TÁCH CHIẾT NANOSILICA TỪ VỎ TRẤU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÁCH CHIẾT NANOSILICA TỪ VỎ TRẤU
GVHD: TS. Lê Thị Duy Hạnh
SVTH: Võ Tất Vinh
MSSV: V1204572

Tp.HCM, tháng 12/2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------Số:
/BKĐT
KHOA: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
------------------

BỘ MÔN: VẬT LIỆU SILICATE

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
HỌ VÀ TÊN: VÕ TẤT VINH

MSSV: V1204572

1. Đầu đề luận văn : TÁCH CHIẾT NANOSILICA TỪ VỎ TRẤU
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dụng và số liệu ban đầu)
- Xử lý nhiệt vỏ trấu và khảo sát khả năng hòa tan của tro trấu trong mô
trƣờng kiềm
- Tạo hạt silica có kích thƣớc nanomet từ bằng phƣơng pháp sol-gel.
- Khảo sát khả năng phân tán của hạt silica trong dung môi.
- Khảo sát khả năng hòa tan của hạt silica trong dung môi từ đó đánh khả
năng ứng dụng của nano silica vào thực tế.
3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 1/9/2016
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31/12/2016
5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: TS. Lê Thị Duy Hạnh
Phần hƣớng dẫn: 100%
Nội dung và yêu cầu LVTN đã đƣợc thông qua bộ môn.
Ngày ………..tháng ……….. năm 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHÍNH
(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Lê Thi Duy Hạnh
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ): .............................................................................................
Đơn vị: ....................................................................................................................

Ngày bảo vệ: ...........................................................................................................
Điểm tổng kết: ........................................................................................................
Nơi lƣu trữ luận văn: ................................................................................................


TRƢỜNG ĐH BÁCH KHOA
NAM
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
--------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
---------------------

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN
(Dành cho ngƣời hƣớng dẫn/phản biện)
1. Họ và tên sinh viên:……………………………………………………………….
MSSV:…………………Ngành (chuyên ngành):…………………………………
2. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn/phản biện:…………………………………….……..
3. Tổng quát về bản thuyết trình:……………………………………………………
- Số trang : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Số chƣơng : ………………………..
- Số bảng số liệu : ……………. Số hình vẽ : ………………………..
- Số tài liệu tham khảo : …………….. Phần mềm tính toán : ………………..
- Hiện vật (sản phẩm) : ……………….
4. Tổng quát về các bản vẽ:
- Số bản vẽ: ………bản A1:………...bản A2:………….khổ khác:………..
- Số bản vẽ tay:…………………..Số bản vẽ trên máy tính:…………….
5. Những ƣu điểm chính của LVTN: ………………………………………………
……………………………………………….…………………………………
6. Những thiếu sót chính của LVTN:………………………………………………..

……………………………………………………………………………………….
7. Đề nghị:
Đƣợc bảo vệ:

Bổ sung thêm để bảo vệ :

Không đƣợc bảo vệ:

8. Câu hỏi sinh viên phải trả lời trƣớc hội đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu):
1.………………………………………………………………………………….
2.………………………………………………………………………………….
Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, trung bình):
Điểm:………./10.
Ngày …… tháng …… năm 2016
Ký tên (ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
Đề tài mang tính mới trong điều kiện nghiên cứu của Việt Nam. Cả lý thuyết và các
nghiên cứu chủ yếu đƣợc công bố bằng tiếng Anh. Tuy nhiên, sinh viên Võ Tất
Vinh đã thể hiện kỹ năng tiếp cận tài liệu khá tốt.
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, anh Võ Tất Vinh đã nỗ lực khắc phục tình
hình thiếu thiết bị tạo mẫu bằng nhiều hình thức khác nhau nhƣ kết hợp thiết bị ở
nhiều phòng thí nghiệm khác nhau. Anh Võ Tất Vinh chăm chỉ, nỗ lực suốt thời
gian làm luận văn để đi đến kết quả cuối cùng.
Dù còn vài hạn chế về mặt trình bày cũng nhƣ kiến thức, tuy nhiên luận văn của anh
Võ Tất Vinh đƣợc trình bày hợp lí và logic. Anh Võ Tất Vinh đã cố gắng giải thích
các kết quả thực nghiệm thu đƣợc trong khả năng hiểu biết của mình.
Giáo viên hƣớng dẫn

TS. Lê Thi Duy Hạnh


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Giáo viên phản biện


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

LỜI CẢM ƠN
Em xin cám cô Lê Thị Duy Hạnh đã hƣớng dẫn một cách tận tình, nhiệt

huyết , cung cấp cho em những kiến thức quan trọng trong quá trình thực hiện đề tài
Tách chiết nano silica từ vỏ trấu.
Em cũng xin cám ơn đến quý thầy cô Bộ môn Silicat, khoa Công nghệ Vật
Liệu cũng nhƣ trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện,
môi trƣờng học tập thuận lợi, giúp em bổ sung những kiến thức quan trọng, hữu ích,
làm nền tảng cho đề tài luận văn cũng nhƣ cho công việc và cuộc sống sau này.
Em cũng xin cảm ơn thầy Trần Văn Khải, giảng viên thuộc Bộ môn Vật liệu
Kim loại và Hợp kim, đã tận tình hỗ trợ cơ sở vật chất, trang thiết bị cho em thực
hiện đề tài này, xin cám ơn thầy Nguyễn Học Thắng, giảng viên trƣờng Đại học
Công nghệ Thực phẩm đã hỗ trợ các phân tích của em trong đề tài này, xin cám ơn
thầy Nguyễn Trần Hà, giảng viên Bộ môn Vật liệu Năng lƣợng đã hỗ trợ những
máy móc hiện đại trong quá trình thực hiện.
Cám ơn gia đình đã luôn hỗ trợ, động viên em trong quá trình thực hiện đề
tài.
Xin gửi lời cám ơn đến tập thể lớp VL12SI đã luôn giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện.
Do cơ sở vật chất còn thiếu thốn, vốn kiến thức còn hạn chế nên không thể
tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực thực luận văn, rất mong nhận đƣợc
những đóng góp từ thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cám ơn.
Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện

i


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Silica, công thức hóa học là SiO2, là hợp chất tồn tại phổ biến trên Trái Đất.
Trong tự nhiên, silica có mặt trong nhiều loại vật liệu nhƣ cát,opal, vỏ trấu … Ngày
nay, silica, đặc biệt là silica ở kích thƣớc nano (dạng hạt) đƣợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực nhƣ điện-điện tử, y sinh … nhờ vào diện tích bề mặt riêng lớn, hoạt
tính cao và không độc hại cho cơ thể ngƣời ( với hàm lƣợng phù hợp).
Đề tài Tách chiết nanosilica từ vỏ trấu đã tổng hợp thành công hạt nanosilica
có kích thƣớc trong khoảng từ 10 đến 20 nm. Cấu trúc, kích thƣớc hạt và hình dạng
hạt đã đƣợc kiểm tra bằng các phƣơng pháp phân tích XRD, XRF, FTIR, TEM.
Đề tài cũng khảo sát sơ bộ về khả năng tƣơng thích sinh học của hạt
nanosilica qua thí nghiệm xác định khả năng hòa tan của hạt nanosilica trong dung
môi nƣớc cất.

ii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... ii
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ viii
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề..................................................................................................... 1
1.2. Tình hình thực tế........................................................................................... 1

1.2.1. Tình hình quốc tế ................................................................................... 1
1.2.2. Tình hình trong nƣớc.............................................................................. 2
1.3. Mục tiêu ....................................................................................................... 2
1.4. Nhiệm vụ ...................................................................................................... 3
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG ........................... 4
2.1. Các thuật ngữ ................................................................................................ 4
2.2. Giới thiệu về vỏ trấu và tro trấu .................................................................... 4
2.3. Silica............................................................................................................. 5
2.3.1. Cấu trúc của silica .................................................................................. 5
2.3.2. Quá trình tạo hạt silica từ monomer (silicic acid) ................................... 7
2.3.3. Quá trình tạo silicagel từ silica dạng rắn ................................................. 9
2.3.4. Phân loại silica ..................................................................................... 11
2.3.4. Các đặc tính của silica (dạng hạt) ......................................................... 12
2.3.3.1. Đặc tính vật lý của hạt silica .......................................................... 12
2.3.3.2. Đặc tính hóa bề mặt của silica ....................................................... 13
iii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

2.3.3.3. Ứng dụng của hạt nano silica......................................................... 14
CHƢƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ...................................................... 16
3.1. Lựa chọn phƣơng pháp ............................................................................... 16
3.1.1. Phƣơng pháp sol-gel ............................................................................ 16
3.1.2. Cơ sở lựa chọn ..................................................................................... 18
3.2. Nguyên liệu và hóa chất .............................................................................. 18
3.3. Trình từ thí nghiệm ..................................................................................... 18
3.3.1. Xử lý nhiệt vỏ trấu và xử lý sản phẩm sau nung ................................... 18

3.3.2. Hòa tan tro ........................................................................................... 18
3.3.3. Trung hòa dung dịch sodium silicate .................................................... 19
3.3.4. Ly tâm thu sản phẩm gel, xử lý nhiệt gel và phân tán ........................... 19
3.4. Lựa chọn các phƣơng pháp phân tích .......................................................... 20
3.4.1. Phƣơng pháp phân tích thành phần khoáng, thành phần hóa ................. 20
3.4.2. Phƣơng pháp phân tích hình dạng và kích thƣớc hạt silica.................... 20
3.4.3. Phƣơng pháp phân tích các dao động liên kết đặc trƣng tồn tại trong sản
phẩm .............................................................................................................. 20
3.4.4. Phƣơng pháp xác định khả năng hòa tan của hạt silica trong nƣớc cất .. 20
3.5. Kết quả, nhận xét và bàn luận ..................................................................... 21
3.5.1. Kết quả xử lý và phân tích nguyên liệu ................................................ 21
3.5.1.1. Xác định hàm lƣợng tro trong vỏ trấu ............................................ 21
3.5.1.2. Kết quả phân tích thành phần hóa của tro ...................................... 21
3.5.1.3. Kết quả phân tích thành phần pha của tro ...................................... 22
3.5.2. Kết quả thí nghiệm tách chiết silica từ vỏ trấu ...................................... 23
3.5.2.1. Kết quả của quá trình hòa tan tro trong dung dịch NaOH .............. 23
3.5.2.2. Kết quả thí nghiệm trung hòa dung dịch sodium silicate ................ 25
iv


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

3.5.3. Kết quả sản phẩm ................................................................................. 26
3.5.3.1. Đánh giá khả năng tạo nano bằng mắt ........................................... 26
3.5.3.2. Kết quả phân tích liên kết trong sản phẩm FTIR ............................ 28
3.5.3.3. Kết quả phân tích hình dạng và kích thƣớc hạt bằng TEM ............. 29
3.5.3.4. Kết quả thí nghiệm kiểm tra độ hòa tan của hạt nano silica trong
nƣớc cất ..................................................................................................... 31

CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 33
4.1. Kết luận ...................................................................................................... 33
4.2. Kiến nghị .................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 34
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 36

v


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sơ đồ mô mỏng và ảnh phân tích SEM của bề mặt vỏ trấu[6] ................. 5
Hình 2.2: Các dạng biến đổi thù hình của SiO2 [3].................................................. 6
Hình 2.3: Cơ chế ngƣng tụ monomer thành polymer[4] ........................................... 7
Hình 2.4: Cơ chế hoạt động của chất hoạt động bề mặt[9] ....................................... 8
Hình 2.5: Ảnh hƣởng của nhiệt độ và pH đến khả năng hòa tan của silica vô định
hình[4]..................................................................................................................... 9
Hình 2.6: Khả năng hòa tan của silica trong các dung môi pH khác nhau[4] ............ 9
Hình 2.7: Cơ chế trung ngƣng monomers thành polymer[11] ................................ 10
Hình 2.8: Phản ứng của các monomers phát triển thành gel trong dung dịch sodium
silicate[8] .............................................................................................................. 10
Hình 3.1: Qui trình thực hiện thí nghiệm ............................................................... 17
Hình 3.2: Trình tự thí nghiệm tổng hợp nanosilica ................................................. 19
Hình 3.3: Kết quả phân tích XRD của tro trấu không qua xử lí acid....................... 22
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tan tro trong dung dịch NaOH
.............................................................................................................................. 23
Hình 3.5: Ảnh hƣởng của tỉ lệ tro/NaOH đến hiệu suất quá trình hòa tan............... 24

Hình 3.6: Dung dịch sodium silicate từ tro ............................................................ 25
Hình 3.7: Sản phẩm gel sau quá trình trung hòa bằng HCl ..................................... 26
Hình 3.8: Hạt nano sau khi đƣợc phân tán vào nƣớc cất trong bể siêu âm .............. 27
Hình 3.9: Phổ phân tích FTIR của hạt nano silica .................................................. 28
Hình 3.10: Kết quả phân tích TEM của hạt nano silica mẫu D4 ở các độ phóng đại
khác nhau .............................................................................................................. 29
Hình 3.11: Kết quả phân tích TEM của hạt nano silica mẫu D5ở nhiều độ phóng đại
khác nhau .............................................................................................................. 30
Hình 3.12: Khả năng hòa tan của hạt nano silica trong nƣớc cất ............................ 31

vi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kết quả xử lí nhiệt vỏ trấu ......................................................................... 21
Bảng 3.2: Thành phần hóa của tro rửa acid và tro không rửa acid .............................. 22
Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tan tro trong dung dịch NaOH . 23
Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của tỉ lệ tro/NaOH đến quá trình hòa tan ................................. 24
Bảng 3.5: Thí nghiệm trung hòa dung dịch sodium silicate ......................................... 25
Bảng 3.6: Kết quả xử lí nhiệt các mẫu gel................................................................... 26
Bảng 3.7: Khả năng hòa tan của hạt nano silica trong nƣớc cất ................................... 31

vii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
SiNP:

Silica nanoparticles

TEOS:

Tetraethyl orthosilicate

XRD:

X-Ray diffraction

XRF:

X-Ray flourescence

TEM:

Transmission electron microscopy

FTIR:

Fourier transformation InfaRed

TEA:

Triethanol amine

TGF-:

Transforming growth factor beta

BMP:

Bone morphogenetic proteins

DNA:

Deoxyribonucleic acid

DLS:

Dynamic light scattering

ICP/MS:

Inductively coupled Plasma/Mass Spectrometry

viii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

1. CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Silica, công thức hóa học là SiO2, là một hợp chất có mặt phổ biến trên trái
đất. Trọng tự nhiên, silica có thể tồn tại ở dạng tinh thể nhƣ quartz, cristoballite hay
dạng vô định hình nhƣ quartzite, opal …
Tùy theo nguồn gốc hình thành, silica (ở dạng đơn chất) có dải phân bố kích
thƣớc hạt khá rộng từ milimet đến nanomet. Ở kích thƣớc hạt cỡ nanomet, hạt silica
kích thƣớc nano (SiNP) lại thể hiện những đặc tính ƣu việt hơn so với các kích
thƣớc lớn hơn và có thể sử dụng nhƣ chất hấp phụ, chất mang thuốc, phụ gia trong
thuốc, thành phần của một số loại composite, vật liệu y sinh, vật liệu cho linh kiện
điện- điện tử[1]. Hiện nay, có nhiều cách để tổng hợp hạt silica kích thƣớc nanomet.
Phƣơng pháp sol-gel đƣợc xem nhƣ cách thông dụng, đơn giản và phù hợp với qui
mô thực hiện trong phòng thí nghiệm[2]. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) là nguyên
liệu phổ biến nhất để tổng hợp silica có kích thƣớc nanomet, tuy nhiên TEOS lại có
giá thành cao. Bên cạnh đó, thủy tinh lỏng cũng đƣợc xem là nguyên liệu rẻ tiền để
tổng hợp silica.
Vỏ trấu đƣợc cân nhắc nhƣ một nguồn nguyên liệu thô tiềm năng cho việc
tách chiết hạt silica vì hàm lƣợng silica trong vỏ trấu cao. Hơn nữa, tái sử dụng tro
trấu để chế tạo vật liệu gắn liền với việc bảo vệ môi trƣờng. Đặc biệt là Việt Nam,
quốc gia xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới, việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp
là vỏ trấu vừa góp phần làm giảm gánh nặng môi trƣờng vừa có nguồn cung cấp
nguyên liệu dồi dào.
1.2. Tình hình thực tế
1.2.1. Tình hình quốc tế
Trên thế giới, việc tổng hợp hạt silica kích thƣớc nanomet đã đạt đƣợc những
thành tựu nhất định từ rất lâu. Ý tƣởng tổng hợp hạt silica bằng phƣơng pháp sol gel

1

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

đã hình thành bởi Giáo sƣ Jerzy Zarzycki[3] thuộc viện nghiên cứu Trạng thái thủy
tinh vào năm 1979 tại Montpellier, Pháp.
Ngày nay, việc tổng hợp SiNP bằng phƣơng pháp sol-gel ngày càng phổ biến
và dễ dàng hơn. Các nghiên cứu về tổng hợp SiNP gần đây chủ yếu tập trung vào
các ứng dụng nhƣ cảm biến sinh học và chất vận chuyển thuốc. Nghiên cứu của
Juan L. Vivero[3] thuộc khoa Hóa học, Đại học North California, Mỹ vào năm 2010
đã nghiên cứu và tổng hợp hạt silica kích thƣớc đạt 20 đến 50 nm ứng dụng cho
việc vận chuyển thuốc vào tế bào (sử dụng phƣơng pháp nhuộm màu và quan sát
hình ảnh tế bào) trong cơ thể. Tƣơng tự là nghiên cứu của Dennis Douroumis và
đồng nghiệp thuộc Đại học Greenwich, Vƣơng Quốc Anh vào năm 2012 cũng đã
tổng hợp đƣợc hạt silica kích thƣớc từ 30 đến 50 nm ứng dụng cho việc mang
thuốc[3]. Nghiên cứu của Jing Qian và Songqin Liu thuộc Đại học Đông Nam, Nam
Kinh, Trung Quốc vào năm 2012[3] đã ứng dụng hạt silica tổng hợp đƣợc thông
qua phƣơng pháp sol-gel ứng dụng cho việc làm cảm biến sinh học, hỗ trợ cho việc
nghiên cứu các tế bào cơ thể ngƣời nhằm mục đích trị bệnh. Nhìn chung, trên thế
giới hiện nay đã đạt đƣợc nhiều thành tựu trong việc tổng hợp SiNP bằng phƣơng
pháp sol-gel và bƣớc đầu ứng dụng những thành quả này vào thực tiễn.
1.2.2. Tình hình trong nƣớc
Hiện nay, ở Việt Nam, một vài nhóm nghiên cứu cũng đã bắt đầu tổng hợp
đƣợc SiNP ở qui mô phòng thí nghiệm. Đơn cử nhƣ nghiên cứu của nhóm Lê Văn
Hải, Hà Thúc Chí Nhân và Hà Thúc Huy đã tổng hợp thành công hạt silica đạt kích
thƣớc vài nanomet vào năm 2013[2].
Đề tài nghiên cứu này cũng nhằm mục đích tổng hợp hạt silica kích thƣớc
nanomet bằng phƣơng pháp sol-gel với dự định ban đầu là ứng dụng cho việc dùng
hạt nanosilica làm phụ gia cho vật liệu tạo xƣơng nhân tạo tại Bộ môn Vật liệu
Silicate, Trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.

1.3. Mục tiêu
- Trích chiết hạt silica có kích thƣớc nanomet từ vỏ trấu bằng phƣơng pháp
sol-gel.
2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

- Khảo sát khả năng phân tán của hạt silica trong dung môi.
- Khảo sát khả năng hòa tan của hạt silica trong dung môi từ đó đánh khả
năng ứng dụng của nano silica vào thực tế.
1.4. Nhiệm vụ
- Xử lý nhiệt vỏ trấu để thu đƣợc sản phẩm là tro.
- Làm giàu silica trong tro bằng dung dịch hydrochloric acid, đồng thời xử lý
các oxide kim loại.
- Phân tích thành phần khoáng và thành phần hóa của tro trƣớc và sau khi rửa
bằng acid bằng phƣơng pháp phân tích XRD và XRF.
- Trích chiết hạt silica từ tro bằng phƣơng pháp sol-gel bao gồm các quá
trình: hòa tan, trung hòa, ly tâm.
- Xử lý nhiệt sản phẩm sau quá trình sol-gel để thu đƣợc hạt silica kích thƣớc
nanomet.
- Khảo sát khả năng phân tán của silica trong dung môi (nƣớc cất).
- Phân tích và đánh giá kết qủa sản phẩm – hạt silica thông qua các phƣơng
pháp phân tích FTIR và TEM.
- Đánh giá khả năng phân hủy sinh học của hạt nanosilica thông qua mức độ
hòa tan của hạt silica kích thƣớc nano (SiNP) bằng thí nghiệm xác định khả năng
hòa tan trong nƣớc cất.

3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

2. CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG
2.1. Các thuật ngữ
“Silica” là thuật ngữ dùng làm tên gọi chung của silicon dioxide ở nhiều
dạng cấu trúc khác nhau nhƣ tinh thể, vô định hình …
“Silanol” đƣợc dùng để chỉ những gốc hydroxyl ( gốc OH-) bất kỳ liên kết
với bề mặt của hạt silica[4].
“Nanosilica” là từ dùng để chỉ hạt silica có kích thƣớc từ vài nanometers đến
vài trăm nanomet.
2.2. Giới thiệu về vỏ trấu và tro trấu
Lúa gạo là một nguồn lƣơng thực quan trọng của hầu hết các quốc gia trên
thế giới, với hơn bảy mƣơi quốc gia trên thế giới sản xuất lúa gạo. Tổng sản lƣợng
gạo sản xuất năm 2016 đạt hơn 470 triệu tấn. Thành phần vỏ trấu chiếm 20% khối
lƣợng hạt gạo, vậy trong năm 2016 ngành nông nghiệp thế giới thải ra hơn 94 tấn vỏ
trấu. Ở Việt Nam, năm 2016 nƣớc ta sản xuất ra trên 28 triệu tấn gạo[2]. Vỏ trấu là
phế phẩm nông nghiệp trong quá trình sản xuất lúa gạo. Việc sử dụng vỏ trấu để
tổng hợp các sản phẩm khác vừa làm giảm gánh nặng về môi trƣờng vừa giảm chi
phí xử lý chất thải[5].Hiện nay, nhiều nghiên cứu đang cố gắng tìm các giải pháp
hiệu quả tận dụng nguồn phế phẩm này.
Cấu trúc của vỏ trấu là composite giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ. Thành phần
chính của vỏ trấu bao gồm những sợi hữu cơ nhƣ cellulose, lignin, hemicellulose.
Bên cạnh các chất hữu cơ đó, silica đƣợc xem là thành phần chính trong vỏ trấu[2].
Ngoài ra, trong vỏ trấu còn chƣa các kim loại khác nhƣ Na, K … Sơ đồ cấu trúc mô

phỏng và phân tích vỏ trấu đƣợc thể hiện ở hình 2.1.

4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

Hình 2.1: Sơ đồ mô mỏng và ảnh phân tích SEM của bề mặt vỏ trấu[6]
Vỏ trấu đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ: bón cho cây trồng,
tách chiết silica, tổng hợp than hoạt tính, làm nhiên liệu cho các lò gốm, làm gạch,
cốt liệu cho các hệ bê tông thực vật …[5]
Khi vỏ trấu đƣợc xử lí nhiệt ở 800oC, các hợp chất hữu cơ bị phân hủy, chỉ
còn lại silica và các oxide kim loại. Phần còn lại đƣợc gọi là tro trấu. Hàm lƣợng
silica trong tro chiếm từ 90 đến 98% khối lƣợng[2], và thƣờng có cấu trúc vô định
hình ( tùy thuộc vào phƣơng pháp xử lý nhiệt) đây là dạng cấu trúc phù hợp cho quá
trình hòa tan tro trấu trong phƣơng pháp sol-gel. Ngoài thành phần chính là silica,
tro trấu còn có một số tạp chất nhƣ K2O, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, Fe2O3. Tro trấu
còn có những đặc tính quan trọng nhƣ lỗ xốp nhiều, nhẹ, diện tích bề mặt riêng lớn.
2.3. Silica
2.3.1. Cấu trúc của silica
Silica có cấu trúc gồm các đa diện phối trí của cation Si4+. Điển hình là tứ
diện cấu trúc [SiO4]4-, trong đó cation Si4+ ở vị trí trung tâm, bao quanh là bốn anion
O2-. Các tứ diện [SiO4]4- liên kết với nhau hoặc liên kết với các cation khác để đảm
bảo mạng lƣới cấu trúc trung hòa về điện tích[7]. Trong tất cả các hợp chất silica

5

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

đều chứa liên kết Si-O, liên kết này bền vững hơn so với các liên kết S-X, có chiều
dài liên kết 0.162 nm, ngắn hơn so với bán kính nguyên từ của nguyên tố silicon
(0.192 nm). Cấu trúc kiểu tứ diện [SiO4]4- là phổ biến trong silica và các hợp chất
silicate, nhƣng vẫn tồn tại một số chất mà trong đó tồn tại kiểu cấu trúc [SiO6]8-[8].
Trong tự nhiên, silica tồn tại trong cát, thạch anh, đất sét, quartzite … Silica
có thể tồn tại ở dạng tinh thể hoặc vô định hình. Các dạng biến đổi cấu trúc (pha) và
thù hình của silica đƣợc thể hiện ở hình 2.2.

Hình 2.2: Các dạng biến đổi thù hình của SiO2 [3]
Dãy biến đổi: α-quartzα-tridimiteα-critoballiteDạng lỏng xảy ra tƣơng
đối chậm do có sự biến đổi mạnh cấu trúc, liên kết và sự sắp xếp lại tứ diện [SiO4]4biến đổi, cần năng lƣợng hoạt hóa cao. Dạng thù hình α-quartz là dạng thù hình
tƣơng đối bền nhiệt động.
Các dạng biết đổi α--- xảy ra tƣơng đối nhanh hơn do không có sự
biến đổi mạnh về cấu trúc tinh thể.
Nung nóng chậm ở 573oC: -quartzα-quartz, α-quartz có thể bền tới
1023oC nếu không có tạp chất, sau đó chuyển thành -cristoballite. Nếu hàm lƣợng
tạp chất lớn tạo với SiO2 thì xảy ra quá trình: α-quartzα-tridimitα-critoballite
Khi làm nguội sự biến đổi rất khác nhau. Tridimit và cristoballite thƣờng khó
biến thành α-quartz.
Ta thấy α-quartz và α-critoballite có thể chuyển đổi trƣợc tiếp cho nhau, còn
tridimit chỉ xuất hiện khi có mặt tạp chất [7].
6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

2.3.2. Quá trình tạo hạt silica từ monomer (silicic acid)
Quá trình tạo silicagel và hạt silica từ monomer là một chuỗi phức hợp các
quá trình bao gồm polymer hóa, kết tụ và mất nƣớc. Một cách ngắn gọn, quá trình
bắt đầu từ:
- Phản ứng phân cực của silicic acid Si(OH)4 trong nƣớc hay dung môi thông
qua quá trình bẻ gãy liên kết Si-O-Si và hình thành liên kết Si-OH (silanol) trong
dung dịch. Phản ứng của quá trình:
Si-O-Si +H2O  Si-OH + OH-Si
- Quá trình này diễn ra với cơ chế chính là phản ứng bề mặt của hạt silica với
nhóm OH-.
- Quá trình trùng hợp và ngƣng tụ thành chuỗi polymer của SiO2 bắt đầu xảy
ra trên bề mặt các nhóm silanol nhƣ đƣợc thể hiện ở hình 2.3.

Hình 2.3: Cơ chế ngưng tụ monomer thành polymer[4]

7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

- Quá trình polymer hóa từ monomer và kết tụ thành hạt silica phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố, đặc biệt là pH của dung dịch và sự có mặt các muối hay các chất
hoạt động bề mặt.
- Quá trình này diễn ra theo phản ứng:
(SiO2)x + 2H2O = Si(OH)4 + (SiO2)x-1
Si(OH)4 + OH- = Si(OH)5Trong giai đoạn trung hòa, có thể có sự xuất hiện của chất hoạt động bề mặt.

Cất hoạt động bề mặt thƣờng có dạng mạch dài, chất này có tác dụng tạo thành một
tƣờng mỏng bao quanh hạt silica và tồn tại bền vững trong dung dịch. Các chất hoạt
động bề mặt liên kết với hạt silica gây hiệu ứng cản trở không gian, qua đó sản
phẩm sẽ đạt kích thƣớc hạt nhỏ hơn[9] nhƣ mô tả ở hình hình 2.4.

Hình 2.4: Cơ chế hoạt động của chất hoạt động bề mặt[9]

8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

2.3.3. Quá trình tạo silicagel từ silica dạng rắn
Từ pH 10.7 trở lên, pha rắn silica vô định hình tăng mạnh khả năng hòa tan.
Quá trình hòa tan này cũng phụ thụ vào nhiệt độ. Hình 2.5 thể hiện ảnh hƣởng của
pH và nhiệt độ đến quá trình hòa tan[4].

Hình 2.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến khả năng hòa tan của silica vô định
hình[4]
Khi lƣợng silica hòa tan trong dung môi bão hòa, nếu tiếp tục tăng nồng độ,
silica bị hòa tan trong dung môi sẽ tái kết tinh[4]. Hình 2.6 thể hiện khả năng hòa
tan của silica trong dung môi có pH khác nhau theo thời gian.

Hình 2.6: Khả năng hòa tan của silica trong các dung môi pH khác nhau[4]
9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

Trong trƣờng hợp tổng hợp SiNP từ muối sodium silicate, cơ chế của quá
trình trùng hợp các monomers tạo gel đucợ thể hiện ở hình 2.7.

Hình 2.7: Cơ chế trung ngưng monomers thành polymer[11]
Dung dịch sodium silicate có tính kiềm mạnh, pH từ 13 đến 14. Để silica
dạng gel hình thành trong dung dịch, pH của dung dịch cần giảm đến môi trƣờng
acid (pH gần bằng 4) hoặc pH từ 7 đến 10 đối với môi trƣờng có mặt muối. Trong
môi trƣờng trên, các hạt silica sẽ tái hình thành và liên kết với nhau tạo thành gel do
việc giảm các gốc hydroxyl xung quanh monomer silicate[4]. Ta dùng hydrochloric
acid cho đến khi pH đạt đến môi trƣờng cần thiết. Khi giảm pH trong dung dịch sẽ
hình thành các hạt gel, thời gian phản ứng càng kéo dài thì lƣợng gel hình thành
càng nhiều và các hạt gel ban đầu cũng phát triển kích thƣớc to hơn[2]. Khi gel
đƣợc hình thành, xung quanh silica dạng gel sẽ tồn tại trên bề mặt các gốc silanol,
bản chất là các gốc hydroxyl[4]. Phản ứng các mononers tạo liên kết với nhau gel
trong dung dịch sodium silicate đƣợc thể hiện qua hình 2.8.

Hình 2.8: Phản ứng của các monomers phát triển thành gel trong dung dịch
sodium silicate[8]
10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

2.3.4. Phân loại silica
Phân loại theo mức độ tƣơng tác với dung môi

Dựa theo mức độ tƣơng tác với dung môi trong dung môi của silica, ta có thể
chia silica thành các nhóm nhƣ sau:
- Silica hòa tan hay silicic là dung dịch mà silica tồn tại ở trạng thái dung
dịch và có thể tạo liên kết với nƣớc hoặc dung môi.
- Silica sol: dạng silica sol thƣờng đƣợc hình thành khi pH của dung dịch mà
silica bị hòa tan có giá trị đạt đến 8 hoặc 9 ( điều chỉnh bằng acid ). Trong dung dịch
này, hình thành các hạt keo có kích thƣớc từ 1 đến 100 m phân tán trong dung
dịch. Đặc tính chính của silica sol là tồn tại trong đó những hạt silica dạng cầu và
không có lỗ xốp có cấu trúc vô định hình.
- Silica hydrogel: khi pH tiếp tục giảm, các hạt silica xuất hiện ngày càng
nhiều cho đến khi các hạt keo liên kết với nhau thông qua liên kết giữa các nhóm
silanols. Các quá trình chính bao gồm: bắt đầu tạo gel, đông lại, keo tụ và tạo dạng
gel hoàn chỉnh. Trong quá trình bắt đầu tạo gel, các hạt keo bắt đầu liên kết với
nhau và dần dần thay thế thể tích pha lỏng bằng dạng gel trong dung dịch. Các liên
kết hình thành ngày càng nhiều và dần dần phá vỡ trạng thái keo của dung dịch và
tạo dạng gel trong toàn bộ thể tích dung dịch.
- Silica xerogel: sau khi rửa hydrogel, nƣớc đƣợc loại bỏ bằng cách sấy silica
hydrogel sẽ tạo ra xerogel chứa các hạt silica vô định hình. Trong quá trình xử lý
nhiệt, các hạt silica sẽ bị co lại tạo hình cầu hoặc có thể là các hạt silica có thể kết
khối lại với nhau tạo các to hơn. Tính chất của sủa silica xerogel có sự khác biệt rất
lớn so với silica hydrogel.
- Silica aerogel: nung sản phẩm silica ở nhiệt độ cao sẽ tạo aerogel, trong đó
gồm các hạt silica có kích thƣớc từ 5 đến 50 nm. Silica aerogel còn có tên thƣơng
mại là Aerosil hay Cabosil[12].

11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH

Phân loại theo liên kết bề mặt
Silica còn có thể đƣợc phân loại theo thành phần của các chất liên kết với bề
mặt của nó. Tùy theo dạng liên kết, thành phần này có thể làm tăng khối lƣợng của
hạt silica lên 30%[4]. Silica (dạng vô định hình) có thể tồn tại bốn kiểu liên kết sau:
- Liên kết tạo các nhóm silanols (Si-OH) và liên kết tạo nhóm siloxanes
(Si-O-Si)
- Liên kết tạo nhóm lƣỡng cực (Si-O-C)
- Liên kết tạo các nhóm carbics (Si-C)
- Liên kết tạo các nhóm nitrits (Si-N=)
Phân loại theo độ xốp
Theo cách phân loại này, silica đƣợc chia ra làm hai loại chính là silica có lỗ
xốp và silica không có lỗ xốp. Dựa trên quan điểm này, silica không có lỗ xốp là
silica hydrogel, còn silica có lỗ xốp là những silica đã qua quá trình xử lý nhiệt nhƣ
silica xerogel và silica aerogel[12].
2.3.4. Các đặc tính của silica (dạng hạt)
2.3.3.1. Đặc tính vật lý của hạt silica
Silica đƣợc xem không dẫn điện, năng lƣợng vùng cấm lớn do đó không có
electron dẫn, có khả năng khúc xạ và hấp thụ ánh sáng lớn ở nhiệt độ cao. Silica
khó hòa tan trong nƣớc và các dung môi hữu cơ[13].
Hạt nanosilica cũng mang những đặc tính vật lý của SiO2 nhƣ dạng bột màu
trắng, mất độ 2.4 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1600oC, nhiệt độ sôi 2230 oC[14], hạt
silica có khả năng phân tán trong trƣớc với tỉ lệ tối đá là 1% khối lƣợng, thông
thƣờng silica đƣợc phân thán trong nƣớc với tỉ lệ 0.1% về khối lƣợng[4].
Hạt silica đƣợc tổng hợp qua quá trình sol-gel có một tính chất quan trọng là
trên đó tồn tại nhiều lỗ xốp. Đặc tính của hệ thống lỗ xốp của silica bao gồm kích
thƣớc, hình dạng và cấu trúc (kín hay hở). Kích thƣớc lỗ xốp trên hạt silica nằm
trong khoảng 1 đến 10000 nm. Việc có nhiều lỗ xốp trên bề mặt làm cho silica có

12