NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO SILICA VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ KIM LOẠI CHÌ TRONG NƯỚC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

Nguyễn Văn Thành

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU
NANO SILICA VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ
KIM LOẠI CHÌ TRONG NƯỚC

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành: Khoa học môi trường
(Chương trình đào tạo: Chất lượng cao)

Cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Xuân Huân

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Xuân Huân,
Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã chỉ bảo tận tình và giúp
đỡ tôi trong thời gian thực hiện khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Môi trường, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên đã truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian tôi
học tập tại trường.
Tôi cũng xin cảm ơn phòng thí nghiệm Nghiên cứu môi trường, phòng thí
nghiệm bộ môn Tài nguyên và môi trường đất đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
hoàn thành các thí nghiệm.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn ủng hộ và động viên trong
quá trình học tập cũng như hoàn thành khóa luận.

Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Sinh viên: Nguyễn Văn Thành


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Giải nghĩa

b

Hằng số đặc trưng chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

Ce

Nồng độ dung dịch tại trạng thái cân bằng

Co

Nồng độ dung dịch ban đầu

FTIR

Phổ hồng ngoại

mg

Miligam

ml

Mililit

nm

Nanomet

NASA

Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ

Pb

Chì

Qe

Dung lượng hấp phụ

Qmax

Dung lượng hấp phụ cực đại

US

Hoa Kỳ

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TEOS

Tetraetoxysilan

XRD

Phổ Rơngen

XRF

Phổ huỳnh quang tia X


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn.....................15
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua.................16
Hình 3. Mô hình phát xạ huỳnh quang....................................................................17
Hình 4. Sơ đồ cấu tạo và cơ chế hoạt động của máy PCD Mütek 05. Phân bố ion
trong dung dịch khi không có dòng chuyển động (a) và có dòng chuyển động (b).19
Hình 5. Dung dịch sol nano silica...........................................................................22
Hình 6. Sản phẩm nano silica.................................................................................22
Hình 7. Giản đồ XRD của nano silica.....................................................................23
Hình 8. Giản đồ XRD của nano silica điều chế bởi Xuejing Chen, Jianguo Jiang,
Feng Yan, Sicong....................................................................................................23
Hình 9. Phổ huỳnh quang tia X của vật liệu nano silica..........................................24
Hình 10. Phổ IR của các hạt nanosilica...................................................................24
Hình 11. Ảnh Fe-SEM của các hạt nanosilica.........................................................26

Hình 12. Ảnh Fe-SEM của các hạt nanosilica chế tạo bởi Thái Hoàng và nhóm
nghiên cứu .............................................................................................................26
Hình 13. Ảnh hưởng của pH đến sự biến thiên điện tích bề mặt của nano silica....27
Hình 14. Nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các thời gian khác nhau
................................................................................................................................ 28
Hình 15. Nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các pH khác nhau.......30
Hình 16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chì của vật liệu nano silica............32
Hình 17. Nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và hiệu suất xử lý khi thay đổi nồng độ chì
(Pb2+) ban đầu.........................................................................................................32
Hình 18. Nồng độ chì sau xử lý và hiệu suất xử lý chì của nano silica...................34


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Kết quả phân tích định lượng các nguyên tố có trong mẫu.......................23
Bảng 2: Kết quả xác định điện tích bề mặt của vật liệu nano silica ở các pH khác
nhau.......................................................................................................................27
Bảng 3. Số liệu khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý..................28
Bảng 4. Số liệu khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý...........................29
Bảng 5. Số liệu về nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và tính toán số liệu thiết lập phương
trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir........................................................................31
Bảng 6. Số liệu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nano silica đưa vào đến hiệu
suất xử lý chì.........................................................................................................33


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1


MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, nông nghiệp

và đô thị hóa, con người phải đối mặt với nhiều nguy cơ về ô nhiễm môi trường,
đặc biệt là vấn đề ô nhiễm kim loại nặng điển hình là ô nhiễm kim loại chì trong
nước đang nhận được nhiều sự quan tâm.
Chì là nguyên tố tự nhiên có khối lượng nguyên tử cao, tỉ trọng lớn và được
ứng dụng phổ biến trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, y tế và công nghệ.
Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi chì trong nhiều lĩnh vực cùng với các nguồn gây ô
nhiễm chì như khai thác mỏ, nước thải làng nghề, nước thải công nghiệp, luyện
kim... đã và đang làm tăng mối quan ngại về tác động tiềm tàng của chúng đối tới
sức khỏe con người và môi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý ô nhiễm kim loại
chì trong nước đang được cho là hướng nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn cao cần
được khuyến khích hiện nay. Có nhiều phương pháp xử lý chì khác nhau đã được áp
dụng như: phương pháp hóa lý (kết tủa hóa học, oxy hóa-khử, trao đổi ion, xử lý
điện hóa) và sinh học (hấp phụ và hấp thụ bằng thực vật thủy sinh, vật liệu sinh học,
chuyển hóa sinh học). Tuy nhiên, công nghệ nano là một công nghệ mới được ứng
dụng hiệu quả trong xử lý ô nhiễm. Vật liệu nano silica là vật liệu nano có nhiều ưu
điểm và tính năng vượt trội như tỷ trọng thấp, bền nhiệt, cơ học và trơ hóa học, nó
giúp tăng khả năng và hiệu quả của việc ứng dụng vào xử lý các vấn đề môi trường.
Như vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica và ứng dụng xử lý
kim loại chì trong nước” là công trình nghiên cứu tiếp nhận được công nghệ tiên
tiến, có khả năng áp dụng thực tế với những nội dung chính: Điều chế vật liệu nano
silica và nghiên cứu khả năng xử lý kim loại chì trong nước.

1


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm công nghệ nano và vật liệu nano [2]
Nano có nghĩa là nanomét (ký hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét một đơn vị đo

lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất là nguyên
tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử: 1 nm, vi khuẩn:
50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm.
Công nghệ nano là ngành công nghệ điều khiển hình dáng, kích thước trên
quy mô nanomet (1nm = 10-9m) trong thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các
cấu trúc, thiết bị, hệ thống. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
• Cơ sở khoa học nano
• Phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet
• Chế tạo vật liệu nano
• Ứng dụng vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet,
có thể tồn tại ở 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Hiện nay, chúng ta đang chủ yếu tập
trung nghiên cứu vật liệu nano ở trạng thái rắn, sau đó mới đến các chất lỏng và khí.
Hình dáng vật liệu nano được phân ra thành 3 loại chính gồm:
• Vật liệu nano không chiều – cả 3 chiều đều có kích thước nano, không
còn chiều tự do điện tử (ví dụ: hạt nano, đám nano).
• Vật liệu nano một chiều – hai chiều có kích thước nano, một chiều tự do
cho điện tử (ví dụ: ống nano, dây nano).
• Vật liệu hai chiều – một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên
2 chiều (ví dụ: màng mỏng).
Ngoài ra, hình dáng vật liệu nano còn có loại vật liệu có cấu trúc nano hay
các hợp phần nano (trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm) hoặc
cấu trúc của nó có nano không chiều, 1 chiều và 2 chiều đan xen lẫn nhau.[2]
1.1.2. Lịch sử hình thành của công nghệ nano
2


Thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) xuất hiện từ những năm 70 của
thế kỷ XX, chỉ việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và
hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét. Chúng

có độ chính xác rất cao 0,1 - 100nm, tức là chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân
tử.
Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi
Lohman sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200nm. Năm 1974,
Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano hàm ý sự liên kết các vật
liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano
biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ mét. Cho tới nay, vẫn chưa có được
một định nghĩa thống nhất về công nghệ nano. Theo cơ quan Hàng không Vũ trụ
Hoa Kỳ (NASA), công nghệ nano là công nghệ chế tạo ra các cấu trúc, vật liệu,
thiết bị và hệ thống chức năng với kích thước đo bằng (khoảng từ 1 đến 100nm) và
khai thác ứng dụng các đặc tính độc đáo của những sản phẩm này. Công nghệ nano
cũng có thể hiểu là ngành công nghệ dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện
tượng, tính chất của cấu trúc vật lý có kích thước đặc trưng ở thang nano.
1.1.3. Đặc điểm, tính chất của vật liệu nano [2]
Các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn
bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm
xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, là khả năng xúc tác hấp phụ và các
tính chất điện, quang, từ, xúc tác...
Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano 3
hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước.
• Hiệu ứng bề mặt
Ở vật liệu nano, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên
tử của vật liệu lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối, nên số các tâm hoạt hóa
và diện tích bề mặt của vật liệu cũng tăng lên rất nhiều so với vật liệu dạng khối. Vì
thế các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề
mặt… của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó đã mở ra những ứng dụng mới
trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang
quan tâm, nghiên cứu.
• Hiệu ứng kích thước

3


Các vật liệu truyền thống thường đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lý,
hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi,
tính axit… Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ bất biến nếu kích
thước vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thước vật liệu
xuống đến cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm), thì các đại lượng lý, hóa ở trên không
còn bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích
thước. Kích thước mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất được gọi là
kích thước giới hạn. Ví dụ như: Điện trở của một kim loại ở kích thước vĩ mô mà ta
thấy hàng ngày sẽ tuân theo định luận Ohm. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu
xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường là
vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở
của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử.
Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học… của các vật
liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1nm đến 100nm, nên ở vật liệu nano
các tính chất này đều có biểu hiện khác thường so với vật liệu truyền thống.
• Hiệu ứng lượng tử
Đối với các vât liệu thông thường hình thành từ rất nhiều nguyên tử (1µm 3
vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử). Các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho
tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của
từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với vật liệu
nano, do kích thước của vật liệu nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng
tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các
hiệu ứng lượng tử như hiệu ứng đường ngầm…
1.1.4. Tổng quan về vật liệu nano silica
1.1.4.1. Khái quát vật liệu nano silica
Nano silica là loại vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng cao do có ưu điểm:
tỷ trọng thấp, bền nhiệt và cơ học và trơ hóa học. Hạt nano silica chứa tâm màu là

các hạt SiO2 xốp kích thước nano chứa được một số lượng lớn phân tử màu hữu cơ
trong một hạt silica đơn. Nền silica lại ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng
tương thích sinh học cao. Nano silica dễ dàng biến tính để tăng hiệu quả sử dụng
của từng mục đích.
a) Cấu trúc của nano silica [17]

4


Silica là tên thường gọi của đioxit silic (SiO 2), có cấu trúc mạng lưới không
gian ba chiều, trong đó mỗi nguyên tử ôxi nằm ở đỉnh, còn silic nằm ở tâm của tứ
diện đều, nếu các tứ diện này được sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica
cấu trúc tinh thể, ngoài ra silica còn có cấu trúc vô định hình. Silica không tồn tại
dưới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dưới dạng tinh thể, nghĩa là dưới dạng một
phân tử khổng lồ.
Silica được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên ở dạng cát hay thạch anh, cũng
như trong cấu tạo thành tế bào của tảo cát. Silica là một khoáng vật phổ biến trong
vỏ Trái Đất. Silica có thể tổng hợp được ở nhiều dạng khác nhau như: Silica gel,
Silica khối, aerogel, xerogel, silica keo, silica xốp,...
Trong tự nhiên với điều kiện áp suất thường, silica tồn tại chủ yếu ở dạng
tinh thể hoạc vi tinh thể (thạch anh, triđimit, cristobalit, cacedoan, đá mã não). Một
số dạng silica có cấu trúc tinh thể được tạo ra ở nhiệt độ và áp suất cao như coesit
và stishovit. Như vậy, mỗi dạng đa hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ
thấp, dạng β bền ở nhiệt độ cao.
Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO 4 nối
với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO 4, nguyên tử Si nằm ở
trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ
diện. Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác
nhau và tính trung bình cứ trên mặt nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức
của silic đioxit là SiO2.

Ba dạng đa hình của silic đioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diện
SiO4 trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp sao cho các
nguyên tử Si nằm trên đường xoắn ốc. Tùy theo chiều của đường xoắn ốc mà ta có
thạch anh quay trái hay quay phải. Trong triđimit, các nguyên tử Si chiếm vị trí của
các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit. Trong cristobalit, các nguyên tử Si
chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphelarit.
Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của silic
đioxit có cấu trúc vi tinh thể. Mã não là chất rắn, trong suốt, gồm có những vùng có
màu sắc khác nhau và rất cứng. Opan là một loại đá quý không có cấu trúc tinh thể.
Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa không
khí, nước hay hơi nước. Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, đỏ, lục và
đen do có chứa các tạp chất.

5


Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silic đioxit nặng
hơn thạch anh là coesit (được tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt độ 250 oC) và
stishovit (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 1300oC).
Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đun nóng bất kì dạng nào khi để nguội
chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một vật liệu vô định hình giống như
thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và không
nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi
nóng chảy ra. Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định được rằng trong trạng
thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống
như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn
hơn.
b) Tính chất
Silica (SiO2) màu trắng, có tỉ trọng 2,4 g/cm 3 và khối lượng phân tử là 59,96
g/mol. Các tính chất nhiệt của các hạt nano silica được các nhà khoa học nghiên cứu và

tìm thấy là nóng chảy ở 1600oC và sôi ở 2230oC. Silica xốp, diện tích bề mặt lớn vì vậy
silica rất dễ hấp phụ, ví dụ trong không khí ẩm silica hấp phụ nước trên bề mặt tạo các
nhóm OH−. Silica không hòa tan trong nước và bất kỳ dung môi, không độc, không mùi,
ổn định hóa học.
Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và axit
ngay cả khi đun nóng. Ở điều kiện thường, nó chỉ tác dụng với F2 và HF.
SiO2 + 2F2 → SiF4 + O2
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
Silic đioxit còn tan trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy:
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2
Những phản ứng này cũng xảy ra chậm ở trong dung dịch khi đun sôi silic đioxit
ở dạng bột mịn.
1.1.4.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu
Có nhiều phương pháp tổng hợp nano silica từ các nguồn với dung môi, xúc
tác, pH, nhiệt độ khác nhau. Smith và đồng nghiệp đã tổng hợp hạt nano silica có
kích thước từ 20-80 nm bằng việc thủy phân tetraetoxysilan (TEOS) trong dung

6


dịch etanol với xúc tác bazơ (dung dịch NH 3) [21]. Branda đã tổng hợp silica từ
TEOS và 3-aminopropyl trietoxysilan [13]. Roque-Malherbe và Mar-quez đã tổng
hợp silica theo phương pháp của Stöber sử dụng hỗn hợp etanol và metanol (Stöber
chỉ sử dụng etanol) [19].
a) Phản ứng nhiệt phân
Phương pháp này thường dùng để tổng hợp muội silica, SiCl 4 được chuyển
sang pha khí ở nhiệt độ cao bằng ngọn lửa hydro oxy rồi phản ứng với nước theo
phương trình:
SiCl4 + 2H2 → SiO2 + HCl

Silica tạo thành có diện tích bề mặt rất lớn, mịn và bề mặt trơn, dễ phân tán
trong nền polyme. Vì vậy, muội silica thường dược ứng dụng nhiều trong công
nghiệp chất dẻo sơn.
b) Phản ứng thủy phân và phương pháp sol – gel [14,20]
Phương pháp sol – gel do R.Roy đề xuất năm 1956 cho phép trộn lẫn các
chất ở quy mô nguyên tử. Phương pháp là một chuỗi các phản ứng hóa học bắt đầu
đi từ dung dịch sol của các precursor dạng lỏng và rắn… Các hạt sol được phản ứng
thủy phân và ngưng tụ để thành gel. Gel được sấy, nung để loại bỏ các chất hữu cơ
và hình thành sản phẩm cuối cùng ở trạng thái rắn.
Những phần tử ban đầu để tạo thành những hạt sol. Sol hình thành từ các
thành tố kim loại như á kim, bao quanh bởi những ligand khác nhau (hữu cơ kim
loại) hoặc những gốc muối vô cơ (muối vô cơ kim loại).Hữu cơ kim loại là hợp chất
của kim loại – nhóm hữu cơ M(OR)z, M là kim loại hoá trị z và M = Si, Ti, Zr, Al,
Sn, Ce…; OR = (OCnH2n+1): nhóm alkoxide. Muối vô cơ kim loại SnCl 2.2H2O,
SnCl4, SnCl4.5H2O, Zn(CH3COO)2.2H2O, Cd(CH3COO)2.2H2O…
Ưu điểm của phương pháp này là các giai đoạn của phản ứng có thể điều
khiển được để tạo sản phẩm như mong muốn, không gây ô nhiễm môi trường. Sử
dụng phương pháp sol – gel, ta có thể chế tạo ra các hợp chất ở dạng khối, bột siêu
mịn, màng mỏng và sợi. Để tổng hợp các hạt nano silica theo phương pháp sol – gel
thường đi từ hai khuynh hướng chính: thủy phân muối, thủy phân các alkoxide.
• Phương pháp sol- gel theo con đường thủy phân muối
Na2SiO3 + H2SO4 → SiO2 + H2O + Na2SO4

7


Kết quả tạo thành sol, rồi sol đông tụ thành gel, sau khi rửa, sấy khô và nung,
ta thu được nano silica.
• Phương pháp sol- gel đi từ các alkoxide
Phản ứng tổng hợp nano silica bằng phương pháp sol-gel thường là phản ứng

thủy phân tetraalkoxysilan, phương pháp này được mô tả bởi hai loại phản ứng cơ
bản là phản ứng thủy phân và polyme hóa ngưng tụ.
Các phân tử mới được tạo thành sẽ nối với nhau theo phản ứng polyme hóa
để tạo ra bộ khung cấu trúc cuối cùng. Quá trình sol- gel bao gồm cả hai phản ứng
cơ bản: đầu tiên là các phản ứng thủy phân tạo dung dịch hoạt tính, tiếp theo là phản
ứng polyme hóa đa ngưng tụ cùng với sự tiếp tục thủy phân.
Chất lượng và hình dạng của sản phẩm cuối cùng tùy thuộc vào loại alkoxide
và các chất khác sử dụng trong phản ứng. Tỉ lệ mol giữa TEOS/H 2O sẽ đóng vai trò
quan trọng trong việc hình thành sản phẩm cuối cùng.
Sau khi gel được hình thành, nó thường ở dạng xốp và còn chứa các chất
lỏng trong phần các lỗ xốp. Các chất lỏng này sẽ thường được loại bỏ qua các quá
trình sấy và xử lý nhiệt về sau. Để nhận được các oxit sản phẩm cuối cùng, thì các
khối gel xốp vô định hình này phải được nung để tách loại các chất lỏng còn lại
trong các lỗ xốp và loại bỏ bản thân các lỗ xốp. Sol – gel còn là một phương pháp
sáng tạo ra các vật liệu mới, với nhiều ưu điểm trong nghiên cứu chế tạo vật liệu
mới như dùng để chế tạo ra các tinh thể dạng bột, bột siêu mịn, nano tinh thể, dạng
thủy tinh khối, dạng màng mỏng. Phương pháp này thường được sử dụng để tổng
hợp vật liệu nano silica dạng xốp. Sản phẩm nano silica tạo thành theo phương pháp
này thường ưa nước, khó tương hợp với nền polyme và việc biến tính để sử dụng
cho các mục đích khác nhau là rất cần thiết.
1.1.4.3. Một số ứng dụng của nano silica
Các vật liệu silica đã tồn tại và được phát hiện từ rất lâu, tùy thuộc vào dạng
tồn tại mà chúng được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như gạch, kính, xe
hơi, thủy tinh và gốm sứ, làm chất độn cho nhựa và các silica được dùng để lọc
nước cho trồng trọt,… Các thể tích silica nhỏ được sử dụng như khói thêm vào các
chất rắn dạng bột trong mực in cho máy in và máy photocopy, chất dập lửa hoặc
thậm chí là thức ăn hoặc tác nhân chống bọt ở dạng khối trong cáp cách điện, xúc
tác, phẫu thuật thẩm mĩ, chất hấp thu, phủ giấy, dược phẩm, đánh bóng,...

8

Đối với nano silica, chúng có ưu điểm vượt trội so với các hạt nano khác là
dễ phân tán hơn trong các polyme. Cùng với các đặc tính khác như có độ cứng cao,
bền nhiệt, chống cào xước,… nên hạt nano silica được ứng dụng trong lớp phủ
nanocompozit để bảo vệ chống ăn mòn hay được sử dụng trong gia cường tính chất
của gỗ nhân tạo. Ngoài ra, vật liệu silica còn được biến tính để có thể ứng dụng
trong lĩnh vực y sinh hay sử dụng như chất mang để xử lý ô nhiễm môi trường như
loại bỏ phốt phát, phenol và một số kim loại nặng (Pb, Cd, Hg).
1.2. Tổng quan về kim loại chì và ô nhiễm kim loại chì trong nước
1.2.1. Một vài nét về kim loại chì
Chì là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn hóa học viết tắt là Pb
(Latin: Plumbum) và có số nguyên tử là 82. Chì có hóa trị phổ biến là II, có khi là
IV. Chì là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo hình. Chì có màu trắng
xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khi tiếp xúc với không khí. Chì
dùng trong xây dựng, ắc quy chì, đạn, và là một phần của nhiều hợp kim. Chì có số
nguyên tố cao nhất trong các nguyên tố bền.
a) Tính chất vật lý
Chì có màu trắng bạc và sáng, bề mặt cắt còn tươi của nó xỉ nhanh trong
không khí tạo ra màu tối. Nó là kim loại màu trắng xanh, rất mềm, dễ uốn, nặng, và
có tính dẫn điện kém so với các kim loại khác. Chì có tính chống ăn mòn cao, và do
thuộc tính này, nó được sử dụng để chứa các chất ăn mòn (như axit sulfuric). Do
tính dễ dát mỏng và chống ăn mòn, nó được sử dụng trong các công trình xây dựng
như trong các tấm phủ bên ngoài các khối lợp. Chì kim loại có thể làm cứng bằng
cách thêm vào một lượng nhỏ antimony, hoặc một lượng nhỏ các kim loại khác
như canxi.
Chì dạng bột cháy cho ngọn lửa màu trắng xanh. Giống như nhiều kim loại,
bột chì rất mịn có khả năng tự cháy trong không khí. Khói độc phát ra khi chì cháy.
b) Tính chất hóa học
Các dạng ôxi hóa khác nhau của chì dễ dàng bị khử thành kim loại. Ví dụ

như khi nung PbO với các chất khử hữu cơ như glucose. Một hỗn hợp ôxít và sulfua
chì nung cùng nhau cũng tạo thành kim loại.
2PbO + PbS → 3Pb + SO2

9


Chì kim loại chỉ bị ôxi hóa ở bề ngoài trong không khí tạo thành một lớp chì
ôxít mỏng, chính lớp ôxít này lại là lớp bảo vệ chì không bị ôxi hóa tiếp. Chì kim
loại không phản ứng với các axit sulfuric hoặc clohydric. Nó hòa tan trong axit
nitric giải phóng khí nitơ ôxít và tạo thành dung dịch chứa Pb(NO3)2.
3Pb + 8H+ + 8NO3- → 3Pb2+ + 6NO3- + 2NO + 4H2O
Khi nung với các nitrat của kim loại kiềm, chì bị ôxi hóa thành PbO, và kim
loại kiềm nitrat. PbO đặc trưng cho mức ôxi hóa +2 của chì. Nó hòa tan trong axit
nitric và acetic tạo thành các dung dịch có khả năng kết tủa các muối của
chì sulfat, cromat, cacbonat (PbCO3), và Pb3(OH)2(CO3)2. Chì sulfua cũng có thể
được kết tủa từ các dung dịch acetat. Các muối này đều rất kém hòa tan trong nước.
Trong số các muối halua, iodua là ít hòa tan hơn bromua và bromua ít hòa tan hơn
clorua.
Chì (II) ôxít cũng hòa tan trong các dung dịch hydroxit kim loại kiềm để tạo
thành muối plumbit tương ứng.
PbO + 2OH− + H2O →
Clo hóa các dung dịch muối trên sẽ tạo ra chì có trạng thái ôxi hóa +4.
+ Cl2 → PbO2 + 2Cl− + 2H2O
Chì điôxit là một chất ôxi hóa mạnh. Muối clo ở trạng thái ôxi hóa này khó
được tạo ra và dễ bị phân hủy thành chì (II) clorua và khí clo. Muối iotdua và
bromua của chì (IV) không tồn tại. Chì dioxit hòa tan trong các dung dịch hydroxit
kim loại kiềm để tạo ra các muối plumbat tương ứng.
PbO2 + 2OH− + 2H2O →
Chì cũng có trạng thái ôxi hóa trộn lẫn giữa +2 và +4, đó là chì đỏ (Pb3O4).

Chì dễ dàng tạo thành hợp kim đồng mol với kim loại natri, hợp kim này
phản ứng với các alkyl halua tạo thành các hợp chất hữu cơ kim loại của chì
như tetraethyl chì.
Các phức chất với clo: Các hợp chất chì (II) tạo một loạt các phức chất với
ion clorua, với sự hình thành của chúng làm thay đổi sự ăn mòn hóa học của chì.
Quá trình này sẽ hạn chế khả năng hòa tan của chì trong môi trường mặn.
1.2.2. Nguồn gốc ô nhiễm kim loại chì trong nước

10


Ô nhiễm kim loại nặng trong nước nói chung và ô nhiễm kim loại chì nói
riêng do nhiều nguồn gây lên. Chì có trong nước thải của các cơ sở sản xuất pin,
acqui, luyện kim đen, hóa dầu, khai thác mỏ, sản xuất năng lượng, công nghệ mỹ
phẩm... Hoặc đưa vào môi trường nước từ nguồn không khí bị ô nhiễm do sử dụng
xăng pha chì trong các động cơ của phương tiện giao thông để chống kích nổ trong
động cơ. Thời gian lưu trung bình của hợp chất chì trong không khí là 14 ngày. Do
quá trình tích tụ và lắng đọng, các hợp chất này được giữ lại ở trên bề mặt trái đất
hoặc đi vào đại dương. Ngoài ra nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi cũng là
nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại chì trong nước.
1.2.3. Tác động của ô nhiễm kim loại chì
Độc tính của kim loại chì là rất cao, nó ảnh hưởng đến sức khỏe con người
và sinh vật.
Ngộ độc chì xảy ra do trẻ em ngậm đồ chơi có pha chì. Đặc biệt, ngộ độc chì
kinh niên có thể xảy ra do: ăn các thực phẩm đóng hộp hàn bằng thiếc lẫn chì; uống
nước dẫn qua đường ống pha chì; hít phải bụi chì và các hợp chất của nó trong các
nhà máy sản xuất sơn, làm acquy, mạ kim loại, khai thác chì và đúc chữ in bằng chì;
nhân viên tiếp xúc với xăng dầu chứa chì hữu cơ. Chỉ cần hít thở không khí có nồng
độ 5mg/lít chì hữu cơ đã có thể tử vong.
Ngộ độc chì chủ yếu từ đường thức ăn hoặc nước uống có nhiễm chì; nhưng

cũng có thể xảy ra sau khi vô tình nuốt phải các loại đất hoặc bụi nhiễm chì hoặc
sơn gốc chì. Tiếp xúc lâu ngày với chì hoặc các muối của nó hoặc các chất ôxy hóa
mạnh như PbO2 có thể gây bệnh thận, và các cơn đau bất thường giống như đau
bụng.
Đối với phụ nữ mang thai, khi tiếp xúc với chì ở mức cao có thể bị sẩy thai.
Tiếp xúc lâu dài và liên tục với chì làm giảm khả năng sinh sản ở nam giới.
Ngộ độc chì là một dạng nhiễm độc kim loại do chì trong cơ thể gây ra. Bộ
não là cơ quan nhạy cảm nhất với nhiễm độc kim loại này. Các triệu chứng có thể
bao gồm đau bụng, táo bón, nhức đầu, khó chịu, rối loạn trí nhớ, không có khả năng
có con và ngứa ran ở bàn tay và bàn chân. Nó gây ra gần 10% tình trạng thiểu năng
trí tuệ do nguyên nhân không rõ khác và có thể gây ra các vấn đề về hành vi. Một số
tác động là vĩnh viễn. Trong những trường hợp nặng, thiếu máu, động kinh, hôn mê,
hoặc tử vong có thể xảy ra.

11


Tiếp xúc với chì có thể xảy ra do không khí, nước, bụi, thực phẩm hoặc sản
phẩm tiêu dùng bị ô nhiễm. Trẻ em có nguy cơ cao hơn vì chúng có nhiều khả năng
đặt các đồ vật trong miệng như những đồ chứa chì và hấp thụ một tỷ lệ lớn hơn chì
mà chúng ăn. Phơi nhiễm tại nơi làm việc là nguyên nhân phổ biến gây ngộ độc chì
ở người lớn với nghề nhất định có nguy cơ đặc biệt. Chẩn đoán thông thường bằng
cách đo mức chì trong máu. Các trung tâm kiểm soát dịch bệnh (US) đã thiết lập
giới hạn trên cho chì máu ở người lớn ở 10μg/dl (10μg/100g) và cho trẻ ở
5µg/dl. Lượng chì tăng cũng có thể được phát hiện bởi những thay đổi trong các tế
bào hồng cầu hoặc các đường đặc trong xương trẻ như được thấy trên tia X.
Vào năm 2013, người ta tin rằng chì dẫn đến 853,000 ca tử vong. Nó xảy ra
phổ biến nhất ở các nước đang phát triển. Những người nghèo có nguy cơ cao
hơn. Chì được cho là gây ra 0,6% gánh nặng bệnh tật của thế giới.
Ngộ độc chì có thể phòng ngừa được. Điều này bao gồm những nỗ lực cá

nhân như loại bỏ các vật chứa chì chứa trong nhà, những nỗ lực tại nơi làm việc như
thông gió và giám sát cải tiến, và các chính sách toàn quốc như luật cấm các sản
phẩm như sơn và xăng, trong nước hoặc đất, và cung cấp cho việc dọn sạch đất bị ô
nhiễm. Các phương pháp điều trị chính là loại bỏ nguồn chì và sử dụng các loại
thuốc kết nối chì để nó có thể được loại bỏ khỏi cơ thể, được gọi là phương pháp
điều trị chelation. Liệu pháp Chelation ở trẻ em được khuyến cáo khi mức độ trong
máu lớn hơn 40–45 µg/dl. Các loại thuốc được sử dụng bao gồm dimercaprol,
edetate calcium disodium, và succimer.
1.2.4. Quy chuẩn Việt Nam về kim loại chì trong nước
QCVN 08-MT:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước mặt, theo đó nồng độ giới hạn chì (tổng số) sử dụng tốt cho mục đích
cấp nước sinh hoạt 0,02mg/l (cột A1, A2), sử dụng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi
và mục đích khác là 0,05mg/L (cột B1, B2).
QCVN 09-MT:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước dưới đất, theo đó nồng độ chì (tổng số) giới hạn cho phép trong nước
dưới đất là 0,01mg/L.
QCVN 10-MT:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước biển ven bờ, theo đó nồng độ chì (tổng số) giới hạn cho phép là
0,05mg/L đối với vùng nuôi trồng thủy sản, bảo tồn thủy sinh, với vùng bãi tắm, thể
thao dưới nước là 0,05mg/L, các nơi khác là 0,1mg/L. Đối với vùng biển gần bờ,
12


giá trị giới hạn của nồng độ chì (tổng số) trong nước là 50µg/L. Với vùng biển xa
bờ, giá trị giới hạn của nồng độ chì (tổng số) trong nước là 5µg/L.
QCVN 40:2011/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng
nước thải công nghiệp, theo đó, giá trị giới hạn của nồng độ chì (tổng số) trong
nước thải công nghiệp được quy định là 0,1mg/l đối với nước thải công nghiệp khi
xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (cột A) và 0,5mg/l
đối với nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp

nước sinh hoạt (cột B).

13


CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu nano silica được điều chế tại phòng thí nghiệm Khoa môi trường,
trường Đại học Khoa học tự nhiên.
Mẫu nước được gây nhiễm kim loại chì (dạng Pb 2+) để thử nghiệm khả năng
xử lý nước ô nhiễm bằng nano silica.
2.2. Nội dung nghiên cứu
• Nghiên cứu điều chế vật liệu nano silica
• Nghiên cứu đặc điểm của vật liệu nano silica sau khi điều chế
• Nghiên cứu hiệu quả xử lý kim loại chì trong nước của nano silica và các yếu tố
ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp tổng hợp tài liệu
Các tài liệu được trích dẫn từ các nghiên cứu trong và ngoài nước có giá trị
khoa học cao được tổng hợp và bổ sung cho quá trình nghiên cứu.
2.3.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nano silica
Tổng hợp hạt nano silica bằng phương pháp sol-gel từ TEOS với xúc tác
bazơ. Phản ứng xảy ra theo cơ chế như sau:
Si(OC2H5)4 + 4H2O → Si(OH)4 + 4C2H5OH
Si(OH)4 → SiO2 + 2H2O
Với phương pháp chế tạo này, sản phẩm thu được có kích thước nano (đường
kính hạt từ 60-100nm) phân bố đồng đều.
2.3.3. Phương pháp nghiên cứu một số đặc điểm của vật liệu nano silica
Trong nghiên cứu này, vật liệu nano silica được kiểm tra đặc tính thông qua

phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM),
phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR), phương pháp trắc phổ huỳnh quang tia X
(XRF) và phương pháp xác định điện tích bề mặt bằng cách ứng dụng kỹ thuật phân
tích thế điện động.
2.3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (Xray diffracsion: XRD)
14


Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh
thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực
tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử
dụng để phân tích cấu trúc chất rắn vật liệu. Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X
cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là
do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện
tử và nguyên tử.
Xét một chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc
tới θ. Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những
khoảng đều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng
nhiễu xạ của các tia X. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ
(bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:
ΔL = 2.d.sinθ
Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:
ΔL = 2.d.sinθ = n.λ
Ở đây, n là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,...
Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể.

Hình 1. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn
2.3.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường
viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải

cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron)
hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc
ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt
mẫu vật. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ,
mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM
15


không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn
phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử
tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các
phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Chụp ảnh
SEM có thể cho ta biết cấu trúc bề mặt vật liệu.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua
2.3.3.3. Phương pháp trắc phổ huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence - XRF)
XRF huỳnh quang tia X – là kĩ thuật quang phổ được ứng dụng chủ yếu
trong các mẫu chất rắn, trong đó sự phát xạ tia X thứ cấp được sinh ra bởi sự kích
thích các điện tử của mẫu bằng nguồn phát tia X. Dựa vào việc ghi lại phổ tia X mà
phân tích được thành phần, nồng độ của mẫu với độ chính xác cao, có khả năng
phân tích được nhiều nguyên tố và không làm mẫu bị phá hủy.
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này dựa trên việc khi bắn tia X mang
năng lượng lớn vào mẫu – nguyên tử: Mức năng lượng này lớn hơn nhiều so với
năng lượng liên kết các lớp electron cấu tạo nên nguyên tử, xảy ra hiện tượng điện
tử các lớp điện tử bao quanh nhân bị bắn ra. Do bị trống nên các photon lớp kế tiếp
nhảy lại để lấp các lỗ trống mà photon bị đẩy ra ngoài. Sự chuyển dịch các photon
mang năng lượng này sẽ phát ra năng lượng - phát sáng được gọi là hiện tượng
huỳnh quang. Mô tả đơn giản hơn, nguyên lý được hiểu như sau: Mỗi một nguyên
tố khi phát xạ sẽ có một phổ khác nhau, và cường độ màu sẽ đặc trưng cho hàm
lượng của nguyên tố trong mẫu .Từ đó sẽ định tính và định lượng được nguyên tố

16


có trong mẫu phân tích. Chính vì vậy, các nhà khoa học đã chế tạo ra máy quang
phổ huỳnh quang XRF, với ứng dụng xác định hàm lượng, thành phần nguyên tố
kim loại, phi kim... tồn tại trong mẫu.

Hình 3. Mô hình phát xạ huỳnh quang
2.3.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)
Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật
phân tích rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp
phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia
X, cộng hưởng từ điện tử,…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc
phân tử nhanh, có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng mà không đòi
hỏi các phương pháp tính toán phức tạp cùng với hàm lượng chất mẫu phân tích rất
thấp. Sự vận hành của máy quang phổ FTIR dựa trên 2 nguyên lý:
• Mỗi hợp chất hoá học hấp thụ năng lượng hồng ngoại ở 1 tần số đặc trưng.
• Cấu trúc cơ bản của vật chất có thể được xác định bằng vị trí các vạch hấp thu
của phổ nhận được.
Các số liệu ghi nhận được từ phổ hồng ngoại cung cấp rất nhiều thông tin về
chất nghiên cứu. Dưới đây là một số ứng dụng của phương pháp FTIR
Nhận dạng vật liệu và định lượng:
• Hợp chất hữu cơ.
• Cấu trúc một số hợp chất vô cơ.
17


• Giám định pháp y.
• Xác định vật liệu đồng nhất.

Khả năng phân tích:
•
•
•
•
•

Hiệu suất kết dính.
Định lượng thiết bị đúc nhỏ.
Phân lớp vật liệu.
Ăn mòn hoá học.
Chất lượng điều khiển hiển thị.

2.3.2.5. Phương pháp xác định điện tích bề mặt bằng cách ứng dụng kỹ thuật
phân tích thế điện động [3]
Khả năng hấp phụ ion của vật liệu phụ thuộc một phần vào mật độ điện tích
(âm hoặc dương) trên bề mặt chúng. Tuy nhiên, giá trị điện tích bề mặt vật liệu có
sự biến thiên nhất định do nhiều yếu tố gây nên (pH, nồng độ ion hòa tan,…). Do
vậy, việc phát triển các công cụ xác định trực tiếp điện tích bề mặt là hết sức cần
thiết. Các công cụ phân tích điện tích bề mặt chủ yếu phát triển dựa trên lý thuyết
lớp điện kép và sự biến đổi của thế điện động zeta (ζ). PCD Mütek là thiết bị phân
tích thế điện động ζ được tích hợp với bộ chuẩn độ để định lượng điện tích bề mặt
được phát triển bởi BTG Instruments GmbH, CHLB Đức. Hoạt động của thiết bị
này cơ bản dựa trên phân tích thế điện động của dung dịch khi có dòng chuyển
động. Trong dung dịch tĩnh, các ion phân bố tương đối đồng nhất quanh các hạt keo.
Khi xuất hiện dòng chuyển động của dung dịch, sự phân bố của các ion quanh
những hạt keo này trở nên không đồng nhất (như mô tả trong hình a, b). Một lưỡng
cực được hình thành xung quanh mỗi hạt và tác động lên sự di chuyển của các hạt
trong một trường điện từ để hình thành nên điện thế trong dung dịch. Thế điện động
này được phân tích bởi hai điện cực Au trên máy PCD và được biểu diễn bằng ±mV.

Tùy theo thế điện động là âm hay dương (phụ thuộc bản chất các phần tử keo trong
dung dịch) ion hữu cơ mang điện tích trái dấu sẽ được chọn để chuẩn độ và định
lượng mật độ điện tích. Ion hữu cơ mang điện tích dương thường dùng là
Polydiallyldimetylamoni chlorua (Poly-DADMAC), trong khi đó ion hữu cơ mang
điện tích âm là Natri polyetylensufonat (PES-Na). Quá trình chuẩn độ sẽ kết thúc
khi thế điện động bằng không.

18


Hình 4. Sơ đồ cấu tạo và cơ chế hoạt động của máy PCD Mütek 05. Phân bố ion
trong dung dịch khi không có dòng chuyển động (a) và có dòng chuyển động (b)
Trong đề tài này, sự biến thiên giá trị điện tích bề mặt của nano silica dưới
ảnh hưởng pH sẽ được xác định nhờ máy PCD Mütek 05. 20 mg mẫu nano silica
được cho vào 20 ml dung dịch HNO3 hoặc NaOH có nồng độ phù hợp để có được
giá trị pH tại 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9. Dung dịch chứa mẫu được chuyển vào ống PCD
teflon (PTFE) và gắn vào máy PCD kết nối với mô đun chuẩn độ tự động đi kèm.
Tùy thuộc vào thế điện động của mẫu là âm hoặc dương mà các dung dịch tương
ứng được sử dụng để chuẩn độ là Poly-DADMAC 0,0005N hoặc Pes-Na 0,0005N.
Quá trình chuẩn độ sẽ kết thúc khi thế điện động bằng không. Mật độ điện tích (q)
được biểu diễn bằng số mmol điện tích trong một đơn vị khối lượng và được tính
theo công thức:

q=

V.C
m

(1)

Trong đó:
V: thể tích dung dịch chuẩn độ (ml)
C: nồng độ dung dịch chuẩn độ (molc(+) hoặc (-) L-1)
m: lượng mẫu có trong dung dịch (g).
2.3.4. Nghiên cứu hiệu quả xử lý chì bằng vật liệu nano silica
2.3.4.1. Phương pháp pháp phổ phát xạ plasma ICP-OES

19