Nghiên cứu thử nghiệm vật liệu sắt nano đề xử lý Diclodiophenyltricloetan ( DDT) trong đất ô nhiễm tại kho Hương Vân, Xã Lạc Vệ, Huyện Tiên Du, Tỉnh Bắc Ninh

Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
i
ĐA
̣
I HO
̣
C QUÔ
́
C GIA HA
̀
NÔ
̣
I
TRƢƠ
̀
NG ĐA
̣
I HO
̣
C KHOA HO
̣
C TƢ
̣
NHIÊN



Nguyễn Xuân Huân

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VẬT LIỆU SẮT NANO

ĐỂ XỬ LÝ DICLODIPHENYLTRICLOETAN (DDT)
TRONG ĐẤT Ô NHIỄM TẠI KHO HƢƠNG VÂN, XÃ LẠC VỆ, HUYỆN
TIÊN DU, TỈNH BẮC NINH



LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
KHOA HO
̣
C





H Nội - 2011
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
ii

ĐA
̣
I HO
̣
C QUÔ

́
C GIA HA
̀
NÔ
̣
I
TRƢƠ
̀
NG ĐA
̣
I HO
̣
C KHOA HO
̣
C TƢ
̣
NHIÊN


Nguyễn Xuân Huân

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VẬT LIỆU SẮT NANO
ĐỂ XỬ LÝ DICLODIPHENYLTRICLOETAN (DDT)
TRONG ĐẤT Ô NHIỄM TẠI KHO HƢƠNG VÂN, XÃ LẠC VỆ, HUYỆN
TIÊN DU, TỈNH BẮC NINH

Chuyên nga
̀
nh: Khoa học môi trƣờng
M số: 60 85 02

LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
KHOA HO
̣
C

NGƢƠ
̀
I HƢƠ
́
NG DÂ
̃
N KHOA HO
̣
C
PGS.TS. LÊ ĐỨC

H Nội - 2011
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
i
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
1.1. Khái quát về vật liệu nano 4

1.1.1. Khái niệm 4
1.1.2. Tính chất của vật liệu nano 4
1.1.3. Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano 6
1.1.4. Một số ứng dụng của vật liệu nano 11
1.2. Đặc điểm, tính chất của Fe
0
nano và những ứng dụng trong xử lý môi trƣờng 12
1.2.1. Đặc điểm, tính chất của Fe
0
nano 12
1.2.2. Một số ứng dụng trong xử lý môi trƣờng của Fe
0
nano 14
1.3. Tổng quan về thuốc bảo vệ thực vật 18
1.3.1. Các nhóm thuốc BVTV và phân loại 19
1.3.2. Đặc điểm, tính chất của DDT và các tác động của nó đến môi trƣờng 20
1.4. Hiện trạng kho chứa hoá chất bảo vệ thực vật ở thôn Hƣơng Vân 28
1.5. Các phƣơng pháp xử lý thuốc BVTV 30
1.5.1. Phƣơng pháp hoá học 30
1.5.2. Phƣơng pháp vật lý 32
1.5.3. Phƣơng pháp cô lập 33
1.5.4. Phƣơng pháp xử lý thuốc bảo vệ thực vật bằng Fe
0
nano 34
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 36
2.2. Nội dung nghiên cứu 36
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 37
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 48
3.1. Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu 48

3.1.1. pH 48
3.1.2. Chất hữu cơ 49
3.1.3. Thành phần cơ giới 49
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
ii
3.1.4. Dung tích hấp phụ cation (CEC) 50
3.1.5. Hàm lƣợng nitrat (NO
3
-
) 50
3.1.6. Hàm lƣợng phốt pho tổng số và dễ tiêu 50
3.1.7. Hàm lƣợng Fe
2+
51
3.1.8. Hàm lƣợng Al
2
O
3
và Fe
2
O
3
51
3.2. Nồng độ hóa chất bảo vệ thực vật trong đất khu vực nghiên cứu 52
3.3. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến điều chế vật liệu Fe
0
nano 55
3.5. Khảo sát khả năng xử lý của Fe
0

nano với nƣớc bị gây nhiễm DDT nhân tạo 63
3.5.1. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý 63
3.5.2. Kết quả phân tích hàm lƣợng Fe
2+
và Fe
3+
của các dung dịch sau xử lý DDT
trong nƣớc bằng vật liệu Fe
0
nano 66
3.5.3. Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý 68
3.6. Một số yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng xử lý DDT trong đất 70
3.6.1. Ảnh hƣởng của thời gian tới hiệu quả xử lý 70
3.6.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Fe
0
nano đến hiệu quả xử lý DDT 72
3.6.3. Ảnh hƣởng của của pH đất tới hiệu quả xử lý 74
3.6.4. Ảnh hƣởng của axit humic đến hiệu quả xử lý DDT 75
3.7. Thử nghiệm xử lý DDT trong đất ô nhiễm ngoài thực địa 77
3.7.1. Thử nghiệm xử lý DDT trong đất bằng phƣơng pháp chuyển vị (ex-situ) 77
3.7.2. Thử nghiệm xử lý DDT trong đất bằng phƣơng pháp tại chỗ (in-situ) 79
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 82
Kết luận 82
Khuyến nghị 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TĂT

1. BVTV: Bảo vệ thực vật
2. BET: Brunauer Emmett Teillor – Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng
3. CEC: Cation exchange capacity – Dung tích hấp phụ cation
4. DDD (1,1-dichloro-2,2-bis (p-chlorophenyl) etan);
5. DDE: (1,1-dichloro-2,2-bis (p-chlorophenyl) etylen);
6. DDT: Diclodiphenyltricloetan;
7. HCB: Poly Clorua Biphenyl;
8. LD
50
per os: Lƣợng chất độc hoặc phóng xạ cần thiết để giết một nữa số lƣợng sinh
vật thí nghiệm sau một quãng thời gian định sẵn bằng đƣờng miệng
9. LD
50
dermal: Lƣợng chất độc hoặc phóng xạ cần thiết để giết một nữa số lƣợng sinh
vật thí nghiệm sau một quãng thời gian định sẵn bằng đƣờng hấp thu qua da
10. PCB PolyChlorinated Biphenyl;
11. PAA: Polyacrylamid
12. QCVN 04/2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về dƣ lƣợng hóa chất bảo
vệ thực vật trong đất
13. SEM: Scaning electron microscopy – Kính hiển vi điện tử quét
14. TCE: Trichloroethene
15. TEM: Transmission electron microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền qua
16. TT: Trung tâm
17. XRD: Xray diffracsion – Nhiễu xạ tia X
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Các hợp chất gây ô nhiễm có khả năng bị xử lý bởi Fe
0

nano 17
Bảng 2. Thời gian bán phân hủy của một số thuốc BVTV clo hữu cơ 23
Bảng 3. Hiện trạng tồn dƣ hóa chất bảo vệ thực vật tại các kho trên toàn quốc 27
Bảng 4. Số ngƣời tử vong do ung thƣ tại thôn Hƣơng Vân và xã Lạc Vệ 30
Bảng 5. Kết quả phân tích một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu…….…….50
Bảng 6. Kết quả phân tích dƣ lƣợng hóa chất BVTV tại khu vực nghiên cứu 53
Bảng 7. Khả năng khử DDT bởi Fe
0
nano trong nƣớc tại pH

= 3 theo thời gian… … 65
Bảng 8. Nồng độ Fe
2+
và Fe
3+
trong dung dịch sau xử lý DDT bằng Fe
0
nano 67
Bảng 9. Hiệu quả xử lý DDT bằng Fe
0
nano và các sản phẩm trung gian 68
Bảng 10. Nồng độ DDT còn lại sau thí nghiệm và hiệu quả xử lý 70
Bảng 11. Hiệu quả xử lý DDT trong đất đã bổ sung thêm DDT 71
Bảng 12. Ảnh hƣởng hàm lƣợng Fe
0
nano đến hiệu quả xử lý DDT trong đất 73
Bảng 13. Ảnh hƣởng của pH đất đến hiệu quả xử lý DDT 74
Bảng 14. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng axit humic đến hiệu quả xử lý DDT 76
Bảng 15. Hiệu quả xử lý DDT ngoài thực địa bằng phƣơng pháp chuyển vị 78
Bảng 16. Hiệu quả xử lý DDT ngoài thực địa bằng phƣơng pháp tại chỗ 80

Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
v
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Cơ chế hoạt động của phƣơng pháp vi nhũ tƣơng 9
Hình 2. Cấu trúc lõi vỏ của hạt Fe
0
nano 13
Hình 3. Ứng dụng của Fe
0
nano trong môi trƣờng 15
Hình 4. Cấu tạo phân tử DDT 22
Hình 5. Bản đồ khu vực nghiên cứu, kho Hƣơng Vân, Lạc Vệ, Tiên Du, Bắc Ninh 29
Hình 6. Mô hình cấu tạo hạt Fe
0
nano và các phản ứng khử xảy ra trên bề mặt 35
Hình 7. Máy sắc ký khí GC 2010 38
Hình 8. Hiện tƣợng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn 40
Hình 9. Máy đo nhiễu xạ tia X 41
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quyét 42
Hình 11. Máy kính hiển vi điện tử quét 42
Hình 12. Kính hiển vi điện tử truyền qua 43
Hình 13. Máy phân tích diện tích bề mặt riêng theo BET 44
Hình 14. Mặt cắt ngang ô bố trí thí nghiệm……………………………………………47
Hình 15. Mặt cắt dọc ô bố trí thí nghiệm…………………………………………… 47
Hình 16. Nồng độ DDT trong đất tại nền kho Hƣơng Vân và các vị trí xung quanh 54
Hình 17. Ảnh SEM hạt sắt ở lớp dƣới, không sử dụng chất phân tán………….…… 56
Hình 18. Ảnh SEM hạt sắt ở lớp trên, không sử dụng chất phân tán…………… … 56
Hình 19. Ảnh TEM hạt Fe

0
nano, có sử dụng chất phân tán…………………… … 57
Hình 20. Ảnh SEM hạt Fe
0
nano, có sử dụng chất phân tán…………………… … 57
Hình 21. Hình ảnh TEM của vật liệu Fe
0
nano điều chế với các tỷ lệ NaBH
4
/FeSO
4
…58
Hình 22. Ảnh TEM của hạt sắt đƣợc điều chế khi dùng cồn 30% 59
Hình 23. Sản phẩm vật liệu Fe
0
nano sau chế tạo và bảo quản trong bình hút ẩm 60
Hình 24. Phổ nhiễu xạ tia X của sắt nano………………………………………… 61
Hình 25. Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano điều chế bởi Yuan-Pang Sun và nnk 62
Hình 26. Ảnh SEM vật liệu Fe
0
sau khi lựa chọn điều kiện tối ƣu để chế tạo…… …62

Hình 27. Ảnh TEM vật liệu Fe
0
sau khi lựa chọn điều kiện tối ƣu để chế tạo 62

Hình 28. Nồng độ DDT còn lại và hiệu quả xử lý DDT theo thời gian 64
Hình 29. Nguyên lý phản ứng của Fe
0
nano với hợp chất hữu cơ clo 65

Hình 30. Nồng độ Fe
2+
và Fe
3+
sau xử lý DDT bằng Fe
0
nano 67
Hình 31. Nồng độ DDT còn lại và hiệu quả xử lý đối với đất đã bổ sung DDT 71
Hình 32. Nồng độ DDT và hiệu quả xử lý theo tỷ lệ Fe
0
nano/DDT 73
Hình 33. Nồng độ DDT còn lại sau xử lý và hiệu quả xử lý theo pH 75
Hình 34. Hiệu quả xử lý DDT bởi Fe
0
nano phụ thuộc vào hàm lƣợng axit humic 76
Hình 35. Hiệu quả xử lý DDT ngoài thực địa bằng Fe
0
nano 78
Hình 36. So sánh hiệu quả xử lý DDT bằng phƣơng pháp chuyển vị và tại chỗ 80
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
1
MỞ ĐẦU
Trên đất nƣớc ta nói chung và tỉnh Bắc Ninh nói riêng, vào những năm 60 của
thế kỷ trƣớc với nền canh tác nông nghiệp tập thể (hợp tác xã) nên có rất nhiều kho
thuốc bảo vệ thực vật (gần nhƣ mỗi hợp tác xã nông nghiệp có ít nhất 01 kho thuốc
sâu). Các kho thuốc rất khác nhau về quy mô, diện tích, cách bảo quản, thời gian tồn tại
và vị trí xây dựng. Do nhận thức và hiểu biết về tác hại của hoá chất bảo vệ thực vật
còn thấp nên nhìn chung ở hầu hết các kho thuốc sâu công việc bảo quản rất tuỳ tiện,
không đƣợc xây dựng đúng tiêu chuẩn kỹ thuật đối với kho bảo quản các chất độc hại.

Các loại thuốc thƣờng xếp lẫn lộn, không có giá kê, không có chống ẩm, nền kho
không đảm bảo khô ráo, nhiều kho mái bị hỏng, mƣa dột. Mặt khác do khí hậu nƣớc ta
nóng, ẩm nên bao bì chóng bị hỏng, rách, nhãn mác bị mờ hoặc mất, thuốc sâu rơi vãi
không đƣợc thu gom xử lý mà thấm trực tiếp xuống các nền kho. Từ khi mở cửa cho
các thành phần kinh tế phát triển, các cơ sở pha chế, đóng gói, phân phối thuốc sâu
cũng đình trệ và nhiều kho đã bỏ hoang. Tuy nhiên, do không quản lý tốt nên thuốc sâu
đã ngấm xuống và gây ô nhiễm đất ở các nền kho và khu vực xung quanh làm ô nhiễm
môi trƣờng đất, nƣớc, hệ sinh thái và gây tác động xấu đến sức khoẻ cộng đồng.
Từ thực tế trên, Chính phủ đã có quyết định số 1946/QĐ-TTg ký ngày 21 tháng
10 năm 2010 về việc phê duyệt kế hoạch xử lý, phòng ngừa ô nhiễm môi trƣờng do hóa
chất bảo vệ thực vật tồn lƣu trên phạm vi cả nƣớc. Theo quyết định về kế hoạch của
Thủ tƣớng thì có 240 kho thuốc bảo vệ thực vật gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng
và đặc biệt nghiệm trọng, cần phải đƣợc xử lý trƣớc năm 2015.
Để xử lý ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật có nhiều các phƣơng pháp nhƣ thiêu
huỷ, chôn lấp, cách ly, sử dụng vi sinh kết hợp chôn lấp, hay sử dụng phƣơng pháp hóa
học với các chất ôxi hóa hoặc thủy phân để phá vỡ một số liên kết nhất định, chuyển
hóa chất có độc tính cao thành chất có độc tính thấp hơn hoặc không độc. Tuy nhiên,
các phƣơng pháp này chỉ thích hợp với xử lý thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) đã đƣợc
thu gom hoặc tồn lƣu tại các kho chứa. Còn đối với trƣờng hợp đất nhiễm thuốc BVTV
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
2
lại cần một phƣơng pháp và công nghệ phù hợp hơn, trong đó công nghệ sử dụng sắt
nano (Fe
0
nano) trong việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhƣ: xử lý nƣớc thải có chứa các
hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực vật trong đất và
nƣớc đƣợc nhiều các nhà khoa học nƣớc ngoài nghiên cứu [24-27, 30, 31, 33,35,39].
Theo các tài liệu này Fe
0

nano hoàn toàn không độc và an toàn với môi trƣờng, việc sử
dụng Fe
0
nano trong xử lý ô nhiễm môi trƣờng đạt hiệu quả rất cao, với giá thành hợp lý.
Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Fe
0
nano để xử lý hoá chất bảo vệ
thực vật trong đất bị ô nhiễm ở nƣớc ta mới đƣợc đề cập nghiên cứu. Vì vậy, cần phải
có nghiên cứu cụ thể cho việc ứng dụng công nghệ vật liệu Fe
0
nano để xử lý hoá chất
bảo vệ thực vật tồn lƣu trong đất tại các kho chứa hóa chất bảo vệ thực vật.
Với những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thử nghiệm vật liệu sắt
nano để xử lý diclodiphenyltricloetan (DDT) trong đất ô nhiễm tại kho Hƣơng
Vân, xã Lạc Vệ, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh”. Đây là công trình nghiên cứu có
triển vọng thực tiễn cao, tiếp nhận đƣợc công nghệ tiên tiến, góp phần vào sự nghiệp
bảo vệ môi trƣờng và đóng góp một phần cơ sở khoa học cho Ủy ban nhân dân các tỉnh
thực hiện quyết định số 1946/QĐ-TTg về việc xử lý, phòng ngừa ô nhiễm môi trƣờng
do hóa chất bảo vệ thực vật tồn lƣu trên phạm vi cả nƣớc.
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Ý tƣởng ban đầu về công nghệ nano đƣợc đƣa ra bởi nhà vật lý ngƣời Mỹ
Richard Feynman vào năm 1959. Nhƣng thuật ngữ ―công nghệ nano‖ mới bắt đầu
đƣợc sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trƣờng đại học
Tokyo sử dụng [7]. Theo Viện Hàn Lâm Hoàng Gia Anh thì công nghệ nano là việc
thiết kế, phân tích đặc trƣng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống
bằng việc điều khiển hình dáng và kích thƣớc trên quy mô nano mét. Khoa học nano là
ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy

mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác
hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Theo chƣơng trình nano quốc gia
của Mỹ định nghĩa công nghệ nano bao gồm: Nghiên cứu và phát triển công nghệ ở
cấp độ phân tử hoặc vi phân tử với kích thƣớc từ 1nm- 100 nm; Tạo ra và sử dụng các
cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức năng mới do kích thƣớc cực nhỏ;
Có khả năng kiểm soát và thao tác ở cấp độ phân tử [14].
Công nghệ nano và khoa học nano đều có chung đối tƣợng là vật liệu nano.
Khoa học nano tập trung chủ yếu vào nghiên cứu những tính chất, đặc điểm, các hiện
tƣợng ở quy mô nanomet và có thể đƣa ra những đặc điểm khác biệt giữa những vật
liệu đó khi ở kích thƣớc nanomet và khi ở kích thƣớc lớn hơn, còn công nghệ nano
nghiên cứu cách chế tạo, ứng dụng của vật liệu nano. Khoa học nano cung cấp những
thông tin khoa học cơ bản làm cơ sở cho công nghệ nano. Có thể nói rằng khoa học
nano nghiên cứu vật liệu nano về mặt lý thuyết còn công nghệ nano là nghiên cứu chế
tạo và khả năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn. Các lĩnh vực áp dụng công nghệ
nano nhƣ là lĩnh vực y học, môi trƣờng, điện tử. Công nghệ nano thƣờng đƣợc nói đến
nhƣ một cuộc cách mạng trong lĩnh cực công nghệ mới. Đặc biệt là lĩnh vực y học và
môi trƣờng, các nano có thể là chất dẫn truyền thuốc, là chất xử lý ô nhiễm môi trƣờng.

Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
4
1.1. Khái quát về vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm [7]
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nano mét (nm).
Về trạng thái của vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí.
Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau:
- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thƣớc nano, không còn
chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano, điện
tử đƣợc tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano, hai
chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thƣớc nano:
- Vật liệu nano kim loại
- Vật liệu nano bán dẫn
- Vật liệu nano từ tính
- Vật liệu nano sinh học
1.1.2. Tính chất của vật liệu nano [7]
Một đặc điểm vô cùng quan trọng của vật liệu nano là kích thƣớc chỉ ở cấp độ
nano mét (nm). Chính vì vậy mà tổng số nguyên tử phân bố trên bề mặt vật liệu nano
và tổng diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vật liệu thông
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
5
thƣờng. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính dị thƣờng, đặc biệt là
khả năng xúc tác hấp phụ. Với kích thƣớc nhỏ ở cấp độ phân tử, vật liệu nano xuất hiện
ba hiệu ứng chính: hiệu ứng lƣợng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc.
Hiệu ứng lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc
trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm
3
có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ
qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhƣng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các
tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lƣợng tử có thể đƣợc coi nhƣ
một đại nguyên tử, nó có các mức năng lƣợng giống nhƣ một nguyên tử.

Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thƣớc nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt,
gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích
thƣớc nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên
quan đến bề mặt nhƣ: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt… của vật liệu nano sẽ
lớn hơn nhiều. Điều đó mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và
nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang quan tâm, nghiên cứu.
Kích thước tới hạn
Các vật liệu truyền thống thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi một số các đại lƣợng vật
lý, hóa học không đổi nhƣ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi,
tính axit….Tuy nhiên, các đại lƣợng vật lý và hóa học này chỉ bất biến nếu kích thƣớc
của vật liệu đủ lớn (thƣờng là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thƣớc cua vật liệu xuống
cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm), thì các đại lƣợng lý, hóa ở trên không còn là bất
biến nữa, ngƣợc lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng kích thƣớc. Kích
thƣớc mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất đƣợc gọi là kích thƣớc tới
hạn. Ví dụ nhƣ: Điện trở của một kim loại ở kích thƣớc vĩ mô mà ta thấy hằng ngày sẽ
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
6
tuân theo định luật Ohm. Nếu ta giảm kích thƣớc của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng
đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thƣờng là vài nm đến vài trăm nm)
thì định luật Ohm sẽ không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thƣớc
nano sẽ tuân theo quy tắc lƣợng tử.
Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học….của các vật
liệu đều có kích thƣớc tới hạn trong khoảng từ 1nm đến 100nm, nên ở vật liệu nano các
tính chất này đều có biểu hiện khác thƣờng so với vật liệu truyền thống
1.1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano [4]
- Phƣơng pháp từ trên xuống: Bao gồm phƣơng pháp nghiền và phƣơng pháp
biến dạng. Phƣơng pháp nghiền là sử dụng kỹ thuật mài cơ khí thông thƣờng để phá vỡ

các kim loại có kích thƣớc lớn hơn thành các hạt có kích thƣớc micro hoặc nano. Sự va
chạm của các hạt hình cầu có thể phá vỡ kích thƣớc của các hạt riêng biệt xuống còn
vài nm dẫn đến sự biến dạng, bẻ gãy và nối lại chúng. Khi nghiền, ngƣời ta thƣờng sử
dụng chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá tình nghiền đƣợc dễ dàng và đồng thời tránh
các hạt kết tụ lại với nhau. Phƣơng pháp nghiền có ƣu điểm là đơn giản và chế tạo
đƣợc vật liệu khối lƣợng lớn. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là tính đồng nhất của
các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt. Phƣơng pháp
biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cỡ lớn mà
không làm phá huỷ vật liệu. Nhiệt độ có thể đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào từng trƣờng
hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến
dạng nóng, còn ngƣợc lại thì đƣợc gọi là biến dạng nguội. Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta
thƣờng dùng các phƣơng pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
- Phƣơng pháp từ dƣới lên: là phƣơng pháp hình thành vật liệu nano từ các
nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh
động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
7
dùng hiện nay đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là
phƣơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai gọi là phƣơng pháp hóa - lý.
+ Phƣơng pháp vật lý: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng pháp vật lý
dƣới tác dụng của nhiệt do đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang. Trong phƣơng pháp
chuyển pha thì vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc
trạng thái vô định hình - tinh thể (kết tinh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để
tạo các hạt nano hoặc màng nano.
+ Phƣơng pháp hóa học: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phƣơng
pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta
phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại
các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha khí (nhiệt

phân, khử pha phí ) và từ pha lỏng (phƣơng pháp đồng kết tủa, vi nhũ tƣơng, polyol,
khử pha lỏng…). Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng
nano, bột nano
Phương pháp nhiệt phân: là phƣơng pháp rất hiệu quả để có thể chế tạo hạt
nano với quy mô lớn. Phƣơng pháp này đƣợc chia làm hai phƣơng pháp nhỏ là nhiệt
phân bụi hơi và nhiệt phân laser. Phƣơng pháp nhiệt phân bụi hơi có thể tạo các hạt
mịn nhƣng các hạt này thƣờng kết tụ lại với nhau thành các hạt lớn hơn. Trong khi
phƣơng pháp nhiệt phân laser tạo các hạt mịn ít kết tụ với nhau. Phƣơng pháp nhiệt
phân laser đƣợc dùng để chế tạo hạt Si, SiC, Si
3
N
4
, Si/C/N, ôxít sắt có kích thƣớc từ 5
– 20 nm. Ở phƣơng pháp này luồng hơi hỗn hợp có chứa chất phản ứng đƣợc nung
nóng bởi laser CO
2
và phản ứng xảy ra do nhiệt độ cao. Hạt nano tạo từ phƣơng pháp
này có kích thƣớc nhỏ, đồng nhất và hầu nhƣ không kết tụ. Ngƣời ta dùng phƣơng
pháp này để tạo hạt nano Fe
2
O
3
kết tinh tốt và có kích thƣớc từ 3,5 – 5 nm. Vùng phản
ứng hóa học xảy ra từ nơi giao nhau của chùm hơi và chùm laser (10,6 mm) và đƣợc
tách hoàn toàn khỏi các vùng khác làm cho quá trình kết đám của các hạt đƣợc loại bỏ
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
8
gần nhƣ hoàn toàn. Tiền chất trong trƣờng hợp này là Fe(CO)
5

không hấp thụ laser nên
etylen đƣợc dùng là chất hấp thụ năng lƣợng laser và là chất mang hơi đến buồng phản
ứng. Etylen không bị phân hủy với năng lƣợng của laser (652 Wcm
-2
), nó chỉ có tác
dụng chuyển đổi năng lƣợng laser thành năng lƣợng nhiệt để phân hủy Fe(CO)
5
. Để tạo
Fe
2
O
3
ngƣời ta phải đƣa không khí vào bằng cách trộn không khí với khí argon.
Phương pháp khử pha khí [37]: là phƣơng pháp tạo ra các hạt sắt nano thƣơng
phẩm thƣờng đƣợc biết đến với tên gọi RNIP (Reactive Nanoscale Iron Particles) đƣợc
sản xuất từ phƣơng pháp khử hematit hoặc geolit bằng H
2
ở nhiệt độ cao (350-600
0
).
Sau khi làm lạnh và chuyển hạt sắt vào nƣớc dƣới dạng khí, một lớp vỏ bị ôxy hoá hình
thành trên bề mặt. RNIP đuợc biết đến nhƣ một vật liệu hai pha gồm Fe
3
O
4
và £-FeO.
Vật liệu tổng hợp có kích thƣớc trung bình 50-300nm và diện tích bề mặt riêng 7-
55m
2
/g. Hàm lƣợng sắt thông thƣờng không nhỏ hơn 65% (theo khối lƣợng).

Phương pháp đồng kết tủa: là một trong những phƣơng pháp thƣờng đƣợc dùng
để tạo các hạt ôxít sắt. Có hai cách để tạo ôxít sắt bằng phƣơng pháp này đó là hydroxit
sắt bị ô xi hóa một phần bằng một chất ôxi hóa nào đó và già hóa hỗn hợp dung dịch có
tỉ lệ Fe
2+
và Fe
3+
trong dung môi nƣớc. Phƣơng pháp này có thể thu đƣợc hạt nano có
kích thƣớc từ 30 nm – 100 nm. Hoặc có thể tạo hạt nano có kích thƣớc từ 2 nm – 15
nm. Bằng cách thay đổi pH và nồng độ ion trong dung dịch mà ngƣời ta có thể có đƣợc
kích thƣớc hạt nhƣ mong muốn đồng thời làm thay đổi diện tích bề mặt của các hạt đã
đƣợc hình thành.
Phương pháp vi nhũ tương (microemulsion): là phƣơng pháp đƣợc dùng khá
phổ biến để tạo hạt Fe
3
O
4
nano do khả năng điều khiển kích thƣớc hạt dễ dàng. Với
nhũ tƣơng ―nƣớc-trong-dầu‖, các giọt dung dịch nƣớc bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt
hóa bề mặt trong dầu. Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tƣơng là phản
ứng hóa học khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tƣơng này lại với nhau (Hình 1). Các phân tử
chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt hóa bề mặt ra ngoài và gặp nhau hoặc khi
các hạt vi nhũ tƣơng của các chất phản ứng gặp nhau, nếu có đủ lực tác động thì 2 hạt
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
9
nhỏ có thể tạo thành một hạt lớn hơn. Các chất trong hai hạt nhỏ sẽ hòa trộn với nhau
và phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn để tạo thành hạt magnetite Fe
3
O

4
. Các hạt
magnetite Fe
3
O
4
sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt hóa bề mặt bao phủ và ngăn cản
không cho phát triển thêm về kích thƣớc. Bằng phƣơng pháp này, ngƣời ta có thể chế
tạo hạt ôxít sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh bị ôxi hóa

Hình 1. Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương
Phương pháp Polyol: là phƣơng pháp thƣờng dùng để tạo các hạt nano kim loại
nhƣ Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe Các hạt nano đƣợc hình thành trực tiếp từ dung dịch
muối kim loại có chứa polyol (rƣợu đa chức). Polyol có tác dụng nhƣ một dung môi
hoặc trong một số trƣờng hợp nhƣ một chất khử ion kim loại. Tiền chất có thể hòa tan
trong polyol rồi đƣợc khuấy và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim
loại thành kim loại. Bằng cách điều khiển động học kết tủa mà chúng ta có thể thu
đƣợc các hạt kim loại với kích thƣớc và hình dáng nhƣ mong muốn. Ngƣời ta còn thay
đổi phƣơng pháp này bằng cách đƣa những mầm kết tinh bên ngoài vào dung dịch.
Nhƣ vậy quá trình tạo mầm và phát triển hạt là hai quá trình riêng biệt làm cho hạt
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
10
đồng nhất hơn. Hạt nano ôxít sắt với đƣờng kính 100 nm có thể đƣợc hình thành bằng
cách trộn tỉ lệ không cân đối giữa sắt hydroxit với dung môi hữu cơ. Muối FeCl
2
và
NaOH phản ứng với etylen glycol (EG) hoặc polyetylen glycol (PEG) và kết tủa sắt
xảy ra ở nhiệt độ từ 80
0

- 100°C. Bằng phƣơng pháp này còn có thể tạo các hạt hợp
kim của Fe với Ni hoặc Co. Hạt đồng nhất có kích thƣớc từ khoảng 100 nm thu đƣợc
bằng cách không cho mầm kết tinh từ bên ngoài. Nếu cho mầm kết tinh từ bên ngoài là
các hạt nano Pt thì có thể thu đƣợc các hạt có kích thƣớc có thể dao động từ 50 – 100
nm.
Phương pháp khử pha lỏng: là phƣơng pháp sử dụng chất khử mạnh (NaBH
4
)
vào một dung dịch ion kim loại để khử nó thành các hạt kim loại có kích thƣớc nano và
hóa trị 0. Phƣơng pháp này đã đƣợc sử dụng để chế tạo các hạt sắt kích thƣớc nano
trong nghiên cứu của Glavee và nnk (1995) [25]. Các hạt sắt tổng hợp theo phƣơng
pháp này gọi là Fe
BH
. Do sự đơn giản cũng nhƣ hiệu quả của phƣơng pháp khử pha
lỏng, nó đã trở thành phƣơng pháp đƣợc biết đến nhiều nhất và sử dụng rộng rãi nhất
để chế tạo Fe
0
nano trong các ứng dụng môi trƣờng. NaBH
4
là một chất khử mạnh nó
có thể khử cả muối Fe
2+
và Fe
3+
tạo thành Fe
0
nano theo phƣơng trình phản ứng sau:
4Fe
3+
+ 3BH

4
-
+9H
2
O  4Fe
0
+ 3H
2
BO
3
-
+12H
+
+6H
2

Fe
2+
+ BH
4
-
+ 9H
2
O  Fe
0
+ H
2
BO
3
-

+ 12H
+
+6H
2

Các đặc điểm quan trọng của Fe
0
nano cho phép nó có phản ứng có hiệu quả với
nhiều chất ô nhiễm hơn khi ở trạng thái hóa trị không. Các vấn đề kỹ thuật chính
thƣờng gặp phải trong xử lý đối với vật liệu này là độ nhạy cao trong không khí. Khi
tiếp xúc với không khí, Fe
0
nano nhanh chóng bị ôxi hóa và mất khả năng phản ứng
cao của nó Vì vậy, nhiều kỹ thuật đã đƣợc phát triển để ngăn chặn quá trình ôxy hóa và
bảo vệ Fe
0
nano trong quá trình làm khô sau khi tổng hợp, chẳng hạn nhƣ việc sử dụng
một buồng kỵ khí, làm lạnh khô và kỹ thuật sấy khô trong chân không. Nhƣng tất cả
những phƣơng pháp này tốn kém, phức tạp, và tạo ra những trở ngại trong các ứng
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
11
dụng khác nhau của Fe
0
nano để loại bỏ các chất ô nhiễm trong môi trƣờng. Vì vậy,
nghiên cứu các phƣơng pháp bảo quản dễ dàng và thân thiện với môi trƣờng trong quá
trình làm khô Fe
0
nano tránh bị ôxy hóa sau khi Fe
0

nano đƣợc tổng hợp từ dung dịch
muối sắt khử bởi bohiđrua và nghiên cứu ứng dụng nó trong xử lý đất ô nhiễm DDT là
điều rất quan trọng + Phƣơng pháp kết hợp: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên
các nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí Phƣơng pháp
này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano
1.1.4. Một số ứng dụng của vật liệu nano
- Trong y học: Các hạt nano đƣợc xem nhƣ những robot thâm nhập vào cơ thể
giúp con ngƣời có thể can thiệp ở quy mô phân tử và tế bào. Con ngƣời sử dụng phân
tử nano để chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thƣ. Để ứng dụng
trong sinh học, các hạt nano cần phải đƣợc chức năng hoạt hóa bề mặt để có thể liên
kết đƣợc với các đối tƣợng sinh học nhƣ ADN, kháng thể, enzyme. Các nhóm chức
thƣờng gặp là nhóm amino, biotin, steptavidin, carbonxyl, thiol, silica hoặc các bề mặt
có điện tích âm hoặc dƣơng.
- Năng lƣợng: Nâng cao chất lƣợng của pin năng lƣợng mặt trời, tăng hiệu quả
dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm chất dẫn truyền điện đƣờng dài.
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp công nghệ nano với sử dụng hệ thống gƣơng tập trung
ánh sáng vừa giúp tạo ra hệ thống pin năng lƣợng mặt trời hiệu quả bậc nhất thế giới
vừa giảm đƣợc 50% chi phí cho mỗi Wp (Watt peak). Trong thiết kế pin năng lƣợng
mới, các tế bào năng lƣợng sẽ đƣợc tập hợp lại thành bó dây nano; chính thiết kế bó
dây này giúp liên kết các subcell (vùng chuyển tiếp - junction) với nhau. Sau đó mỗi
subcell sẽ có nhiệm vụ chuyển đổi một màu của ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Hiệu quả cao nhất đạt đƣợc của một tế bào năng lƣợng mặt trời dạng dây nano hiện nay
là 8,4%. Tuy nhiên, nếu đƣợc thiết kế thêm 5-10 vùng chuyển tiếp, hiệu quả hoạt động
của tế bào có thể lên tới 65%
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
12
- Điện tử - Cơ khí: Chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh,
chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng thiết bị nano làm thiết bị ghi thông tin cực
nhỏ….

- Môi trƣờng: Chế tạo ra màng lọc nano lọc đƣợc các phân tử chất ô nhiễm, các
chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải ô nhiễm nhanh chóng và hoàn toàn.
1.2. Đặc điểm, tính chất của Fe
0
nano và những ứng dụng trong xử lý môi trƣờng
1.2.1. Đặc điểm, tính chất của Fe
0
nano
Công nghệ sử dụng sắt nano hóa trị không (Fe
0
nano) ngày càng trở thành một
lựa chọn phổ biến trong việc xử lý các chất thải nguy hại để khắc phục các điểm ô
nhiễm. Kích thƣớc nhỏ bé của hạt nano giúp nó phân tán mạnh trong môi trƣờng dƣới
bề mặt. Trong khi đó do có diện tích bề mặt riêng lớn nên nó có khả năng phản ứng
nhanh với các chất ô nhiễm [26].
Hiện nay, các ứng dụng của Fe
0
nano chủ yếu dựa trên đặc tính đóng góp điện
tử trong phản ứng khử của Fe
0
nano. Trong điều kiện môi trƣờng bình thƣờng, Fe
0

nano phản ứng tốt trong nƣớc và có thể đóng vai trò là một chất cho điện tử, giúp nó
trở thành một vật liệu có khả năng xử lý ô nhiễm tốt.
a. Cấu trúc lõi - vỏ
- Phần lõi bao gồm chủ yếu là Fe
0
nano và cung cấp năng lƣợng khử cho các
phản ứng với chất gây ô nhiễm môi trƣờng.

- Phần vỏ này phần lớn là các ôxit sắt/hydroxit đƣợc hình thành từ sự ôxi hóa
Fe
0
. Lớp vỏ này là nơi cung cấp những thông tin hóa học phức tạp (ví dụ: sự hấp phụ
hóa học). Các nhà nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng chứa ôxit hoặc kim loại quý lên bề
mặt phân tử nano để tránh sự ôxi hóa sắt [22].
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
13

Hình 2. Cấu trúc lõi vỏ của hạt Fe
0
nano
Sự hình thành lớp vỏ ôxit bao quanh phân tử sắt nano đầu tiên là sự tạo thành
Fe
2+
trên bề mặt;
2Fe
0
+ O
2
+ H
2
O  2Fe
2+
+ 4OH
-

Fe
0

+ 2H
2
O  Fe
2+
+ H
2
+ 2OH
-

Fe
2+
tiếp tục bị ôxy hóa thành Fe
3+

Fe
3+
phản ứng với OH
-
hoặc H
2
O tạo ra các hydroxit và oxyhydroxit;
Fe(OH)
3
có thể bị dehydrat thành FeOOH
Ở pH thấp (≤ 8) lớp sắt ôxit có khả năng là vật mang và hút chủ yếu các anion
nhƣ phốt pho, sunfat, nhƣng khi ở pH đạt tới điểm đẳng điện, bề mặt ôxit không là vật
mang và nó có thể hình thành phức giữa bề mặt với cation (ví dụ các ion kim loại).
b. Diện tích bề mặt riêng
Cùng với kích thƣớc vật liệu, cấu trúc lõi - vỏ, kết cấu và diện tích bề mặt riêng
cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến tính chất vật lý và hóa học của phân tử

vật liệu. So với các phân tử có kích thƣớc micro thì các phân tử có kích thƣớc nano có
diện tích bề mặt riêng lớn hơn từ 1- 2 lần. Diện tích bề mặt riêng lớn cho phép phản
ứng xảy ra ở nhiều điểm, đây là một tính chất làm cho hạt Fe
0
nano phản ứng với các
chất ô nhiễm với tốc độ cao hơn so với các vật liệu khác.
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
14
c. Từ tính của hạt Fe
0
nano
Từ tính của hạt Fe
0
nano đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhƣ chất
lỏng từ, các ứng dụng trong sinh y và chất xúc tác. Tuy nhiên trong lĩnh vực môi
trƣờng các nhà nghiên cứu lại có xu hƣớng muốn tránh đặc tính này. Do có diện tích bề
mặt lớn và tính lƣỡng cực, vật liệu Fe
0
nano có xu hƣớng kết đám, hình thành những
phân tử lớn hơn làm giảm diện tích tiếp xúc giữa phân tử nano và chất ô nhiễm và giảm
sự vận chuyển các phân tử nano tại những điểm ô nhiễm. Vì vậy trong lĩnh vực môi
trƣờng việc phân tán các hạt nano từ tính là một trong những yếu tố quan trọng để tăng
hiệu quả của phản ứng này. Các nhà khoa học nhƣ He và Zhao (2010) [44] đã sử dụng
tinh bột để bọc hạt nano để chúng ít bị kết dính hơn và thu đƣợc kết quả khả quan.
Ngoài ra một số nhà khoa học còn sử dụng chất phân tán hoặc khuấy cơ học để các
phân tử nano không bị kết đám và vận chuyển tốt tại vị trí ô nhiễm. Nhờ những đặc
tính đó hạt Fe
0
nano có khả năng khử tốt hơn đối với các chất và hợp chất ô nhiễm so

với các hạt Fe
0
micro. Vì vậy khi nghiên cứu chế tạo vật liệu Fe
0
nano, ứng dụng trong
xử lý môi trƣờng nói chung và trong xử lý ô nhiễm DDT trong đất nói riêng cần quan
tâm, chú ý đến vai trò của chất phân tán này.
1.2.2. Một số ứng dụng trong xử lý môi trường của Fe
0
nano
Do có đặc tính cho electron và khử nhiều chất ô nhiễm với tốc độ cao, Fe
0
nano
đƣợc sử dụng để xử lý nhiều chất ô nhiễm trong môi trƣờng. Fe
0
nano có thể đi vào
trong đất bị ô nhiễm, trầm tích và tầng ngậm nƣớc. Các chất ô nhiễm mà Fe
0
nano có
thể xử lý bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa clo, kim loại nặng và các chất vô cơ khác.
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
15

Hình 3. Ứng dụng của Fe
0
nano trong môi trường
a. Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa clo
Fe
0

nano có thể khử hầu hết các hợp chất hữu cơ chứa clo nhƣ Poly Clorua
Biphenyl (HCB), PolyChlorinated Biphenyl (PCB), diclodiphenyltricloetan (DDT),
trichloroethene (TCE) thành các hợp chất hydrocacbon, clo và nƣớc. Yang – hsin Shih
và nnk (2011) [46] đã nghiên cứu cơ chế, động học và ảnh hƣởng pH tới quá trình khử
HCB bởi Fe
0
nano. Kết quả là 50% HCB đƣợc khử sau 24 giờ khi nồng độ Fe
0
nano là
400g/l. Patanjali Varanasi và nnk (2007) [35] đã nghiên cứu quá trình khử PCB bởi Fe
0

nano. Kết quả thu đƣợc là 38% PCB bị phá hủy trong mẫu đất đã trộn Fe
0
nano tại
nhiệt độ phòng. Theo các tác giả, tỷ lệ phá hủy thấp có thể là do sự khuếch tán thấp của
PCB trong đất đến bề mặt chất xúc tác. Theo Wei – xian Zhang và nnk (2003) [43], Fe
0

nano đƣợc thử nghiệm để xử lý các hợp chất TCEs trong nƣớc ngầm tại một căn cứ hải
quân của Mỹ. Sau sáu tuần phun hạt Fe
0
nano xuống các giếng thử nghiệm, mẫu nƣớc
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
16
ngầm sau khi xử lý có nồng độ TCEs đạt tiêu chuẩn nƣớc sạch. Fe
0
nano có khả năng
khử đối với các hợp chất hữu cơ chứa clo theo phƣơng trình sau:

RX + Fe
0
+ H
+
 RH + Fe
2+
+ X
-
b. Loại bỏ các kim loại nặng
- Loại bỏ asen
María E. Morgada và nnk năm (2009) [31] đã tiến hành thí nghiệm ở các nồng
độ Fe
0
nano khác nhau (0,5; 2,5; 5; 7,5; 10g/l) để đánh giá khả năng hấp phụ As (III)
(1mg/l ở pH =7) trên bề mặt vật liệu. Kết quả thu đƣợc cho thấy ngoại trừ ở nồng độ
0,5 g/l, hơn 80% lƣợng Asen bị hấp phụ trong 7 phút và gần 99% bị hấp phụ sau 60
phút. Dung lƣợng hấp phụ cực đại tính theo định luật Freundlich là 3,5mg Asen/g Fe
0

nano ở 25
0
C. Xiaomin Dou và nnk (2010) [44] đã nghiên cứu quá trình loại bỏ Asen
khỏi nƣớc bởi Fe
0
nano và sự ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ pH dung dịch, chất hữu
cơ, anion vô cơ (photphat, cacbonat, silicat, nitrat, clorua, sunfat), axit humic.
- Loại bỏ Crom và Chì
Trong nghiên cứu của J.Cao và W. Zhang (2006) [50] đã cho thấy hiệu suất loại
bỏ Cr (VI) rất cao khoảng 65 – 110mg Cr/g Fe
0

nano. Cr (VI) bị khử xuống Cr (III),
sau đó nó đƣợc kết hợp vào lớp vỏ ôxit sắt (Cr
x
Fe
1-x
) (OH)
3
hoặc Cr
x
Fe
1 – x
(OOH).
Theo nghiên cứu của Yunfei Xi và nnk (2010) [49], Fe
0
nano đã đƣợc tổng hợp và
nghiên cứu khả năng khử Pb. Tại pH = 4 sau 15 phút tốc độ loại bỏ Pb đạt 99,9%. Hiệu
suất của phản ứng là 0,05g Fe
0
nano có thể loại bỏ > 99% Pb (401,8 mg/g). Ngoài ra
Fe
0
nano còn có khả năng loại bỏ Ni, theo đó Ni (II) bị khử xuống Ni(0). Hiệu suất
khử là 0,13g Ni (II)/g Fe
0
nano.
c. Sự loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ
- Sự loại bỏ Selen
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
17

Mondal và nnk (2011) [19] đã nghiên cứu loại bỏ Selen bằng Fe
0
nano. Trong
thí nghiệm sau 5 giờ gần 100% Selen đƣợc loại bỏ hoàn toàn, sự loại bỏ Selen bởi Fe
0

nano đạt 155 mg/g.
- Sự loại bỏ Nitrat
Yu-Hoon Hwang và nnk (2011) [48] đã nghiên cứu về cơ chế và các sản phẩm
tạo ra của quá trình khử nitrat bởi Fe
0
nano. Kết quả nghiên cứu thu đƣợc là 97% nitrat
đƣợc loại bỏ trong vòng 1 giờ và đƣợc loại bỏ hoàn toàn trong vòng 1,5 giờ. Số phận
của các dạng nitơ đã đƣợc nghiên cứu và xác định, theo đó ammonia là sản phẩm chính
của phản ứng khử nitrat bởi Fe
0
nano và nó bị loại bỏ khỏi dung dịch tại pH cao.
Bảng 1. Các hợp chất gây ô nhiễm có khả năng bị xử lý bởi Fe
0
nano
TT
Tên các nhóm chất và hợp chất
Tên các chất và hợp chất
1
Các hợp chất Clo metan
1.1. Cacbontetraclorua (CCl
4
)
1.2. Cloroform (CHCl
3

)
1.3. Diclorometan (CH
2
Cl
2
)
1.4. Clorometan (CH
3
Cl)
2
Các hợp chất Trihalo metan
2.1. Bromform (CHBr
3
)
2.2. Dibromoclorometan (CHBr
2
Cl)
2.3. Diclorobromometan (CHBrCl
2
)
3
Các hợp chất clo benzen
3.1. Hexaclorobenzen (C
6
Cl
6
)
3.2. Pentaaclorobenzen (C
6
HCl

5
)
3.3. Tetraclorobenzen (C
6
H
2
Cl
4
)
3.4. Triclorobenzen (C
6
H
3
Cl
3
)
3.5. Diclorobenzen (C
6
H
4
CH
2
)
3.6. Clorobenzen (C
6
H
5
Cl)
4
Các hợp chất Clo eten

4.1. Tetracloroeten (C
2
CL
4
)
4.2. Tricloroeten (C
2
HCl
3
)
4.3. cis- Dicloroeten (C
2
H
2
Cl
2
)
4.4. trans- Dicloroeten (C
2
H
2
Cl
2
)
4.5. 1,1- Dicloroeten (C
2
H
2
Cl
2

)
4.6. Vinylclorua (C
2
H
3
Cl)
Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Xuân Huân
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa môi trường
18
TT
Tên các nhóm chất và hợp chất
Tên các chất và hợp chất
5
Thuốc bảo vệ thực vật
4.7. DDT (C
14
H
9
C
l5
)
4.8. Lindan (C
6
H
6
C
l6
)
6
Các hợp chất polycloro khác

6.1. Các hợp chất hydrocacbon
6.2. PCBs
6.3. Pentaclorophenol
6.4. 1,1,1- trichloroetan
7
Thuốc nhuộm hữu cơ
7.1. Màu vàng cam (C
16
H
11
N
2
NaO
4
S)
7.2. Chrysoidin (C
12
H
13
ClN
4
)
7.3. Tropaeolin
(C
12
H
9
N
2
NaO

5
S)
8
Các hợp chất hữu cơ khác
8.1. N- Nitrosodiummetylamin (NDMA)
(C
4
H
10
N
2
)
8.2. TNT (C
7
H
5
N
3
O
6
)
9
Các kim loại nặng
9.1. Thủy ngân (Hg
2+
)
9.2. Niken (Ni
2+
)
9.3. Cadimi (Cd

2+
)
9.4. Chì (Pb
2+
)
9.5. Crôm (Cr
6+
)
10
Các anion vô cơ
10.1. Perclorat (ClO
4
-
)
10.2. Nitrat (NO
3
-
)
Nguồn: Zhang và các cộng sự, 2003 [43]
1.3. Tổng quan về thuốc bảo vệ thực vật
Thuốc BVTV là những hợp chất hoá học (vô cơ, hữu cơ), những chế phẩm sinh
học (chất kháng sinh, vi khuẩn, nấm, virus …), những chất có nguồn gốc thực vật,
động vật, đƣợc sử dụng để bảo vệ cây trồng và nông sản, chống lại sự phá hại của
những sinh vật gây hại (côn trùng, nhện, tuyến trùng, chuột, chim, thú rừng, nấm, vi
khuẩn, rong rêu, cỏ dại, …).
Theo qui định tại điều 1, chƣơng 1, điều lệ quản lý thuốc BVTV (ban hành kèm
theo Nghị định số 58/2002/NĐ-CP ngày 03/6/2002 của Chính phủ), ngoài tác dụng
phòng trừ sinh vật gây hại tài nguyên thực vật, thuốc BVTV còn bao gồm cả những chế