BÁO cáo đề tài NCKH

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT

*******

BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ
0
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện

Ths. Vũ Văn Thủy
:

Lương Tuấn Anh
Nguyễn Trung Dũng

Lớp

:

CNHH 12A

Hà Nội, 2016


HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT

*******

BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ 0
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn :

Ths. Vũ Văn Thủy

Sinh viên thực hiện :

Lương Tuấn Anh
Nguyễn Trung Dũng

Lớp

:

CNHH 12A


Hà Nội, 2016


MỤC LỤC

DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
BET : Phương pháp đo hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt khí nitơ (BrunauerEmmett-Teller).
BOD: Biochemical Oxygen Demand – nhu cầu oxy sinh học.
CNT: Carbon nanotube - Các ống nano cacbon.
COD: Chemiscal Oxygen Demand – nhu cầu oxy hóa học.
DO: Dissolved Oxygen – hàm lượng oxy hòa tan.
Fe0 : Sắt hoá trị không.
nZVI : Nano Fe0 (nano Zero Valent Iron).
SEM : Scanning Electron Microscope - Hiển vi điện tử quét.
TEM : Transmission Electron Microscopy - Hiển vi điện tử truyền qua.
UV : Ultraviolet – tia tử ngoại.
XRD : Nhiễu xạ tia X.


DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Bảng
Bảng 1.1. Danh sách những hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể bị khử
bởi nZVI.

Trang
12

Bảng 1.2. Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa mạnh trong môi
trường lỏng.

21

Bảng 3.1. Ảnh hưởng của pH tới khả năng xử lý metyl đỏ của Fe0.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ tới khả năng xử lý của
Fe0.

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian xử lý với lượng sắt là 0,02g.
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lý với lượng sắt là 0,03g.
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của khối lượng Fe0 tới hiệu quả xử lý.

37
38
39
40
41


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Màng mỏng nano đa lớp
Hình 1.2. Cấu trúc ống nano cacbon

5
6

Hình 1.3. Dây nano ZnO
Hình 1.4. Hạt nano ZnO
Hình 1.5. Các quá trình hình thành gốc hydroxyl
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của nhiễu xạ tia X.
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy TEM
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý phương pháp ảnh hiển vi điện tử
quét
Hình 2.4. Sơ đồ điều chế Fe0 nano

Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ XRD của Fe0 nano
Hình 3.2. Ảnh nhiễu xạ TEM của Fe0
Hình 3.3. Xác định diện tích bề mặt bằng phương pháp
hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp BET.
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý của Fe0 phụ
thuộc vào độ pH
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ metyl đỏ tới hiệu quả xử lý của
Fe0
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý với
0,02g Fe0
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu quả xử lý với
0,03g Fe0
Hình 3.8. Ảnh hưởng của khối lượng Fe0 tới hiệu quả xử lý
metyl đỏ.

7
8
22
26
27
28
30
34
35
36
37
38
39
40
41

8

LỜI MỞ ĐẦU
Nước ta với nền kinh tế thị trường định hướng xã hội chủ
nghĩa là động lực để phát triển kinh tế. Cùng với sự phát triển
của các ngành công nghiệp nặng, trong những năm gần đây các
ngành thuộc các lĩnh vực công nghiệp nhẹ như lương thực –
thực phẩm, các ngành gia dụng, thủ công nghiệp, dệt may da
giầy… đang ngày càng phát triển, phục vụ tốt cho nhu cầu
người sử dụng. Tuy nhiên mặt trái của nó là tạo ra một lượng lớn
chất thải rắn, lỏng khí… Một trong những ngành công nghiệp
gây ô nhiễm môi trường lớn là ngành dệt nhuộm. Nhiều nhà
máy chưa có hệ thống xử lý nước thải hoặc hệ thống xử lý chưa
đạt chuẩn, ngoài ra còn có hàng ngàn cơ sở nhỏ lẻ, các làng
nghề truyền thống, với quy mô sản xuất nhỏ nên lượng nước
thải sau sản xuất hầu như không được xử lý, mà được thải trực
tiếp ra hệ thống cống rãnh và đổ thẳng xuống hồ ao, sông, ngòi
gây ô nhiễm nghiêm trọng tầng nước mặt, mạch nước ngầm và
ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Vì dây chuyền công
nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác nhau
nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp chất
hữu cơ độc hại, đặc biệt là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm
màu. Việc tẩy, nhuộm vải bằng các loại thuốc nhuộm khác nhau
như thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc
nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm phân tán… khiến cho lượng
nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau (chất tạo màu,
chất làm bền màu...). Bên cạnh những lợi ích của chất tạo màu
họ azo trong công nghiệp nhuộm, thì tác hại của nó là không

nhỏ khi mà các chất này được thải ra môi trường. Chính các yếu
tố này đã làm cho môi trường ngày càng kiệt quệ và mức ô
nhiễm ngày càng cao, làm cho vấn đề xử lý môi trường trở


9
thành vấn đề tiên phong cho bất kỳ quốc gia, tổ chức nào trên
thế giới.
Đứng trước hiện trạng ô nhiễm môi trường do nước thải
của các ngành công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng các công
trình xử lý nước thải vào các quy trình sản xuất trong các nhà
máy là điều cần thiết. Hiện nay đã có rất nhiều đề tài đi vào lĩnh
vực nghiên cứu và thiết kế các hệ thống xử lý nước thải cho các
ngành công nghiệp. Trong đó có nhiều đề tài đã được ứng dụng
vào thực tế và đem lại những kết quả khả quan.
Với mục đích điều chế và thử nghiệm khả năng xử lý chất
thải hữu cơ mang màu, đặc biệt là các hợp chất màu trong nước
thải dệt nhuộm của nano sắt hoá trị 0, chúng tôi đã chọn đề tài
nghiên cứu khoa học là: “Nghiên cứu điều chế nano sắt hóa
trị 0 bằng phương pháp hóa học”.
Phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ bền, vòng thơm
bằng sắt hóa trị 0 là phương pháp mới đã được ứng dụng ở một
số nước trên thế giới. Đề tài thành công sẽ mở ra triển vọng ứng
dụng vật liệu sắt hóa trị không vào xử lý các nguồn nước bị
nhiễm hợp chất vòng thơm một cách hiệu quả và kinh tế. Hơn
nữa đây là phương pháp mới, thân thiện với môi trường, phương
pháp sử dụng sắt là một chất ít độc hại, nó biến đổi các hợp
chất hữu cơ độc thành các hợp chất không độc, ít độc hại hơn
hoặc dễ thu hồi hơn trong môi trường. Như vậy phương pháp
này đã mở ra một hướng nghiên cứu mới ứng dụng sắt hóa trị 0

vào xử lý các nguồn nước nhiễm các hợp chất hữu cơ bền. Đây
là nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần bảo vệ sức
khỏe con người và bảo vệ môi trường.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài


10
- Phát triển theo hướng nghiên cứu về công nghệ vật liệu của Bộ
môn, Khoa.
- Tạo môi trường nghiên cứu khoa học, phát triển năng lực cho
sinh viên.
Các nội dung nghiên cứu chính của đề tài
- Điều chế nano sắt hóa trị 0 bằng cách khử Fe 2+ (Fe3+) bởi
NaBH4.
- Đánh giá tính chất của sản phẩm thu được (thành phần, độ ổn
định, kích thước hạt, diện tích bề mặt).
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điều chế (tỷ lệ các
tiền chất, môi trường phản ứng, thời gian sấy).
- Thử nghiệm khả năng xử lý chất thải ô nhiễm của sản phẩm
thu được (đối với chất màu trong nước thải dệt nhuộm).


11

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano
1.1.1. Công nghệ nano [5]
Nanomet (nm) là một đơn vị đo độ dài, 1nm = 10 -9 m , tức
là gần đạt tới kích cỡ của một nguyên tử (nguyên tử Cezi có bán
kính lớn nhất: r Cs = 0,262nm). Thuật ngữ Nano dùng để thể

hiện rằng: đây là công nghệ liên quan đến các vật thể, cấu trúc
có kích thước khoảng từ 1 đến 100nm, gồm nhiều vấn đề như:
nghiên cứu, chế tạo, điều khiển chúng… Do có kích thước nhỏ,
nằm ở ranh giới tác động của cơ học cổ điển và cơ học lượng tử,
nên vật chất ở thang nanomet thể hiện những tính chất hóa lý
khác hẳn với vật chất ở kích cỡ lớn hơn như đã biết.
Theo hội đồng khoa học và công nghệ quốc gia Mỹ : “Công
nghệ nano là khả năng thực hiện việc nghiên cứu, chế tạo ở cấp
phân tử dựa trên sự thao tác từng phân tử một để tạo ra các
cấu trúc lớn, có tổ chức phân tử hoàn toàn mới. Mục đích của
việc đó là để khai thác các tính chất của cấu trúc và vật liệu nhờ
kiểm soát chúng ở cấp nguyên tử, phân tử và để học cách chế
tạo, sử dụng chúng một cách hiệu quả ”. Tức là công nghệ nano
liên quan đến vấn đề chế tạo các sản phẩm vi mô và vĩ mô với
cấp độ chính xác cấp phân tử, nghĩa là ở thang nanomet. Các
cấu trúc nano ( kích thước khoảng 1-100nm) chứa một tập hợp
các nguyên tử, thậm chí có thể chỉ một nguyên tử, một phân tử,
vì vậy việc ứng dụng các quy luật vật lý và thiết kế bắt buộc
phải vận dụng các nguyên lý lượng tử ở kích thước này, vật liệu
có những tính chất khác biệt, hoặc tính chất mạnh hơn so với
chính tính chất của chúng ở kích thước lớn hơn. Hai nguyên
nhân dẫn đến những tính chất khác biệt đó là hiệu ứng bề mặt
và hiệu ứng kích thước.


12
* Hiệu ứng kích thước
Các vật liệu thường được đặc trưng bằng một số đại lượng
vật lý không đổi, ví dụ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng
chảy…Nhưng các đại lượng đặc trưng này chỉ không đổi khi kích

thước của vật đủ lớn và ở trên thang nano. Khi giảm kích thước
của vật xuống đến thang nano, tức là vật trở thành cấu trúc
nano thì các đại lượng đặc trưng nói trên không còn là bất biến
nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước và gọi là hiệu
ứng kích thước. Ví dụ khi bề dày của các lớp kim loại ở thang
nano càng nhỏ thì độ dẫn điện sẽ càng giảm so với độ dẫn điện
cùng của kim loại đó, nhưng ở các vật có kích thước lớn. Sự
giảm theo kích thước này được giải thích bằng vai trò của tán xạ
điện tử trên bề mặt càng tăng khi bề dày lớp nano càng giảm.
* Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên
tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu càng tăng lên.
Ví dụ: xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi
ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì
ns = 4n2/3 . Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số
nguyên tử là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của
nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy, nếu kích
thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên
tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các nguyên tử
bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì
hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt (hiệu ứng bề
mặt) tăng lên, tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến
nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có
liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự
thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên


13
tục. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của
kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ngay

cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng
do hiệu ứng này nhỏ nên thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng
dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng.
1.1.2. Vật liệu nano
1.1.2.1. Khái niệm [9]
Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm
mỏng,...có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nanômét đến 100 nanômét.

1.1.2.2. Phân loại vật liệu nano [1]
Theo trạng thái của vật liệu, các nhà khoa học phân chia
thành ba trạng thái vật liệu: Rắn, lỏng, khí trong đó vật liệu
nano được tập trung nghiên cứu chủ yếu hiện nay là vật liệu rắn
sau đó mới đến dạng lỏng và khí. Theo hình dáng vật liệu, các
nhà khoa học phân ra thành các loại sau:
*Vật liệu nano một chiều:
Là vật liệu có một chiều có kích thước nano, ví dụ như các
màng mỏng và các bề mặt. Các vật liệu này đã được phát triển
và sử dụng nhiều năm trong những lĩnh vực như chế tạo các linh
kiện điện tử, hóa chất và kỹ thuật. Ở ngành công nghiệp mạch
silic tích hợp, rất nhiều linh kiện hoạt động dựa trên các màng
mỏng và độ dày của các màng đang giảm xuống tới cấp độ
phân tử. Các màng một lớp (các lớp có độ dày một nguyên tử
hoặc một phân tử) cũng thường được chế tạo và sử dụng trong
ngành hóa chất. Các nhà khoa học đã nắm rõ sự hình thành và
các tính chất của những lớp này từ cấp độ phân tử trở lên. Việc


14
điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng của các bề mặt và
phát triển các màng cũng đạt được nhiều tiến bộ. Những tính

chất của các bề mặt nano như diện tích bề mặt lớn hơn hoặc độ
phản ứng đặc trưng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng
như pin nhiên liệu và các chất xúc tác.

Hình 1.1. Màng mỏng nano đa lớp
*Vật liệu nano hai chiều:
Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu có hai chiều có kích
thước nano, ví dụ như các ống và các dây nano. Chúng đã tạo ra
nhiều ích lợi cho nhiều ngành khoa học những năm gần đây.
Đặc biệt, các tính chất cơ học và điện học mới lạ của chúng là
đối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình.
- Các ống nano cacbon:
Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lý
người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991. Có hai
dạng ống CNT: ống đơn vách (một ống) hoặc đa vách (các ống
đồng tâm). Đặc thù của hai loại là có đường kính vài nm và dài
từ vài micromet (1 micromet=10-6 m) tới vài cm. CNT giữ vai


15
trò quan trọng trong công nghệ nano do các tính chất vật lý và
hóa học mới lạ của chúng. Chúng rất cứng về mặt cơ học (Các
mô-đun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1 terapascal,
khiến cho chúng cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở
trục của chúng) và có thể dẫn điện rất tốt (số đường xoắn ốc
của các dải graphene quyết định tính chất bán dẫn hay kim loại
của ống CNT).
Tất cả những tính chất đó làm cho CNT có tiềm năng ứng
dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị cảm
biến, các linh kiện điện tử nano và màn hình. Hiện nay, CNT đã

được tung ra thị trường nhưng với số lượng hạn chế. Có thể sử
dụng một số kỹ thuật phát triển chúng như cắt bằng laze grafit
có phụ gia kim loại, phóng điện hồ quang cácbon và nhiệt phân
hydrocácbon dùng xúc tác kim loại, tuy nhiên các nhà khoa học
vẫn chưa đạt được việc sản xuất có chọn lọc và đồng đều các
CNT với các chiều và các tính chất vật lý đặc trưng.

Hình 1.2. Cấu trúc ống nano cacbon
- Các ống nano vô cơ:
Các ống nano vô cơ và những vật liệu dạng fullerene vô cơ
có cấu tạo từ các hợp chất có lớp ví dụ như molypđen đisulfua
(MoS2) được phát hiện ngay sau CNT. Chúng có những tính chất
trơn tuyệt vời, chịu được tác động sóng va chạm, có phản ứng
xúc tác và có khả năng chứa hyđrô và lithi cao, điều này hứa


16
hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng. Các nhà khoa học đang khai
thác ống nano oxit (ví dụ như titan dioxit) để ứng dụng làm chất
xúc tác, chất xúc tác quang học và tích trữ năng lượng.
- Các dây nano:
Các dây nano là những dây cực mảnh hoặc dãy các chấm
tuyến tính được hình thành qua quá trình tự lắp ráp. Chúng có
thể được làm từ nhiều loại vật liệu. Các dây nano bán dẫn làm
từ silic, gali nitrua và inđi photphua đã chứng tỏ có các tính chất
từ tính, điện tính và quang học khác thường ( ví dụ các dây
nano silic dioxit có thể uốn cong ánh sáng theo các góc rất
nhỏ). Các dây nano có những ứng dụng tiềm năng trong việc lưu
giữ dữ liệu mật độ cao dưới dạng các đầu đọc từ tính, các thiết
bị nano điện tử, điện tử quang học…Việc phát triển những dây

nano này dựa trên những kỹ thuật phức tạp, trong đó có quá
trình tự lắp ráp, quá trình lắng đọng ở thể hơi bằng phương
pháp hoá học lên trên các chất nền theo mẫu và quá trình mạ
điện hay cấy ghép bằng chùm phân tử.

Hình 1.3. Dây nano ZnO
*Vật liệu nano ba chiều:
Vật liệu nano ba chiều là vật liệu mà ba chiều có kích
thước nano, ví dụ các hạt nano, các đám nano… Các hạt nano
có đường kính nhỏ, trong khoảng từ 1nm- 100 nm gồm hai loại:
hạt nano do tự nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo


17
Các hạt nano do tự nhiên tạo ra có rất nhiều trong môi
trường: kết quả của hoạt động quang hóa, hoặc của núi lửa,
hoặc do các loại thực vật và tảo tạo ra; kết quả của việc đốt lửa
hoặc nấu nướng thực phẩm và của cả khí thải của các phương
tiện giao thông. Các hạt nano nhân tạo được tổng hợp chiếm
thiểu số và được quan tâm bởi những tính chất mới lạ của nó(ví
dụ như phản ứng hóa học và tính chất quang học). Các hạt nano
không phải là các sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ
vai trò là thành phần hoặc chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn
chỉnh khác. Các sản phẩm có chứa hạt nano đã xuất hiện trên
thị trường như các sản phẩm tiêu dùng, mỹ phẩm, thuốc…

Hình 1.4. Hạt nano ZnO
Ngoài ra còn có vật liệu nanocomposite: trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó
có nano một chiều, hai chiều, ba chiều đan xen lẫn nhau.

1.1.2.2. Phương pháp tổng hợp
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương
pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên. 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.


18
a) Phương pháp từ trên xuống
Nguyên tắc: 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 cực
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 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 khắc để tạo ra các cấu trúc nano.

b) Phương pháp từ dưới lên
Nguyên tắc: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử
hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển 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 thể là phương
pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.
* Phương pháp vật lý:


19
Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra
từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún 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]
1.2. Tổng quan về nano sắt hóa trị 0
Hạt sắt nano là những hạt sắt có kích thước siêu mịn (0100 nm). Vì kích thước của nano so sánh được với kích thước
của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm),
gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài) nên sắt nano có nhiều


20
khả năng mà vật liệu sắt ở kích thước thông thường không thể
làm được nhờ khả năng hấp phụ, khả năng thẩm thấu qua bề
mặt, hoạt tính xúc tác của hạt nano mạnh hơn nhiều so với các
hạt có kích thước lớn. Do kích thước rất nhỏ (1-100nm) trong khi
đó kích thước của một số vi sinh vật điển hình khoảng 1000nm
vì vậy các hạt sắt nano dễ dàng xâm nhập vào các nguồn nước
ngầm với mật độ cao và số lượng hạt lớn được giữ lại trong bùn
nước để tạo ra vùng xử lý tại chỗ.
1.2.1. Cấu trúc hạt sắt nano
Cấu trúc lõi - vỏ, cấu trúc điển hình này giúp sắt nano đóng
vai trò quan trọng trong việc xử lý môi trường. Lõi bao gồm chủ
yếu sắt kim loại hóa trị 0 trong khi vỏ là hỗn hợp hóa trị Fe(II) và
Fe(III) oxit, được tạo thành như là kết quả của quá trình oxi hóa.
[7]
1.2.2. Diện tích bề mặt riêng
Cùng với kích thước vật liệu, cấu trúc lõi-vỏ, kết cấu và
diện tích bề mặt riêng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng
đến tính chất vật lý và tính chất hóa học của vật liệu nano. Các
nghiên cứu đã chỉ ra diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn

1-2 bậc so với vật liệu micro. Diện tích bề mặt lớn như vậy cho
phép phản ứng xảy ra ở nhiều điểm, đây là 1 trong số những lí
do làm hạt sắt nano có thể phản ứng với chất ô nhiễm ở tốc độ
cao hơn.


21
1.2.3. Ứng dụng của nano sắt hóa trị 0
1.2.4.1. Trong xử lý môi trường
Do có đặc tính cho electron và khử nhiều chất ô nhiễm với
tốc độ cao, Fe0 nano được sử dụng để xử lý nhiều chất ô nhiễm
trong môi trường. Fe0 nano có thể đi vào trong đất bị ô nhiễm,
trầm tích và tầng ngậm nước. 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. Wei-Xian Zhang là một trong những nhà
khoa học đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp nano sắt và
ứng dụng để xử lý các hợp chất clo hữu cơ như: TCE, PCBs,
CCl4.... Ông cũng đã thành công trong việc xử lý các dẫn xuất
clo của etylen bằng nano sắt và xử lý các hợp chất clo hữu cơ
bằng nano sắt phủ kim loại. Nano sắt được các nhà khoa học
gọi là “thần dược vạn năng” trong xử lý môi trường.
Ngoài dạng tự do, sản phẩn hạt nano sắt từ Fe 3O4, hay các
dạng khác như CoFe2O4 … với đặc tính dễ bảo quản hơn cũng có
khả năng dung để xử lý nước nhiễm bẩn.
Người ta đã tổng kết danh sách (bảng 1.1) những hợp chất vô cơ và hữu
cơ có thể bị khử khi dùng sắt hóa trị 0. Những hợp chất này trong đất và nước sẽ
làm ô nhiễm nước sinh hoạt, lương thực, thực phẩm như những tác nhân gây ra
những bệnh ung thư hiểm nghèo.
Hợp chất hữu cơ
Tetrachlorometan

Trichlorometan
Dichlorometan
Hexachloroetan
Trichloroetan
1,1,2 - Trichloetan
1,1 - Dichloetan
1,2 - Dibromoetan

Hợp chất vô cơ
Acsen
Cadmi
Clo
Cobal
Đồng
Chì
Mangan


22
Tetrachloeten
Trichloroeten
Cis - 1,2 - dichloroeten
Trans - 1,2 - dichloroeten
1,1 - dichloroeten
Vinylchlorua
1,2,3 - trichloropropan
1,2 - dichloropropan
Benzen

Nickel

Selenium
Uranium
Kẽm
Nitrate
Phostphate
Sulphate

Bảng 1.1. Danh sách những hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể bị khử bởi nZVI
1.2.4.2. Ứng dụng trong y dược
*Phân tách và chọn lọc tế bào, DNA:
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại
thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm
tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân
tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những
phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được
chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên
cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường
bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các
hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô xít sắt. Các hạt
này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh
học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA)... Hóa chất bao phủ
không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề
mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân
tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ.
Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề
mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như
các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với


23

các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để
đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt
hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra
các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi
khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các
tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải
lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét. Quá trình phân
tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ
trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào
được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được
giữ lại và thoát ra ngoài.
*Dẫn truyền thuốc:
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị
liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa
bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị
ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng
các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ
thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được
nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi
là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: (i)
thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm
giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị.
Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với
thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang.
Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ
thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu,
người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập
trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ
thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả

24
thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym
hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như
độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ.
*Đốt nhiệt từ:
Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài
mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong
những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính. guyên
tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100
nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng
một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn
về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô hưởng ứng mà
tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ
khoảng 42 °C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các
tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn.
1.2.4.3. Ứng dụng trong điện tử
Công nghệ nano cũng được ứng dụng rộng rãi trong ngành
điện tử. Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ
biến trên thị trường, một số sản phẩm như bàn phím, chuột
cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn.
Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nano
whiskers, khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất
nhiều lần, từ đó giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn trong
khi kích thước của pin sẽ ngày càng được thu nhỏ.


25
1.3. Tổng quan về chất thải hữu cơ mang màu trong
nước thải dệt nhuộm

1.3.1. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm
Nguồn nước thải phát sinh trong công nghiệp dệt nhuộm từ
các

công

đoạn hồ sợi, giũ hồ, nấu, tẩy, nhuộm và hoàn tất. Trong đó
lượng

nước

thải

chủ yếu do quá trình giặt sau mỗi công đoạn. Nhu cầu sử dụng
nước

trong

nhà

máy dệt nhuộm rất lớn và thay đổi tùy theo mặt hàng khác
nhau.

Theo

phân

tích của các chuyên gia, lượng nước được sử dụng trong các
công

đoạn

sản

xuất chiếm 72,3 %, chủ yếu là từ các công đoạn nhuộm và hoàn
tất

sản

phẩm.

Người ta có thể tính sơ lược nhu cầu sử dụng nước cho 1 mét vải
nằm

trong

phạm vi từ 12 - 65 lít và thải ra 10 - 40 lít nước. Vấn đề ô nhiễm
chủ

yếu

trong

ngành công nghiệp dệt nhuộm là sự ô nhiễm nguồn nước. Xét
hai

yếu

tố

là

lượng

nước thải và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải thì
ngành

dệt

nhuộm

được đánh giá là ô nhiễm nhất trong số các ngành công nghiệp.
[3]
1.3.2. Đặc tính của nước thải dệt nhuộm
Đặc tính của nước thải dệt nhuộm nói chung đều chứa các
loại hợp chất tạo màu hữu cơ, do đó có các chỉ số pH, DO, BOD,