Tổng hợp vật liệu nano Composite từ tính Fe3O4 MnO2. Xác định các đặc trưng và hiệu ứng oxy hóa hấp thụ Asen,Crôm của vật liệu

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Mở đầu
Ngày nay công nghệ nano đang dần dần làm thay đổi cuộc sống của con
ngời. Với kích thớc nhỏ bé cỡ nanomet, vật liệu nano có những tính chất vô cùng
độc đáo mà những vật liệu dạng khối khác không thể có đợc nh độ bền cơ học
cao, hoạt tính xúc tác mạnh, khả năng hấp phụ vợt trội Chính những tính chất
mới này đã mở ra cho vật liệu nano những ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh
vực khoa học công nghệ và đời sống, và đặc biệt là khả năng ứng dụng trong công
nghệ xử lý môi trờng, khi mà tình trạng ô nhiễm môi trờng đang ngày một trở
nên trầm trọng tại nhiều nơi trên thế giới.
Bên cạnh những nguyên nhân do các yếu tố tự nhiên nh quá trình hòa tan
các khoáng chất ở các lớp đất đá, trầm tích thì nguyên nhân gây ra tình trạng ô
nhiễm không thể không kể đến là do các hoạt động của con ngời. Cuộc sống phát
triển kéo theo sự phát triển của các ngành công nghiệp, các ngành sản xuất phục vụ
đời sống đã tạo ra một lợng lớn chất thải, đe dọa nghiêm trọng đến môi trờng đất,
môi trờng không khí, và đặc biệt là môi trờng nớc. Thêm vào đó sự bùng nổ dân
số thế giới làm cho nhu cầu nớc sạch cho ăn uống nói riêng và sinh hoạt và sản
xuất nói chung trên thế giới ngày càng gia tăng. Rất nhiều các quốc gia đang đứng
trớc tình trạng thiếu hụt nguồn nớc sạch, đảm bảo chất lợng cho sức khoẻ con
ngời.
Vấn đề ô nhiễm asen trong nớc ngầm đã đợc thế giới đánh giá là một vấn
đề mang tính toàn cầu. Đã có hơn ba mơi quốc gia trên thế giới có báo cáo về tình
trạng ô nhiễm asen trong nớc ngầm trong đó có Việt Nam. Theo đánh giá của tổ
chức y tế thế giới (WHO), trên thế giới có hơn 100 triệu ngời sẽ là nạn nhân của sự
nhiễm độc asen, và ở Việt Nam là hơn 10 triệu ngời. Ngoài asen ra trong nớc
ngầm còn có sự hiện diện của rất nhiều các kim loại nặng khác nh Hg, Pb, Ni, Cr,
Mn, Fe

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT

Việc xử lý asen và crôm trong nớc ngầm đang đợc giới khoa học rất quan
tâm nghiên cứu, do độc tính và những ảnh hởng nghiêm trọng mà chúng có thể
gây ra cho sức khỏe con ngời. Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã đợc đa ra
nhằm tìm kiếm các công nghệ và vật liệu loại bỏ các hợp chất của asen và crôm
trong nớc. Trên thực tế có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ asen và crôm, tuy
nhiên hiện nay ngời ta chú ý nhiều đến các vật liệu xúc tác hấp phụ có kích thớc
nano do khả năng hấp phụ vợt trội và các tính chất mới của chúng khi ở cấp độ
nano mét.
Dựa trên một số kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nớc về
khả năng hấp phụ của các vật liệu mangan dioxit và vật liệu nano oxít sắt từ: Vật
liệu nano oxít sắt từ có khả năng hấp phụ tốt cả hai dạng As(III) và As(V) dung
lợng hấp phụ cao và tốc độ lớn, còn vật liệu MnO
2
vừa có tính năng xúc tác oxy
hoá mạnh vừa có khả năng hấp phụ tốt. Cả hai loại vật liệu đều đợc chế tạo từ
nguồn nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền và thân thiện với môi trờng. Nhằm mục tiêu kết
hợp các đặc tính quý của hai loại vật liệu này chúng tôi lựa chọn đề tài Tổng hợp
vật liệu nano composite từ tính Fe
3
O
4
/MnO
2
. Xác định các đặc trng và hiệu ứng
oxy hoá hấp phụ Asen, Crôm của vật liệu.
Mục tiêu của đề tài là :
Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu bột xốp nano composite sắt từ
Fe
3
O

4
/ MnO
2
trong đó Fe
3
O
4
nh là lõi đợc bọc bởi màng MnO
2
kích thớc nano
bằng phơng pháp đồng kết tủa.
Đánh giá các đặc trng cơ bản của vật liệu nano composite Fe
3
O
4
/ MnO
2
chế
tạo đợc.
Đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ crôm, asen của vật liệu nhằm định hớng
ứng dụng trong công nghệ xử lý nớc.


Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
ChƯơng I
tổng quan ti liệu
I-Asen
Asen hay còn gọi là thạch tín có ký hiệu hóa học là As đứng thứ 33 bảng hệ

thống tuần hoàn Mendeleev, khối lợng nguyên tử bằng 74.92, là nguyên tố rất độc
phân tán trong tự nhiên. Ngời ta có thể phát hiện ra sự hiện diện của asen trong tất
cả các mẫu đất đá, khoáng vật, các mẫu trầm tích, trong các mẫu động thực vật,
trong nớc biển, nớc ngầm . Trong môi trờng nớc asen thờng tồn tại ở dạng
asen hữu cơ và asen vô cơ. Trong hai dạng asen hữu cơ và asen vô cơ, ngời ta quan
tâm nhiều đến các dạng asen vô cơ do
độc tính cao cũng nh sự hiện diện phổ
biến của chúng trong nớc ngầm. Các
dạng asen tồn tại chủ yếu trong nớc
ngầm bao gồm H
2
AsO
4
-
(trong môi
trờng pH gần axít đến trung tính),
HAsO
4
2-
(trong môi trờng kiềm). Hợp chất H
3
AsO
3
đợc hình thành chủ yếu trong
môi trờng oxy hoá - khử yếu trong đó dạng As(III) thờng độc hơn As(V).
I.1. Asen - Hiểm họa với sức khỏe con ngời
Từ lâu con ngời đã biết đến sự nhiễm độc asen qua đờng hô hấp và qua
đờng tiêu hóa. Về mặt sinh học, asen ảnh hởng đến thực vật nh là một chất ngăn
cản quá trình trao đổi chất, làm giảm năng suất cây trồng, đặc biệt trong môi trờng
thiếu phospho. Đối với con ngời asen tụ tập trong gan, thận, hồng cầu đặc biệt tụ

tập trong não, da, xơng, phổi và tóc.
Sự nhiễm độc asen xuất hiện nh một thảm họa môi trờng đối với sức khỏe
con ngời. Các biểu hiện đầu tiên đối với nhiễm độc asen là chứng sạm da, dầy biểu
bì sừng hóa da, từ đó dẫn đến hoại th hay ung th da. Các điều tra tại Đài Loan đã
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
tìm thấy một loạt sự liên quan giữa việc nhiễm asen với bệnh tắc nghẽn mạch máu
ngoại biên (bệnh chân đen - các chi bị chuyển thành màu đen do bị hoại th). Asen
còn là nguyên nhân của rất nhiều các căn bệnh nguy hiểm khác nh ung th phổi,
thận, bàng quang, ruột kết, mũi . Điểm đặc biệt quan trọng là cả hai dạng As(V)
và As(III) đều là những chất dễ hòa tan trong trong nc v khụng mu khụng v do
ú khụng th phỏt hin bng trc giỏc đợc. Chớnh vỡ vậy các nhà khoa học gọi
chúng là Sát thủ vô hình. Một số hình ảnh nhiễm độc asen đa ra trên hình 2.

Hình2: (a, b) - Hình ảnh nhiễm độc asen,(a) (b)
(c) - Ngời dân sử dụng nớc ngầm nhiễm asen không qua xử lý
Trong hơn 10 năm qua các nhà khoa học trên thế giới đã nhận thấy rằng tình
trạng phơi nhiễm asen ngày càng gia tăng và đã trở thành vấn đề mang tính toàn
cầu, đặc biệt tại các quốc gia nh ấn Độ, Đài Loan, Thái Lan, Mehico, Chile, Mỹ,
Campuchia, Việt Nam[1,2].
ở Việt Nam, asen có trong nớc ngầm đợc phát hiện đầu tiên năm 1993.
Sau đó tổ chức y tế thế giới WHO và UNICEF nhận thấy cấu trúc địa chất của Việt
Nam có đặc thù tơng tự nh Bangladesh nên đã khuyến cáo về khả năng có thể có
sự hiện diện của asen trong nớc ngầm. Theo thông báo của Bộ tài nguyên Môi
trờng: các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ nh Hà Nội, Hà Nam, Hng Yên, Hà Tây, Vĩnh
Phúc đều có hiện tợng ô nhiễm asen. Không chỉ đồng bằng Bắc Bộ, khu vực
miền Trung cũng có biểu hiện ô nhiễm với mức độ khác nhau. Khu vực đồng bằng
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
sông Cửu Long: mức độ ô nhiễm tơng đối nặng nề. Tại 4 tỉnh Long An, Đồng
Tháp, An Giang, Kiên Giang đều nhiễm asen trong nớc ngầm. Theo đánh giá của
WHO, nớc ta có trên 10 triệu ngời có thể phải đối mặt với nguy cơ tiềm tàng về
nhiễm độc asen [2].
I.2. Các công nghệ loại bỏ asen trong nớc:[3]
Các công nghệ loại bỏ asen trong nớc chủ yếu dựa trên các quá trình sau:
Quá trình oxi hóa khử: Các quá trình này không loại bỏ đợc asen trong nớc
nhng góp phần làm tăng thêm hiệu quả của các quá trình sau đó.
Quá trình kết tủa: Đa asen về dạng không tan ví dụ nh calcium arsenat.
Chất rắn này đợc loại bỏ ra khỏi nớc nhờ quả trình lắng và lọc. Các chất keo tụ
đợc đa vào trong nớc, khi thủy phân chúng kết tủa dới dạng bông có khả năng
hấp phụ asen và đợc tách ra khỏi nớc nhờ quá trình lắng và lọc.
Quá trình màng: Sự phát triển của các màng lọc nano và màng thẩm thấu
ngợc RO có khả năng tách đến 99,8% các dạng asen hòa tan trong nớc. Đây là
một bớc phát triển vợt bậc trong xử lý nớc sinh hoạt cũng nh nớc tinh khiết.
Tuy nhiên công nghệ này rất đắt, đòi hỏi phải chi phí cho một hệ thống tiền xử lý
đạt chất lợng cao
Quá trình hấp thụ thực vật: Có rất nhiều loài thực vật có khả năng hấp thụ
asen trong đất, nớc, điển hình là loài cây dơng xỉ đợc coi là thực vật siêu hấp thụ
asen. Quá trình này rất phù hợp với việc cải tạo đất nhiễm kim loại nặng [4].
Quá trình hấp phụ: Rất nhiều các vật liệu trên cơ sở các hợp chất của Al, Fe,
Mn có ái lực mạnh với asen ở trạng thái hòa tan. Asen bị hấp phụ tại các tâm hấp
phụ trên bề mặt vật liệu rắn. Các đánh giá đều cho rằng chúng là vật liệu có hiệu
quả cao trong việc loại bỏ asen trong n
ớc.
Quá trình trao đổi ion: Là phơng pháp hiệu quả trong việc loại bỏ các asen
dạng hòa tan. Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn (nhựa trao đổi
ion) và pha lỏng. Phơng pháp này tơng đối phức tạp và đắt tiền.
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Trên cơ sở các quá trình trên trên thế giới đã hình thành một số công nghệ để
xử lý asen trong nớc [5] đợc đa ra trên hình 3.


Hình 3: Các công nghệ đang đợc sử dụng để loại bỏ asen
Trong các công nghệ này ngoại trừ công nghệ màng và công nghệ thực vật,
tất cả các công nghệ còn lại chỉ hiệu quả đối với dạng As(V) và không hiệu quả đối
với As(III), do đó tính an toàn không cao. Trong khi đó công nghệ màng là công
nghệ có thể tách đợc trên 99,8% các dạng asen song lại rất đắt tiền và đòi hỏi phải
có một hệ tiền xử lý có chất lợng thích đáng. Còn công nghệ thực vật đã đợc đánh
giá là công nghệ thích hợp với các nớc phát triển trong cải tạo đất và cha thích
hợp với các nớc nghèo.
II . Crôm (Chromium)
Crôm là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Cr thuộc nhóm 6, chu kỳ 4, khối
lợng nguyên tử 51.996, trong bảng tuần hoàn. Crôm là một kim loại cứng, mặt

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
bóng, màu xám thép và nhiệt độ nóng chảy cao (T
nc
=2.180K). Crôm kim loại là
chất không mùi, không vị và dễ rèn. Các trạng thái phổ biến của crôm trong nớc là
dạng Cr(II), Cr(III), Cr(VI), trong đó dạng Cr(III) là ổn định nhất. Các hợp chất của
crôm dạng Cr(VI) là những chất có tính ôxi hóa rất mạnh.
Crôm đợc khai thác chủ yếu từ quặng cromit (FeCr
2
O

4
). Gần một nửa quặng
cromit trên thế giới đợc khai thác tại Nam Phi, Kazakhstan, ấn Độ và Thổ Nhĩ Kỳ
[20]. Mặc dù các trầm tích crôm tự nhiên (crôm nguyên chất) là khá hiếm, nhng
vẫn có một vài mỏ crôm kim loại tự nhiên đã đợc phát hiện nh mỏ Udachnaya tại
Nga .Trong tự nhiên, crôm tồn tại chỉ nh là một kim loại vết. Tuy nhiên ngày
nay, lợng crôm ngày một gia tăng do các hoạt động sản xuất của con ngời phát
tán các chất thải vào môi trờng nh của của một số ngành: khai thác quặng, luyện
kim, mạ crôm, công nghiệp thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm
II.1. ảnh hởng của Crôm tới sức khỏe con ngời
Cr(III) là nguyên tố vi lợng rất cần thiết cho quá trình trao đổi chất nhất là
sự chuyển hoá đờng trong cơ thể ngời, khi cơ thể thiếu crôm có thể sinh ra bệnh
gọi là bệnh thiếu hụt crôm. Ngợc lại, dạng Cr(VI) lại rất độc hại có thể gây đột
biến gen. Nếu có nồng độ lớn hơn 0,1mg/l có thể gây sốc, nôn mửa Khi thâm
nhập vào cơ thể Cr(VI) liên kết với các nhóm - SH trong enzim và làm mất hoạt tính
của enzim gây ra rất nhiều bệnh đối với con ngời:
- Phần lớn các hợp chất Cr(VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy. Khi da tiếp
xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc dễ bị phồng rộp lên sau đó bị viêm
loét (có thể bị loét đến xơng). Phơi nhiễm kinh niên trớc các hợp chất crôm (VI)
có thể gây ra tổn thơng mắt vĩnh viễn, nếu không đợc xử lý đúng cách. Crôm
xâm nhập theo đờng hô hấp dễ dẫn tới bệnh viêm yết hầu, viêm phế quản, viêm
thanh quản do niêm mạc bị kích thích (sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nớc mũi).
- Nhiễm độc crôm có thể đẫn đến bệnh tiểu đờng, ung th phổi, ung th gan, loét

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
da, viêm da, viêm gan, viêm thận, đau răng, tiêu hoá kém, gây ngộ độc hệ thần kinh
và hệ tuần hoàn . Tổ chức y tế thế giới khuyến cáo hàm lợng cho phép tối đa
của Cr(VI) trong nớc uống là 0,05mg/l . Tiêu chuẩn nớc ăn uống của Việt Nam

(TCVN 5502-2003) cũng quy định hàm lợng crôm tối đa cho phép là 0,05 mg/l.
II.2. Các phơng pháp loại bỏ crôm trong nớc.
Phơng pháp kết tủa: Crôm tồn tại trong nớc ở cả hai dạng Cr(III) và
Cr(IV). Dạng Cr(IV) thờng tan nhiều trong nớc và không tạo đợc kết tủa
hydroxit. Do đó, để tách loại crôm ra khỏi nớc, phải tiến hành khử Cr(VI) thành
Cr(III), sau đó kết tủa Cr(III) bằng các dung dịch Ca(OH)
2
hoặc NaOH và tách loại
kết tủa bằng phơng pháp lắng, lọc.
Trao đổi ion: Việc loại bỏ crôm trong nớc cũng có thể đợc thực hiện bằng
phơng pháp trao đổi ion. So với phơng pháp kết tủa hóa học, phơng pháp này đạt
hiệu quả cao, song đòi hỏi vốn đầu t lớn, kỹ thuật vận hành nghiêm ngặt và chỉ
thích hợp với các trạm xử lý quy mô nhỏ.
Phơng pháp màng: Thẩm thấu ngợc và lọc nano có thể sử dụng để loại bỏ
crôm với khả năng tách đến 99,8% các dạng crôm trong nớc. Đây là sự phát triển
vợt bậc trong xử lý nớc sinh hoạt cũng nh nớc tinh khiết. Tuy nhiên phơng
pháp này đòi hỏi phải có một hệ tiền sử lý đạt hiệu quả cao. Do đó chi phí lắp đặt và
vận hành lớn, thờng xuyên phải có quan trắc và bảo dỡng, ngoài ra pH, áp suất,
nhiệt độ phải thoả mãn các điều kiện kỹ thuật một cách nghiêm ngặt .
Phơng pháp điện hóa: Phơng pháp này sử dụng hiệu ứng điện di của các
cation trong dung dịch nớc: dới tác dụng của điện trờng một chiều có điện thế
thấp (50 - 150V), các ion của chất gây ô nhiễm trong nớc sẽ di chuyển về phía
điện cực mang điện tích trái dấu. Phơng pháp điện hóa rất thích hợp để xử lý crôm.
Phơng pháp sinh học: Crôm có thể lấy ra khỏi nớc bằng quá trình khử sinh
học. Một số các chủng vi khuẩn kị khí nh chủng vi khuẩn Pseudomonas có khả
năng xúc tác các phản ứng khử trực tiếp Cr(VI) thành Cr(III). Quá trình khử Cr(VI)
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
bằng vi sinh vật có thể đợc tiến hành bên trong thành tế bào hoặc trong dung dịch.

Nó có thể là sự khử trực tiếp Cr(VI), hoặc khử một loại kim loại khác, sau đó khử
crôm bằng kim loại đã bị khử. Bên cạnh đó, ngời ta còn sử dụng một số loại cây
trồng để xử lý đất và nớc ngầm nhiễm hóa chất bằng cách hấp phụ kim loại nặng
qua thân hoặc rễ. Đây là một quá trình bao gồm các bớc hấp thụ, tích tụ, tách hoặc
phân hủy hóa sinh. Phơng pháp sinh học là phơng pháp tơng đối rẻ tiền và rất
thân thiện với môi trờng tuy nhiên phơng pháp này đợc đánh giá là chỉ phù hợp
với các nớc phát triển trong cải tạo đất [11].
Phơng pháp hấp phụ: Crôm có thể lấy ra đợc khỏi dung dịch nớc bằng
phơng pháp hấp phụ cho cả hai dạng là Cr(III) và Cr(VI). Trong các dạng tồn tại
trong nớc thì Cr(VI) có khả năng hấp phụ dễ dàng hơn. Do vậy, để tăng hiệu quả
của quá trình hấp phụ, ngời ta thờng phải oxi hóa Cr(III) lên Cr(VI).
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng vật liệu MnO
2
là vật liệu có khả năng
xúc tác oxy hoá hấp phụ cao và có thể sử dụng vật liệu này để oxi hóa Cr(III) thành
Cr(VI) nhằm tăng hiệu quả hấp phụ. Bên cạnh đó, MnO
2
còn đợc sử dụng rộng rãi
trong việc oxy hoá các hợp chất hữu cơ trong nớc cũng nh làm vật liệu trong xử
lý khí thải dễ bay hơi
III - Công nghệ nano và vật liệu nano.
III.1. Công nghệ nano.
Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc phân tích, thiêt kế,
chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình
dáng, kích thớc trên quy mô nano mét (1nm =10
-9
m).
Theo sáng kiến quốc gia về khoa học và công nghệ nano (National Nanotechnology
Initiative -NNI) của Mỹ [21], công nghệ nano phải bao hàm các lĩnh vực sau:
Nghiên cứu và phát triển ở công nghệ ở cấp độ nano với kích thớc khoảng từ

1nm đến 100nm.
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức
năng mới do kích thớc rất nhỏ của chúng.
III. 2. Vật liệu nano.
III.2.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano [22].
Vật liệu nano là vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó
ít nhất phải có một chiều ở kích thớc nano mét.
Vật liệu nano có thể tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí. Trong đó, vật liệu
nano rắn đang đợc quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đó đến vật liệu lỏng và
khí.
Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại (dạng) :
- Vật liệu nano 3 chiều (còn gọi là vật liệu nano không chiều) là vật liệu có
cả 3 chiều đều có kích thớc nano mét: ví dụ nh đám nano, keo nano, hạt nano
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó có hai chiều có kích thớc nano
mét: ví dụ nh màng nano
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu chỉ có một chiều duy nhất có kích thớc
nano mét: ví dụ nh ống nano, dây nano
III.2.2. Đặc điểm, tính chất của vật liệu nano.
Một đặc điểm vô cùng quan trọng của vật liệu nano là kích thớc chỉ ở cấp
độ nano mét. 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 lớn hơn nhiều so với vật liệu thông thờng.
Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính dị thờng, đặc biệt là khả
năng xúc tác hấp phụ. Với kích thớc nhỏ ở cấp độ phân tử, vật liệu nano xuất hiện
ba hiệu ứng chính: hiệu ứng lợng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thớc.
Hiệu ứng lợng tử [16, 22]
Đối với các vật liệu thông thờng hình thành từ rất nhiều nguyên tử (1m
3

vật liệu có khoảng 10
12
nguyên tử). Các hiệu ứng lợng tử đợc trung bình hóa cho
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của
từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhng đối với vật liệu
nano, do kích thớc của vật liệu nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lợng
tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các
hiệu ứng lợng tử nh hiệu ứng đờng ngầm
Hiệu ứng bề mặt [16, 22].
ở vật liệu nano, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên
tử của vật liệu lớn hơn nhiều so với vật liệu dạng khối nên số các tâm hoạt hoá và
diện tích bề mặt của vật liệu cũng tăng lên rất nhiều so với các vật liệu dạng khối.
Vì thế, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt nh: khả năng hấp phụ, độ hoạt động
bề mặt của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó đã 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.
Hiệu ứng kích thớc [22]
Các vật liệu truyền thống thờng đợc đặc trng bởi một số các đại lợng vật
lý, hóa học không đổi nh độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ
sôi, tính axitTuy nhiên, các đại lợng vật lý và hóa học này chỉ là bất biến nếu
kích thớc vật liệu đủ lớn (thờng là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thớc của vật
liệu xuống đến cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm), thì các đại lợng lý, hóa ở trên
không còn là bất biến nữa, ngợc lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tợng này đợc gọi là
hiệu ứng kích thớc [2]. Kích thớc mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính
chất đợc gọi là kích thớc tới hạn. Ví dụ nh: Điện trở của một kim loại ở kích
thớc vĩ mô mà ta thấy hàng ngày sẽ tuân theo định luật . Nếu ta giảm kích thớc

của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại
(thờng là vài nano mét đến vài trăm nano mét) thì định luật không còn đúng
nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thớc nano sẽ tuân theo các quy tắc lợng
tử.
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học của các vật
liệu đều có kích thớc tới hạn trong khoảng từ 1nm đến 100 nm nên ở vật liệu nano
các tính chất này đều có biểu hiện khác thờng so với các vật liệu truyền thống.
[22]
III.2.3. Vật liệu nano composite. [22]
Thuật ngữ nano compotsite mô tả một nhóm vật liệu compotsite ở đó pha
tăng cờng chỉ có kích thớc ở mức nano mét. Sự có mặt của pha tăng cờng này đã
tạo ra những cải tiến lớn về bản chất vật lý và cơ học của vật liệu nanocomposite.
Vật liệu nano composite vừa kết hợp đợc những tính chất quý dị thờng của vật
liệu nano, vừa có những tính chất riêng của từng cấu tử hợp thành. Trong vật liệu
composite dựa vào mục tiêu chế tạo mà ngời ta sử dụng những nguyên liệu khác
nhau. Sự có mặt của pha tăng cờng tạo ra cho sản phẩm những tính chất mà bản
thân các thành phần ban đầu không có. Vật liệu nanocomposite là một vật liệu có
nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Do vậy nghiên cứu chế tạo vật liệu nano
composite là một hớng quan trọng đang đợc phát triển mạnh mẽ. Pha tăng cờng
trong vật liệu nano composite thờng là các hạt nano, các hạt keo nano, màng nano,
sợiChất mang trong vật liệu nano composite thờng là các polyme, sợi cacbon,
các muối, zeolit và silica, bentonite[12]
III.3 Các phơng pháp tổng hợp vật liệu nano và nano composite. [17, 22]
Hai phơng pháp cơ bản để tổng hợp vât liệu nano là phơng pháp đi từ trên
xuống (top-down) và phơng pháp đi từ dới lên (bottom-up). Phơng pháp đi từ
trên xuống là phơng pháp tạo hạt kích thớc nano từ các hạt có kích thớc lớn hơn.
Phơng pháp từ dới lên là phơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc

ion.
III.3.1 Phơng pháp từ trên xuống
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Phơng pháp từ trên xuống là phơng pháp dùng kĩ thuật nghiền và biến dạng để
biến vật liệu có kích thớc lớn về kích thớc nano.
Phơng pháp nghiền: Vật liệu ở dạng bột đợc nghiền trong máy nghiền với
những viên bi đợc làm từ các vật liệu siêu cứng đặt trong cối nghiền. Máy nghiền
có thể là nghiền lắc, nghiền rung, hoặc nghiền quay. Các viên bi cứng va chạm vào
nhau và phá vỡ bột đến kích thớc nano. Kết quả thu đợc là vật liệu nano không
chiều.
Phơng pháp biến dạng: Phơng pháp biến dạng có thể là đùn thủy lực, tuốt,
cán ép. Nhiệt độ có thể điều chỉnh tùy thuộc vào từng trờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt
độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ
phòng thì gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu đợc là các hạt nano một chiều hoặc
hai chiều.
Nhìn chung, phơng pháp từ trên xuống là phơng pháp đơn giản, rẻ tiền, có
thể chế tạo đợc một lợng lớn vật liệu. Tuy nhiên, tính đồng nhất của vật liệu
không cao và khó điều khiển kích thớc của vật liệu do vậy phơng pháp từ trên
xuống ít dùng để điều chế vật liệu nano so với phơng pháp từ dới lên.
III.3.2. Phơng pháp từ dới lên (bottom-up)
Ngợc lại phơng pháp từ trên xuống, phơng pháp từ dới lên hình thành vật
liệu nano từ các thành phần ở cấp độ nguyên tử hoặc ion. Ưu điểm của phơng pháp
này là tổng hợp đợc vật liệu nano kích thớc nhỏ, đồng đều theo mong muốn.
Phần lớn các vật liệu nano hiện nay điều chế từ phơng pháp này. Nó có thể là
phơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai ph
ơng pháp.
Phơng pháp vật lý:
Đây là phơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.

- Phơng pháp chuyển pha: Vật liệu gia nhiệt sau đó làm nguội với tốc độ nhanh
để thu đợc trạng thái vô định hình. Quá trình tiếp theo là tiến hành xử lý nhiệt
nhằm thu đợc vật liệu ở trạng thái tinh thể.
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
- Phơng pháp bốc bay nhiệt: Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đợc tạo ra
bằng các phơng pháp vật lý nh bốc bay chân không, phún xạ, hồ quang. Vật liệu
nano thu đợc từ phơng pháp này thờng là các màng nano.
Phơng pháp hóa học
Đây là phơng pháp chế tạo vật liệu nano từ các ion hoặc nguyên tử. Phơng
pháp này rất phổ biến để tổng hợp vật liệu nano và nanocomposite. Ưu điểm của nó
là có thể tổng hợp đợc tất cả các dạng của vật liệu nano nh dây nano, ống nano,
thậm chí cả các cấu trúc nano phức tạp để mô phỏng sinh học. Hơn nữa, phơng
pháp này còn cho phép can thiệp để tạo ra các vật liệu nano với kích thớc nhỏ nh
mong muốn với độ đồng đều cao. Ngời ta chia phơng pháp hoá học thành các
phơng pháp sau đây:
- Phơng pháp khử hóa học: ở phơng pháp khử hóa học, muối của kim loại
tơng ứng đợc khử với sự có mặt của các tác nhân làm bền để khống chế sự lớn lên
của các hạt và ngăn cản sự keo tụ của chúng. Ưu điểm của phơng pháp này là quy
trình thực hiện đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền, có thể điều khiển kích
thớc nh mong muốn và cho phép tổng hợp vật liệu với một lợng lớn. Phơng
pháp này chủ yếu để chế tạo các hạt nano kim loại.
- Phơng pháp sử dụng nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên có cấu trúc nano: Các
nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên nh zeolit, các hạt sét, các phân tử sinh học có
phân bố lỗ xốp hoặc cấu trúc lỗ có kích thớc nano mét. Các nguyên liệu này vì thế
có thể làm khuôn phản ứng tổng hợp vật liệu nano và nano composite.
- Phơng pháp sử dụng màng chất đa điện ly: Một số màng các chất đa điện ly
thờng đợc dùng để tổng hợp vật liệu nano và nano composite là polyacrylic
(PAA), polyanlyamin hidroclorua (PHA), plyetylenimit (PEI). Các màng này có các

nhóm cacbonyl hoặc các nguyên tử nitơ mang điện tích âm nên sẽ hấp thụ với các
ion kim loại các phức chất bền trên màng polyme đó. Sau đó các chất khử thích hợp
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
sẽ đợc sử dụng để khử các ion kim loại. Sản phẩm thu đợc là các màng cấu trúc
nano đơn lớp hoặc đa lớp.
- Phơng pháp sol-gel [10, 20]: Phơng pháp sol-gel do R.Roy đề xuất năm 1956.
Phơng pháp sol-gel thờng đợc dùng để tổng hợp các vật liệu nano dạng bột, sợi
màng, gốmƯu điểm của phơng pháp này là dễ điều khiển đợc kích thớc hạt
nên hạt thu đợc có phân bố kích thớc hạt nhỏ nh mong muốn, thiết bị đơn giản,
tiết kiệm đợc nhiều năng lợng, mang tính kinh tế hơn so với các phơng pháp
khác. Phơng pháp sol-gel những năm gần đây phát triển rất đa dạng, nhng có thể
quy tụ thành một số hớng chính sau:
ắ Phơng pháp sol-gel theo con đờng thủy phân các alkoxit: Trong
phơng pháp này, các hợp chất alkoxit thờng đợc hòa tan vào dung môi hữu cơ
khan và thủy phân bằng cách cho thêm một lợng nớc. Sự tạo thành sol - gel rất
phức tạp nhng có thể tóm tắt bằng ba quá trình sau:
- Thủy phân alkoxit kim loại M(OR)
n

- Quá trình trùng ngng
+ Phản ứng loại nớc:

+ Phản ứng loại rợu:

+ Quá trình gel hóa: Các đoạn polyme liên kết với nhau thành khung ba chiều. Đến
một lúc nào đó, toàn bộ hệ biến thành gel, nớc và dung môi nằm trong các lỗ của
gel. Phản ứng phân hủy của gel sẽ xảy ra ở nhiệt độ thấp, cho sản phẩm có độ đồng
nhất và độ tinh khiết hóa học cao, bề mặt riêng lớn. Bằng cách điều chỉnh tốc độ

thủy phân và tốc độ ngng tụ, có thể khống chế đợc kích thớc hạt và hình dáng
của hạt cũng nh có thể chế tạo màng mỏng hoặc vô định hình. Phơng pháp này

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
đặc biệt thuận lợi trong việc chế tạo vật liệu oxit kim loại.
ắ Phơng pháp sol-gel theo con đờng thủy phân các muối: Phơng
pháp này xuất phát từ chất đầu là các muối nitrat, cloruaCác ion kim loại trong
môi trờng nớc tạo phức aquo bị thủy phân tạo thành aquohidroxo


Các phức aquohidroxo đơn nhân ngng tụ thành phức đa nhân rồi tiếp tục phát triển
thành các mạch polymer.
III.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano và vật liệu nano
composite [10]:
Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano đang
đợc rất nhiều các quốc gia quan tâm. Có thể kể đến mốt số cờng quốc đang
chiếm lĩnh thị trờng công nghệ này hiện nay nh: Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc,
Đức, Nga và một số nớc Châu Âuở những quốc gia trên, chính phủ dành một
khoản ngân sách đáng kể hổ trợ cho việc nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của
ngành công nghệ nano. Không chỉ các trờng Đại học có các phòng thí nghiệm với
các thiết bị nghiên cứu quy mô mà cả các tập đoàn sản xuất cũng tiến hành nghiên
cứu và phát triển công nghệ nano với các phòng thí nghiệm với tổng chi phí nghiên
cứu tơng đơng với ngân sách chính phủ dành cho công nghệ nano.
ở Việt Nam, xu hớng tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần
đây đã tạo ra những chuyển biến có sức lôi cuốn đối với lĩnh vực này. Nhà nớc
cũng đã dành một khoản ngân sách khá lớn cho chơng trình nghiên cứu công nghệ
nano cấp quốc gia với sự tham gia của nhiều trờng Đại học và Viện nghiên cứu
trong cả nớc. Bớc đầu đã thu đợc nhiều kết quả đáng khích lệ. Sở dĩ mà công

nghệ nano đợc chú trọng phát triển nh vậy là do những ứng dụng kỳ diệu mà
công nghệ nano đã và đang đạt đợc trong các lĩnh vực của khoa học và công nghệ.
Sau đây là các lĩnh vực mà công nghệ nano có u thế :
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
III.4.1. Công nghệ điện tử, công nghệ thông tin.
Trong công nghệ thông tin nhu cầu sử dụng bộ nhớ có dung lợng lớn ngày
càng cao. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo ra các chip máy tính với chấm
lợng tử gọi là các chip nano (nano chip) có độ tích hợp rất cao, cho phép tăng dung
lợng bộ nhớ của máy tính. Công nghệ nano cũng đợc ứng dụng trong chế tạo các
linh kiện quang điện tử trong các màn hình tinh thể lỏng, thiết bị phát tia laze với
độ chính xác cỡ vài nano mét. [19]
III.4.2. Công nghệ chế tạo máy, công nghiệp nhẹ.
Các vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do có cấu trúc đặc biệt
nên ống nano cacbon (cacbon nanotubes) hoặc các tổ hợp composite của chúng có
độ bền cơ học cao gấp 10 lần thép, tính bền nhiệt cao, vì vậy, các ống cacbon là
nguyên liệu rất thích hợp để sản xuất các thiết bị cho ngành sản xuất xe hơi, máy
bay, tàu vũ trụ

Các vật liệu nano đợc điều chế dới dạng aerogel có cấu trúc xốp và độ xốp
cao thể làm vật liệu cách nhiệt, khử tiếng ồn, cách nhiệt [20]

III.4.3. Y sinh học.
- Phân tách và chọn lọc tế bào: Dựa vào đặc trng siêu thuận từ của các hạt nano
sắt từ các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để tiến hành phân tách tế bào. Quá trình
phân tách đợc chia làm hai giai đoạn: Đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu
thông qua các hạt nano sắt từ. Sau đó tách các thực thể đợc đánh dấu ra khỏi môi
trờng bằng từ trờng ngoài.
- Dẫn truyền thuốc: Khi xâm nhập vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh thờng bị

phân tán và không tập trung gây ảnh hởng cho các tế bào khoẻ mạnh, sinh ra các
tác dụng phụ. Do đó ngời ta sử dụng các hạt từ tính nh là hạt mang thuốc đến vị
trí mong muốn trên cơ thể (các khối u, ung th) bằng từ trờng ngoài.
- Tăng thân nhiệt cục bộ: Phơng pháp này dùng trong chữa trị ung th. Các hạt
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
nano từ tính đợc phân tán trong các mô bị bệnh, sau đó sử dụng một từ trờng
xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cờng độ và tần số tác dụng lên các hạt nano sắt từ,
làm cho các hạt nano hởng ứng và tạo ra nhiệt cục bộ nung nóng tế bào ung th
(cỡ 42
o
C). Tại nhiệt độ cục bộ này có thể giết chết các tế bào ung th. [26]
III.4.4. Năng lợng mới.
Với công nghệ nano, ngời ta có thể tạo ra những loại pin mới có khả năng
quang hợp nhân tạo, giúp con ngời sản xuất ra năng lợng sạch, hay tạo ra những
thiết bị ít tiêu tốn năng lợng do sử dụng những loại vật liệu nhỏ nhẹ. Các màng
nano (với chi phí sản xuất thấp) hứa hẹn có thể hấp thụ đợc nhiều năng lợng mặt
trời hơn các vật liệu quang điện hiện nay. Đây là khởi đầu cho một cuộc cách mạng
trong việc sử dụng năng lợng mặt trời.[19]
III.4.5. Công nghệ xử lý Môi trờng
Các vật liệu xử lý môi trờng đang là vấn đề đang đợc quan tâm, đặc biệt là
vật liệu dùng trong công nghệ làm sạch nớc. Các máy lọc đợc tạo ra bởi công
nghệ nano với các màng lọc có đờng kính lỗ chỉ vài nano nh màng lọc thẩm thấu
ngợc (RO), các màng vi lọccó thể lọc đợc các vi khuẩn và virus trong nớc và
có thể tách loại đợc trên 99,8% các chất tan trong nớc[13].
Mới đây nhà khoa học ngời Nhật đã phát hiện ra một loại vi khuẩn chuyên
ăn các chất lơ lửng trong nớc và các hạt nano từ tính. Khi các vi sinh vật đã ăn no
(chất bẩn lẫn các hạt nano từ tính), chúng sẽ đợc lắng và tách ra khỏi nớc nhờ từ
trờng ngoài.

Vật liệu nano có diện tích và số điện tử phân bố trên bề mặt lớn hơn rất nhiều
so với các vật liệu dạng khối. Do đó ở vật liệu nano xuất hiện nhiều đặc tính nổi
trội, đặc biệt là khả năng xúc tác, hấp phụ Lợi dụng các u thế đó các nhà khoa
học đã và đang đi sâu nghiên cứu tìm tòi chế tạo các vật liệu hiệu năng cao, sử dụng
trong lĩnh vực xử lý môi trờng: vật liệu hấp phụ, các vật liệu có khả năng xúc tác,

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
xử lý các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các loại khí thải dễ bay hơi (VOCs)
Chơng II
Vật liệu v phơng pháp nghiên cứu:
I- Vật liệu nano oxit sắt từ Fe
3
O
4:

I.1. Cấu trúc tinh thể Fe
3
O
4
:
Oxit sắt từ Fe
3
O
4
đợc xếp vào
nhóm vật liệu ferit có công thức tổng quát
MO.Fe
2

O
3
(M là kim loại hóa trị 2 nh Fe,
Ni, Co, Mn, Mg hoặc Cu). Trong loại vật
liệu ferit các ion oxi có bán kính khoảng
1,32A
o
lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim
loại (0,6 ữ 0,8 A) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng lới có
cấu trúc lập phơng tâm mặt. Oxit sắt từ Fe
3
O
4
là một ferit có cấu trúc spinel đảo.
Nó có một nửa số ion Fe
3+
chiếm hốc bát diện, nửa còn lại chiếm hốc tứ diện, các
ion Fe
2+
đều chiếm hốc bát diện. Chính cấu trúc spinel đảo đã quyết định tính chất
từ của Fe
3
O
4
, đó là tính chất feri từ.
Bảng 1. Sự phân bố các momen từ spin của các ion Fe
2+
và Fe
3+

Cation Hốc bát diện
(nhóm B)
Hốc tứ diện
(nhóm A)
Momen từ riêng
Fe
3+





Triệt tiêu hoàn toàn
Fe
2+







Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Trong oxit sắt từ, vì ion Fe
3+
có mặt ở cả hai phân mạng với số lợng nh
nhau nên momem từ chỉ do Fe
2+

quyết định.
Trong môi trờng không khí Fe
3
O
4
dễ bị oxy hóa và chuyển về dạng
-Fe
2
O
3
.Fe
3
O
4
. -Fe
2
O
3
và Fe
3
O
4
có cấu tinh thể và tính chất vật lý tơng tự nh
nhau -Fe
2
O
3
cũng là chất feri từ nhng có M
s
nhỏ hơn Fe

3
O
4
.
Trên thực tế, khi điều chế hạt nano sắt từ, ngời ta thấy xuất hiện một lợng
nhỏ -Fe
2
O
3
do Fe
3
O
4
dễ bị oxy hoá khi có mặt oxy kể cả trong môi trờng lỏng.
I.2. Tính chất từ của vật liệu:
Vật liệu Fe
3
O
4
kích thớc < 20nm là vật liệu siêu thuận từ. Hiện tợng này
chỉ xảy ra đối với sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ. Khi kích thớc hạt lớn,
hệ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ). Khi kích
thớc hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen (mỗi hạt sẽ là một
đômen). Hiện tợng siêu thuận từ xảy ra khi kích thớc hạt giảm quá nhỏ, năng
lợng định hớng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lợng dị hớng từ tinh thể)
nhỏ hơn nhiều so với năng lợng nhiệt, khi đó năng lợng nhiệt sẽ phá vỡ sự định
hớng song song của các mômen từ, và mômen từ của hệ hạt sẽ định hớng hỗn
loạn nh trong chất thuận từ [4].
I.3. ứng dụng của nano sắt từ
Vật liệu nano sắt từ ngày càng đợc nghiên cứu kỹ lỡng nhằm phát hiện ra

những hiệu ứng mới định hớng cho các ứng dụng mới trong sản xuất cũng nh đời
sống. Đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trờng nano sắt từ kích thớc cỡ 20 nm có
khả năng hấp phụ cả hai dạng arsenate - As(III) và arsenite - As(V), dung lợng hấp
phụ cao gấp 200 lần so với vật liệu dạng khối. Khi cân bằng hấp phụ hàm lợng
asen trong nớc có thể đạt dới mức 10 ppb (là nồng độ asen cho phép theo tiêu
chuẩn của WHO) chỉ trong vài phút [2]. Ngoài ra rất nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ
rằng nano sắt từ ngoài khả năng hấp phụ asen còn có khả năng hấp phụ các kim loại
Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
nặng khác nh: chì, niken, thuỷ ngân và đặc biệt có khả năng hấp phụ rất tốt Cr(VI)
khi ở dộ pH thấp (cỡ pH= 2-3) [14]. Những phát hiện đó là nền tảng cho một hớng
nghiên cứu mới: Nghiên cứu chế tạo nano sắt từ hoặc tổ hợp compossite của chúng
với các thành phần khác định hớng xử dụng trong xử lý môi trờng. Các ứng dụng
chung của nano sắt từ đa ra trên hình 5.

Hình 5: Các ứng dụng chung của nano sắt từ
II- Vật liệu Mangan dioxit (MnO
2
):
Manganese dioxide hoặc manganese peroxide tồn tại dới dạng chất bột vô
định hình, màu đen, có khối lợng riêng 5,03 g/cm
3
. Khi nung đến 535
o
C MnO
2

phân huỷ thành Mn
2

O
3
và O
2
. MnO
2
không tan trong nớc, tan trong axit. Trong tự
nhiên, mangan dioxit tồn tại trong ba lọai khoáng vật: pyrolusit, ramsdellit,
akhtenskit. ở Việt Nam, chỉ riêng nguồn khoáng pyrolusit có đến hàng triệu tấn tập
trung ở Cao Bằng, Nghệ An.

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Do các u điểm của mangan dioxit nh là nguồn nguyên liệu dễ kiếm, rẻ
tiền, khả năng oxy hóa cao, thân thiện với môi trờng nên mangan dioxit đợc các
nhà khoa học đặc biệt nghiên cứu và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống.
Ví dụ: dùng điều chế clo (với dung dịch HCl đậm đặc), chế tạo pin khô (chất khử
cực), sản xuất sắc tố đen, men gốm, sứ, chế tạo hợp kim feromangan và các hợp
chất mangan, dùng trong công nghiệp cao suƯu điểm nổi trội nhất của mangan
dioxit là khả năng xúc tác oxi hóa cao. Do vậy nó đợc sử dụng trong các phản ứng
hóa học nh là một chất xúc tác điển hình. Sự có mặt MnO
2
trong phản ứng phân
hủy H
2
O
2
đợc coi là một hệ xúc tác dị thể (rắn - lỏng). Tác dụng của MnO
2

là sự
hấp phụ của chất xúc tác đối với H
2
O
2
. Sự hấp phụ đó dẫn tới hiện tợng tăng nồng
độ các chất tham gia ở vùng bề mặt chất xúc tác, tạo thuận lợi cho phản ứng về mặt
năng lợng, khiến cho phản ứng tăng. Đó là lời giải thích cho hiện tợng tại sao khi
không có MnO
2
, ta không thể nhìn thấy sự phân hủy H
2
O
2
, còn khi có nó thì phản
ứng xảy ra mãnh liệt [18].
Trong công nghệ môi trờng mangan dioxit đợc sử dụng khá phổ biến để xử
lý môi trờng nớc và không khí.
Các nhà khoa học Đài Loan đã phát hiện ra rằng, sử dụng MnO
2
đóng vai trò
nh là một chất xúc tác có thể làm giảm lợng amoni trong nguồn nớc. Các kết
quả thực nghiệm cho thấy, sử dụng MnO
2
có thể giảm 89.5% lợng amoni trong
nớc, một kết quả hết sức khả quan. Thêm vào đó, so với phơng pháp phổ biến là
dùng TiO
2
để xử lý amoni trớc đây, thì phơng pháp này ít tốn kém hơn, đem lại
hiệu quả kinh tế cao. Mangan dioxit (MnO

2
) từ lâu đã đợc sử dụng trong công
nghệ xử lý nớc sinh hoạt và nớc thải nh là một loại vật liệu có khả năng tự xúc
tác hấp phụ cho mục đích xử lý sắt và mangan đồng thời trong nớc. Ngày nay
hớng nghiên cứu chế tạo MnO
2
kích thớc nano dới dạng Black Birnessite đang
đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu chế tạo và ứng dụng để xử lý crôm,
asen cũng nh các hợp chất hữu cơ trong nớc và không khí.

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
Các loại vật liệu mới trên cơ sở MnO
2
- Black Birnessite có diện tích bề mặt
riêng cực lớn ở dạng lỗ xốp rỗng (dạng tổ chim - Birds Nest) [15]. Diện tích bề mặt
lớn giúp tạo ra nhiều điểm hấp phụ hơn cho các phân tử dễ bay hơi. Hơn nữa, các
chất ô nhiễm bị hấp phụ phân hủy rất có hiệu quả do oxi đợc cung cấp cho quá
trình oxi hóa diễn ra ngay tại mạng lới của MnO
2
.

Hình 6: ảnh SEM của MnO
2
- Black Birnessite
Điều này dẫn đến những nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu trên nền nano
MnO
2
nhằm loại bỏ một cách hiệu quả các hợp chất hữu cơ dễ bay hơI (VOCs), các

hợp chất NOx và SO
2
. Theo đánh giá của các nhà khoa học MnO
2
có thể là vật liệu
xúc tác oxy hoá của tơng lai, chúng thậm chí có thể thay thế các vật liệu xúc tác
truyền thống rất đắt tiền nh Platin. Hình 6 là ảnh SEM của MnO
2
- Black Birnessite
ở độ phóng đại khác nhau.
Tại Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng MnO
2
trên

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
nền quặng pyrolusite để loại bỏ asen trong nớc (Lê Văn Cát với vật liệu MF-97,
Bùi Quang C). Tuy nhiên dung lợng hấp phụ của vật liệu còn rất thấp vì dựa
trên cơ sở vật liệu dạng khối (0,175mg As/kg vật liệu).
III - Các phơng pháp đo đạc, khảo sát:
III.1. Phơng pháp nhiễu xạ Rơnghen ( Xray diffracsion: XRD) [23]
Phơng pháp nhiễu xạ tia X( tia Rơnghen) cung cấp các thông tin về thành
phần cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu, đồng thời nó còn cho phép tính đợc kích
thớc trung bình của hạt tinh thể. Nguyên lý của phơng pháp nhiễu xạ tia X là xác
định kích thớc và thành phần cấu trúc mạng dựa vào ảnh hởng khác nhau của
kích thớc tinh thể lên phổ nhiễu xạ.
Khi chiếu 1 chùm tia X vào tinh thể, điện từ trờng của tia X sẽ tơng tác với
các nguyên tử nằm trong mạng tinh thể. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm
tia X sẽ trở thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ đợc

trình bày trên hình 7.


Hình 7: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ
Các tia phản xạ từ tơng tác này có thể giao thoa với nhau và xảy ra hiện
tợng nhiễu xạ. Nếu gọi góc tới của tia X với mặt phẳng tinh thể là thì sự giao
thoa chỉ có thể xảy ra nếu phơng trình Vuff- Bragg đợc thỏa mãn:

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065

Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH & MT
2d sin = n
Trong đó:
d : là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song
: góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ
: là bớc sóng của tia X
Detecter sẽ ghi nhận lại tất cả các tia nhiễu xạ. Hình ảnh nhiễu xạ sẽ đợc
trình bày dới dạng một nhiễu xạ đồ. Sau khi ghi phổ, máy sẽ so sánh với th viện
các phổ chuẩn để xác định các pha có trong mẫu, cấu trúc và tỉ phần pha của mẫu.
Có thể tính đợc kích thớc trung bình của hạt bằng công thức Debye-
Scherrer:

Trong đó:
d : là kích thớc hạt trung bình (nm)
: là độ rộng nửa vạch phổ của pic cực đại ( rad)
Do những tính năng trên mà phơng pháp này đợc dùng khá phổ biến trong
nghiên cứu cấu trúc tinh thể.
III.2. Phơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Phơng pháp SEM đợc sử dụng để khảo sát hình dạng và cấu trúc bề mặt
của vật liệu. Hình 8 đa ra toàn cảnh hệ kính hiểm vi điện tử phân giải cao Hitachi

S-4800 đặt tại phòng thí nghiệm trọng điểm của viện Khoa học Vật liệu - Viện
KH&CN Việt Nam

Quản Thị Thu Trang MSSV: 505303065