giúp phân tán tốt hơn trong pha hữu cơ.
11
*Phương pháp vi nhũ:

®¸nh tan trong bÓ siªu ©m
®¸nh tan trong bÓ siªu ©m

Sơ đồ tổng hợp hạt oxit sắt từ bằng phương pháp vi nhũ
Trộn lẫn 2 hệ vi nhũ trong môi trường khí quyển N
2
, khuấy tốc độ cao.
Sản phẩm được li tâm, rửa, làm khô trong chân không.
- Tổng hợp vật liệu:
+ Hóa chất và dụng cụ:
Hóa chất:
- Styren C
8
H
8
(C
6
H
5
-CH=CH
2
) (St - Trung Quốc): d
4
20
= 0,906 - 0,909 g/ml,
M= 104,15.

- Divinylbenzene (p-C
6
H
4
(HC=CH
2
)
2
) (DVB - Merck), d
4
20
= 0,9162
g/ml, M=130,19 g/mol.
- Benzoyl peroxit (BPO - Trung Quốc)
- FeCl
2
.4H
2
O, FeCl
3
.6H
2
O (Trung Quốc)
- Dung dịch NH
3
, NaOH, Gelatin (Trung Quốc)
- Metanol (Trung quốc)
- Etanol (Việt Nam)
- Nước cất
- Dầu Diezel (Petrolimex), tỷ trọng ở 15

o
C: 0,87
- Xăng A92, A95 (Petrolimex), tỷ trọng ở 15
o
C: 0,76
- Dầu DO (Petrolimex), tỷ trọng ở 15
o
C: 0,92
- Toluen (Merk)
Dụng cụ:
Bể điều nhiệt, cân phân tích, tủ sấy, máy khuấy, nhiệt kế, bình cầu ba cổ, cốc
thuỷ tinh, bình tam giác, pipet và các dụng cụ khác.
12
Dung dịch FeCl
2
, FeCl
3

trộn theo tỉ lệ 1:1
Chất hoạt động bề mặt/ pha
hữu cơ
Hệ vi
nhũ I
Dung dịch của một bazơ ví dụ
như NH
4
OH hay NaOH
Hệ vi
nhũ II
Chất hoạt động bề mặt/ pha

hữu cơ
Tổng hợp hạt ôxit sắt:
Tiến hành pha dung dịch hỗn hợp muối FeCl
3
và FeCl
2
trong nước cất với
các nồng độ C
M
FeCl3
= 0,24M, và C
M
FeCl2
= 0.12M, rồi rót vào bình phản ứng
được đặt trong hệ điều nhiệt ở nhiệt độ 50
o
C. Dung dịch NaOH 0,05M rót
vào phễu nhỏ giọt. Trước và trong quá trình phản ứng các dung dịch đều
được sục khí N
2
để ngăn ngừa sự oxi hoá của các ion Fe
2+
, sử dụng máy
khuấy với tốc độ cao với tốc độ nhỏ giọt 2-3 giây/giọt . Hỗn hợp phản ứng
chuyển thành màu đen ngay sau khi nhỏ giọt, pH của phản ứng ổn định từ
10,4 -10,5, tiến hành phản ứng trong 120 phút.
Phản ứng thủy phân:
Fe
2+
+ 2Fe

3+
+ 8OH
-
 Fe
3
O
4
+ 4H
2
O
- Sản phẩm đem lọc tách li tâm, rửa sạch các ion Cl
-
bằng nước cất vài lần (thử
ion Cl
-
bằng kết tủa trong dung dịch AgNO
3
), sau đó rửa kết tủa bằng cồn 96
0
khoảng 2-3 lần.
Mẫu vật liệu oxit sắt thu được sấy khô ở nhiệt độ 70
o
C trong tủ sấy chân không.
Biến tính bề mặt hạt oxit sắt
- Hạt sắt oxit muốn đưa được vào trong polyme phải được biến tính bề
mặt, nếu không chúng sẽ bị lắng và chìm trong dung dịch hỗn hợp phản ứng và
tách ra ngoài. Có rất nhiều phương pháp để biến tính hệ hạt này, chúng tôi sử
dụng phương pháp oleat hóa bề mặt. Phương pháp này có ưu điểm là dễ làm,
axit oleic dễ kiếm và rẻ tiền, đồng thời trong oleic còn có một nối đôi, nó sẽ dễ
dàng tạo liên kết và tăng khả năng tương hợp với các polyme hơn.

Do năng lượng bề mặt cao nên các hạt sắt từ thường bị kết tụ. Điều kiện
ứng dụng đòi hỏi không có sự kết tụ mà phải phân tán được. Muốn vậy lực
tương tác so chuyển động nhiệt, do tương tác đẩy phải mạnh hơn lực hút giữa
các hạt.
Những hạt nano Fe
3
O
4
có kích thước rất nhỏ, thể hiện tính siêu thuận từ ở
nhiệt độ thường (nhiệt độ Curie nhỏ hơn nhiệt độ thường), có nhiều ứng dụng
rất quan trọng trong lĩnh vực y học. Điều kiện ứng dụng là các hạt phải có kích
thước nhỏ hơn 50nm, có sự phân bố kích thước hẹp và bề mặt được bảo vệ bởi
chất có khả năng tương hợp sinh học cao. Với lớp áo khoác bên ngoài ngăn cản
sự kết tụ, đồng thời làm tăng khả năng tương hợp sinh học, vật liệu siêu thuận
từ được sử dụng để làm chất dẫn thuốc, sử dụng trong lĩnh vực ghi hình ảnh
cộng hưởng từ
Một số phương pháp ổn định, bảo vệ hạt ôxit sắt từ
* Khi kích thước hạt nhỏ đến một giới hạn nhất định, hạt thể hiện tính
13
siêu thuận từ, hạt siêu thuận từ có rất nhiều ứng dụng nên các nhà khoa học chủ
yếu tập trung nghiên cứu phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thuận từ. Sau đây là
một số phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thuận từ SPION (super paramagnetic
iron oxide nanoparticles).
Phương pháp 1:
Sử dụng dung dịch natrioleat để có thể tạo ra được huyền phù bền, với
nồng độ 2.10
-4
thì vừa vặn tạo ra một lớp đơn hấp phụ trên bề mặt hạt sắt từ.
Hệ gồm SPION và dung dịch natrioleat được phân tán trong bể siêu âm
với cường độ mạnh trong 5’, t

0
là 80
0
C, sau đó được làm lạnh đến nhiệt độ
phòng.
Phương pháp 2:
Năm 1968, sau khi tạo ra hạt oxit sắt từ Fe
3
O
4
băng phương pháp nghiền
cơ học, Papell là người đầu tiên đã tạo được pha phân tán bền của hạt trong axit
oleic/ dung môi hidrocacbon. Sau đó, phương pháp này được sử dụng một cách
rộng rãi. Ngoài axit oleic, còn có thể sử dụng một số axit béo khác nhý axit
stearic.
Trên bề mặt hạt sắt từ có những nhóm -OH, do đó mà giữa hạt sắt từ và
axit cacboxylic có sự hình thành liên kết hoá học. Phần đuôi không phân cực
của axit béo phân tán trong một dung môi hữu cơ không phân cực như toluen
hay n-hexan


Phương pháp 3:
Tinh bột (TB) được sử dụng ngay trong quá trình phản ứng, lớp polime bao
phủ quanh hạt ngăn ngừa sự oxi hoá và tránh sự kết tụ bởi sức căng bề mặt.
Lấy 100 mg TB hoà tan trong 20 ml nước cất ở 80
0
C dưới tác dụng của
máy khuấy từ, 5ml dung dịch chứa 0,1M Fe
2+
và 0,2 M Fe

3+
được rót vào dung
dịch TB đã điều chế. Dùng máy khuấy cơ học tốc độ cỡ 2000 vòng/phút, khuấy
mạnh trong 20 phút để đồng nhất hỗn hợp. Sau đó 25 ml hỗn hợp này được thêm
nhỏ giọt vào 250 ml NaOH 0,1M dưới tác dụng của một máy khuấy cơ học
mạnh ở 60
0
C trong 2h. Sau khi H
2
0 bay hơi 50 % về khối lượng, dung dịch còn
lại được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và để yên trong 12 h gel.
Phương pháp biến tính hạt oxit sắt bằng axit oleic:
- Để ngăn ngừa hiện tượng kết tụ ta sử dụng chất hoạt động bề mặt là
14
Hình 1.9. Axit cacboxylic hấp phụ hoá học trên bề mặt hạt sắt từ
amôni oleat để tạo ra lưu thể bền của hạt sắt từ.
Tiến hành: điều chế dung dịch amoni oleat bằng cách cho axit oleic phản
ứng với dung dịch NH
3
, cho từ từ 25ml dung dịch NH
3
đậm đặc vào 100ml axit
oleic, khuấy đều hỗn hợp cho đến khi tan vào nhau hoàn toàn, lấy dung dịch thu
được để tiến hành hoạt hóa bề mặt hạt oxit sắt.
Đưa hạt sắt từ vào hệ thu được ở trên, khuấy mạnh trong 4h ở 50
0
C. Lưu
thể được tạo thành rất bền, để 30 ngày không lắng.
Thành phần của hệ:
Hạt oxit sắt : 2%

Amôni oleat : 0,6%
Nước cất : 97,4%
- Khi cần sử dụng hạt nano Fe
3
O
4
, cho hệ vào máy ly tâm tốc độ cao, lọc
tách hạt, sấy khô và đưa vào sử dụng.
- Có thể thay thế hệ amoni oleat bằng cách sử dụng trực tiếp axit oleic, sử
dụng bể siêu âm để trộn đều hạt.
Đồng trùng hợp Styren và Divinylbenzen có hạt oxit sắt:
Lắp bình ba cổ 250 ml, ăn khớp với thiết bị khuấy, thiết bị đo nhiệt (bể
điều nhiệt), thiết bị hồi lưu, đường dẫn khí nitơ, được tạo lấp đầy bằng nitơ. Cho
5g chất bảo vệ huyền phù gelatin, sau đó cho 100 ml dung dịch phản ứng gồm
Styren và Divinylbenzen có phân tán hạt ôxit sắt đã được oleat hóa bề mặt trong
monome bằng thiết bị siêu âm. Gia nhiệt đến 90
0
C trong bể điều nhiệt trong khi
duy trì vận tốc khuấy không đổi và cho dòng Nitơ nhẹ nhàng đi vào bình phản
ứng. Chất khơi mào Peroxit benzoyl được thêm vào với lượng khoảng 1% so
với monome, tại thời điểm này là thời điểm bắt đầu của phản ứng. Sau 240 phút
dừng phản ứng kể từ khi cho thêm chất khởi đầu và làm lạnh hỗn hợp xuống
nhiệt độ phòng. Sản phẩm thu được rửa và khuấy trong metanol để loại bỏ các
monome dư, sau đó được lọc và làm khô trong chân không ở 70
o
C tới khối
lượng không đổi.
Phản ứng trùng hợp:
Thử nghiệm khả năng hấp thu và thu hồi dầu của vật liệu
15

Khả năng hấp thụ dầu (mức độ hấp thụ dầu) là thụng số quan trọng nhất
đối với việc chế tạo polyme hấp thụ dầu. Để xác định được mức độ hấp thụ dầu
lấy mẫu sau khi phản ứng kết, tất cả cỏc mẫu thử khả năng hấp thụ dầu đều
được sấy khụ trong chân không trong 2 ngày.
Hệ số hấp thụ dầu (W) được xác định bằng phương pháp trọng lượng.
Cân một lượng xác định (khoảng 2 g) chất hấp thụ đó được sấy khi cho vào túi
chè và ngâm vào trong dầu ở nhiệt độ phòng. Làm túi đối chứng tương tự nhưng
không cho vật liệu hấp thụ dầu để xác định được sự tăng khối lượng của túi có
chất hấp thụ dầu. Sau một khoảng thời gian nhất định lấy túi mẫu ra khỏi dầu và
để ráo hết dầu trong 1 phút cân chính xác khối lượng túi mẫu. Tiến hành cân
cho đến khi khối lượng túi chứa vật liệu hấp thụ dầu không tăng lên nữa thì
dừng lại.
Để xác định khả năng hấp thụ dầu (lượng dầu hấp thụ đó bão hòa) thông
thường cho hấp thụ khoảng trên 4 giờ, có thể ngâm tới 24 giờ tuy nhiên chú ý
khả năng bay hơi của dầu kết quả sẽ không còn chính xác. Xác định trọng lượng
mẫu thu được. Hệ số hấp thụ dầu được tính theo công thức:
%100
1
12
x
m
mm
W

=
Trong đó: m
2
và m
1
là khối lượng chất trước và sau khi hấp thụ dầu.

Các mẫu vật liệu được chúng tôi chế tạo đều được đem xác định mức độ
hấp thụ dầu.
Thử nghiệm khả năng hấp thụ dầu của vật liệu với các loài dầu khác
nhau, chúng tôi thu được bảng số liệu sau:
Khả năng hấp thu các loại dầu khác nhau của vật liệu
Dầu hấp thu (g/g) Toluen Xăng A92 Diezen DO
St-DvB + 4% Fe
3
O
4
10.1 9.4 6.7 5.8
16
Vật liệu sau khi hấp thu dầu đến cân bằng được chúng tôi sử dụng hơi
nước quá nhiệt để tách loại dầu. Tiếp tục cân, nghiên cứu khả năng hấp thu dầu
và so sánh với mẫu ban đầu, kết quả thu được trên bảng dưới đây:
Khả năng hấp thu dầu lại của vật liệu nanocomposite giữa St-DvB với hạt
nano Fe
3
O
4
.
Tỷ lệ hạt Fe
3
O
4
(%)
trong vật liệu
Khả năng hấp thu dầu DO Khả năng hấp thu xăng A92
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3
4,00 5,8 5,5 4,8 9,6 8,5 7,6

Vật liệu hấp thụ dầu được chúng tôi nghiên cứu đã được thử nghiệm khả năng
hấp thụ dầu và khả năng thu gom sau khi hấp thụ dầu trong phòng thí nghiệm.
Với vật liệu là Poly Styren-Divinyl Benzen - có phân tán 4% hạt nano Fe
3
O
4
, dầu
được đem xử lý là dầu DO, sử dụng nam châm vĩnh cửu để thu gom dầu trong
nước muối loãng 3% (gần giống với hàm lượng muối trong nước biển). Kết quả
thu được thể hiện trên các ảnh chụp.
Vật liệu hấp thu dầu Dầu DO khi cho vật
liệu hấp thu xử lý dầu
Sau khi cho vật liệu
hấp thụ dầu 15 phút
Dùng thanh nam
châm để gom vật liệu
Vật liệu sau khi bám
trên thanh nam châm
Cốc nước – dầu sau
khi xử lý hấp thụ dầu
Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới:
- Tiếp tục hoàn thiện quy trình chế tạo hạt ôxit sắt, sử dụng them các phương
pháp vi nhũ và phương pháp thủy phân cưỡng chế để tạo hạt ôxit sắt trong
phòng thí nghiệm. So sánh các phương pháp này với nhau để tìm phương
pháp dễ dàng nhất và hiệu quả nhất để tổng hợp hạt ôxit sắt.
- Nghiên cứu biến tính ôxit sắt bằng các tác nhân khác như tinh bột, để có kết
quả so sánh với nhau tìm phương pháp biến tính tối ưu.
17
- Nghiên cứu chế tạo các hệ polyme khác tương tự để xem xét khả năng hấp
thu dầu của vật liệu chẳng hạn hệ polyme của styrene với axit oleic. Từ các

nghiên cứu đó sẽ tìm ra hệ polyme hấp thu dầu tốt nhất
18
Phần IV: Kết luận
Vật liệu hấp thu dầu được tổng hợp bằng phương pháp đồng trùng hợp
huyền phù trong nước giữa Styren và Divinylbenzen với hạt ôxit sắt đã được
oleat hóa bề mặt, chất bảo vệ huyền phù là gelatin. Vật liệu có khả năng hút
dầu tốt (1g vật liệu có thể hút được 5 - 6g dầu nặng DO), tốc độ hút dầu lớn,
giá thành rẻ, không độc hại, thân thiện với môi trường, có thể thu hồi sau khi
sử dụng, có thể tái sử dụng được.
- Có thể thu gom vật liệu sau khi hấp thu dầu bằng nam châm, do có từ tính
nên xu hướng của vật liệu sau khi hấp thu dầu thường kết đám lại với nhau
tạo những mảng lớn. Có thể thay các hạt oxit sắt bằng các hạt mang từ tính
khác tuy nhiên giá thành thường sẽ lớn hơn so với sắt oxit.
- Vật liệu có thể thu gom xử lý những vệt dầu loang, những vết dầu sau khi xử
lý sự cố tràn dầu bằng các phương pháp tổng hợp khác. Với lợi thế thu gom
dầu một cách triệt để nhất để tránh những ô nhiễm xảy ra sau khi thu gom
phần lớn lượng dầu tràn.
- Các nghiên cứu trên mới chỉ là bước đầu, trong thời gian tới chúng tôi sẽ tiếp
tục nghiên cứu them để có những kết quả tốt hơn nữa.
19
Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Tiến Dũng, Lê Hải Đăng, Trương Thị Hoà, Nguyễn Văn Khôi,
Nguyễn Hữu Trịnh (2006), “Tổng hợp hạt nano sắt từ, nghiên cứu tính chất
và ứng dụng”. Kỷ yếu hội thảo: Nâng cao chất lượng nghiên cứu khoa học
và đào tạo giáo viên Hoá học trong giai đoạn mới, Tạp chí khoa học Đại
học Sư Phạm Hà Nội, tr 114 – 119.
2. Nguyễn Hạnh (2005), “Tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp sol-gel,
đặc trưng và khả năng ứng dụng”, Kỷ yếu hội thảo Vật liệu nano và một số
ứng dụng trong Quốc phòng, Tr 52-67.
3. Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hoá học nano công nghệ vật liệu nền và vật

liệu nguồn, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ Hà Nội.
4. Đinh Thị Ngọ (2004), Hoá học dầu mỏ và khí. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
5. Thái Doãn Tĩnh (2005), Hoá học các hợp chất cao phân tử, NXB Khoa học
và Kỹ thuật.
20

×