Nghiên Cứu Chế Bạo Vật Liệu NANO FE Trên Nền POLYME Và Ứng Dụng Xử Lý Hợp Chất Hữu Cơ Chứa Clo

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG

= = = =¶¶¶ = = = =

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO FE 0 TRÊN
NỀN POLYME VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ
HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA CLO

Người thực hiện
Lớp
Khóa
Chuyên ngành
Giáo viên hướng dẫn

:
:
:
:
:

NGUYỄN PHƯƠNG THÚY
MTC
57
MÔI TRƯỜNG
ThS LÊ THỊ THU HƯƠNG

HÀ NỘI – 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG

= = = =¶¶¶ = = = =

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO FE 0 TRÊN
NỀN POLYME VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ
HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA CLO

Người thực hiện
Lớp
Khóa
Chuyên ngành
Giáo viên hướng dẫn
Địa điểm thực tập

:
:
:
:
:
:

NGUYỄN PHƯƠNG THÚY
MTC
57
MÔI TRƯỜNG

ThS LÊ THỊ THU HƯƠNG
BỘ MÔN HÓA – KHOA MÔI
TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực tập, ngoài sự nỗ lực của bản thân tôi còn nhận
được sự giúp đỡ nhiệt tình của tập thể, cá nhân trong và ngoài trường.
-Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của giáo viên
hướng dẫn ThS.Lê Thị Thu Hương đã động viên, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
- Xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu Học Viện Nông nghiệp Hà Nội,
các thầy cô trong khoa Môi trường đặc biệt là các thầy cô ở bộ môn Hóa đã tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài.
- Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên
cạnh cổ vũ, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn.
Hà Nội, ngày 23 tháng 6 năm 2016
Sinh Viên
Nguyễn Phương Thúy

i


MỤC LỤC
- Dùng công nghệ nano để xử lý nước..........................................................7
- Áp dụng công nghệ nano cho thiết bị lọc nước.............................................11

ii

DANH MỤC VIẾT TẮT
MEMS
TNHH
ZVI
CCN
GS. TSKH
TS
HCHC
MRI
TCE
PCE
SEM

micro-electromechanical systems : hệ thống vi cơ điện
Trách nhiệm hữu hạn
Zero-Valent Iron : trạng thái hóa trị 0 của Fe
Cụm công nghiệp
Giáo sư tiến sĩ khoa học
Tiến sĩ
Hợp chất hữu cơ
Chụp Cộng hưởng từ
Trichloroethylene
Perchloroethylene
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

iii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Những hợp chất có thể xử lý dễ dàng bằng nano Fe0
Bảng 3.1 Kết quả phân tích mối tương quan giữa thời gian và hiệu suất xử lý
TCE...................................................................Error: Reference source not found
Bảng 3.2 Kết quả phân tích mối tương quan giữa pH và hiệu suất xử lý TCE
..........................................................................Error: Reference source not found
Bảng 3.3 Kết quả phân tích mối tương quan giữa khối lượng vật liệu và hiệu
suất xử lý TCE..................................................Error: Reference source not found

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu trúc phân tử nano........................Error: Reference source not found
Hình 1.2 Ống nano lọc nước.............................Error: Reference source not found
Hình 1.3 Cấu tạo phân tử TCE.........................Error: Reference source not found
Hình 1.4 cấu trúc chitin / chitosan...........................................................................
Hình 1.5 Cấu trúc của chitin.............................Error: Reference source not found
Hình 1.6 Cấu trúc của chitosan (hay Poliglusam; Deacetylchitin; Poly(D)glucosamine)...............................................Error: Reference source not found
Hình 3.1 Vật liệu trước và sau sấy....................Error: Reference source not found
Hình 3.2 Hình ảnh bề mặt vật liệu được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét
(SEM)...............................................................Error: Reference source not found
Hình 3.3 Cấu tạo mô phỏng bằng hình vẽ vật liệu nano sắt Hóa trị 0...........Error:
Reference source not found
Hình 3.4: Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian lắc mẫu và hiệu suất xử lý TCE
..........................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.5: Biểu đồ mối quan hệ giữa pH và hiệu suất xử lý TCE. Error: Reference
source not found
Hình 3.6: Biểu đồ mối quan hệ giữa khối lượng vật liệu và hiệu suất xử lý TCE
..........................................................................Error: Reference source not found

v


ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài
Trong vài thập kỷ vừa qua, ở Việt Nam, sự phát triển khoa học và công
nghệ và sự đô thị hoá làm tăng ô nhiễm môi trường do nguồn khí thải, nước thải
và chất thải rắn không được sử lý một cách triệt để. Quá trình công nghiệp hóa,
hiện đại hóa đang diễn ra mạnh mẽ trên cả nước làm thay đổi hàng ngày nền
kinh tế xã hội cũng như mọi mặt của cuộc sống . Đồng thời sự phát triển đó
cũng đã gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung , ô nhiễm nguồn nước nói
riêng mà trong đó ô nhiễm chất hữu cơ nguồn nước đang có chiều hướng gia
tăng mạnh mẽ. Một trong số những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước là hợp
chất hữu cơ chứa Clo .
Và công nghệ nano ra đời để giải quyết vấn đề bức thiết này . Đối tượng
nghiên cứu của công nghệ nano là vật liệu nano . Một số nước phát triển trên thế
giới như Mỹ, Nhật và các nước châu Âu đã nhìn nhận công nghệ nano như một
trong những lĩnh vực triển vọng nhất cuả thế kỷ 21 , được đầu tư nghiên cứu
mạnh mẽ để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nguồn
nước do hợp chất chứa Clo nói riêng.
Các hợp chất Clo hữu cơ nằm trong các hợp chất được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp . Các hợp chất Clo hữu cơ có tác động mạnh tới môi
trường vì chúng rất độc và khó phân hủy khi đốt cháy . Các chất này là
thường là các hợp chất Clo hữu cơ mạch vòng , ổn định về cấu trúc hóa học
nên tồn tại rất bền vững và có thể luân chuyển trong môi trường . Đặc biệt các
chất này còn có thể tích lũy trong cơ thể người và động vật thông qua thức
ăn . Thời gian phân hủy và chuyển hóa các hợp chất này thường kéo dài hàng
chục năm và thường để lại những hậu quả và di chứng nặng nề cho con người
và động vật. Hợp chất hữu cơ chứa Clo khi ở trong môi trường nước dẫn đến

nguồn nước bị ô nhiễm chất hữu cơ làm cho nước có màu sắc và mùi vị khó
chịu, có nhiều hợp chất độc hại và gây tác động xấu đến sức khoẻ con người.

1


Vì vậy, tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe 0 trên nền
polyme và ứng dụng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo ”
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xác định được phương pháp tổng hợp vật liệu nano Fe 0 trên nền
Chitosan
- Nghiên cứu khả năng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo của vật liệu nano
Fe0 trên nền Chitosan.
- Xác định được điều kiện tối ưu xử lý hợp chất hữu cơ chứa Clo của vật
liệu nano Fe0 trên nền Chitosan.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.Tổng quan về công nghệ nano
1.1Khái niệm công nghệ nano
Công nghệ Nano (Nanotechnology), hay còn gọi là sản xuất phân tử, là
một ngành khoa học kỹ thuật liên quan tới thiết kế và sản xuất các mạch điện tử
và thiết bị cực nhỏ ở cấp độ phân tử của vật thể . Viện công nghệ Nano Anh
quốc (Institute of Nanotechnology) định nghĩa Nano là “một ngành khoa học và
công nghệ mà ở đó các kích thước từ 0,1nm (Nanomét) tới 100nm đóng vai trò
chủ đạo” . Nanomét là đơn vị đo lường vũ trụ bằng 1 phần tỷ mét. Công nghệ
Nano thường đi đôi với các hệ thống vi cơ điện MEMS (microelectromechanical systems). Các hệ thống này thường sử dụng công nghệ Nano
nhưng có thể bao gồm cả các công nghệ khác ở cấp độ cao hơn phân tử .

Chương trình Nano quốc gia của Mỹ NNI định nghĩa công nghệ Nano
phải bao hàm:
– Nghiên cứu và phát triển công nghệ ở cấp độ phân tử hoặc vi phân, với
kích thước khoảng 1 – 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 thước cực nhỏ.
– Có khả năng kiểm soát và thao tác ở cấp độ nguyên tử.
1.2 Tiềm năng của công nghệ Nano
Không giống các công nghệ khác , thường bắt nguồn từ một bộ môn khoa
học cụ thể, nhưng công nghệ nano là sự kết hợp của nhiều bộ môn khoa học.
Công nghệ nano được xác định bằng quy mô hoạt động . Khoa học nano và công
nghệ nano liên quan đến việc nghiên cứu vật chất ở kích thước siêu nhỏ . Một
nano mét bằng 1 phần triệu của 1mm và một sợi tóc của con người rộng khoảng
80.000 nano mét. Kích thước của vật liệu nano quá nhỏ làm cho con người khó
nhìn thấy. Kích thước nano cho phép xử lý những bộ phận nhỏ nhất của vật
chất . Hoạt động ở kích thước nano sẽ liên kết các nguyên tử và phân tử để khai
3


thác dễ dàng hơn các đặc điểm của vật chất . Giống như xây dựng một mô hình
từ những viên gạch Lego, chúng ta sẽ hình dung về việc tạo ra các vật liệu mới
hoặc thay đổi các vật liệu cũ. Trong các ứng dụng như lọc nước, các vật liệu có
thể được làm mới hoặc điều chỉnh để lọc sạch các kim loại nặng và độc tố sinh
học.
Các vật liệu kích thước nano thường có các đặc tính về quang học và dẫn
điện khác với vật liệu cùng loại có kích thước nhỏ hay lớn . Ví dụ, titan oxit
nano là chất xúc tác hiệu quả hơn titan oxit có kích thước nhỏ . Có thể sử dụng
titan oxit nano để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong xử lý nước . Tuy
nhiên, trong nhiều trường hợp, kích thước nhỏ của các hạt nano được sản xuất sẽ
làm cho vật liệu độc hơn mức bình thường .

Nguyên tắc chủ yếu của các công nghệ nano là giảm các vấn đề nan giải
về nước, là giải quyết các khó khăn về kỹ thuật để xử lý các chất ô nhiễm trong
nước, bao gồm vi khuẩn, virút, asen, thủy ngân, thuốc bảo vệ thực vật và muối.
Nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư khẳng định, công nghệ nano đảm bảo các giải
pháp hiệu quả và bền vững hơn vì sử dụng các hạt nano để xử lý nước ít gây ô
nhiễm hơn so với các phương pháp truyền thống và đòi hỏi ít nhân công, vốn,
đất đai và năng lượng.
1.3 Vật liệu nano
Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cỡ nanômét . Đây là đối tượng
nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên
với nhau . Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào
cỡ nanômét,đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu
thông thường. Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu.Kích thước vật liệu
nano trải một khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu
và tính chất cần nghiên cứu.
Định nghĩa về khoa học nano dựa trên tiền tố nano của tiếng Hi Lạp có
nghĩa là nhỏ xíu , rất nhỏ. Trong kĩ thuật nano có nghĩa là bằng một phần tỉ của
cái gì đó, 10-9(1/1.000.000.000) . Một nano mét bằng 10-9m, một đơn vị đo
4


lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất chính
là nguyên tử có kích thước khoảng 1nm, phân tử là hợp của nhiều nguyên tử và
có kích thước khoảng 1nm, vi khuẩn: 50nm, hồng huyết cầu 10.000 nm, sợi tóc:
100.000nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: 2 tỉ nm.Vật liệu
nano có thể định nghĩa là những vật liệu mà thành phần cấu trúc của nó có
mộtchiều với kích thước dưới 100 nm. Những vật liệu có một chiều ở kích thước
nano là các lớp (layers) như các màng mỏng hay các lớp phủ bề mặt. Các vật
liệu có hai chiều ở kích thước nanocó thể kể đến là các sợi nano (nanowires) hay
các ống nano (nanotubes). Những vật liệu có ba chiều với kích thước nano bao

gồm các hạt nano (nano particles) . Ngoài ra các vật liệu mao quản nằm trong
khoảng vài đến vài chục nano mát cũng được gọi là các vật liệu có cấu trúc nano
(nanostructured materials).
1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chê tạo băng hai phương pháp: phương pháp từ trên
xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên
xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn,
phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối
với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn
giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích
thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật
liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng
và đặt trong một cái cối . Máy nghiền có thể là nghiền lắc , nghiền rung hoặc
nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào
nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano
không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ
thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn(có thể >10) mà không làm phá
huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều
5


chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể . Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn
nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng , còn ngược lại thì được gọi
là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano)
hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng
các phương pháp quang khăc đê tạo ra các cấu trúc nano phức tạp .
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương

pháp từ dưới lên được phát triên rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất
lượng của sản phẩm cuối cùng . Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng
hiện nay được chế tạo từ phương pháp này . Phương pháp từ dưới lên có thê là
phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý .
• Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyên pha. Nguyên tử hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật
lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển
pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng
thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết
tinh) (phương pháp nguội nhanh).
Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano,
ví dụ: ổ cứng máy tính.
• Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion.
Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu
cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp . Tuy nhiên,
chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình
thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí
(nhiệt phân,...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano,
màng nano, bột nano,...
• Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các
nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương
pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
6


1.4 Ứng dụng công nghệ nano trong xử lý môi trường
1.4.1 Ứng dụng xử lý môi trường nước
- Màng lọc nano đã được ứng dụng phổ biến để xử lý muối hòa tan và
các chất ô nhiễm có kích thước nhỏ, làm mềm nước và xử lý nước thải. Màng
lọc nano đóng vai trò như rào cản vật lý, ngăn chặn các hạt và vi sinh vật lớn

hơn lỗ của màng lọc và loại bỏ có chọn lọc các chất ô nhiễm.
- Công nghệ nano sẽ góp phần cải tiến hơn nữa công nghệ màng đồng
thời còn làm giảm chi phí rất lớn trong quy trình khử mặn. Các nhà khoa học
đang phát triển những loại vật liệu mới có lỗ nano hoạt động hiệu quả hơn các
thiết bị lọc truyền thống . Ví dụ, một nghiên cứu ở Nam Phi đã chứng minh,
màng lọc nano có thể lọc nước uống an toàn từ nước ngầm mặn. Một nhóm các
nhà khoa học ở Ấn Độ và Hoa Kỳ đã phát triển các thiết bị lọc bằng ống nano
cácbon xử lý vi khuẩn và virút hiệu quả hơn các thiết bị màng lọc truyền thống.
- Đất sét attapulgite và zeolit trong tự nhiên còn được dùng trong các
thiết bị lọc nano . Chúng có các lỗ kích thước nano mét và được sử dụng ở
nhiều nơi trên thế giới. Một nghiên cứu sử dụng màng lọc đất sét attapulgite để
lọc nước thải của một nhà máy sữa ở Algêri cho thấy, loại màng này có thể lọc
các chất hữu cơ trong nước thải để sản xuất nước uống an toàn. Ngoài ra, zeolit
cũng được dùng để tách các chất hữu cơ độc hại từ nước và khử các ion kim loại
nặng. Các nhà nghiên cứu tại Tổ chức Nghiên cứu và Khoa học Khối thịnh
vượng Ôxtrâylia đã chế tạo ra hydrotalcite, một loại đất sét tổng hợp hấp thụ
asen và loại bỏ asen khỏi nước . Các nhà nghiên cứu còn đề xuất về loại bao gói
mới cho sản phẩm này giống như “túi chè nhúng” để phục vụ những người có
thu nhập thấp (Có thể nhúng “túi chè” vào các nguồn cung cấp nước khoảng 15
phút trước khi uống). Bán gói chè đã qua sử dụng cho các chính quyền địa
phương sẽ thúc đẩy hoạt động tái chế và giúp xử lý chất thải có chứa asen .
- Dùng công nghệ nano để xử lý nước
Các chất xúc tác nano, nam châm và thiết bị dò: Các chất xúc tác nano và
các hạt nano từ tính là những ví dụ về công nghệ nano có thể biến nước ô nhiễm
7


nặng thành nước uống, hợp vệ sinh và làm nước tưới. Các chất xúc tác có kích
thước nano có các đặc tính xúc tác hiệu quả hơn .
Chúng có thể phân hủy về mặt hóa học các chất ô nhiễm thay vì chỉ đẩy

chúng đến nơi khác, kể cả các chất ô nhiễm mà các công nghệ hiện có xử lý
không hiệu quả hoặc đòi hỏi chi phí cao . Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học
Ấn Độ ở Bangalore đã sử dụng titan oxít nano cho mục đích này . Các hạt nano
từ tính có diện tích bề mặt lớn tỷ lệ với thể tích của chúng và có thể dễ dàng liên
kết với các hóa chất . Trong các ứng dụng về xử lý nước, các hạt nano từ tính có
thể được dùng để liên kết với các chất ô nhiễm như asen hay dầu mỏ để loại bỏ
các chất ô nhiễm bằng nam châm . Một số công ty đang thương mại hóa các
công nghệ này và các nhà nghiên cứu vẫn đang thường xuyên công bố những
phát hiện mới trong lĩnh vực này .
Các nhà khoa học tại Đại học Rice ở Hoa Kỳ đang sử dụng hạt “nano từ
tính”để xử lý asen trong nước uống. Diện tích bề mặt hạt nano từ tính lớn nghĩa
là nano từ tính có thể hút asen gấp 100 lần loại nano từ tính có diện tích bề mặt
lớn hơn . Nhóm nghiên cứu dự báo, 200-500mg nano từ tính có thể xử lý 1 lít
nước. Họ đang phát triển phương pháp sản xuất nano từ tính từ các thiết bị gia
dụng rẻ tiền, sẽ làm giảm đáng kể chi phí sản xuất, đưa sản phẩm này đến với
cộng đồng ở các nước đang phát triển .
Cùng với khả năng xử lý nước, công nghệ nano còn phát hiện ra các chất
ô nhiễm sinh ra trong nước . Các nhà nghiên cứu đang phát triển các công nghệ
cảm biến mới kết hợp sản xuất ở kích thước nhỏ và cỡ nano để tạo ra các bộ cảm
biến nhỏ, di động và có độ chính xác cao có thể phát hiện các hóa chất và chất
sinh hóa trong nước . Một số consortium trong lĩnh vực nghiên cứu đang thử
nghiệm tại hiện trường các thiết bị này và sẽ nhanh chóng thương mại hóa chúng
. Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania đã nghiên cứu
phương pháp phát hiện asen trong nước bằng dây nano gắn lên chíp silicon .

8


Hình 1.1 Cấu trúc phân tử nano
Hiện nay, có một số sản phẩm điển hình ra đời ở các nước đang phát triển

và các sản phẩm khác bắt nguồn từ nơi khác nhưng liên quan mật thiết với nhu
cầu của các nước phương Nam .
1. Xốp nano giữ nước mưa do Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa
Kỳ) sản xuất: Hợp chất polyme và các hạt nano thủy tinh được phủ trên bề mặt
như vải để hút nước. Xốp nano hoạt động hiệu quả hơn so với vật liệu truyền
thống . Xốp nano dung để giữ nước mưa ở các nước: Trung Quốc, Neepal và
Thái Lan.
2. Hạt nano từ tính xử lý asen do Đại học Rice (Hoa Kỳ) sản xuất: Các
hạt nano từ tính gồm các ion oxit lơ lửng trong nước liên kết với asen, sau đó
loại bỏ bằng một nam châm. Ấn Độ, Bangladesh và các nước đang phát triển

9


khác có hàng nghìn trường hợp nhiễm độc asen mỗi năm là do các giếng nước bị
ô nhiễm asen.
3. Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH 2O
sản xuất: Hợp chất polyme và hạt nano hút các ion nước và đẩy muối hòa tan.
Màng khử mặn đã có mặt trên thị trường, cho phép khử mặn với chi phí năng
lượng thấp hơn so với phương pháp thẩm thấu .
4. Màng lọc nano do Công ty Saehan (Hàn Quốc) sản xuất: Màng lọc
nano được sản xuất từ polyme có kích thước lỗ từ 0,1 -10 nano mét. Màng lọc
nano được thử nghiệm xử lý nước uống ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran
đòi hỏi ít năng lượng hơn phương pháp thẩm thấu ngược .
5. Que nước trong lưới nano do Phòng thí nghiệm Seldon (Hoa Kỳ)
sản xuất: Thiết bị lọc có hình dạng như cọng rơm sử dụng các ống nano cácbon
đặt lên trên vật liệu dẻo có lỗ. Que nước làm sạch nước uống .
Các bác sỹ ở châu Phi đang sử dụng mẫu que nước trong lưới nano và sản
phẩm cuối cùng sẽ được sản xuất ở các nước đang phát triển với chi phí thích
hợp .

6. Thiết bị lọc thông dụng do Công ty KX (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị
lọc sử dụng lớp sợi nano được chế tạo từ các polyme, nhựa thông, gốm và các
vật liệu khác để xử lý các chất ô nhiễm. Thiết bị được chế tạo dành riêng cho hộ
gia đình trong cộng đồng ở các nước đang phát triển sử dụng . Các thiết bị lọc
hiệu quả, dễ sử dụng và không cần phải bảo dưỡng .
7. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật do Viện Công nghệ Ấn Độ ở
Chennai và Công ty TNHH Eureka Forbes (Ấn Độ) sản xuất: Thiết bị này sử
dụng bạc nano để hút và sau đó phân hủy 3 loại thuốc bảo vệ thực vật thường
thấy trong các nguồn cung cấp nước ở Ấn Độ. Thuốc bảo vệ thực vật thường tồn
tại trong các nguồn cung cấp nước của các nước đang phát triển. Thiết bị lọc
thuốc bảo vệ thực vật có thể cung cấp cho mỗi hộ gia đình ở Ấn Độ 6000 lít
nước sạch mỗi năm.

10


- Áp dụng công nghệ nano cho thiết bị lọc nước
Công nghệ nano đã được phát triển rộng khắp trong thập kỷ qua và có thể
chế tạo ra nhiều vật liệu mới có phạm vi ứng dụng tiềm năng chẳng hạn như các
ống nano các bon. Ống nano các bon bao gồm các phân tử các bon hình trụ có
đường kính vài nano mét - 1 nano mét bằng 1 phần triệu của 1 mm.
Các ống nano các bon có đặc tính điện tử, cơ học và hóa học khác lạ như
chúng có thể được sử dụng để lọc nước ô nhiễm . Các nhà khoa học tại Đại học
Vienna mới đây đã đăng tải nghiên cứu về lĩnh vực mới này trên tạp chỉ nổi
tiếng Environmental Science & Technology .

Hình 1.2 Ống nano lọc nước
Các ống nano các bon có nhiều khả năng ứng dụng trong đó có xử lý
nước ô nhiễm . Nhiều chất ô nhiễm trong nước có khả năng bám dính mạnh với
các ống nano các bon và các chất ô nhiễm được loại bỏ khỏi nước ô nhiễm nhờ

các thiết bị lọc được làm từ vật liệu nano này, chẳng hạn thuốc hòa tan trong
nước khó tách ra khỏi nước bằng các bon hoạt tính.
Những khó khăn do sự bão hòa của các thiết bị lọc giảm bớt khi các ống
nano các bon có diện tích bề mặt rất rộng (500 m 2/gram ống nano) nên khả năng
giữ lại các chất ô nhiễm ở mức cao.

11


Trong thập kỷ qua có nhiều nghiên cứu về các ống nano các bon . Tuy
nhiên, các đặc tính khác lạ của các ống nano các bon gây khó khăn cho quá trình
nghiên cứu . Các phương pháp thông thường cho ra kết quả hạn chế và hoạt
động của các ống nano trong điều kiện thực tế vẫn ít được biết tới . Mélanie
Kahm, cán bộ nghiên cứu cho dự án này cùng với Xiaoran Zhang cho rằng các
công nghệ mới thường đi kèm với các lợi ích và hạn chế cho con người và chất
lượng môi trường. Nhận thức sâu sắc về các mối tương tác giữa các chất ô
nhiễm và ống nano các bon cũng như cách thức các ống nano các bon hoạt động
trong môi trường là cần thiết trước khi sử dụng chúng trong các thiết bị lọc .
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại khoa Khoa học địa chất môi trường
thuộc Đại học Vienna đang tiến hành nghiên cứu về chủ đề này . Họ đã triển
khai phương pháp “lấy mẫu bị động“ (passive sampling) cung cấp dữ liệu có độ
tin cậy cao hơn cho các ứng dụng thực tế vì bao gồm cả nồng độ có khả năng
xuất hiện trong môi trường (thường rất thấp). Trái lại, các phương pháp truyền
thống chỉ có thể xử lý nồng độ cao .
- Để xử lý nhiều chủng loại các chất độc hại và những chất khó bị phân
hủy trong môi trường, thì từ gần 20 năm trở lại đây các nhà khoa học trên thế
giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã giành sự quan tâm đặc biệt tới việc
nghiên cứu trạng thái hóa hóa trị 0 của hạt nano Fe 0 (tiếng Anh là Zero-Valent
Iron, viết tắt là ZVI). Đây là một chất khử mạnh, nó có thể tham gia vào nhiều
phản ứng oxy hóa - khử khi nhường điện tử cho những chất oxy hóa . ZVI đã

được nghiên cứu sử dụng như chất khử hữu hiệu trong công nghệ xử lý môi
trường . Ngay khi ở kích thước micromet, ZVI cũng đã có hoạt tính khá tốt trong
những phản ứng giải trừ các hợp chất chứa Clo, Nitơ trong đất và nước, đặc biệt
xử lý nước ngầm .
Với việc ứng dụng thành công 2 trạm xử lý nước thải tập chung khu công
nghiệp Thạch Thất – Quốc Oai – Hà Nội và CCN Quất Động - Thường Tín Hà Nội bằng công nghệ dùng vật liệu tổ hợp Nano sắt hóa trị 0 đã đánh dấu

12


bước ngoặt trong công nghệ xử lý môi trường nước và mở ra một hướng mới để
xử lý nước
- Gần đây, các nhà khoa học thuộc phòng Hóa vô cơ - Viện Hóa học đã
nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống xử lý nước nhiễm Asen và kim loại
nặng sử dụng công nghệ Nano VAST, trong đó có sử dụng 2 loại vật liệu hấp
phụ asen tiên tiến chế tạo trong nước là NC-F20 và NC-MF. Đây là kết quả
nghiên cứu của đề tài “Hoàn thiện công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý nước
nhiễm asen sử dụng vật liệu hấp phụ hiệu năng cao NC-F20 cho vùng nông thôn
Hà Nam” thuộc Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi
trường nông thôn, do KSC. Phạm Văn Lâm – Phòng Hóa vô cơ - Viện Hóa học
làm chủ nhiệm.
Hệ thống Nano Vast ban đầu đã được triển khai ứng dụng vào thực tiễn
tại trạm xá xã Nhân Khang – Lý Nhân – Hà Nam, có khả năng loại bỏ asen từ
200 ppb xuống dưới 5 ppb (tiêu chuẩn là 10 ppb) với công suất xử lý 1,5m3/h
đạt tiêu chuẩn về asen trong nước ăn uống. Hệ thống được thiết kế dạng modul
chuẩn nhằm lắp ghép dễ dàng, điều khiển hệ thống theo hai chế độ: tự động
hoàn toàn hoặc bằng tay. Đến nay hệ thống Nano Vast đã được triển khai và
nhân rộng tại nhiều địa bàn trong cả nước với các công suất là 0,8m 3/h, 1,2m3/h
và 1,5m3/h .
Hệ thống NanoVAST hiện được thiết kế tương đối chuyên nghiệp với

những ưu điểm nổi bật như không dùng hóa chất, điều khiển hoàn toàn tự động
hoặc bán tự động, giảm đến mức tối đa can thiệp của các thao tác vận hành .
Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo tiêu chuẩn nước ăn uống với hàm lượng
asen < 5μg/l (tiêu chuẩn nồng độ asen an toàn là: <10μg/l). Hệ thống có hình
thức đẹp, cấu trúc chắc chắn . Có thể sử dụng rộng rãi ở quy mô cụm gia đình cơ
quan xí nghiệp, trường học, bệnh viện
1.4.2 Ứng dụng xử lý môi trường không khí
Việc ứng dụng hiệu ứng quang xúc tác của nano TiO 2, nanocomposite
TiO2 (tổ hợp của nano TiO2 và apatite tạo ra vật liệu nanocomposit TiO 2) để
13


phân hủy các chất ô nhiễm trong không khí được coi là một trong các giải pháp
kỹ thuật quan trọng giúp làm cho môi trường sạch hơn . Phương pháp này có ưu
điểm hơn so với phương pháp lọc bằng chất hấp phụ truyền thống; chi phí đầu tư
và vận hành thấp (chỉ cần ánh sáng mặt trời, oxy và độ ẩm trong không khí); quá
trình oxy hóa được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường;
hầu hết các chất độc hữu cơ đều có thể bị oxi hóa thành sản phẩm cuối cùng là
CO2 và H2O.
Ở Việt Nam, nghiên cứu vật liệu nano TiO 2 cấu trúc anatase và ứng dụng
chúng để xử lý ô nhiễm môi trường đã được nhiều nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu từ những năm 1990 . Một trong những cơ sở quan tâm nghiên cứu
sớm về TiO2 cấu trúc anatase và đưa vào ứng dụng là một số nhà Khoa học
trong Viện Vật lý Ứng dụng và thiết bị Khoa học (TS. Trần Trần Đức, TS
Nguyễn Trọng Tĩnh...). Sau đó một số nhóm nghiên cứu trong Viện Khoa học
vật liệu cũng đã triển khai nghiên cứu TiO 2, đáng chú ý là một số kết quả của tập
thể các nhà khoa học, kết hợp giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Vật lý ứng
dụng - thiết bị khoa học, đã cùng nhau hợp tác thực hiện đề tài Nghị định thư
giữa Việt Nam – Malaysia giai đoạn 2004 – 2006 do GS. TSKH. Đào Khắc An,
Viện Khoa học vật liệu làm chủ nhiệm. Đề tài được nghiệm thu thành công và

một số kết quả đã được đưa ra về khả năng xử lý diệt khuẩn của vật liệu quang
xúc tác TiO2 anatase, như một số dạng sản phẩm màng lọc dùng để xử lý môi
trường sử dụng TiO2 trên đề vải cacbon, trên đế gốm xứ, bông thủy tinh và nhất
là hai loại máy xử lý không khí ô nhiễm ở dạng chế tạo thử nghiệm đơn chiếc
cũng đã được đưa ra quảng bá trong hội chợ công nghệ. Ngoài ra Viện Khoa học
và công nghệ Việt Nam, chúng tôi được biết, một số nhóm nghiên cứu ở Đại học
Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, và ở miền Nam cũng có một số cơ
sở nghiên cứu về vật liệu TiO2 anatasse và ứng dụng, như trường Đại học Quốc
gia TP. Hồ Chí Minh và các cơ sở nghiên cứu này cũng đã thu được một số kết
quả nhất định ở các khía cạnh khác nhau.

14


Gần đây, Viện Công nghệ môi trường phối kết hợp với Viện Vật lý Ứng
dụng thiết bị khoa học cũng đã nghiên cứu tiếp nối một số vấn đề và đã chế tạo
thành công một số sản phẩm khoa học mới có sử dụng vật liệu nano TiO 2 như:
Bộ lọc chủ động quang xúc tác sử dụng TiO 2 phủ trên vật liệu bông thạch anh và
TiO2 phủ trên sợi Al2O3 trong thiết bị làm sạch không khí; Sơn TiO2/Apatite
diệt khuẩn... Đây là kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu xử lý ô nhiễm
không khí bằng vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 và TiO2/bông
thạch anh” do TS. Nguyễn Thị Huệ, Viện Công nghệ môi trường làm chủ
nhiệm. Đề tài được thực hiện trong hai năm 2009-2010 .
Công nghệ vật liệu mới nano TiO2 dễ áp dụng, dễ phổ cập có thể xử lý
môi trường không khí bị ô nhiễm, diệt khuẩn, làm sạch bề mặt nhiều loại vật
liệu như kính . Sơn của các ngôi nhà cao tầng…. sẽ góp phần quan trọng để bảo
vệ sức khỏe của cộng đồng và nhiều ích lợi cho phát triển kinh tế -xã hội .
2. Tổng quan về Fe và ứng dụng nano Fe trong xử lý HCHC chứa clo
2.1 Sắt
- Cấu hình e nguyên tử: 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2.

- Vị trí: Fe thuộc ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB.
- Cấu hình e của các ion được tạo thành từ Fe:
Fe2+

1s22s22p63s23p63d6

Fe3+

1s22s22p63s23p63d5

Tính chất vật lí
- Màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, kéo sợi; dẫn nhiệt và dẫn
điện kém đồng và nhôm.
- Sắt có tính nhiễm từ nhưng ở nhiệt độ cao (800 0C) sắt mất từ tính. T0nc =
15400C.
Trạng thái tự nhiên
Là kim loại phổ biến sau nhôm, tồn tại chủ yếu ở các dạng:
- Hợp chất: oxit, sunfua, silicat...

15


- Quặng: hematit đỏ (Fe2O3 khan), hematit nâu (Fe2O3.nH2O), manhetit
(Fe3O4), xiđerit (FeCO3) và pirit (FeS2).
Tính chất hóa học
Fe là chất khử trung bình. Trong các phản ứng, Fe có thể nhường 2 hoặc
3e:
Fe → Fe3+ + 3e
Fe → Fe2+ + 2e
1. Tác dụng với các phi kim

Sắt tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng:
- Với halogen → muối sắt (III) halogenua (trừ iot tạo muối sắt II):
2. Tác dụng với nước
- Fe không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao, sắt phản
ứng mạnh với hơi nước:
3. Tác dụng với dung dịch axit
a. Với H+ (HCl, H2SO4 loãng... ) → muối sắt (II) + H2
b. Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh (HNO3, H2SO4 đậm đặc)
- Fe thụ động với H 2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội → có thể dùng
thùng Fe chuyên chở axit HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội.
- Với dung dịch HNO3 loãng → muối sắt (III) + NO + H2O:
- Với dung dịch HNO3 đậm đặc → muối sắt (III) + NO2 + H2O:
- Với dung dịch H2SO4 đậm đặc và nóng → muối sắt (III) + H2O + SO2:
Chú ý: Sản phẩm sinh ra trong phản ứng của Fe với HNO 3 hoặc
H2SO4 đậm đặc là muối sắt (III) nhưng nếu sau phản ứng có Fe dư hoặc có Cu
thì tiếp tục xảy ra phản ứng:
2Fe3+ + Fe → 3Fe3+
Hoặc
2Fe3+ + Cu → 2Fe2+ + Cu2+

16


4. Tác dụng với dung dịch muối
- Fe đẩy được những kim loại yếu hơn ra khỏi muối → muối sắt (II) +
kim loại.
- Fe tham gia phản ứng với muối Fe3+ → muối sắt (II):
2.2 Ứng dụng của nano Fe trong xử lí HCHC
Môi trường bị ô nhiễm không chỉ là các kim loại nặng mà còn nhiều chất
hữu cơ độc hại khác nữa. Nhiều biện pháp xử lý môi trường đã được áp dụng

nhưng hiệu quả vẫn chưa được như mong muốn . Một loại “thần dược vạn năng”
sản phẩm của công nghệ nano là các hạt sắt hóa trị 0 có kích thước nanomet
đang được phát triển như là một biện pháp xử lý nhanh, hiệu quả, để làm sạch
các chất độc hại với môi trường sinh thái. Theo các nhà nghiên cứu, sự kết hợp
tài tình giữa công nghệ cao và ngành công nghiệp nặng sẽ giải quyết vấn đề chất
thải độc hại ở quy mô lớn bằng các giếng phun hạt nanô sắt có khả năng phản
ứng mạnh. Chất thải ở dạng bùn đặc sẽ được làm mất độc tính, đồng thời được
“cố định” tại địa điểm ô nhiễm . Phương pháp này, ngược lại với các phương
pháp của các tổ chức như: dự án Superfund đã tiêu tốn hàng nghìn tỷ đô la của
Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, làm sạch các địa điểm ô nhiễm đất và
nước ngầm bằng cách xử lý chúng với các chất trung hòa đặc hiệu. Nhưng hiện
nay, các nhà khoa học đang hợp tác với các hãng dược phẩm lớn, các hãng chế
tạo vật liệu bán dẫn và nhiều hãng khác quan tâm đến quy trình làm sạch địa
điểm ô nhiễm . Khả năng làm sạch của sắt là yếu tố quyết định của quy trình,
nhờ đặc tính có thể oxy hóa không chỉ lớp gỉ oxit sắt màu đỏ gạch quen thuộc,
mà cả các oxyt sắt kim loại khi có các chất ô nhiễm như tricloroethen, cacbon
tetraclorua, đioxin, hoặc PCB (diphenyl polyclo) … các phân tử hữu cơ này
tham gia vào phản ứng và bị phân hủy thành các hợp chất cacbon đơn giản. Các
hãng quan tâm đến môi trường đã thực hiện quy trình tiền xử lý phế thải công
nghiệp với dạng vật liệu bột sắt thô để làm sạch phế thải trước khi thải vào môi
trường . Sắt cũng có nhiều trong môi trường đá, đất, nước và không có tác động
độc hại . Tuy nhiên, các hạt nanô sắt có thể tồn tại lơ lửng trong bùn thải, có thể
17


bơm thẳng vào trung tâm địa điểm ô nhiễm . Việc giảm kích thước vật liệu bột
sắt xuống kích thước nanomet, đã tạo cho hạt khả năng phản ứng cao gấp 101000 lần (ở cấp độ từ 1-3), so với các hạt có kích thước thông thường.
Không giống như các biện pháp xử lý sinh học tại chỗ, dùng vi khuẩn
biến đổi gen để chuyển hóa các chất độc hại, sắt không bị ảnh hưởng bởi các yêu
cầu sinh học về chất dinh dưỡng, nhiệt độ phù hợp và độ axit thấp. Cũng nhờ

kích thước nhỏ hơn 10-1000 lần so với hầu hết các loại vi khuẩn, các tinh thể sắt
nhỏ xíu này có thể di chuyển dễ dàng giữa các hạt đất, không bị kẹt lại.
Các thử nghiệm hạt nano sắt trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa
cho thấy, có thể làm giảm ô nhiễm xuống đến mức chấp nhận được trong vòng ít
ngày sau khi phun và có thể làm sạch hoàn toàn khu vực rò rỉ chất ô nhiễm trong
vòng vài tuần, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm của Hoa Kỳ hay Châu
Âu.
Có thể xử lý khử ô nhiễm cho một khu vực rộng bằng phương pháp phun
một lần hạt nano sắt. Sau khi khu vực được làm sạch, các hạt nano sắt chưa
được sử dụng còn dư sẽ tiếp tục di chuyển theo đường nước ngầm cho đến khi
được hòa tan hoàn toàn, không phát hiện thấy nữa, so với mức sắt tồn tại trong
tự nhiên còn cao hơn nhiều. Theo các nhà Khoa học của trường Đại học Brown
(Hoa Kỳ) đã công bố: các nhà khoa học của họ đã tạo ra được những hạt nano từ
ôxít sắt nhỏ nhất từ trước đến nay để giúp tìm tế bào ung thư qua biện pháp chụp
cộng hưởng từ (MRI). Nhóm nghiên cứu của trường Đại học Brown đã tạo ra
được các hạt nano từ oxít sắt có đường kính tổng thể khoảng 8,4 nanomet. Sau
đó họ tiêm các hạt này vào chuột và đã thử thành công khả năng của chúng định
vị một tế bào ung thư não gọi là U87MG. Các hạt nano này hoạt động giống như
những "tên lửa dẫn đường" tí hon, tìm kiếm và tự gắn kết với tế bào u ác tính .
Khi đã gắn kết với tế bào bệnh, các hạt nano đó phát ra những tín hiệu mạnh hơn
giúp bác sĩ có thể phát hiện tế bào ung thư chỉ bằng biện pháp chụp cộng hưởng
từ. Các nhà khoa học có kế hoạch sẽ thử khả năng gắn kết của các hạt nano này
với các tế bào ung thư khác của những động vật cấp cao hơn.
18