tổng hợp oxit hỗn hợp hệ mn-fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý as, fe và mn trong nước sinh hoạt

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC










PHẠM NGỌC CHỨC






TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG
ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC














Hà Nội - 2012

2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC

Phạm Ngọc Chức





TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG
DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT






Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60.44.25





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC





Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lƣu Minh Đại

Hà Nội - 2012


4

Mục Lục


Lời cảm ơn
Trang

Mục lục
i

Mục lục các bảng
v

Mục lục các hình
vii

Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt
iv

Mở đầu

Chƣơng

Tổng quan
1
1.1.
Giới thiệu về công nghệ nano
3
1.1.1
Một số khái niệm
3
1.1.2.
Ứng dụng của công nghệ nano
3
1.2.
Nước ngầm và sự ô nhiễm
7
1.2.1.
Sự ô nhiễm As, Fe và Mn
9
1.2.2.
Tác hại của As, Fe, Mn đối với sức khỏe con người
10
1.3.
Các giải pháp xử lý As, Fe, Mn
12
1.3.1.
Phương pháp trao đổi ion
15
1.3.2.
Phương pháp oxi hóa – kết tủa
15
1.3.3.

Phương pháp hấp phụ
16
1.4.
Một số phương pháp điều chế vật liệu nano
16
1.4.1.
Phương pháp gốm truyền thống
17
1.4.2.
Phương pháp đồng tạo phức
17
1.4.3.
Phương pháp đồng kết tủa
17

5
1.4.4.
Phương pháp sol – gel
18
1.4.5.
Tổng hợp đốt cháy gel polyme
18
1.5.
Tổng hợp vật liệu oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích
thước nanomet
19
1.5.1.
Tổng hợp vật liệu oxit sắt
20
1.5.2.

Tổng hợp vật liệu oxit mangan
20
Chƣơng
Các phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm
21
2.1.
Phương pháp tổng hợp vật liệu
22
2.1.1.
Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu
22
2.1.2.
Tổng hợp oxit hỗn hợp Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3

22
2.2.
Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
23
2.3.
Phương pháp hấp phụ
24
2.3.1.
Khái niệm chung

26
2.3.2.
Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
26
2.3.3.
Phương trình động học hấp phụ
27
2.3.4.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir
28
2.4.
Phương pháp xác định sắt, mangan và asen trong dung
dịch
29
Chƣơng
Kết quả và thảo luận
31
3.1.
Vật liệu Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3

33
3.1.1.
Phương pháp tổng hợp vật liệu Mn

2
O
3
– Fe
2
O
3

33
3.1.2.
Lựa chọn nhiệt độ nung
33

6
3.1.3.
Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel
33
3.1.4.
Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại và PVA
34
3.1.5.
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
35
3.2.
Đánh giá khả năng hấp phụ As trên vật liệu Mn
2
O
3
–
Fe

2
O
3

36
3.2.1.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ
38
3.2.2.
Khảo sát sự hấp phụ As trên vật liệu Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
theo
mô hình đẳng nhiệt Langmuir
38
3.3.
Đánh giá khả năng hấp phụ sắt trên oxit hỗn hợp Mn
2
O
3
–
Fe
2
O
3

39
3.4.
Đánh giá khả năng hấp phụ mangan trên oxit hỗn hợp
Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3

43
3.5.
Một Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phu của
vật liệu
46
3.5.1.
Khảo sát ảnh hưởng của pH
48
3.5.2.
Khảo sát ảnh hưởng của các anion SO
4
2-
, Cl
-
, HCO
3
-

và
PO
4
3-

48
3.5.3.
Khảo sát ảnh hưởng của cation NH
4
+
, Mn
2+
và Fe
3+

49
3.6.
Vật liệu oxit phức hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch anh
(TA)
50
3.6.1.
Phương pháp tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp trên nền cát
thạch anh
51
3.6.2.
Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu oxit hỗn hợp
51

7
Mn

2
O
3
– Fe
2
O
3
trên nền cát thạch anh (T.A).
3.6.2.1.
Khảo sát sự hấp phụ As theo mô hình đẳng nhiệt
Langmuir
53
3.6.2.2.
Khảo sát khả năng hấp phụ sắt của vật liệu oxit hỗn hợp
Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/T.A
53
3.6.2.3.
Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của vật liệu oxit hỗn
hợp Mn
2
O
3

– Fe
2
O
3
/T.A
56

Kết luận
57

Danh mục các công trình của tác giả
59

Tài liệu tham khảo
60

Phụ lục
61

8
Mục lục các bảng


Trang
Bảng 1.1
Dung lượng hấp phụ As của oxit sắt và oxit mangan
21
Bảng 3.1
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ As(III)
trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
.
38
Bảng 3.2
Dung lượng hấp phụ As(III) trên Mn
2
O
3
– Fe

2
O
3
kích
thước nanomet
39
Bảng 3.3
Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
kích
thước nanomet
41
Bảng 3.4
Dung lượng hấp phụ của một số oxit nano
43
Bảng 3.5
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe(III)
trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O

3

44
Bảng 3.6
Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
kích
thước nanomet
45
Bảng 3.7
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II)
trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
.
46
Bảng 3.8
Dung lượng hấp phụ Mn(II) trên Mn
2

O
3
– Fe
2
O
3
kích
thước nanomet
47
Bảng 3.9
Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ asen của vật
liệu oxit hỗn hợp Fe
2
O
3
– Mn
2
O
3
.
48
Bảng 3.10
Ảnh hưởng của anion đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối
với As(V)
49

9
Bảng 3.11
Ảnh hưởng của cation đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối
với As(V)

50
Bảng 3.12
Kết quả xác định hàm lượng sắt, mangan trên cát thạch
anh.
53
Bảng 3.13
Dung lượng hấp phụ As(III) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/ T.A.
54
Bảng 3.14
Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/ T.A
55
Bảng 3.15
Dung lượng hấp phụ Fe(III) trên Mn
2

O
3
– Fe
2
O
3
/ T.A.
56
Bảng 3.16
Dung lượng hấp phụ Mn(II) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/ T.A.

57

10
Mục lục các hình


Trang
Hình 2.1
Sơ đồ chế tạo vật liệu
23
Hình 2.2
Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng
hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C
1
> C
2
)
29
Hình 2.3
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc C
f
/q vào C
f

31

Hình 3.1
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu nung ở nhiệt độ khác
nhau
34
Hình 3.2
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được tổng hợp ở pH
khác nhau
35
Hình 3.3
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được chế tạo ở tỷ lệ
Fe/Mn khác nhau
36
Hình 3.4
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel
khác nhau
37
Hình 3.5
Ảnh SEM của mẫu nung ở 550
0
C
37
Hình 3.6
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với As
39
Hình 3.7
Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên Mn
2
O
3
– Fe

2
O
3
kích
thước nanomet
40
Hình 3.8
Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
kích
thước nanomet
41
Hình 3.9
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với Fe
44
Hình 3.10
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3

kích
thước nanomet
45

11
Hình 3.11
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với Mn
47
Hình 3.12
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
kích
thước nanomet.
48
Hình 3.13
Sơ đồ tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe trên nền
cát thạch anh.
52
Hình 3.14
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu oxit hỗn hợp
53
Hình 3.15
Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên Mn
2

O
3
– Fe
2
O
3
/T.A
54
Hình 3.16
Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/T.A
55
Hình 3.17
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/T.A
56

Hình 3/18
Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên Mn
2
O
3
– Fe
2
O
3
/T.A
58












12
Các chữ, ký hiệu viết tắt
XRD
Phương pháp nhiễu xạ tia X
SEM
Kính hiển vi điện tử quét
CS

Tổng hợp đốt cháy
SHS
Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng
PVA
Poly vinyl alcohol
BET
Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
KL/PVA
Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol
T.A
Cát thạch anh












13
MỞ ĐẦU
Xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay là nghiên cứu các đối tượng
nhỏ bé có kích thước tiến đến kích thước của nguyên tử. Vật liệu có kích thước
nanomet, thường được gọi là vật liệu nano gần đây đã trở thành một trong những

hướng nghiên cứu nổi bật nhất trong lĩnh vực hóa học, vật lí và y học của thế
giới. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano được phân chia thành phương
pháp vật lí và phương pháp hóa học. Các phương pháp vật lí bao gồm phương
pháp nhiệt hóa, phương pháp nhiệt phân dạng phun sương, phương pháp ngưng
tụ pha, phương pháp nhiệt phân ngọn lửa… Phương pháp hóa học bao gồm một
số phương pháp như thủy phân, kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp
tổng hợp đốt cháy… Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp hóa học có tính
đồng nhất, kích thước hạt và hình thái học tốt hơn so với vật liệu được tổng hợp
bằng phương pháp vật lí. Trong số các phương pháp tổng hợp hóa học, phương
pháp tổng hợp đốt cháy ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong chế tạo vật liệu
nano, vật liệu gốm mới, chất xúc tác, compozit. Quá trình tổng hợp được thực
hiện trên cơ sở phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt giữa hợp phần kim loại và hợp
phần không kim loại, quá trình phản ứng tạo ra nhiệt độ cao, diễn ra trong thời
gian ngắn cho sản phẩm hạt có kích thước nanomet. Những đặc tính này làm cho
tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu với
chi phí thấp hơn so với phương pháp khác.
Vật liệu nano có diện tích bề mặt rất lớn cho phép các hạt nano tham gia
phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa học, không giống
như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản
ứng hoá học. Trong lĩnh vực xử lí môi trường, việc sử dụng các vật liệu nano
làm chất hấp phụ được phát triển từ cuối thế kỷ XX. Những nghiên cứu đã công
bố cho thấy oxit nano của kim loại chuyển tiếp như sắt, mangan, titan có khả
năng tách loại rất tốt các kim loại nặng và một số hợp chất hữu cơ. Việc nghiên

14
cứu chế tạo oxit có kích thước nano, ứng dụng hấp phụ các chất gây ô nhiễm
nước như asen, sắt, mangan là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích
thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt ”
Trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi nghiên cứu tổng hợp oxit

phức hợp hệ Mn – Fe và ứng dụng để xử lý asen, sắt, mangan trong nước sinh
hoạt.


















15
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về công nghệ nano
1.1.1. Một số khái niệm
Công nghệ nano
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người
Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu
của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật
ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario
Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả

năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.
Công nghệ nano bao gồm việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc,
thiết bị hay hệ thống ở kích thước nanomet (1nm = 10
-9
m).
Trong công nghệ nano, nghiên cứu vào sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử
có kích thước nanomet (10
-9
m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc
chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin.
Trước đây, thuật ngữ này được sử dụng với ý nghĩa hẹp hơn, ám chỉ các kĩ
thuật sản suất và đo đạc các thực thể với kích thước nhỏ hơn 100 nm.
Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là công nghệ bao
hàm nghiên cứu cơ bản về cấu tử có độ lớn nằm giữa 1nm và 100 nm. Để hiểu rõ
hơn định nghĩa, ta có thể nêu ra một số ví dụ của thế giới nano. Chẳng hạn
những hạt muội than từ một thế kỷ nay là phụ gia không thể thiếu cho vật liệu
cao su làm lốp xe vì nó tạo độ bền cần thiết cho vật liệu. Vậy từ lâu vật liệu nano
đã đi vào cuộc sống thường nhật của chúng ta. Một số chất dùng trong tiêm
chủng cũng thuộc “nano” bởi vì chúng chứa một hoặc một vài chủng protein,

16
nghĩa là các phần tử vĩ mô cỡ nanomet. Nhưng ta không thể xếp chúng vào công
nghệ nano được. Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống
nano, hạt nano được điều chế bằng nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật
liệu có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là
do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này [20].
Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm về vật liệu nano
Vật liệu nano (nano materials)
Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano. Khó
có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song

người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời điểm mà các
nhà vật lý, hoá học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên
cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có kích thước nanomet.
Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tích chất điện, hoá, cơ, quang, từ
khác rất nhiều so với vật liệu khối thông thường [11; 12]. Ví dụ fulleren C
60
gồm
12 mặt ngũ giác đều, 20 mặt lục giác đều, mỗi C có lai hoá sp
2
, do đó có hệ
electron  giải toả đều cả mặt trong và mặt ngoài của phân tử hình cầu, tương tự
như hệ electron  giải toả trên lớp graphit. Người ta xem fulleren là dạng hình
cầu của graphit. C
60
kết tinh dạng tinh thể lập phương tâm diện màu đỏ tía, tan
tốt trong dung môi không phân cực, có khả năng thăng hoa. Tinh thể C
60
được
biến tính bởi kim loại kiềm hay kiềm thổ (K
3
C
60
, CsRb
2
C
60
) có tính siêu dẫn ở
nhiệt độ cao (333K). Màng mỏng C
60
có thể bị hidro hoá, metyl hoá, halogel hoá,

trong đó các nhóm thế nằm ở mặt ngoài. Nó tạo thành phức chất với kim loại
chuyển tiếp như C
60
O
2
Os
2
(4-t-butylpyridin)
2
, C
60
Ir(CO)Cl(PH
3
)
2

Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các
nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua có kích thước
trong khoảng 1-100 nm; Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao

17
quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại). Như vậy vật liệu
nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc
của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước
nanomet.
Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ (chỉ
lớn hơn kích thước phân tử 1 – 2 bậc) nên hầu hết các nguyên tử tự do thể hiện
toàn bộ tính chất của mình khi tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi
ở vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn
các nguyên tử nằm sâu trong thể tích của vật, bị các nguyên tử ở lớp ngoài che

chắn. Do đó có thể chờ đợi ở các vật liệu nano những tính chất khác thường sau:
- Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng
bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano, do đó khi làm thay đổi cấu hình của
vật liệu ở thang nano ta có thể điều khiển được các tính chất của vật liệu theo ý
muốn mà không cần thay đổi thành phần hoá học của nó [23].
- Vật liệu có cấu trúc nano có tỷ lệ diện tích bề mặt rất lớn cho phép các
hạt nano tham gia phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa
học, không giống như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm
xúc tác cho các phản ứng hoá học, thiết bị lưu trữ thông tin. Các chất xúc tác có
cấu trúc nano sẽ làm tăng hiệu suất của các phản ứng hoá học và các quá trình
cháy, đồng thời sẽ làm giảm tới mức tối thiểu phế liệu và các chất khí gây hiệu
ứng nhà kính. Hơn nữa một nửa số dược phẩm mới đang dùng để chữa trị hiện
nay đều ở dạng các hạt có kích thước micromet và không tan trong nước, nhưng
nếu kích thước được giảm xuống thang nanomet thì chúng sẽ rất dễ dàng được
hoà tan. Vì vậy, vật liệu nano sẽ tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ trong việc sản
suất các loại thuốc mới với hiệu quả cao và dễ sử dụng hơn [23].

18
- Tốc độ tương tác, truyền tin giữa các cấu trúc nano nhanh hơn rất nhiều
so với cấu trúc micro và có thể sử dụng tính chất ưu việt này để chế tạo ra hệ
thống thiết bị truyền tin nhanh với hiệu quả năng lượng cao [6].
- Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano, nên nếu
các bộ phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt chước tự
nhiên thì chúng dễ dàng tương thích sinh học [6].
Những tính chất khác thường trên đang là đối tượng khám phá của các nhà
khoa học. Vấn đề này thuộc “Hiệu ứng kích thước” (size effect).
Những nghiên cứu về vât liệu nano hiện đang dừng ở mức khảo sát và
thăm dò, nghĩa là tìm phương pháp điều chế rồi khảo sát cấu tạo và tính chất sản
phẩm thu được, tích luỹ dữ kiện. Những nghiên cứu lí thuyết mô hình hoá các
loại vật liệu nano mới và tính chất của chúng đã xuất hiện nhưng chưa nhiều, và

kết quả chưa được kiểm chứng vì dữ kiện thực nghiệm còn nghèo.
Hiện nay các vật liệu nano được phân loại như sau:
- Vật liệu nano trên cơ sở cacbon như ống cacbon
- Các loại vật liệu không trên cơ sở cacbon: vật liệu kim loại, vật liệu oxit,
vật liệu xốp
- Các phân tử tự tổ chức và tự nhận biết.
Hoá học nano
Hoá học nano là khoa học nghiên cứu các phương pháp tổng hợp và xác
định tính chất của vật liệu nano [6].
Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương pháp
tổng hợp hoá học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa
trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá, phản ứng vận
chuyển, sol – gel [25; 26] Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu
nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay

19
các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng
vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo ra không gian thích hợp, vừa có
thể định hướng cho sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa các các
phân tử với nhau. Ngày nay người ta đã dùng các khuôn là các ion kim loại, các
mixen được tạo thành bởi các chất hoạt động bề mặt, các màng photpholipit [22].
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano
Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ hứa hẹn sẽ
“thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tính chất nổi trội và mới lạ.
Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống kinh tế xã
hội, nhưng bên cạnh đó cũng có những thách thức đặt ra về thảm họa môi trường
và khả năng phát triển vũ khí loại mới với sức tàn phá không gì so sánh nổi. Tuy
nhiên, con người ngày nay đã hướng nhiều hơn với cái thiện nên chúng ta có thể
hy vọng là công nghệ nano sẽ mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều hơn.
Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông

tin và truyền thông
Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như
điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở
số lượng các transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên
một con chíp tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện,
dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế lên nhiều lần.
Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu mỏng
mới. Ngoài ra công nghệ nano còn mở ra cho công nghệ thông tin một triển vọng
mới: chế tạo linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với
transitor, đó là các chấm lượng tử được chế tạo ở mức độ tinh vi, mỗi chiều chỉ
có 1nm thì một linh kiện cỡ 1 cm
3
sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ
thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể lưu giữ trong đó [21].

20
Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ
thông tin. Lĩnh vực này cũng đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như
một số linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình tinh
thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet.
Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học
Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị
cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng
trăm các dược liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các
protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các
động cơ sinh học mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử protein, tạo ra
các chíp sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ
truyền đạt thông tin như bộ não.
Công nghệ nano sinh học còn có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra
một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ

thuật chuẩn đoán, liệu pháp và chiếu chụp ở cấp độ tế bào với độ phân giải cao
hơn độ phân giải của chụp hình cộng hưởng từ.
Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây như: kính
hiển vi đầu dò quét (SPM), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) cho phép quan sát
trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển động
của phân tử ở thời gian thực bên trong một động cơ cấp phân tử [27].
Hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh
vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức
khoẻ, tăng tuổi thọ con người
Công nghệ nano với vấn đề môi trƣờng
Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần
đây. Các kim loại dạng bột mịn như Fe, Mn, Zn thể hiện hoạt tính cao với các
hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước. Điều này dẫn tới việc sử dụng

21
thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch nước ngầm. Các
oxit kim loại nano với sự phân huỷ của chất hấp phụ, do đó các vật liệu mới này
được gọi là các “chất hấp thụ phân huỷ”. Chúng được sử dụng trong việc xử lí
khí, phá huỷ các chất độc hại [28,29].
Công nghệ nano với vấn đề năng lƣợng
Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại
và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền
thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế
là một nhiệm vụ cấp bách đặt ra. Năng lượng mặt trời có thể chuyển hoá trực
tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể
được tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân huỷ nước. Các quá trình trên đạt hiệu
quả cao khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ hidro được thực hiện khi sử
dụng các vật liệu ống nano [30,31].
Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu
Vật liệu compozit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần,

sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối
lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác với ánh sáng và
các bức xạ khác. Các vật liệu gốm compozit được sử dụng làm lớp mạ trong điều
kiện cơ, nhiệt khắc nhiệt. Các lớp mạ tạo bởi các hạt nano có các tính chất khác
thường như thay đổi màu khi có dòng điện đi qua. Các loại sơn tường chứa các
hạt nano làm tăng khả năng chống bám bụi. Trên thị trường đã xuất hiện loại
thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi [21].
1.2. Nƣớc ngầm và sự ô nhiễm
Nhu cầu của nước trong sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự
phát triển của con người, ở đâu có nước thì ở đó mới có sự sống. Thực tế lượng
nước dự trữ trên trái đất thật là hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn. Để đáp ứng
nhu cầu dùng nước con người không ngừng khai thác các nguồn nước và cách xử

22
lý nguồn nước. Nước khai thác gồm hai loại có nguồn gốc khác nhau là nước
mặt và nước ngầm. Nước mặt là nước trong sông, hồ, ao, suối. Nước sông chảy
qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế lẫn nhiều tạp chất (nhất là vào mùa lũ) có
nhiều chất hữu cơ, rong tảo, vi trùng, dễ bị ô nhiễm. Nước ao, hồ tuy có hàm
lượng tạp chất hơn nước sông nhưng độ màu và phù du rong tảo nhiều hơn.
Nguồn nước ngầm có được là do sự thẩm thấu của nước mặt, nước mưa, nước
trong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nước trong lòng đất.
Trong quá trình thẩm thấu một phần nước bị giữ lại ở các khe núi hay các lỗ xốp
của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nước. Thông thường, nước ngầm di
chuyển qua một số lớp như: sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi, cho đến
tầng không ngấm nước (đất sét và hoàng thổ). Nước ngầm ở Việt Nam nói chung
có hàm lượng muối cao, hàm lượng Fe, Mn, Mg cũng cao hơn so với trên thế
giới [1,2]. Nước ngầm có ưu điển là tính ổn định hơn nước mặt. Nước ngầm có
hàm lượng chất hữu cơ thấp, vi trùng hầu như không có, các thành phần tương
đối ổn định và ít bị ô nhiễm. Cũng như nước mặt, khi khai thác nước ngầm ngoài
chất lượng nước, những thông số khác như mực nước tĩnh, mực nước động (thay

đổi do bơm khai thác) cần được quan tâm. Việc chọn nguồn nước là một quá
trình rất phức tạp, ngoài vấn đề kinh tế thì việc đánh giá chất lượng nước luôn
được xem là quan trọng. Việc đánh giá thường được thực hiện thông qua một số
chỉ tiêu của nước, qua đó có thể xác định công nghệ xử lý thích hợp tuỳ theo
những khu vực nhất định có nhũng điều kiện cụ thể mà cần đánh giá khảo sát
cho phù hợp.
1.2.1. Sự ô nhiễm As, Fe và Mn
Việc chuyển từ dùng nước mặt do bị nhiễm bẩn trầm trọng sang dùng nước
ngầm đã tạo ra một sự cải thiện quan trọng về vệ sinh dịch tễ song chưa lường
trước được sự nhiễm asen, các kim loại nặng và các hợp chất độc hại khác, chủ
yếu do nguồn gốc tự nhiên.

23
Nước tự nhiên là nước được hình thành dưới ảnh hưởng của quá trình tự
nhiên, không có tác động của nhân sinh. Do có tác động của nhân sinh, nước tự
nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng
của nước. Các khuynh hướng làm thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh hưởng
hoạt động kinh tế của con người là [1,2,7,9]:
- Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H
2
SO
4
, HNO
3
từ khí quyển, tăng
hàm lượng SO
4
2-
, NO
3

-
trong nước.
- Tăng hàm lượng của các ion Ca, Mg, Si trong nước ngầm và nước sông do mưa
hòa tan, phong hóa cacbonat.
- Tăng hàm lượng của các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên như: Pb, Cd,
Hg, As, Zn.
- Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi từ khí
quyển và từ các chất thải rắn vào môi trường nước cùng nước thải.
- Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy bằng con đường sinh học
(các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu ).
- Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình oxi hóa có liên
quan tới quá trình sống của các vi sinh vật, các nguồn chứa nước và khoáng hóa
các hợp chất hữu cơ.
Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Nguồn
nước chủ yếu được khai thác là nước ngầm. Nước ngầm thường chứa các chất
có hại cho sức khỏe của con người như các kim loại, hợp chất lưu huỳnh, hợp
chất nitơ, halogel và một số các hợp chất khác. Theo thống kê chưa đầy đủ cả
nước hiện nay có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng
độ asen, sắt, mangan cao hơn nhiều lần nồng độ cho phép.
Các dạng As trong nước ngầm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái và tính chất
của nước. Dạng As tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là H
2
AsO
4
-
(trong môi

24
trường pH đến gần trung tính), HAsO
4

2-
(trong môi trường kiềm). Hợp chất
H
3
AsO
3
được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi – hóa khử yếu. Các hợp
chất As hữu cơ có độ hòa tan kém hơn, đặc biệt là phức asen-acid fulvic trong
môi trường có pH trung tính và nghèo Ca. Tại những vùng trầm tích núi lửa, một
số khu vực quặng phong hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu – khí, mỏ than
thường giàu asen.
1.2.2. Tác hại của As, Fe, Mn đối với sức khỏe con ngƣời
Asen (còn gọi là thạch tín)
Asen là một nguyên tố phân tán trên trái đất, hầu như có mặt trong tất cả các
mẫu đất đá, khoáng vật và trong các mẫu động thực vật. Asen tồn tại trong tự
nhiên thường ở dạng As(III) và As(V) trong đó trạng thái As(III) thường độc hơn
trạng thái As(V).
Từ lâu con người đã biết đến ô nhiễm asen qua đường hô hấp và qua đường
tiêu hóa. Về mặt sinh học, asen ảnh hưởng đến thực vật như một chất ngăn cản
quá trình trao đổi chất, làm giảm năng suất cây trồng, đặc biệt trong môi trường
thiếu photpho. Đối với con người asen tích luỹ trong gan, thận, hồng cầu,
hemoglobin và đặc biệt tụ tập trong não, xương, da, phổi, và tóc. Hiện nay người
ta có thể dựa vào hàm lượng asen trong cơ thể con người để tìm hiểu hoàn cảnh
và môi trường sống, nếu như hàm lượng asen trong tóc nhóm dân cư khu vực
nông thôn trung bình là 0,4-1,7 ppm, thì ở khu vực thành phố công nghiệp là 0,4-
2,1 ppm, còn ở khu vực ô nhiễm nặng 0,6-4,9 ppm [1,5].
Sự ô nhiễm asen (arsenicosis) xuất hiện như một thảm họa môi trường đối với
sức khỏe con người. Điểm đặc biệt nguy hiểm là cả hai dạng As(III) và As(V)
đều là các chất dễ hòa tan trong nước và không màu, không vị do đó không thể
phát hiện bằng trực giác. Chính vì thế mà các nhà khoa học gọi chúng là “sát thủ

vô hình”. Đáng tiếc là mặc dù đã tốn rất nhiều đầu tư trong y học nhằm tìm kiếm

25
thuốc và phác đồ điều trị các bệnh liên quan đến nhiễm độc asen nhưng cho đến
nay cộng đồng y học thế giới vẫn chưa tìm ra một giải pháp hữu hiệu nào.
Asen(III) thể hiện độc tính vì nó tấn công vào các nhóm hoat động –SH của
enzym, làm đông tụ các protein, cản trở hoạt động của enzym: [1,2,6,7]







Ion PO
4
3-
cùng với enzym tạo ra ATP (adennozintriphotphat) là chất sinh ra
năng lượng.






Nếu có mặt AsO
4
3-
thì quá trình phụ xẩy ra, tạo thành 1-arseno, 3-
photphat, glyxerat do đó không hình thành và phát triển ATP:

SH S
[Enzym] + AsO
3
3-

[Enzym] As – O
-
+ 2OH
-
S S

S S

CH
2
– OPO
3
2-
CH
2
– OPO
3
2-


CH – OH CH – OH
+ PO
4
3-

C = O C = OOPO Enzym ATP

H OPO
3
2-

Glyxeraldehit, 3-photphat 1, 3-diphotphat, glyxerat
CH
2
– SH CH
2
– S

CH
2
CH
2
AsO
-
+ 2OH
-


CH
2
– SH + AsO
3
3-
CH
2

– S

(CH
2
)
5
(CH
2
)
5


C = O C = O

Protein Protein
dihidrolipoic – protein (phức bị thụ động hóa)

26






Tóm lại, tác dụng hóa sinh chính của asen là: làm đông tụ protein, tạo phức
với enzym và phá hủy quá trình photphat hóa tạo ra ATP.
Các chất chống tính độc của asen là các hóa chất có chứa nhóm –SH như 2,3-
dimecaptopropanol (HS-CH
2
-CH(SH)-CH

2
OH), chất này có khả năng tạo liên
kết với AsO
4
3-
nên không còn để liên kết với nhóm –SH trong enzym.
Các nhà khoa học thế giới đã nhận định tình hình ô nhiễm asen ngày càng gia
tăng đặc biệt là ở các quốc gia như ấn Độ, Đài Loan, Arhentina, Trung Quốc,
Mông Cổ, Mehico, Thái Lan, Bangladesh, Mỹ, Campuchia, Việt Nam.
Ở Việt Nam asen trong nước ngầm đã phát hiện được đầu tiên vào năm 1993
và dựa trên cấu trúc địa chất của Việt Nam có những đặc thù tương tự như của
Bangladesh. Tổ chức Y tế thế giới WHO và UNICEF đã khuyến cáo về khả năng
có thể có sự hiện diện của asen trong nước ngầm ở Việt Nam. Theo các thông
báo của Bộ Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Đồng bằng Bắc bộ như Hà Nội,
Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc, đều có hiện tượng ô nhiễm asen. Khu vực Đồng
bằng sông Cửu Long mức độ ô nhiễm asen tương đối nặng tại các tỉnh Long An,
Đồng Tháp, An Giang, Kiên Giang đều vượt TCVN:1329:2002 với giới hạn As
cho phép <0,01mg/l.


CH
2
-OPO
3
2-
CH
2
-OPO
3
2-

CH –OH + AsO
4
3-
CH –OH Tự phân hủy tạo ra
C = O C = O (ngăn cản tạo ra ATP)
H OAsO
3
2-

Glyxeraldehit, 3-photphat 1-arseno, 3-diphotphat, glyxerat

3 – photphat
Glyxerat
arsenat